本文關(guān)鍵詞：基于液體電介質(zhì)的光纖電場測量傳感技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著電力技術(shù)的快速發(fā)展，電場監(jiān)測變得越來越重要。傳統(tǒng)光學(xué)電場傳感器大多基于電光晶體，其測量系統(tǒng)由分立器件組成，因此體積龐大易受外界干擾，存在著溫度交叉影響等問題。集成式光學(xué)傳感器將所有器件集成，大大縮小了傳感器體積，但其制作工藝復(fù)雜，不易制作。全光纖型電場傳感器因其體積小、抗電磁干擾以及便于遠(yuǎn)程測量等優(yōu)點備受青睞。目前報道的全光纖型電場傳感器大多基于壓電材料或液晶材料，基于壓電材料的電場傳感器一般需要保偏光纖，考慮偏振等問題，信號解調(diào)較復(fù)雜，基于液晶材料全光纖傳感器存在溫度交叉等問題且測量范圍小。本文利用液體電介質(zhì)在電場作用下發(fā)生Kerr效應(yīng)和流動現(xiàn)象，提出了三種全光纖電場傳感器，包括大偏置結(jié)構(gòu)Mach-Zehnder干涉儀、Fabry-Perot干涉儀以及腐蝕的光纖布拉格光柵（FBG）傳感器。Mach-Zehnder干涉儀測量范圍大、攜帶方便且能實現(xiàn)液體電介質(zhì)內(nèi)任何位置的單點測量；Fabry-Perot干涉腔避免與電介質(zhì)接觸，避開了溫度影響，且將Fabry-Perot干涉儀和FBG與液體電介質(zhì)封裝后可直接作電壓傳感器。文中將封裝好的電壓傳感器對脈沖電壓和工頻電壓進(jìn)行了測量，，主要工作包括： ①研究了電流體動力學(xué)原理，分析Kerr效應(yīng)產(chǎn)生的微觀原因并通過實驗得出電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生的電泳力能推動光纖運動，驗證了基于Kerr效應(yīng)或液體電介質(zhì)流動的全光纖電場測量的可行性。 ②基于Kerr效應(yīng)提出一種大偏置結(jié)構(gòu)全光纖Mach-Zehnder干涉儀傳感器，這種傳感器是利用光纖熔接機在一段單模光纖兩端偏置62.5μm熔接兩段光纖而制成。利用該傳感器對電介質(zhì)液體在10.67kV-23.3kV脈沖電壓下所產(chǎn)生的畸變電場進(jìn)行了測量。最后得出從施加電壓到達(dá)峰值時間內(nèi)，液體內(nèi)電場與電壓呈線性增大關(guān)系，但在電壓波形后期電場明顯發(fā)生畸變，即先隨電壓驟降然后再增大。當(dāng)電壓為23.3kV時，液體中部畸變電場值高達(dá)150kV/cm，測量靈敏度為0.01μW/(kV/cm)。發(fā)生畸變原因在于液體中的絕緣顆粒在電場作用下會被吸引到電極表面形成電阻層，使得液體中電場降低，當(dāng)電壓降為零時，電極表面的顆粒又會重新注入到液體中使液體內(nèi)部電場又升高。 ③為減小Mach-Zehnder干涉儀測量時液體流動導(dǎo)致干涉臂長度變化引入的誤差，根據(jù)第二章中對基于電流體動力學(xué)測量電壓可行性的驗證，制作了兩種對流體流動敏感的傳感器。一種為由兩段單模光纖和毛細(xì)管制作而成的Fabry-Perot干涉儀，另一種為選擇性腐蝕FBG的微震動敏感型傳感器。分別將兩個傳感器進(jìn)行封裝作為電壓傳感器并利用Fabry-Perot干涉儀傳感器對峰值為10kV-76kV的脈沖電壓進(jìn)行了測量。結(jié)果表明干涉光強滯后于脈沖電壓約1ms達(dá)到最值，撤去電壓后光強能恢復(fù)到原來大小，靈敏度為約0.36μW/(V.s)。另外，利用Fabry-Perot干涉儀和FBG傳感器對頻率為50Hz，峰值7kV的工頻電壓進(jìn)行了測量，測得光信號隨著工頻電壓也以50Hz的頻率變化，滯后時間為約0.5ms。
【關(guān)鍵詞】：電場傳感器 Mach-Zehnder干涉儀 Fabry-Perot干涉儀 布拉格光柵
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TH744.3
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 1 緒論9-17
• 1.1 引言9-11
• 1.1.1 脈沖瞬態(tài)電壓及其產(chǎn)生的瞬態(tài)電場的測量9-11
• 1.1.2 工頻電場的測量11
• 1.2 電場測量的國內(nèi)外現(xiàn)狀11-12
• 1.3 電場的主要測量方法12-16
• 1.3.1 基于 Pockels 效應(yīng)的電場傳感器13-14
• 1.3.2 基于 Kerr 效應(yīng)的電場傳感器14-15
• 1.3.3 基于逆壓電效應(yīng)的電場傳感器15
• 1.3.4 基于特種光纖性能的電場傳感器15-16
• 1.4 課題研究的內(nèi)容及意義16-17
• 1.4.1 課題研究的內(nèi)容16
• 1.4.2 課題研究的意義16-17
• 2 液體電介質(zhì)全光纖電場傳感原理17-31
• 2.1 電流體動力學(xué)的微觀分析17-20
• 2.1.1 電荷運輸及“漏電介質(zhì)”模型17-18
• 2.1.2 電泳力和介電電泳力18-19
• 2.1.3 電介質(zhì)液體內(nèi)部粒子所受的電力19-20
• 2.2 基于電流體力學(xué)的電壓測量可行性分析20
• 2.3 液體電介質(zhì)全光纖電場傳感原理20-31
• 2.3.1 基于液體電介質(zhì) Kerr 效應(yīng)的 Mach-Zehnder 電場傳感原理20-24
• 2.3.2 液體電介質(zhì)振動敏感型電場傳感器原理24-31
• 3 基于 Kerr 效應(yīng)的全光纖 M-Z 干涉儀的電場測量31-40
• 3.1 引言31
• 3.2 傳感器的制作31-32
• 3.3 基于全光纖 M-Z 的電場測量32-38
• 3.3.1 基于全光纖 M-Z 的電場測量系統(tǒng)32-33
• 3.3.2 基于全光纖 M-Z 的電場測量結(jié)果33-37
• 3.3.3 傳感器的實際運用37
• 3.3.4 基于全光纖 M-Z 的電場測量誤差分析37-38
• 3.4 本章小結(jié)38-40
• 4 基于電流體動力學(xué)的 F-P 干涉儀和 FBG 的電壓測量40-54
• 4.1 引言40
• 4.2 基于 Fabry-Perot 干涉儀的電壓測量40-47
• 4.2.1 Fabry-Perot 干涉儀傳感器的制作及封裝40-42
• 4.2.2 基于 Fabry-Perot 干涉儀的實驗測量系統(tǒng)42-43
• 4.2.3 基于 Fabry-Perot 干涉儀的脈沖電壓測量結(jié)果43-46
• 4.2.4 基于 Fabry-Perot 傳感器的工頻電壓測量結(jié)果46-47
• 4.3 基于 FBG 的工頻電壓測量47-52
• 4.3.1 光纖 Bragg 光柵47
• 4.3.2 光纖 FBG 電壓傳感器的制作47-49
• 4.3.3 基于 FBG 傳感器的工頻電壓測量系統(tǒng)49-50
• 4.3.4 基于 FBG 的工頻電壓測量結(jié)果50-51
• 4.3.5 基于 FBG 的工頻電壓結(jié)果分析51-52
• 4.4 本章小結(jié)52-54
• 5 總結(jié)與展望54-56
• 5.1 論文主要工作內(nèi)容總結(jié)54-55
• 5.2 后續(xù)工作展望55-56
• 致謝56-57
• 參考文獻(xiàn)57-62
• 附錄62
• A. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文62
• B. 作者在攻讀碩士學(xué)位期間申請的專利62

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本文編號：302780