光学电场传感器的研究_章超重点

2013.No31摘要通过光电传感器检测绝缘子周围场强的分布,研究光电传感器的原理。对光电效应的理论进行研究,由于电场

强度的变化会引起晶体介电常数的变化,通过对介电常数变化

来分析,检测场强的大小,同时由于晶体不含任何金属所以对

于周围电场影响小可以减小测量误差。

关键词光电传感器光电系数介电常数电场强度

相位差

根据经典电学理论,电位移矢量D和电场强度E存在如下关

系式:D=εE。式中ε称为介电常数,对于各向异性的晶体,

ε是一个二阶张量,D和E的三个分量可以用下式表示

其中εij是二阶对称张量,独立分量个数为6个。

折射率n0和介电常数ε0的关系为n02=ε0。外加电场引起

晶体的介电常数发生变化,相当于折射律的变化,因此

n=n0+αE

ε0、n0是静电场时的介电常数和折射率。aE引起的折射率变化称为线性电光效应(Pockels效应。

引入逆介电张量β0=1/ε0,外加电场引起变化表示为•

β,对于存在线性电光效应的晶体有:

•β=γE

γ称为线性电光系数,由于β独立分量有6个(同ε,电

场方向的独立分量有3个,所以γ独立分量为6x3=18个

该矩阵乘法记为: •βn=γnkEk

外加电场使晶体折射率的变化可以用折射率椭球方程来描述,椭球体的矢径方向表示光线的坡印亭方向,其长度表示该方向折射率。

折射率椭球一般方程式展开写成:

β1x12+β2x22+β3x32+2β4x2 x3+2β5x1 x3+2β6x1

x2=1

1 理论原理

1.1 光学电场传感器原理

电场传感器的基本原理:光源发出激光耦合入单模光纤,

传感头内通过准直透镜将激光耦合到空间中,用起偏器使其成

为线偏振光,再经过1/4波片后分裂成圆偏振光,其快慢轴分别

平行于BGO晶体在电场作用下的两个感应主轴,通过晶体后,其

偏振态不变,但是相位发生了变化,且和被测电场强度相关。

用检偏器将两束相互垂直的偏振光提取同方向分量,得到干涉

光强。将出射光进行光电转换,把光强的变化变成电信号的变

化,反应被测电场的变化

BGO晶体的线性电光系数矩阵如下:

光学电场传感器的研究

章超 1 朱龙顺 2

(1,山西省电力公司长治供电分公司,山西长治 046000

将BGO晶体的线性电光系数代入•βn=γnkEk得

其中(E1,E2,E3是外电场E在电光晶体主轴方向的分量, 展开得

•β1=•β2=•β3=0,•β4=γ41E1,•β5=γ41E2,• β6=γ41E3

在没有外电场及干扰双折射时,BGO晶体是光学各向同性体,其逆介电张量: β1=β2=β3=β0=1/ε0,β4=β5=β6=0

在外加电场E的作用下,BGO晶体的折射率椭球方程:

(x12+x22+x32/n02+2γ41(E1x2 x3+ E2x1 x3+ x1 x2=1当通光方向和外加电场方向平行时,电场作用下的光轴方向为y1y2y3,调制偏振光振动方向为y1y2

1.2 空间电场感应

对于空间电场测量的应用,由于传感头本身尺寸小,绝缘性能良好,材料介电常数都较小(2-16,且不含任何金属,因此对空间本身电场的影响可以忽略。

传感头绝缘性能良好,可以认为表面不会积累大量电荷, 因此近似认为晶体-空气界面上的电位移矢量D连续。晶体的相对介电常数为ε2=16。由D=εE,得到ε2 E2=ε1E1,即E2= E1/16。

上式表明,在不考虑边缘效应和的表面感应电荷积累的情况下,晶体感应电场强度为空气中电场强度的1/16。

2 验证试验设计和系统指标预测

2.1 晶体等效电光系数测量

实验环境下将传感头放在平板电极中间,间距8mm,其中晶体5mm,玻璃3mm,晶体通光方向垂直于电场方向。交流电压 96V/50Hz。

晶体长度d2=2cm,晶体相对介电常数ε2=16,玻璃相对介电常数1

由: D1=D2

解得: E2= 33V/cm

BGO晶体的等效电光系数为γ(pm/V,电光效应相位差由下式计算:

δ=(π/λn03γE2l = (π/0.85x10-6 x23 x γ x10-12 x33 x 2=1.94x10-3γ

试验中,PIN探测器直流电压为160mV,交流电压幅度 17.8mV/51=0.35mV,对应变化率δ=2.18*10-3

由光电流变化率等于电光系数相位差计算得

γ=2.18x10-3/1.94x10-3=1.12(pm/V

2.2 空间电场测量线性度

非线性失真是由于加载信号到响应信号之间的关系实际上是正弦响应在4/π处的小范围变化,近似认为是线性关系,但实际上,认为sin(δ+4/π/sinδ= 1 的条件是x非常接近0。|δ|<0.24时有,(δ-sinδ/sinδ<0.01,非线性失真小于1%的条件是δ<0.24,其对应的晶体内电场强度为

E= 0.24/[(π/λn03γl] =1.13kV/mm

对于GIS内电场测量,内部电场强度可达到1.1kV/mm,且内部充满SF6,其介电常数为3,因此晶体感应电场强度大约为 1.1kV/mm*3/16=0.206kV/mm,在此范围内,可认为测量结果线性,其误差小于1%。

在其他场合,例如绝缘子周围电场强度测试,其最高电场强度远小于GIS内部,可不用考虑测量电场强度范围。

2.3 传感器对强电场耐受能力

电光晶体作为电场传感器或者电压互感器的核心器件,其绝缘优势使其可以轻易的承受高电压和强电场。通过简单地放置在绝缘外壳中增加合适的爬距就可以完成安装。不但节省了造价,也节省了占地面积。

通常,该传感器放置在强电场中,即使空气都能击穿的电场强度也无法击穿传感头本身。但在如此强的电场环境中, 虽然传感头不会损坏,但其测量结果会出现轻微的非线性。这是材料固有的性质,无法通过外界手段来消除的。需要做的只是通过内建电场仿真分析,调整传感头外壳内的的电场分布形式,同时测定传感头测量结果线性区所对应的外电场强度。 3 结论

本文通过对光电传感器理论和实验的研究,得出以下结论:

(1光电效应可以在检测电场强度的应用。

(2光学电场传感器对电场本身的影响非常小,可以用来准确地检测电场强度。