基于液体电介质的光纤电场测量传感技术研究

发布时间：2017-04-13 04:16

  本文关键词：基于液体电介质的光纤电场测量传感技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着电力技术的快速发展，电场监测变得越来越重要。传统光学电场传感器大多基于电光晶体，其测量系统由分立器件组成，因此体积庞大易受外界干扰，存在着温度交叉影响等问题。集成式光学传感器将所有器件集成，大大缩小了传感器体积，但其制作工艺复杂，不易制作。全光纤型电场传感器因其体积小、抗电磁干扰以及便于远程测量等优点备受青睐。目前报道的全光纤型电场传感器大多基于压电材料或液晶材料，基于压电材料的电场传感器一般需要保偏光纤，考虑偏振等问题，信号解调较复杂，基于液晶材料全光纤传感器存在温度交叉等问题且测量范围小。本文利用液体电介质在电场作用下发生Kerr效应和流动现象，提出了三种全光纤电场传感器，包括大偏置结构Mach-Zehnder干涉仪、Fabry-Perot干涉仪以及腐蚀的光纤布拉格光栅（FBG）传感器。Mach-Zehnder干涉仪测量范围大、携带方便且能实现液体电介质内任何位置的单点测量；Fabry-Perot干涉腔避免与电介质接触，避开了温度影响，且将Fabry-Perot干涉仪和FBG与液体电介质封装后可直接作电压传感器。文中将封装好的电压传感器对脉冲电压和工频电压进行了测量，，主要工作包括： ①研究了电流体动力学原理，分析Kerr效应产生的微观原因并通过实验得出电介质在电场作用下产生的电泳力能推动光纤运动，验证了基于Kerr效应或液体电介质流动的全光纤电场测量的可行性。 ②基于Kerr效应提出一种大偏置结构全光纤Mach-Zehnder干涉仪传感器，这种传感器是利用光纤熔接机在一段单模光纤两端偏置62.5μm熔接两段光纤而制成。利用该传感器对电介质液体在10.67kV-23.3kV脉冲电压下所产生的畸变电场进行了测量。最后得出从施加电压到达峰值时间内，液体内电场与电压呈线性增大关系，但在电压波形后期电场明显发生畸变，即先随电压骤降然后再增大。当电压为23.3kV时，液体中部畸变电场值高达150kV/cm，测量灵敏度为0.01μW/(kV/cm)。发生畸变原因在于液体中的绝缘颗粒在电场作用下会被吸引到电极表面形成电阻层，使得液体中电场降低，当电压降为零时，电极表面的颗粒又会重新注入到液体中使液体内部电场又升高。 ③为减小Mach-Zehnder干涉仪测量时液体流动导致干涉臂长度变化引入的误差，根据第二章中对基于电流体动力学测量电压可行性的验证，制作了两种对流体流动敏感的传感器。一种为由两段单模光纤和毛细管制作而成的Fabry-Perot干涉仪，另一种为选择性腐蚀FBG的微震动敏感型传感器。分别将两个传感器进行封装作为电压传感器并利用Fabry-Perot干涉仪传感器对峰值为10kV-76kV的脉冲电压进行了测量。结果表明干涉光强滞后于脉冲电压约1ms达到最值，撤去电压后光强能恢复到原来大小，灵敏度为约0.36μW/(V.s)。另外，利用Fabry-Perot干涉仪和FBG传感器对频率为50Hz，峰值7kV的工频电压进行了测量，测得光信号随着工频电压也以50Hz的频率变化，滞后时间为约0.5ms。
【关键词】：电场传感器 Mach-Zehnder干涉仪 Fabry-Perot干涉仪 布拉格光栅
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH744.3
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 绪论9-17
• 1.1 引言9-11
• 1.1.1 脉冲瞬态电压及其产生的瞬态电场的测量9-11
• 1.1.2 工频电场的测量11
• 1.2 电场测量的国内外现状11-12
• 1.3 电场的主要测量方法12-16
• 1.3.1 基于 Pockels 效应的电场传感器13-14
• 1.3.2 基于 Kerr 效应的电场传感器14-15
• 1.3.3 基于逆压电效应的电场传感器15
• 1.3.4 基于特种光纤性能的电场传感器15-16
• 1.4 课题研究的内容及意义16-17
• 1.4.1 课题研究的内容16
• 1.4.2 课题研究的意义16-17
• 2 液体电介质全光纤电场传感原理17-31
• 2.1 电流体动力学的微观分析17-20
• 2.1.1 电荷运输及“漏电介质”模型17-18
• 2.1.2 电泳力和介电电泳力18-19
• 2.1.3 电介质液体内部粒子所受的电力19-20
• 2.2 基于电流体力学的电压测量可行性分析20
• 2.3 液体电介质全光纤电场传感原理20-31
• 2.3.1 基于液体电介质 Kerr 效应的 Mach-Zehnder 电场传感原理20-24
• 2.3.2 液体电介质振动敏感型电场传感器原理24-31
• 3 基于 Kerr 效应的全光纤 M-Z 干涉仪的电场测量31-40
• 3.1 引言31
• 3.2 传感器的制作31-32
• 3.3 基于全光纤 M-Z 的电场测量32-38
• 3.3.1 基于全光纤 M-Z 的电场测量系统32-33
• 3.3.2 基于全光纤 M-Z 的电场测量结果33-37
• 3.3.3 传感器的实际运用37
• 3.3.4 基于全光纤 M-Z 的电场测量误差分析37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 4 基于电流体动力学的 F-P 干涉仪和 FBG 的电压测量40-54
• 4.1 引言40
• 4.2 基于 Fabry-Perot 干涉仪的电压测量40-47
• 4.2.1 Fabry-Perot 干涉仪传感器的制作及封装40-42
• 4.2.2 基于 Fabry-Perot 干涉仪的实验测量系统42-43
• 4.2.3 基于 Fabry-Perot 干涉仪的脉冲电压测量结果43-46
• 4.2.4 基于 Fabry-Perot 传感器的工频电压测量结果46-47
• 4.3 基于 FBG 的工频电压测量47-52
• 4.3.1 光纤 Bragg 光栅47
• 4.3.2 光纤 FBG 电压传感器的制作47-49
• 4.3.3 基于 FBG 传感器的工频电压测量系统49-50
• 4.3.4 基于 FBG 的工频电压测量结果50-51
• 4.3.5 基于 FBG 的工频电压结果分析51-52
• 4.4 本章小结52-54
• 5 总结与展望54-56
• 5.1 论文主要工作内容总结54-55
• 5.2 后续工作展望55-56
• 致谢56-57
• 参考文献57-62
• 附录62
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文62
• B. 作者在攻读硕士学位期间申请的专利62

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