用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器的制造方法
【專利摘要】用于靜電場測量的光纖法布里?珀羅電場傳感器，屬于傳感器領域，本發(fā)明為解決現(xiàn)有電場傳感器金屬探頭易引起電場畸變，從而影響測試結果的問題。包括空心半球、石英柱、兩個石英桿、絕緣外壁、石英薄片、微調器和光纖準直器；兩個石英桿水平放置，且平行，石英柱中部垂直熔接有兩個石英桿，石英柱上端膠固有空心半球，且石英柱上端位于空心半球的空腔內，石英柱下端膠固有石英薄片，石英薄片水平放置，光纖準直器上端面與石英薄片端面平行，光纖準直器膠固在微調器中，兩個石英桿、石英薄片和微調器上半部分的外側設置有絕緣外壁；光纖準直器的上端面與石英薄片的端面鍍有50％反射率的薄膜，兩反射膜間形成FP腔。本發(fā)明用于電場測量。
【專利說明】
用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于傳感器領域。
【背景技術】
[0002] 電場測量技術不僅廣泛應用于測量高壓輸電線路附近及變電站周圍的電場強度， 還為研究人員了解和測量劣化絕緣子、變壓器繞組、高壓電纜終端、高壓開關等高壓設備附 近的電場分布提供了技術手段。通過實際測量輸電線路附近、變電站周圍及電力設備內部 的電場的大小，為研究輸電線路運行狀態(tài)監(jiān)測、電力設備絕緣狀態(tài)評估、電力設備設計制造 工藝優(yōu)化及電力系統(tǒng)電磁兼容等領域提供了有力的數(shù)據(jù)支持，對整個電力行業(yè)的健康穩(wěn)定 運行具有重要的意義。
[0003] 傳統(tǒng)電學測量電場方法有電位平衡法和電荷法。電位平衡法的測量原理為通過測 量電位分布來測量電場，但工藝復雜測量麻煩，準確性較差。電荷法是通過測量金屬探頭在 電場中捕獲的電荷來測量電場，但金屬探頭放入電場中，會使電場產(chǎn)生畸變，因此其準確性 不高。為了改進電場傳感器的結構，提高傳感器的精度，諸多學者對其進行了創(chuàng)新，如1992 年國外學者M.Kanda用電阻負載偶極子實現(xiàn)對電場的測量;20世紀末，國內應用較為普遍的 三維球型電場測量系統(tǒng)、場磨式電場測量系統(tǒng)等。盡管與傳統(tǒng)的電場測量系統(tǒng)相比其測量 范圍和精度確實有所提高，但是其誤差依然很大。20世紀末-21世紀初，隨著光纖通信技術 的研究開發(fā)與實用化，光纖傳感技術獲得了長足發(fā)展，國內外學者紛紛將目光投向依據(jù)光 學原理測量電場強度上，如2004年-2006年清華大學提出將Pockels效應和Kerr效應應用于 電場測量中，但是由于溫度對其影響較大，故其準確度不高。2008年北京交通大學應用電致 發(fā)光效應實現(xiàn)了混合電場的測量，但由于控制光路較為困難且易受到溫度的影響，其性能 不穩(wěn)定。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有電場傳感器金屬探頭易引起電場畸變，從而影響測試 結果的問題，提供了一種用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器。
[0005] 本發(fā)明所述用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，電場傳感器包括空 心半球、石英柱、兩個石英桿、絕緣外壁、石英薄片、微調器和光纖準直器；
[0006] 兩個石英桿水平放置，且互相平行，石英柱的中部垂直熔接有兩個石英桿，石英柱 的上端膠固有空心半球，且石英柱的上端位于空心半球的空腔內，石英柱的下端膠固有石 英薄片，石英薄片水平放置，光纖準直器的上端面與石英薄片的端面平行，光纖準直器膠固 在微調器中，兩個石英桿、石英薄片和微調器上半部分的外側設置有絕緣外壁；
[0007] 光纖準直器的上端面與石英薄片的端面平行，兩端面均鍍有50%反射率的薄膜， 兩反射膜間形成FP腔。
[0008] 本發(fā)明的優(yōu)點：本發(fā)明提供的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器在 不使電場發(fā)生畸變的前提下，提高了測量電場強度的動態(tài)范圍和準確度，提出了一種在靜 電場環(huán)境下的電場測量新方法，基于法布里-珀羅(FP)干涉原理提出并研制了用于電場測 量的光纖FP電場傳感器。所研制的FP電場傳感器的技術指標如下：電場的動態(tài)測量范圍是 0-59KV/m，準確度能夠達到98%。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明所述用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器的結構示意圖；
[0010] 圖2是圖1的左視圖；
[0011] 圖3是電場傳感器FP腔長與輸出光功率關系，其中，橫坐標表示傳感器FP腔的腔 長，單位為Mi，縱坐標表示光的功率，單位為mW;
[0012]圖4是強度解調原理不意圖；
[0013] 圖5是用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器的電場測量系統(tǒng)的結構示 意圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0014] 一：下面結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述用于靜電 場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，電場傳感器包括空心半球1、石英柱2、兩個石英桿 3、絕緣外壁4、石英薄片5、微調器6和光纖準直器7;
[0015] 兩個石英桿3水平放置，且互相平行，石英柱2的中部垂直熔接有兩個石英桿3，石 英柱2的上端膠固有空心半球1，且石英柱2的上端位于空心半球1的空腔內，石英柱2的下端 膠固有石英薄片5,石英薄片5水平放置，光纖準直器7的上端面與石英薄片5的端面平行，光 纖準直器7膠固在微調器6中，兩個石英桿3、石英薄片5和微調器6上半部分的外側設置有絕 緣外壁4;
[0016] 光纖準直器7的上端面與石英薄片5的端面平行，兩端面均鍍有50%反射率的薄 膜，兩反射膜間形成FP腔。
[0017] 本實施方式中，傳感器置于電場中時，空心半球1的外壁受到電場力的作用，向場 強較高區(qū)域移動，拉動石英柱2,石英柱2帶動兩個石英桿3發(fā)生微小形變，使得FP腔的腔長 發(fā)生改變；由于FP腔長發(fā)生改變，光程也發(fā)生了改變，干涉光也會隨之發(fā)生變化，信號處理 設備根據(jù)干涉條紋的變化獲得電場強度。
【具體實施方式】 [0018] 二:本實施方式對實施方式一作進一步說明，空心半球1采用聚丙烯 材料，其外半徑為12.7mm，內半徑為11.5mm。
【具體實施方式】 [0019] 三:本實施方式對實施方式一作進一步說明，石英柱2截面的半徑為 1.05mm，長度為30mm。
【具體實施方式】 [0020] 四：本實施方式對實施方式一作進一步說明，石英桿3截面的半徑為 1.05mm，長度為30mm。
【具體實施方式】 [0021] 五:本實施方式對實施方式一作進一步說明，石英薄片5的直徑為 IOmm，厚度為60μπι，表面鍍有反射率為50 %的反射膜。
【具體實施方式】 [0022] 六:本實施方式對實施方式一作進一步說明，光纖準直器7端面的直 徑為4.13mm，端面鍍有反射率為50 %的反射膜，插損為0.3dB。
[0023]
【具體實施方式】七:本實施方式對實施方式一作進一步說明，絕緣外壁4和微調器6 均采用聚四氟乙烯材料。
【具體實施方式】 [0024] 八:下面結合圖5說明本實施方式，本實施方式所述用于靜電場測量 的光纖法布里-珀羅電場傳感器的電場測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括電場傳感器、ASE寬帶光源1-1、隔離器1-2、耦合器1-3、光譜分析儀1-4、信號處理設備1-5、附屬結構1-6、球形鉸接鉸鏈 1-7和底座1-8;
[0025] 電場傳感器的絕緣外壁4固定在附屬結構1-6的側端面上，附屬結構1-6的下端通 過球形鉸接鉸鏈1 -7固定在底座1 _8上；
[0026] 將電場傳感器置于直流電場中，空心半球1的外壁受到電場力的作用，向場強較高 區(qū)域移動，拉動石英柱2,石英柱2帶動兩個石英桿3發(fā)生微小形變，使得FP腔的腔長發(fā)生改 變;ASE寬帶光源1-1發(fā)出的光通過隔離器1-2后，一部分接入光譜分析儀1-4和信號處理設 備1-5,另一部分進入耦合器1-3,然后經(jīng)過光纖傳輸進入光纖準直器7中，光經(jīng)過光纖準直 器7的上端面，進入由光纖準直器7鍍膜端面與石英薄片5鍍膜端面形成的FP腔中，并在FP腔 中來回反射形成干涉，干涉光反射到光纖準直器7中，經(jīng)光纖8傳輸，通過耦合器1-3，進入光 譜分析儀1-4和信號處理設備1-5,信號處理設備1-5根據(jù)干涉條紋的變化獲得電場強度。 [0027] 本實施方式中，ASE寬帶光源1-1發(fā)出的光的中心波長為1550nm。光纖準直器7的上 端面與石英薄片5的端面來回反射形成的干涉是相位差恒定、頻率相同的相關光。
[0028]獲得電場強度的方式為：
[0029]
[0030]
[0031]其中，△ 1為傳感器腔長變化量，Iq為Q點對應的FP腔長度，！為輸出光功率，Iq為Q點 對應的輸出光功率，k為AB線段的斜率，ε〇為真空介電常數(shù)，ε為空心半球相對介電常數(shù)，1為 石英桿長度，Eo為石英材料的彈性模量，Io為石英桿的截面慣距，R為空心半球的半徑，E為外 施電場強度。
[0032] 本發(fā)明中，將用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器經(jīng)過ANSYS軟件仿 真，能夠取得較好的效果，當所測電場強度達到60KV/m時，測量誤差開始增大，因此選用0-59KV/m作為FP電場傳感器的測量范圍，其準確率能夠達到98%。該傳感器能夠滿足電場測 量量程大、準度高、抗干擾能力強等要求。同時，該傳感器體積小，結構簡單，便于安裝。該電 場傳感器在電力系統(tǒng)中具有較好的應用前景。
[0033] 當石英桿內徑0.4mm外徑2. Imm長度30mm，介質球半徑12.7mm厚度1.2mm，石英柱內 徑0.4mm外徑2. Imm長度30mm時，用Ansys仿真軟件仿真結果表1所示。
[0034]表1為Ansys軟件仿真數(shù)據(jù)
[0036]如圖3所示，從圖3中選線性區(qū)間，如圖4所示，對工作曲線進行線性擬合，則將該擬 合直線作為傳感器的工作曲線，如圖4中的AB線段。
[0037]圖4中，選取區(qū)間AB的中點Q作為傳感器的工作點，A、B、Q三點對應的FP腔長度分別 為11、12山，對應的輸出光功率為11、12山，1^^8線段的斜率，有 ：
[0038]
Π )
[0039] 當測得輸出光功率為I時，根據(jù)線性關系，可以求出傳感器的腔長變化量△ 1，即：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] ,度E的關系：
[0046]
[0047] 其中，εο為真空介電常數(shù)，ε為空心半球相對介電常數(shù)，1為石英桿長度，Eo為石英材 料的彈性模量，Io為石英桿的截面慣距，R為空心半球的半徑。
[0048]由仿真數(shù)據(jù)及理論推導可知，該結構能夠滿足傳感器的測量范圍要求，能夠準確 的測出電場，并且能夠保證98%。
【主權項】
1. 用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在于，電場傳感器包括空心 半球（1)、石英柱(2)、兩個石英桿(3)、絕緣外壁(4)、石英薄片(5)、微調器(6)和光纖準直器 (7)； 兩個石英桿（3)水平放置，且互相平行，石英柱（2)的中部垂直熔接有兩個石英桿(3)， 石英柱(2)的上端膠固有空心半球（1)，且石英柱（2)的上端位于空心半球（1)的空腔內，石 英柱(2)的下端膠固有石英薄片(5)，石英薄片(5)水平放置，光纖準直器(7)的上端面與石 英薄片(5)的端面平行，光纖準直器(7)膠固在微調器(6)中，兩個石英桿(3)、石英薄片(5) 和微調器(6)上半部分的外側設置有絕緣外壁(4); 光纖準直器（7)的上端面與石英薄片（5)的端面平行，兩端面均鍍有50%反射率的薄 膜，兩反射膜間形成FP腔。2. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，空心半球(1)采用聚丙稀材料，其外半徑為12.7mm，內半徑為11.5_。3. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，石英柱(2)截面的半徑為1.05_，長度為30_。4. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，石英桿(3)截面的半徑為1.05_，長度為30_。5. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，石英薄片(5)的直徑為10_，厚度為60μπι，表面鍍有反射率為50 %的反射膜。6. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，光纖準直器(7)端面的直徑為4.13mm，端面鍍有反射率為50%的反射膜，插損為0.3dB。7. 根據(jù)權利要求1所述的用于靜電場測量的光纖法布里-珀羅電場傳感器，其特征在 于，絕緣外壁(4)和微調器(6)均采用聚四氟乙烯材料。
【文檔編號】G01R29/12GK105842549SQ201610318216
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】趙洪, 張國帥, 張開玉
【申請人】哈爾濱理工大學