光纤电场传感器的试验测试研究

潘生华，肖继忠

（浙江浙能绍兴滨海热电有限责任公司，浙江 绍兴 312072）

0 引 言

电场传感器之所以能够在强电磁场环境中正常工作，最主要原因是电光效应。电光效应是诸如光波导效应、电磁转化效应、普克尔斯效应、克尔效应、压电弹光效应以及电致光吸收效应[1-2]等一系列效应的集合。电场传感器由于本身具备灵敏度高、抗干扰性好、性能可靠以及体积小巧等特点，从而加速了它在具体应用领域如电压互感、电光互感等领域的推广速度，被广泛于精密仪器制造、信号传输、观测设备以及风险排查等设备。本文在基于电光效应原理设计出了一款简单电场传感器，并针对自主设计的简单电场传感器进行测试，测试主要包括基础测试、封装性外壳测试、雷电冲击测试以及抗干扰性测试等内容。通过这些测试内容一方面验证电场传感器的可用性和推广价值，另一方面验证设计的合理性。

1 电光效应原理概述

电光效应的概念有很多，按照字面意思理解是指具有物理特性（折光率、反光率等）的透明物质在电场作用下反映出的某种光学属性的现象，即电光效应是在外加电场作用下，物体的光学性质所发生的各种变化的统称[3]。由于光本质上也是一种波，且频率比电场波高很多个数量级，因此与光的频率相比，外加电场的频率随时间的变化极慢。换句话说，电光效应是指在电场的作用下，晶体的介电常数即其折射率发生改变的效应。

2 基于电光效应原理的电场传感器试验研究

2.1 基础试验

2.1.1 方 法

首先，试验准备。由于电场强度与距离电极的距离直接相关，距离越大测量到的电场强度越小，反之越大，因此为了营造不同的电场强度，需要将不锈钢平板电极与试验台之间借助不同高度的具有绝缘性的支柱进行支撑，并将试验台平面设置为零电位（或者说叫接地电位），将平板电极设置为高电位，晶体消光长度参数为5.6 cm，绝对折射率参数为2，介电常数（诱电率）为15。

其次，试验对照。本次基础实验分为两种方法：一种是将晶体置于试验桌面，两极板相互距离为25 cm左右；另一种方法是选择塑料杯为试验辅助，将晶体放置杯顶，两极板的相隔距离为45 cm左右，通过测试两种方法营造的电场强度下电场传感器的工作状态检验设计的可用性和合理性。

2.1.2 结 果

灵敏度是电场传感器最重要的参数指标，因此该实验的主要目的是测试电场传感器的灵敏度。一般来说，晶体介电常数为15。如果和空气的接触面积没有边界，那么电场强度大约为原来的1/15。不过，因为晶体尺寸是完全有界限的，并不会存在无限大的情况。同时，电场分布会因为晶体外形的不同而受到较大影响。例如，在一定范围内，晶体体积越小，测量数值会越准确。

电场强度直接反映了灵敏度，因此只需要测试感应电场强度即可得到灵敏度的度量大小，测试结果如表1所示。将F设为电场强度测量值，F的大小代表了调制方式差异下的灵敏度。根据表1数据结果可知，晶体大小与F大小存在显著联系，上述结论成立。由普克尔斯效应电光效应导致的偏振态附加相位差的值Δδ测=U/U0，Δδ1＝ 0.050，Δδ2＝ 0.022，根据公式Δδ=(2π/λ)n03γEd（其中3γ是为各相导线的场强的垂直分量），即可求得电场强度测量值E分别为30.2和13.0，所以F1＝30.2/194＝0.156，F2＝13.0/112＝0.116[4]。

2.1.3 结 论

通过测试两组对照样本发现，电场强度（即灵敏度）与极板间距程反向关系，间距越大，灵敏度越小。在灵敏度方面造成较大差别的主要原因在于电极附近的电场会发生畸变，电光晶体能够捕捉到这种微小的畸变。这也正是基于电光效应原理的电场传感器的灵敏度体现[4]。不仅如此，电光晶体越小，对畸变的捕捉越细致，灵敏度越高，再次验证了上文中提到的在一定范围内，晶体体积越小，测量数值会越准确的结论。

2.2 多种封装外壳材料的影响试验结果分析

2.2.1 方 法

将多种存在差异性的材料分别粘贴在传感头，主要材料包括有机玻璃板、绝缘板和高强度钢板，这三种材料的绝缘性和导电性各不相同，通过在同等环境条件下检测其电场强度，来分析不同材料的影响结果。

2.2.2 结 果

实验结果表明，在电场设计、材料尺寸和大小等因素相同的客观条件下，检测到的电场强度并不相同，说明不一样的介电常数外壳均会对电场系数存在一定影响性，二者存在显著相关性。其中，金属材料的系数变化为（1.206-0.957）/0.957=26.01%，环氧板介电材料会造成21.7%左右的系数变化，系数变化均不超过30%，且二者差异只有4.31%，反映出钢板和环氧板封装外壳对电场测量系数影响差别有限。

2.3 雷电冲击电场测量结果分析

2.3.1 方 法

雷电冲击测试主要的试验方法是通过雷电流经过氧化锌避雷器的残存电压获取电流的强度大小[5]。通常来说，冲击时间约为40 μs，残存电压一般在5 000 V。然后通过比较残存电压波形和光学电场传感器捕捉到的波形形状来分析传感器的有效性。

2.3.2 试验结果

具体的试验数据如图1所示。

图1 雷电冲击试验

通过测量发现，捕捉到的残压波形和光学电场传感器捕捉到的波形呈平行排列，在相同时间点上的形状基本一致，可以证明测量结果和实际电压互感器吻合。因此，可以证明通过上述方式获取雷电冲击信号具有实际操作意义。

2.4 抗干扰性能测试试验

抗干扰性能测试的主要前提是在高压电磁环境下进行实验，因为电光晶体介电常数要相对高于其他，电场强度小。通过测试发现，由于电光型晶体属于无源元件，传感器系统在高强电磁环境中输出曲线较为平滑，输出能力较为稳定，而并没有随着电磁环境的改变出现较大变化，因而证明该电场传感器具有较好的抗电磁干扰性能[6]。

3 结 论

本文从电光效应的原理出发，通过测试包括基础测试、封装性外壳测试、雷电冲击测试以及抗干扰性测试在内的诸多内容。来对自主研发的简易电场传感器的可用性和合理性进行验证。

表1 基础试验数据

通过测试借助自主设计的电场传感器对灵敏度、线性度等传感器的特性[7]进行试验，并对实验结果进行分析证明：传感器在强磁环境下灵敏度较高，性能较稳定，抗干扰能力强，因此具有一定的实际应用意义。