實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：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(jì)光學(xué)電壓傳感器，以實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)電壓傳感過(guò)程中的全光纖傳輸、測(cè)量，增加電壓傳感單元的電磁屏蔽性能，最大限度實(shí)現(xiàn)光電隔離。主要研究傳感器的基本設(shè)計(jì)原理、傳感器中光柵信號(hào)的解調(diào)原理及相對(duì)應(yīng)的能量耦合模型和電路、光路模型；完成對(duì)壓電-光柵電壓傳感器的制備，在實(shí)驗(yàn)室和搭建電壓傳感器校驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，研究分析傳感器的基本特性。

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

圖1：傳感器校驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

為了研究所設(shè)計(jì)傳感器的各項(xiàng)性能，本文在實(shí)驗(yàn)室搭建了逆壓電-光柵電壓傳感器的校驗(yàn)測(cè)量平臺(tái)。本測(cè)試平臺(tái)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(lèi)設(shè)備。光學(xué)設(shè)備主要包括寬帶激光源和光電探測(cè)器，用于提供寬帶光信號(hào)和檢測(cè)輸出光信號(hào)；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(cè)不同類(lèi)型的電壓信號(hào)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)波形及任意波形電壓信號(hào)，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(hào)。

傳感器校驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)如圖1所示。信號(hào)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(hào)等。寬帶光源為傳感器提供光源信號(hào)。傳感器的輸出光信號(hào)通過(guò)光導(dǎo)纖維進(jìn)入光電探測(cè)器，在光電探測(cè)器中完成光電轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)電纜信號(hào)線(xiàn)傳輸至示波器進(jìn)行顯示。在測(cè)試前，首先應(yīng)檢測(cè)傳感器內(nèi)部的光路暢通性，以保證后續(xù)信號(hào)的傳輸可靠性。具體應(yīng)檢測(cè)光環(huán)形器的三個(gè)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(cè)器的光纖的連通性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

對(duì)傳感器進(jìn)行基本傳感特性校驗(yàn)測(cè)試。校驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為：傳感器的工頻響應(yīng)測(cè)試，頻率響應(yīng)測(cè)試，三種基本波形測(cè)試，沖擊電壓測(cè)試。

圖2：傳感器工頻響應(yīng)測(cè)試結(jié)果

工頻響應(yīng)測(cè)試中，從圖2中可以看出，傳感器的工頻響應(yīng)呈線(xiàn)性，其測(cè)試結(jié)果的線(xiàn)性擬合度達(dá)到99.9%以上。從圖中可知，對(duì)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(xiàn)性的原因是，傳感器在外加電壓信號(hào)處于0.5kV-5kV范圍內(nèi)時(shí)，能夠工作在線(xiàn)性區(qū)，如圖2右下角所示。與此同時(shí)，傳感器的信噪比測(cè)量為11.58:1，傳感器最大誤差為3.7%，符合相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-7和IEC61869-5：2011中等級(jí)3的要求。對(duì)傳感器工頻響應(yīng)的測(cè)試、分析及與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比結(jié)果說(shuō)明，傳感器能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)中一般工頻電壓信號(hào)的測(cè)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(cè)試結(jié)果

頻率響應(yīng)測(cè)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(diǎn)處，傳感器的響應(yīng)出現(xiàn)了小幅度波動(dòng)，但波動(dòng)最大值仍處于±3dB范圍內(nèi)，因此整體來(lái)說(shuō)，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(cè)試結(jié)果

三種基本波形響應(yīng)測(cè)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(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，對(duì)于正弦波輸入信號(hào)，傳感器在各個(gè)頻率點(diǎn)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(hào)類(lèi)似轉(zhuǎn)折圓滑的三角波信號(hào)，與之對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)幅值也有所降低?？傮w來(lái)說(shuō)，在20kHz的頻帶內(nèi)，傳感器對(duì)正弦波信號(hào)的響應(yīng)良好，并未出現(xiàn)信號(hào)明顯畸變、延遲的現(xiàn)象，進(jìn)一步說(shuō)明了傳感器在50Hz-20kHz內(nèi)的基本電壓測(cè)量特性良好。

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審核編輯 黃宇