[发明专利]一种光纤工频电场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种工频电场传感器，尤其涉及一种光纤工频电场传感器。

技术背景

在电力系统中，长期以来主要依靠传统的、基于热偶检波和二极管检波原理的电传感器对工频电场进行测量。传统电场传感器是基于对电场信号的时域平均，对电场能量的测量，因此不适合对电场的瞬时变化，包括强度、相位和频率等变化的测量。

另一方面，传统的电场测量系统中，探头与测量装置多通过电气线路相连接。被测电场在这些金属部件上会产生电磁感应现象，造成被测电场的畸变。同时在高电压电场测量场合，由于高压电容易通过电气线路产生爬电现象，威胁到设备安全和人身安全。

基于电光效应的电光式电场传感器则利用了某些晶体（如铌酸锂LiNbO₃，钽酸锂LiNbO₃）的线性电光效应（Pockels效应）将电场强度的变化通过晶体折射率的变化转化为光信号相位的变化，最终导致干涉信号强度变化，并通过光纤实现远距离传输进行电场测量。但由于晶体的偏光特性，使得传感器探头需要采用保偏光纤与光源相连，并需要另一根传输光纤将干涉信号光导入测量系统中，导致系统结构复杂，成本高。另一方面，由于晶体的光插入损耗大，难于实现级联构成准分布式传感网络。该类型传感器灵敏度易受温度影响，须经常对探头进行结构上的调整，以保持最佳工作状态，使用操作比较麻烦。

随着光纤测量制造技术不断完善，人们对光纤传感方面的研究变得更加广泛和深入。以光纤光栅为基础的光纤光栅传感器的研究，正成为光纤传感器研究领域的一大热点。在传感网络应用方面，同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有明显的技术优势：

1.        作为传感元件，光纤光栅的主要成分为二氧化硅（SiO₂），为电磁场不敏感材料，因此不会导致被测空间内的电磁场畸变；

2.        光纤光栅传感器采用的是全光测量，能够实现远距离的测量，并易于级联实现准分布式传感网络；

3.        具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各类材料之中进行实时、安全监测。

由于这些优势，使得基于光纤光栅的光纤传感器的应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油勘探平台、油井及航空、大坝等工程上对结构，材料的健康状态实现无源、实时监测。

利用光纤光栅构成光纤F-P（Fabry-Perot）传感器是光干涉型传感器种类之一，具有结构简单，尺寸小，对外界扰动非常敏感，响应频带宽等优点。光纤F-P传感器的传感部分尺寸可以做到很小，这能等效于一个点状传感器，应用在许多测量场合。同样光纤F-P传感器也能够嵌入或埋入到各种材料之中，对被测物理量实现无源，实时监测。在测量系统构成方面，光纤F-P传感器能根据具体应用场合要求，采用空间、时间、波长复用技术，来提高测量的灵活性以及减少测量系统的构成成本。

利用基于光纤光栅技术的光纤F-P传感器，结合各种具有高介电常数的绝缘材料涂敷在传感器上，实现高灵敏全光光纤电场传感器，是针对目前传统的电场传感器以及电光式电场传感器存在的各类问题的解决方案之一。

发明内容

本发明的目的是，针对已有技术存在的缺陷，提供一种光纤工频电场传感器，具有体积小，无任何金属部件，不会对被测电场产生影响，能够嵌入或埋入绝缘材料中，特别适合于对高压交流送电线路、变电站等场所对工频高电压进行长时间的无电源、全光、实时、远程监测等特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

第一种设计方案为：在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，形成一个光纤内部光栅波长反射镜。相隔一定长度后将光纤切断，其端面平整碾磨之后，通过镀膜方式形成外部反射镜，由此形成一个单光栅+反射镜的光纤F-P谐振腔。在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子、具有电场敏感特性的聚合树脂，构成第一类型光纤电场敏感元件。

第二种设计方案为：在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，相隔一定长度后再写入相同波长低反射率或高反射率的光栅，在光纤内部形成一对光栅波长反射镜，由此构成一个双光栅光纤F-P谐振腔。同样，在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子、电场敏感特性的聚合树脂，由此构成第二类型光纤电场敏感元件。

第一类型光纤电场敏感元件，可以埋入或嵌入绝缘材料中单独使用，构成复合（composite）单点式光纤工频电场传感器，或通过采用传感器外壳进行封装，构成单体单点式光纤工频电场传感器。