實驗名稱：傳感器基本特性研究

研究方向：基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵傳感原理設(shè)計光學(xué)電壓傳感器，以實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓傳感過程中的全光纖傳輸、測量，增加電壓傳感單元的電磁屏蔽性能，最大限度實現(xiàn)光電隔離。主要研究傳感器的基本設(shè)計原理、傳感器中光柵信號的解調(diào)原理及相對應(yīng)的能量耦合模型和電路、光路模型；完成對壓電-光柵電壓傳感器的制備，在實驗室和搭建電壓傳感器校驗測試平臺，研究分析傳感器的基本特性。

測試設(shè)備：高壓放大器、信號發(fā)生器、示波器、寬帶光源、壓電型光學(xué)傳感器、光電探測器等。

圖1：傳感器校驗測試平臺示意圖

實驗過程：

為了研究所設(shè)計傳感器的各項性能，本文在實驗室搭建了逆壓電-光柵電壓傳感器的校驗測量平臺。本測試平臺所用設(shè)備根據(jù)設(shè)備性質(zhì)，可分為光學(xué)、電學(xué)兩大類設(shè)備。光學(xué)設(shè)備主要包括寬帶激光源和光電探測器，用于提供寬帶光信號和檢測輸出光信號；電學(xué)設(shè)備主要包括函數(shù)發(fā)生器，沖擊電壓發(fā)生器，高壓放大器和示波器，用于提供和檢測不同類型的電壓信號。

試驗設(shè)計中，電學(xué)相關(guān)的設(shè)備主要包括任意函數(shù)波形發(fā)生器、高壓放大器、示波器、沖擊電壓發(fā)生器。示波器帶寬為70MHz，采樣率為1.0GS/s。任意函數(shù)波形發(fā)生器可提供12種標準波形及任意波形電壓信號，最小調(diào)整刻度為1mV。高壓放大器放大倍數(shù)為2000倍，配合任意函數(shù)波形發(fā)生器，為壓電型光學(xué)傳感器提供多種高幅值電壓輸入信號。

傳感器校驗測試平臺如圖1所示。信號發(fā)生器與高壓放大器聯(lián)合使用，為傳感器提供基本的寬頻帶、多幅值的正弦波，方波，三角波信號等。寬帶光源為傳感器提供光源信號。傳感器的輸出光信號通過光導(dǎo)纖維進入光電探測器，在光電探測器中完成光電轉(zhuǎn)換，最后通過電纜信號線傳輸至示波器進行顯示。在測試前，首先應(yīng)檢測傳感器內(nèi)部的光路暢通性，以保證后續(xù)信號的傳輸可靠性。具體應(yīng)檢測光環(huán)形器的三個端口處，光環(huán)形器間的連接段處，以及傳感器輸出到光電探測器的光纖的連通性。

實驗結(jié)果：

對傳感器進行基本傳感特性校驗測試。校驗測試內(nèi)容為：傳感器的工頻響應(yīng)測試，頻率響應(yīng)測試，三種基本波形測試，沖擊電壓測試。

圖2：傳感器工頻響應(yīng)測試結(jié)果

工頻響應(yīng)測試中，從圖2中可以看出，傳感器的工頻響應(yīng)呈線性，其測試結(jié)果的線性擬合度達到99.9%以上。從圖中可知，對應(yīng)外加電壓每kV的變化，傳感器光探輸出的電壓幅值為217.54mV。傳感器的工頻響應(yīng)能呈線性的原因是，傳感器在外加電壓信號處于0.5kV-5kV范圍內(nèi)時，能夠工作在線性區(qū)，如圖2右下角所示。與此同時，傳感器的信噪比測量為11.58:1，傳感器最大誤差為3.7%，符合相關(guān)國際標準IEC60044-7和IEC61869-5：2011中等級3的要求。對傳感器工頻響應(yīng)的測試、分析及與國際標準的對比結(jié)果說明，傳感器能夠滿足電網(wǎng)中一般工頻電壓信號的測試要求，具有了初步的應(yīng)用基礎(chǔ)條件。

圖3：傳感器的頻率響應(yīng)測試結(jié)果

頻率響應(yīng)測試中，從圖3中可以看出，在50Hz到20kHz頻率范圍內(nèi)，傳感器的頻率響應(yīng)大致平坦。在7kHz及17kHz頻率點處，傳感器的響應(yīng)出現(xiàn)了小幅度波動，但波動最大值仍處于±3dB范圍內(nèi)，因此整體來說，在50Hz-20kHz頻率范圍內(nèi)，傳感器的頻率響應(yīng)平坦。

圖4：50Hz，3kHz，8kHz和20kHz頻率條件下，傳感器的正弦波形響應(yīng)測試結(jié)果

三種基本波形響應(yīng)測試中，圖4所示為傳感器在50Hz，3kHz，8kHz及20kHz頻率條件下，傳感器的正弦波形響應(yīng)測試結(jié)果。從圖中可以看出，對于正弦波輸入信號，傳感器在各個頻率點下都能有較為完整的響應(yīng)；在20kHz處，由于高壓放大器頻率的限制，輸入信號類似轉(zhuǎn)折圓滑的三角波信號，與之對應(yīng)的輸出信號幅值也有所降低。總體來說，在20kHz的頻帶內(nèi)，傳感器對正弦波信號的響應(yīng)良好，并未出現(xiàn)信號明顯畸變、延遲的現(xiàn)象，進一步說明了傳感器在50Hz-20kHz內(nèi)的基本電壓測量特性良好。

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審核編輯 黃宇