逆压电式光纤电压互感器偏振误差的分析与抑制

发布时间：2020-11-13 04:47

　　 光纤电压互感器是应用于电力系统中进行测量和保护的一种新型的传感装置,具有体积小、重量轻、动态范围宽、绝缘性能好等诸多优点,受到广大研究者的青睐,具有很好的应用前景。虽然历经几十年的研究,但是在发展中仍然有许多问题迫切的需要去解决。其中,因温度、振动、制造工艺等各种外界因素引起的系统偏振误差是影响光学电压互感器测量精度的主要因素之一,限制其发展和广泛应用。基于此,本文围绕逆压电式光纤电压互感器偏振误差的产生机理和抑制方法展开了相关研究。论文的主要工作内容如下:通过对逆压电效应和压电材料的阐述,详细介绍了逆压电式光纤电压互感器的系统结构和基本工作原理,推导并理论分析了电压敏感机理。利用琼斯矩阵建立了各光学器件表达式,在此基础上,结合该系统结构,建立了理想状态下光纤电压互感器系统的数学模型。基于逆压电式光纤电压互感器的工作原理,将其光路系统分为第一互易光路部分和第二互易光路部分,分别建立各部分的偏振误差模型,分析各光学器件对光纤电压互感器的影响情况。然后,根据在光纤电压互感器的光路系统中特殊的光纤熔接点对偏振光的作用,分别建立了起偏器尾纤与相位调制器尾纤的对轴角度、Faraday旋光器尾纤与传感光纤的对轴角度、传感光纤与补偿光纤的对轴角度等偏振误差模型。此外,推导并分析了传感光纤与补偿光纤之间的长度差异与偏振误差之间的关系。基于偏振误差模型,确定逆压电式光纤电压互感器系统偏振误差的来源。定量分析了第一互易光路部分和第二互易光路部分所引起的偏振误差情况。之后,基于相位误差和系统输出光强误差之间的近似线性关系,重点分析了不理想的Faraday旋光器尾纤与传感光纤的对轴角度对轴角度、传感光纤与补偿光纤之间的对轴角度对轴角度和长度差异等由光纤因素引起的偏振误差。基于对逆压电式光纤电压互感器的系统偏振误差定量分析结果,可知传感光纤与补偿光纤之间的长度差异是系统偏振误差的主要来源,提出在OVT的信号处理部分通过软件补偿引入修正值的方法减小系统误差。仿真结果验证了逆压电式光纤电压互感器结构的合理性和偏振误差抑制方法的有效性,为后续的光学电压互感器系统设计和性能研究奠定了基础。
【学位单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

品质因数、电阻??率、居里点和静抗拉强度，这表明了该晶体具有良好的机械性能、温度和湿度稳定性以??及时间稳定性，虽然转换性能略低于压电陶瓷，但综合考虑，石英晶体更适合用于本课??题研宄对象所需的压电材料。??２．１．２逆压电式ＯＶＴ结构和工作原理??逆压电式ＯＶＴ是一种全光纤式的电压互感器，其光路系统主要有ＡＳＥ光源??（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ?Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ?Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）、稱合器、起偏器、特殊的光纤溶接点、相位调制器、??Ｆａｒａｄａｙ旋光器、传感单元和反射镜等组成，如图２－１所示。由ＡＳＥ光源发射的光经起??偏器形成线偏振光，在第一个４５°熔接点后线偏振光具有两个相互正交的偏振态，分别??注入保偏光纤的Ｘ轴和Ｙ轴。经相位调制器和保偏光纤后到达Ｆａｒａｄａｙ旋光器，这时偏??振面旋转４５°。经过第二个４５°熔接点后，进入传感单元，由传感光纤感知石英晶体压电??形变。经９０°熔接点后进入补偿光纤，以平衡在传感光纤中偏振光受外界千扰产生的相??位差，最后经反射镜沿原光路返回，并在起偏器处发生干涉。千涉后的光强信号经ＰＩＮ??探测器转换成电信号进行处理，最后输出待测的电压信息。偏振光两次经过传感光纤，??因此光强信号中所携带的相位差是原待测电压所产生的相位差的２倍。????＋??蚊器＞?起偏器?＼／相位调制器＿＿?Ｖ／??；?ｅ＇?献ｄ?Ａ圓Ｘ?翅器??方波ｎｒｕｉ?ｉｚ阶梯波?电压传獅元３??￣?〇—？??ＰＩＮ?Ａ／Ｄ?ＦＰＧＡ?输出??图２－１逆压电式ＯＶＴ系统结构??２．１．３电压敏感机理??在逆压电式０ＶＴ中，采用圆柱形石英晶体作为压电晶体。在自然界中，石英晶体??是一种正六面体

?东北电力大学工学硕士学位论文???赢息??（ａ）?（ｂ）??图２－２石英晶体结构??应用中，通常把待测电压施加于石英晶体的ｘ轴方向，这样在石英晶体的轴方向??将产生形变，缠绕在石英晶体上的传感光纤受到石英晶体形变这一应力，光纤的长度、??折射率和纤芯直径都将发生改变，这将使光纤中传输光的相位发生改变。在ＯＶＴ的输??出端，通过检测这一相位的变化获得待测电压的信息。??根据上述传感光纤感知逆压电效应的原理，在传感光线中偏振光的相位变化的大小??如公式（２－１）所示??邱：ＰＬＵｉ＿Ｌｄｉ＆ａ?（２－１）??Ｌ?ｄｎ?ｄａ??式中ＡＺ—传感光纤长度的变化量??Ａ？—传感光纤折射率的变化量??Ａａ?—传感光纤纤芯直径的变化量??公式２－１的第一项为应变效应，表示因光纤长度变化引起的相位延迟；第二项为弹??光效应，表示因光纤折射率变化引起的相位延迟；第三项为泊松效应，表示因光纤纤芯??直径的变化产生的相位的延迟。Ｐ为偏振光在光纤中的传播常数，Ｚ为光纤的缠绕在石??英晶体上的传感光纤的原始长度。由于泊松效应在该光纤传感器中极为微弱，故可忽略??不计。所以公式（２－１）可写为：??ｃｐ?＝?ｊＢＡＬ?＋?ＬＡ／３?＝?ｊ３Ｌ?—?＋?Ｌ＾Ａｎ?（２－２）??Ｌ?ｄｎ??即在传感光纤中逆压电效应引起的偏振光相位的大小主要由传感光纤的长度变化量??和折射率变化量所决定。??传感光纤的长度变化量与石英晶体的形变量密切相关，根据石英晶体的压电常数矩??阵和施加电场方向之间的关系可以求得石英晶体的相对形变量，如公式（２－３）所示［７７］：??（?ｄｎ?０?０、??ｘｉ?￣ｄｗ?０?０?ｍ??Ｘ，?０?

?第２章光纤电压互感器误差分析的理论基础???＇?（?，２?Ｖ??（Ｐ?＝?Ｎ－?－ｄｕＥｘｎＲ?ｐ?＋５．５４ｘ１０ｓ—?（２－１４）??＿?Ｖ?Ｒ?Ｊ．??所以，待测电压和偏振光的相位之间具有线性关系，因此可以通过相位计算获得待??测电压的大校??２．１．４光波偏振特性分析??在逆压电式ＯＶＴ的光路系统中，光源发射的光为自然光或部分偏振光，第一次经??起偏器后形成线偏振光，沿保偏光纤的Ｘ轴传输，其示意图如图２－３?（ａ）所示。当经过??反射后的偏振光第二次经起偏器时，同方向同频率的光波进行干涉，光波偏振面不变，??干涉后的偏振光仅有一种偏振态，其不意图如图２－３?（ｂ）所不。??、．个?ｘ?ｙＡ?ｖ?ＹＡ??＾?＾—ｉ—?■■爷??光源?起偸器?起褊器?４’５。??（ａ）?（ｂ）??图２－３光波经起偏器??起偏器尾纤与相位调制器尾纤以４５°对轴熔接，在第一次经过该熔接点时线偏振光??以４５°被均匀的注入保偏光纤的Ｘ轴和ｒ轴，此时偏振光具有两个相互正交的偏振态（ｘ??与＞０分别沿着保偏光纤的义轴和：Ｋ轴传输，其示意图如图２－４?（ａ）所示。经反射后的??偏振光再次经过该熔接点时，光波的偏振面逆时针旋转４５°，其示意图如图２－４?（ｂ）所??示。??…＜???起偏器?４５。?４５。?相位调制器??（ａ）?（ｂ）??图２－４光波经起偏器尾纤与相位调制器尾纤之间的４５°对轴熔接点??在偏振光第一次经过相位调制器时，对其中一种偏振态进行调制，光波偏振面不发??生改变，偏振光依旧沿着保偏光纤的义轴和Ｆ轴传输，并进入一段约２００ｍ长的保偏光??纤，以增加信号
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本文编号：2881747