电光式光纤电压传感器温度影响及其补偿方法的研究
　>徐　雁，　叶妙元，　罗苏南，　何　葳，　李海涛
　　1　引言
　　随着光电技术的发展和材料工艺的提高，电光式光纤电压传感器正在逐步走向实用化。用光学传感技术测量电力系统的高压和超高压，与传统的电磁式或电容分压式电压传感器相比具有以下优点：
（1）测量回路与被测高压之间通过光纤联接，做到了真正的电隔离，安全性好；（2）动态范围大，频率响应宽，无饱和现象；（3）抗电磁干扰能力强；（4）体积小，重量轻。
　　电光式光纤电压传感器（ElectricOpticalVoltageTransducer—EOVT）传光采用光纤，传感则采用电光晶体。这种传感器可以通过传感头材料的选择和整体结构的精心设计，达到优良的性能。目前电光式光纤电压传感器实用中遇到的最大问题是温度变化对测量精度的影响，本文就温度变化对测量精度的影响进行了分析，提出了解决的方法，并通过试验得到了令人满意的结果。

2　工作原理
　　EOVT的工作原理为Pockels效应，即线性电光效应：在外加电场作用下，某些各向同性的晶体变成了各向异性的双折射晶体，产生双折射，其折射率线性地随外电场变化。也就是，当一单色平行光束投射到端面平行的双折射晶体上时，由于外加电场的存在，入射光束就会变成初相相同，而电位移矢量互相垂直的两束光，它们在晶体中的传播速度不同，出射时有一定的相位差，这相位差即正比于加在晶体上的电场或电压_［1］：
其中：γ₄₁为线性电光系数，n₀为折射率，λ为光的波长，L为光通过的晶体的长度，d为施加电压方向的晶体厚度，E、u分别为外加电场和电压。可以看到，只要测出相位差Δφ，即可精确测出外加电场或电压。
　　但在现有技术条件下，对光的相位变化进行精确测量是相当困难的。通常采用干涉法将相位差测量转化为光强的测量，对此采用如图1所示的结构装置，使两折射光束产生干涉，并获得线性响应I₀：3　温度影响分析
　　以上工作原理中分析的是理想情况下的线性电光效应，其输出只与晶体上所加的电压（或电场）有关，但实际中还具有弹光效应、热光效应等干扰效应。最主要的是电光晶体（如Bi₄Ge₃O₁₂），由于拉晶过程中产生的热应力，以及在加工过程中外力作用产生的机械应力，会使晶体内部留有残余应力，从而引起应力双折射^［2］。
　　应力双折射的存在，使得电光晶体易受温度、压力等因素的影响，其Δφ的输出也因温度、压力等双折射效应的变化而变化。综合考虑传感头整体受温度的影响，对此专门设计了双光路系统，见图1。输入光在经过自聚集透镜、起偏器、λ／4波片、电光晶体及检偏器后输出时，被分为两束光I₀和I₀′。它们的调制度分别为_［3］：
　　其中δ_nl是第n种线性双折射引起的相位延迟，θ_n是第n种线性双折射的慢轴方位角（第n种线形双折射的慢轴与参考坐标系的x轴之间的夹角），T为温度。将（4）、（5）式展开Taylor级数得：
　　在这里，认为Γ_m是只由电压引起的双折射（即Pockels效应）所得到的传感器的输出调制度，不随温度改变。因此，当A很小时，由（7）式可得：　　这是双光路补偿法的理论依据。同时测量Γ_m∥和Γ_m⊥，再取其平均值，可消除温度对传感器调制度的影响。

4　实验及结果分析
　　（1）选用5×5×10的Bi₄Ge₃O₁₂晶体，按上述原理制成电压传感头，将其密封于充满SF₆气体的腔体内，并保持一定的气压；传感头上加2kV电压后对整个实验腔体进行温度控制。腔体内设置温度传感器以监视电压传感头实际的温度变化，使温度控制装置升温和降温，温度变化速率控制在一定范围内。这里传感头承受电压的状态、SF₆气压、温度变化情况都尽可能模拟实际运行情况，实验系统如图2所示。D₁、D₂、D₃为信号处理电路，其中D₁和D₂严格按照式（4）、（5）处理，式（8）交由数据采集及CPU单元完成。实验温度变化范围为0～40℃，传感器系统受温度影响情况如图3所示，可以看到单一光路受温度影响较大，但采用双光路且按式（8）进行处理后系统受温度影响大为减小，且具有很好的重复性和线性度，这为光电传感器实现软件补偿提供了基础和依据。
　　（2）将传感头置于内为真空环氧筒，外为硅橡胶伞裙的绝缘子中，上下密封充以0．35MPa的SF₆气体，然后施以0～U_N的高电压，作线性度实验，结果如图4所示，U_N＝12．7kV。
　　（3）将以上装有传感头的绝缘子，施以35kV的高压，整体置于户外，任其日晒雨淋，观察其受环境温度的影响。2000年7月进行了为期一个多月的监测，其中7月1～19日系统稳定性的情况如图5所示。可以看到，进行双光路补偿后K值的温度稳定性大为提高，不再随每天的温度变化而变化。在这20天内，温度在25℃至40℃间变化，而且每天的变化率也不尽相同，但传感器整体系统的相对误差却保持在±0．4％以内，实验误差分布如图6所示。
4　结论
　　理论和实验证明，在线性电光效应中，双光路补偿法能较好地抑制温度的影响，经过精心设计，光电电压传感器完全能达到0．5级精度要求，进入实用。如通过软件补偿，整个系统的性能还可进一步提高。

参考文献：
［1］　陈　钢，廖理几．晶体物理学基础［M］．北京：科学出版社，1992：442．
［2］　罗苏南，叶妙元等．锗酸铋晶体光学电压传感器性能研究[J].华中理工大学学报，1999年10月：42－44．
［3］　K．S．Lee．Electroopticvoltagesensor：birefringenceeffectandcom－pensation
methods［J］．AppliedOptics．1990，Vol．29，No．30：4453