基于铌酸锂电光效应干涉式强电场传感器研制及其温湿度适应性研究
发布时间：2021-06-24 08:55
坚强可靠、经济高效、清洁环保的智能电网是中国乃至世界电网的必然发展趋势。智能电网在电源构成、负荷种类、信息传输等各个环节均呈现显著的多样性,实现智能电网除了构建灵活、稳定和安全的能源网络,更加重要的在于对发电、输电、配电、用电侧等关键节点状态量进行实时测量反馈与动态调整,进一步实现信息智能感知和故障智能自愈。目前,电流/磁场传感技术相对丰富和成熟,而电压/电场传感方案相比较少,亟需拓展电压/电场传感技术,研制出具有动态测量范围大、频带范围宽、精度高的电压/电场传感器,实现广域分布式测量和传输关键节点状态,为电网控制决策提供信息支撑。本论文针对宽频率测量范围、大动态测量范围和高稳定的强电场传感技术需求,提出了基于铌酸锂电光效应干涉式光学强电场传感器。针对电场传感器小型化需求,提出共路铌酸锂电场传感方案,试验获取了共路传感器基本特性,同时校准了电场传感器时域响应和频域响应特性。针对电场传感器在宽温湿区长期使用的需求,通过分析温度对传感器精度的影响机制,提出了双晶补偿电场传感器和Z轴通光电场传感器,开展温度试验获取了传感器宽温区适应性,同时开展湿度试验获取了传感器宽湿区适应性。最后将温湿度稳...
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
具有水平电极结构的非对称M-Z干涉仪示意图
1绪论7研究人员Choi等组合外置平行板天线和M-Z光波导研制了强电场传感器[50]，通过在不同等势面上的导体平板获取电压，施加在铌酸锂光波导两侧电极，获取电光响应，如图1.5所示。该电场传感器幅值测量范围为10V/m6kV/m，频率测量范围为60Hz100kHz，并具有良好输入输出特性，但存在最大可测电场强度低和外置平板天线的劣势。平板天线电极光波导光纤图1.5利用平板天线测量低频电场Fig.1.5Measuringlowfrequencyelectricfieldusingpanelantenna清华大学学者曾嵘等研制了高场强M-Z干涉结构电场传感器。采用铌酸锂材料作为基底，通过钛离子扩散技术在基底上刻蚀非对称光波导，在光波导周围沉积金属电极，用于感应待测电场并作用于光波导上产生电光响应[51,52]。如图1.6所示，激光通过光纤输入/输出光波导，在Y型输入端将激光按50/50等比例分配进入非对称光波导两臂，当外施电场为0时，光波沿长度不等的分支光波导传播产生固定相位差，在Y型输出端干涉输出；当增加外施电场E时，偶极子天线感应电场并作用于分支光波导，Pockels效应使得光波相位差改变，在Y型输出端干涉产生与外施电场有关的光强信号。通过调整偶极子天线方向设计了垂直和水平两种偶极子电极结构的M-Z集成式电场传感器（图1.7），半波电场分别为70kV/m和600kV/m[53]，保证测量误差小于5%时，最大线性测量电场分别为12.5kV/m和89kV/m，传感器在1MHz100MHz范围内具有平坦的频率响应特性。电极光波导Y分叉X切铌酸锂晶体zy图1.6集成式强电场传感器结构示意图Fig.1.6Structurediagramofintegratedintenseelectric-fieldsensor
重庆大学博士学位论文8天线电极波导波导天线与电极（a）半波电场为600kV/m（b）半波电场为70kV/m图1.7使用偶极子电极的M-Z电场传感器Fig.1.7M-Zelectric-fieldsensorwithdipoleelectrodes电子科技大学学者陈福深等人研制了分段电极结构M-Z电场传感，如图1.8所示，该传感器能够响应工频电场，脉冲电场和雷电冲击电场，电场测量范围为75kV/m245kV/m[54]。图1.8分段电极结构M-Z电场传感器Fig.1.8M-Zelectric-fieldsensorwiththesegmentedelectrodestructure2)基于单屏蔽电极M-Z干涉式电场传感器通过增加偶极子电极之间的距离可以提高最大可测电场强度，但随着间隙增加使得Y型分支角度增加，可能导致Y型波导耦合处损耗成倍增加。曾嵘等人提出采用单屏蔽电极结构研制强电场传感器[55]，在一分支光波导上刻蚀筹反转区域，该区域内铌酸锂电光系数与正常区域的幅值相同，但符号相反，在两个分支波导上产生推挽结构，增大了半波电场，结构如图1.9所示，该电场传感器半波电场接近1555kV/m，最大线性测量范围为242kV/m。输入输出单屏蔽电极波导2波导1yz图1.9单屏蔽电极M-Z电场传感器Fig.1.9M-Zelectric-fieldsensorwithoneshieldelectrode
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于巨磁阻效应的高压宽频大电流传感器及其抗干扰设计[J]. 王善祥,王中旭,胡军,欧阳勇,袁智勇,何金良. 高电压技术. 2016(06)
[2]用于宽频带时域电场测量的光电集成电场传感器[J]. 曾嵘,俞俊杰,牛犇,王博,李婵虓,汪海,陈未远. 中国电机工程学报. 2014(29)
[3]智能电网态势图建模及态势感知可视化的概念设计[J]. 章坚民,陈昊,陈建,周明磊,庄晓丹,陈耀军. 电力系统自动化. 2014(09)
[4]铌酸锂电光调制器的温度特性研究[J]. 陈新睿,韩敬华,牛瑞华,李鸿儒,胡丽荔,宋敏,孙年春. 激光杂志. 2014(02)
[5]220kV自愈式光学电压互感器研制[J]. 赵一男,张国庆,王贵忠,郭志忠,申岩,李深旺. 高电压技术. 2013(05)
[6]长空气间隙放电过程的试验观测技术[J]. 陈维江,谷山强,谢施君,孙豹,贺恒鑫,陈家宏,何俊佳,钱冠军,向念文. 中国电机工程学报. 2012(10)
[7]光学电压互感器中采用高斯算法的误差分析[J]. 赵一男,张国庆,郭志忠,申岩,于文斌,程嵩. 高电压技术. 2012(03)
[8]KDP/DKDP晶体生长的研究进展[J]. 王波,房昌水,王圣来,孙洵,顾庆天,许心光,李义平,刘冰,牟晓明. 人工晶体学报. 2007(02)
[9]温度场、应力场对光学电压传感器影响的分析[J]. 肖霞,徐雁,叶妙元. 压电与声光. 2006(05)
[10]光电集成强电场测量系统及其应用研究[J]. 曾嵘,陈未远,何金良,梁曦东,牛犇,耿毅楠. 高电压技术. 2006(07)
博士论文
[1]集成光学电磁场传感器研究[D]. 孙豹.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]基于一次电光效应的非接触式过电压监测传感器研究[D]. 董恒.重庆大学 2014
[2]基于Pockels效应的大气电场测量传感器研究[D]. 周龙.南京信息工程大学 2013
[3]高压绝缘子电场计算与均压环参数优化[D]. 曹龙威.华中科技大学 2013
[4]球型电场传感器测量系统的研究及应用[D]. 胡平.重庆大学 2011
本文编号：3246790
【文章来源】：重庆大学重庆市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：123 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
具有水平电极结构的非对称M-Z干涉仪示意图
1绪论7研究人员Choi等组合外置平行板天线和M-Z光波导研制了强电场传感器[50]，通过在不同等势面上的导体平板获取电压，施加在铌酸锂光波导两侧电极，获取电光响应，如图1.5所示。该电场传感器幅值测量范围为10V/m6kV/m，频率测量范围为60Hz100kHz，并具有良好输入输出特性，但存在最大可测电场强度低和外置平板天线的劣势。平板天线电极光波导光纤图1.5利用平板天线测量低频电场Fig.1.5Measuringlowfrequencyelectricfieldusingpanelantenna清华大学学者曾嵘等研制了高场强M-Z干涉结构电场传感器。采用铌酸锂材料作为基底，通过钛离子扩散技术在基底上刻蚀非对称光波导，在光波导周围沉积金属电极，用于感应待测电场并作用于光波导上产生电光响应[51,52]。如图1.6所示，激光通过光纤输入/输出光波导，在Y型输入端将激光按50/50等比例分配进入非对称光波导两臂，当外施电场为0时，光波沿长度不等的分支光波导传播产生固定相位差，在Y型输出端干涉输出；当增加外施电场E时，偶极子天线感应电场并作用于分支光波导，Pockels效应使得光波相位差改变，在Y型输出端干涉产生与外施电场有关的光强信号。通过调整偶极子天线方向设计了垂直和水平两种偶极子电极结构的M-Z集成式电场传感器（图1.7），半波电场分别为70kV/m和600kV/m[53]，保证测量误差小于5%时，最大线性测量电场分别为12.5kV/m和89kV/m，传感器在1MHz100MHz范围内具有平坦的频率响应特性。电极光波导Y分叉X切铌酸锂晶体zy图1.6集成式强电场传感器结构示意图Fig.1.6Structurediagramofintegratedintenseelectric-fieldsensor
重庆大学博士学位论文8天线电极波导波导天线与电极（a）半波电场为600kV/m（b）半波电场为70kV/m图1.7使用偶极子电极的M-Z电场传感器Fig.1.7M-Zelectric-fieldsensorwithdipoleelectrodes电子科技大学学者陈福深等人研制了分段电极结构M-Z电场传感，如图1.8所示，该传感器能够响应工频电场，脉冲电场和雷电冲击电场，电场测量范围为75kV/m245kV/m[54]。图1.8分段电极结构M-Z电场传感器Fig.1.8M-Zelectric-fieldsensorwiththesegmentedelectrodestructure2)基于单屏蔽电极M-Z干涉式电场传感器通过增加偶极子电极之间的距离可以提高最大可测电场强度，但随着间隙增加使得Y型分支角度增加，可能导致Y型波导耦合处损耗成倍增加。曾嵘等人提出采用单屏蔽电极结构研制强电场传感器[55]，在一分支光波导上刻蚀筹反转区域，该区域内铌酸锂电光系数与正常区域的幅值相同，但符号相反，在两个分支波导上产生推挽结构，增大了半波电场，结构如图1.9所示，该电场传感器半波电场接近1555kV/m，最大线性测量范围为242kV/m。输入输出单屏蔽电极波导2波导1yz图1.9单屏蔽电极M-Z电场传感器Fig.1.9M-Zelectric-fieldsensorwithoneshieldelectrode
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于巨磁阻效应的高压宽频大电流传感器及其抗干扰设计[J]. 王善祥,王中旭,胡军,欧阳勇,袁智勇,何金良. 高电压技术. 2016(06)
[2]用于宽频带时域电场测量的光电集成电场传感器[J]. 曾嵘,俞俊杰,牛犇,王博,李婵虓,汪海,陈未远. 中国电机工程学报. 2014(29)
[3]智能电网态势图建模及态势感知可视化的概念设计[J]. 章坚民,陈昊,陈建,周明磊,庄晓丹,陈耀军. 电力系统自动化. 2014(09)
[4]铌酸锂电光调制器的温度特性研究[J]. 陈新睿,韩敬华,牛瑞华,李鸿儒,胡丽荔,宋敏,孙年春. 激光杂志. 2014(02)
[5]220kV自愈式光学电压互感器研制[J]. 赵一男,张国庆,王贵忠,郭志忠,申岩,李深旺. 高电压技术. 2013(05)
[6]长空气间隙放电过程的试验观测技术[J]. 陈维江,谷山强,谢施君,孙豹,贺恒鑫,陈家宏,何俊佳,钱冠军,向念文. 中国电机工程学报. 2012(10)
[7]光学电压互感器中采用高斯算法的误差分析[J]. 赵一男,张国庆,郭志忠,申岩,于文斌,程嵩. 高电压技术. 2012(03)
[8]KDP/DKDP晶体生长的研究进展[J]. 王波,房昌水,王圣来,孙洵,顾庆天,许心光,李义平,刘冰,牟晓明. 人工晶体学报. 2007(02)
[9]温度场、应力场对光学电压传感器影响的分析[J]. 肖霞,徐雁,叶妙元. 压电与声光. 2006(05)
[10]光电集成强电场测量系统及其应用研究[J]. 曾嵘,陈未远,何金良,梁曦东,牛犇,耿毅楠. 高电压技术. 2006(07)
博士论文
[1]集成光学电磁场传感器研究[D]. 孙豹.电子科技大学 2010
硕士论文
[1]基于一次电光效应的非接触式过电压监测传感器研究[D]. 董恒.重庆大学 2014
[2]基于Pockels效应的大气电场测量传感器研究[D]. 周龙.南京信息工程大学 2013
[3]高压绝缘子电场计算与均压环参数优化[D]. 曹龙威.华中科技大学 2013
[4]球型电场传感器测量系统的研究及应用[D]. 胡平.重庆大学 2011
本文编号：3246790
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