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光電壓傳感器

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  • 發(fā)布時間:2015/4/2 10:39:56
  • 作者:銀河電氣
定義
光電壓傳感器是利用普克爾斯效應(pockels efect)原理(描述電場對透明晶體影響的電光效應)的光電壓互感器。
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光電壓傳感器原理

  光波是一種橫波,它的光矢量與傳播方向垂直。如果光波的光矢量方向不變,大小隨相位改變,這樣的光稱為線偏振光;如果光矢量的大小不變,而方向繞傳播方向均勻的轉(zhuǎn)動,這樣的光稱為圓偏振光;如果光矢量和大小都在有規(guī)律的變化,且光矢量的末端沿著一個橢圓轉(zhuǎn)動,這樣的光稱為橢圓偏振光。
  在電場(或電壓)的作用下,一些本身沒有雙折射現(xiàn)象的材料會產(chǎn)生雙折射效應,使光波的兩偏振分量之間出現(xiàn)相位差,這就是電光效應。檢測出相位差,就可以計算出電壓或電場強度的大小。由于相位較難測量,故一般利用偏光干涉原理將相位調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制,傳感器輸出光強的大小即能反映被測電壓,這就是光電壓傳感器測量電壓的基本原理。

 一種使用的光電壓傳感器示意圖
圖示:一種實用的光電壓傳感器示意圖

  光電壓傳感器的檢測原理類似于光電流傳感器,由一個1/4波長板和兩個偏振器組成的偏振檢測系統(tǒng)將普克爾斯偏振調(diào)制轉(zhuǎn)化為強度調(diào)制。普克爾斯晶體縱向外加電壓u(t),離開晶體的偏振光強度可用下式表示:

離開晶體的偏振光強度表達式

  式中:
  P0——輸入光強度;
  K——普克爾斯靈敏度常數(shù)。
  通過測量偏振光強度、輸入光強度,我們就可以計算得到外部施加電壓(即被測電壓)。
注:1、某些透明的光學介質(zhì)在外加電場的作用下,折射率會隨外加電場線性變化。這種現(xiàn)象就是普克爾斯效應或線性電光效應。
  2、光束入射到各向異性的晶體,分解為兩束光而沿不同方向折射的現(xiàn)象,它們是振動方向互相垂直的線偏振光。光在非均質(zhì)體中傳播時,其傳播速度和折射率值隨振動方向不同而改變,其折射率值不止一個。光波入射非均質(zhì)體,除特殊方向以外,都要發(fā)生雙折射,分解成振動方向互相垂直,傳播速度不同,折射率不等的兩種偏振光,此現(xiàn)象稱為雙折射。

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光電壓傳感器應用優(yōu)勢及局限

01應用優(yōu)勢

  1、光電壓傳感器不存在任何導電因素,絕緣性好,可以在電氣上實現(xiàn)低壓側(cè)與高壓側(cè)的完全隔離,由于采用了光纖傳送信號,抗電磁干擾能力強。
  2、無鐵心和線圈,不存在磁飽和、鐵磁諧振問題,消除了磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象而使得互感器運行的暫態(tài)響應好,不會因磁飽和而導致大電流時檢測靈敏度的下降,穩(wěn)定性高保證了系統(tǒng)運行的高可靠性。
  3、頻響特性好,工作帶寬高,有利于檢測電網(wǎng)諧波及浪涌電壓,電壓傳感頭部分的頻率響應取決于光纖在傳感頭上的渡越時間,實際能測量的頻率范圍主要取決于電子線路部分的帶寬。光電壓傳感器可測量電路線路上的高次諧波,這是傳統(tǒng)電壓互感器難以實現(xiàn)的。
  4、光纖的體積小、質(zhì)量輕、信號傳輸損耗小,適合于遠距離測量。
  5、不存在二次短路、開路的危險,過電壓時不存在危險,抗沖擊能力強。
  6、適應了電力系統(tǒng)自動化、智能化和網(wǎng)絡化的需要。

02應用局限

  光電壓傳感器科研開發(fā)現(xiàn)狀雖已取得不少進展,但從總體水平而論,應用局面尚未打開。這固然有與傳統(tǒng)傳感器的價格競爭問題和使用習慣問題,還有就是產(chǎn)品性能穩(wěn)定的問題,這牽涉到需要保持穩(wěn)定的光源強度、由探測器噪聲引起的傳感器輸出不穩(wěn)定以及光傳感器本身的優(yōu)化設計問題。總的來看,光電壓傳感器存在的主要問題有如下幾點。
  1、光電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性問題。由于傳感材料及環(huán)境因素的影響,使得傳感器的穩(wěn)定性不高。
  2、光電壓傳感器的光路系統(tǒng)會產(chǎn)生光路擾動,整個傳感器系統(tǒng)也無法避免地會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)噪聲,如何減小系統(tǒng)噪聲帶來的誤差是尚待解決的問題。
  3、光電壓傳感器的實用化進程緩慢。雖然不少研究者提出了各式各樣的光電壓傳感器系統(tǒng)模型,但多數(shù)處于試驗室研制階段。

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