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光电压传感器

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  • 发布时间:2015/4/2 10:39:56
  • 作者:银河电气
定义
光电压传感器是利用普克尔斯效应(pockels efect)原理(描述电场对透明晶体影响的电光效应)的光电压互感器。
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光电压传感器原理

  光波是一种横波,它的光矢量与传播方向垂直。如果光波的光矢量方向不变,大小随相位改变,这样的光称为线偏振光;如果光矢量的大小不变,而方向绕传播方向均匀的转动,这样的光称为圆偏振光;如果光矢量和大小都在有规律的变化,且光矢量的末端沿着一个椭圆转动,这样的光称为椭圆偏振光。
  在电场(或电压)的作用下,一些本身没有双折射现象的材料会产生双折射效应,使光波的两偏振分量之间出现相位差,这就是电光效应。检测出相位差,就可以计算出电压或电场强度的大小。由于相位较难测量,故一般利用偏光干涉原理将相位调制转化为强度调制,传感器输出光强的大小即能反映被测电压,这就是光电压传感器测量电压的基本原理。

 一种使用的光电压传感器示意图
图示:一种实用的光电压传感器示意图

  光电压传感器的检测原理类似于光电流传感器,由一个1/4波长板和两个偏振器组成的偏振检测系统将普克尔斯偏振调制转化为强度调制。普克尔斯晶体纵向外加电压u(t),离开晶体的偏振光强度可用下式表示:

离开晶体的偏振光强度表达式

  式中:
  P0——输入光强度;
  K——普克尔斯灵敏度常数。
  通过测量偏振光强度、输入光强度,我们就可以计算得到外部施加电压(即被测电压)。
注:1、某些透明的光学介质在外加电场的作用下,折射率会随外加电场线性变化。这种现象就是普克尔斯效应或线性电光效应。
  2、光束入射到各向异性的晶体,分解为两束光而沿不同方向折射的现象,它们是振动方向互相垂直的线偏振光。光在非均质体中传播时,其传播速度和折射率值随振动方向不同而改变,其折射率值不止一个。光波入射非均质体,除特殊方向以外,都要发生双折射,分解成振动方向互相垂直,传播速度不同,折射率不等的两种偏振光,此现象称为双折射。

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光电压传感器应用优势及局限

01应用优势

  1、光电压传感器不存在任何导电因素,绝缘性好,可以在电气上实现低压侧与高压侧的完全隔离,由于采用了光纤传送信号,抗电磁干扰能力强。
  2、无铁心和线圈,不存在磁饱和、铁磁谐振问题,消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使得互感器运行的暂态响应好,不会因磁饱和而导致大电流时检测灵敏度的下降,稳定性高保证了系统运行的高可靠性。
  3、频响特性好,工作带宽高,有利于检测电网谐波及浪涌电压,电压传感头部分的频率响应取决于光纤在传感头上的渡越时间,实际能测量的频率范围主要取决于电子线路部分的带宽。光电压传感器可测量电路线路上的高次谐波,这是传统电压互感器难以实现的。
  4、光纤的体积小、质量轻、信号传输损耗小,适合于远距离测量。
  5、不存在二次短路、开路的危险,过电压时不存在危险,抗冲击能力强。
  6、适应了电力系统自动化、智能化和网络化的需要。

02应用局限

  光电压传感器科研开发现状虽已取得不少进展,但从总体水平而论,应用局面尚未打开。这固然有与传统传感器的价格竞争问题和使用习惯问题,还有就是产品性能稳定的问题,这牵涉到需要保持稳定的光源强度、由探测器噪声引起的传感器输出不稳定以及光传感器本身的优化设计问题。总的来看,光电压传感器存在的主要问题有如下几点。
  1、光电压传感器的温度稳定性问题。由于传感材料及环境因素的影响,使得传感器的稳定性不高。
  2、光电压传感器的光路系统会产生光路扰动,整个传感器系统也无法避免地会产生一定的系统噪声,如何减小系统噪声带来的误差是尚待解决的问题。
  3、光电压传感器的实用化进程缓慢。虽然不少研究者提出了各式各样的光电压传感器系统模型,但多数处于试验室研制阶段。

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