實(shí)驗(yàn)名稱：交直流混合強(qiáng)電場(chǎng)傳感器的試驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模捍罱y(cè)試平臺(tái)，對(duì)傳感器在交直流混合電場(chǎng)下的響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)調(diào)制后電場(chǎng)中的目標(biāo)信號(hào)分量進(jìn)行分離提取，實(shí)現(xiàn)交直流混合電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量和直流電場(chǎng)極性的判斷，驗(yàn)證傳感方法的有效性并對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、示波器、光電探測(cè)器、激光源等。

圖1：傳感器測(cè)試與標(biāo)定平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

搭建交直流混合強(qiáng)電場(chǎng)傳感器的試驗(yàn)平臺(tái)，如上圖1所示，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生交流（50Hz）直流混合電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)高壓放大器放大后施加在上平板電極，下平板電極接地，在兩平板電極間產(chǎn)生均勻的電場(chǎng)。電場(chǎng)調(diào)制機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)屏蔽電極貼近下平板電極布置，在電機(jī)的帶動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)電刷可靠接地。高精度激光源發(fā)出波長(zhǎng)為1550nm的激光經(jīng)由單模光纖傳輸至電光傳感單元，在調(diào)制后電場(chǎng)的作用下，激光強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，再由多模光纖傳輸至光電探測(cè)器對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制后電場(chǎng)波形的測(cè)量。高壓放大器監(jiān)測(cè)信號(hào)、光電探測(cè)器與光電碼盤的輸出信號(hào)由示波器進(jìn)行測(cè)量與記錄。

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，屏蔽電極的開孔數(shù)為6，此時(shí)電場(chǎng)調(diào)制頻率為100Hz。在上下平板電極之間分別施加直流電場(chǎng)與交流（50Hz）直流混合電場(chǎng)，由于旋轉(zhuǎn)屏蔽電極的調(diào)制作用，光電探測(cè)器輸出為變化的電壓信號(hào)，其波形如圖2所示。

圖2：實(shí)測(cè)調(diào)制后電場(chǎng)波形

當(dāng)施加電場(chǎng)為直流電場(chǎng)時(shí)，光電探測(cè)器輸出波形為正弦波形，其周期為100Hz，與調(diào)制頻率相同；當(dāng)施加電場(chǎng)為交直流混合電場(chǎng)時(shí)，由于交流電場(chǎng)的存在，經(jīng)過(guò)調(diào)制后光電探測(cè)器輸出波形中產(chǎn)生不同的諧波分量。上述結(jié)果表明，電場(chǎng)調(diào)制機(jī)構(gòu)有效，旋轉(zhuǎn)屏蔽電極下的電場(chǎng)經(jīng)過(guò)調(diào)制后產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。保持交直流混合電場(chǎng)中直流（交流）電場(chǎng)強(qiáng)度不變，逐漸增加交流（直流）電場(chǎng)強(qiáng)度，記錄輸出波形并進(jìn)行傅里葉分析。如圖3所示頻譜圖，當(dāng)保持直流電場(chǎng)強(qiáng)度為100kV/m不變時(shí)，逐漸增大交流電場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值至225kV/m，實(shí)測(cè)波形頻譜中主要含有50Hz、100Hz與150Hz分量，這與分析的結(jié)果相符。其中，50Hz與150Hz分量由交流電場(chǎng)產(chǎn)生，其幅值表征交流電場(chǎng)強(qiáng)度；100Hz分量由直流電場(chǎng)產(chǎn)生，表征直流電場(chǎng)強(qiáng)度。

圖3：實(shí)測(cè)波形的頻譜分析圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

交流電場(chǎng)強(qiáng)度增加時(shí)，50Hz與150Hz分量的幅值隨之線性增加，而100Hz分量幅值不變，誤差僅在1%以內(nèi)。同理如圖3(b)所示頻譜圖，當(dāng)保持交流電場(chǎng)強(qiáng)度峰峰值為150kV/m不變時(shí)，逐漸增大直流電場(chǎng)強(qiáng)度至150kV/m，實(shí)測(cè)波形中表征直流電場(chǎng)強(qiáng)度的100Hz分量的幅值隨之線性增加，而表征交流電場(chǎng)強(qiáng)度的50Hz與150Hz信號(hào)幅值不變，誤差最大不超過(guò)2%。由此可見，電場(chǎng)調(diào)制機(jī)構(gòu)達(dá)到了應(yīng)有的調(diào)制效果，外部交流或直流電場(chǎng)強(qiáng)度僅影響其對(duì)應(yīng)的頻率分量，理論分析與試驗(yàn)結(jié)果相符。

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