用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器的制造方法
【专利摘要】用于静电场测量的光纤法布里?珀罗电场传感器，属于传感器领域，本发明为解决现有电场传感器金属探头易引起电场畸变，从而影响测试结果的问题。包括空心半球、石英柱、两个石英杆、绝缘外壁、石英薄片、微调器和光纤准直器；两个石英杆水平放置，且平行，石英柱中部垂直熔接有两个石英杆，石英柱上端胶固有空心半球，且石英柱上端位于空心半球的空腔内，石英柱下端胶固有石英薄片，石英薄片水平放置，光纤准直器上端面与石英薄片端面平行，光纤准直器胶固在微调器中，两个石英杆、石英薄片和微调器上半部分的外侧设置有绝缘外壁；光纤准直器的上端面与石英薄片的端面镀有50％反射率的薄膜，两反射膜间形成FP腔。本发明用于电场测量。
【专利说明】
用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器
技术领域
[0001] 本发明属于传感器领域。
【背景技术】
[0002] 电场测量技术不仅广泛应用于测量高压输电线路附近及变电站周围的电场强度， 还为研究人员了解和测量劣化绝缘子、变压器绕组、高压电缆终端、高压开关等高压设备附 近的电场分布提供了技术手段。通过实际测量输电线路附近、变电站周围及电力设备内部 的电场的大小，为研究输电线路运行状态监测、电力设备绝缘状态评估、电力设备设计制造 工艺优化及电力系统电磁兼容等领域提供了有力的数据支持，对整个电力行业的健康稳定 运行具有重要的意义。
[0003] 传统电学测量电场方法有电位平衡法和电荷法。电位平衡法的测量原理为通过测 量电位分布来测量电场，但工艺复杂测量麻烦，准确性较差。电荷法是通过测量金属探头在 电场中捕获的电荷来测量电场，但金属探头放入电场中，会使电场产生畸变，因此其准确性 不高。为了改进电场传感器的结构，提高传感器的精度，诸多学者对其进行了创新，如1992 年国外学者M.Kanda用电阻负载偶极子实现对电场的测量;20世纪末，国内应用较为普遍的 三维球型电场测量系统、场磨式电场测量系统等。尽管与传统的电场测量系统相比其测量 范围和精度确实有所提高，但是其误差依然很大。20世纪末-21世纪初，随着光纤通信技术 的研究开发与实用化，光纤传感技术获得了长足发展，国内外学者纷纷将目光投向依据光 学原理测量电场强度上，如2004年-2006年清华大学提出将Pockels效应和Kerr效应应用于 电场测量中，但是由于温度对其影响较大，故其准确度不高。2008年北京交通大学应用电致 发光效应实现了混合电场的测量，但由于控制光路较为困难且易受到温度的影响，其性能 不稳定。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是为了解决现有电场传感器金属探头易引起电场畸变，从而影响测试 结果的问题，提供了一种用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器。
[0005] 本发明所述用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，电场传感器包括空 心半球、石英柱、两个石英杆、绝缘外壁、石英薄片、微调器和光纤准直器；
[0006] 两个石英杆水平放置，且互相平行，石英柱的中部垂直熔接有两个石英杆，石英柱 的上端胶固有空心半球，且石英柱的上端位于空心半球的空腔内，石英柱的下端胶固有石 英薄片，石英薄片水平放置，光纤准直器的上端面与石英薄片的端面平行，光纤准直器胶固 在微调器中，两个石英杆、石英薄片和微调器上半部分的外侧设置有绝缘外壁；
[0007] 光纤准直器的上端面与石英薄片的端面平行，两端面均镀有50%反射率的薄膜， 两反射膜间形成FP腔。
[0008] 本发明的优点：本发明提供的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器在 不使电场发生畸变的前提下，提高了测量电场强度的动态范围和准确度，提出了一种在静 电场环境下的电场测量新方法，基于法布里-珀罗(FP)干涉原理提出并研制了用于电场测 量的光纤FP电场传感器。所研制的FP电场传感器的技术指标如下：电场的动态测量范围是 0-59KV/m，准确度能够达到98%。
【附图说明】
[0009] 图1是本发明所述用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器的结构示意图；
[0010] 图2是图1的左视图；
[0011] 图3是电场传感器FP腔长与输出光功率关系，其中，横坐标表示传感器FP腔的腔 长，单位为Mi，纵坐标表示光的功率，单位为mW;
[0012]图4是强度解调原理不意图；
[0013] 图5是用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器的电场测量系统的结构示 意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0014] 一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于静电 场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，电场传感器包括空心半球1、石英柱2、两个石英杆 3、绝缘外壁4、石英薄片5、微调器6和光纤准直器7;
[0015] 两个石英杆3水平放置，且互相平行，石英柱2的中部垂直熔接有两个石英杆3，石 英柱2的上端胶固有空心半球1，且石英柱2的上端位于空心半球1的空腔内，石英柱2的下端 胶固有石英薄片5,石英薄片5水平放置，光纤准直器7的上端面与石英薄片5的端面平行，光 纤准直器7胶固在微调器6中，两个石英杆3、石英薄片5和微调器6上半部分的外侧设置有绝 缘外壁4;
[0016] 光纤准直器7的上端面与石英薄片5的端面平行，两端面均镀有50%反射率的薄 膜，两反射膜间形成FP腔。
[0017] 本实施方式中，传感器置于电场中时，空心半球1的外壁受到电场力的作用，向场 强较高区域移动，拉动石英柱2,石英柱2带动两个石英杆3发生微小形变，使得FP腔的腔长 发生改变；由于FP腔长发生改变，光程也发生了改变，干涉光也会随之发生变化，信号处理 设备根据干涉条纹的变化获得电场强度。
【具体实施方式】 [0018] 二:本实施方式对实施方式一作进一步说明，空心半球1采用聚丙烯 材料，其外半径为12.7mm，内半径为11.5mm。
【具体实施方式】 [0019] 三:本实施方式对实施方式一作进一步说明，石英柱2截面的半径为 1.05mm，长度为30mm。
【具体实施方式】 [0020] 四：本实施方式对实施方式一作进一步说明，石英杆3截面的半径为 1.05mm，长度为30mm。
【具体实施方式】 [0021] 五:本实施方式对实施方式一作进一步说明，石英薄片5的直径为 IOmm，厚度为60μπι，表面镀有反射率为50 %的反射膜。
【具体实施方式】 [0022] 六:本实施方式对实施方式一作进一步说明，光纤准直器7端面的直 径为4.13mm，端面镀有反射率为50 %的反射膜，插损为0.3dB。
[0023]
【具体实施方式】七:本实施方式对实施方式一作进一步说明，绝缘外壁4和微调器6 均采用聚四氟乙烯材料。
【具体实施方式】 [0024] 八:下面结合图5说明本实施方式，本实施方式所述用于静电场测量 的光纤法布里-珀罗电场传感器的电场测量系统，该系统包括电场传感器、ASE宽带光源1-1、隔离器1-2、耦合器1-3、光谱分析仪1-4、信号处理设备1-5、附属结构1-6、球形铰接铰链 1-7和底座1-8;
[0025] 电场传感器的绝缘外壁4固定在附属结构1-6的侧端面上，附属结构1-6的下端通 过球形铰接铰链1 -7固定在底座1 _8上；
[0026] 将电场传感器置于直流电场中，空心半球1的外壁受到电场力的作用，向场强较高 区域移动，拉动石英柱2,石英柱2带动两个石英杆3发生微小形变，使得FP腔的腔长发生改 变;ASE宽带光源1-1发出的光通过隔离器1-2后，一部分接入光谱分析仪1-4和信号处理设 备1-5,另一部分进入耦合器1-3,然后经过光纤传输进入光纤准直器7中，光经过光纤准直 器7的上端面，进入由光纤准直器7镀膜端面与石英薄片5镀膜端面形成的FP腔中，并在FP腔 中来回反射形成干涉，干涉光反射到光纤准直器7中，经光纤8传输，通过耦合器1-3，进入光 谱分析仪1-4和信号处理设备1-5,信号处理设备1-5根据干涉条纹的变化获得电场强度。 [0027] 本实施方式中，ASE宽带光源1-1发出的光的中心波长为1550nm。光纤准直器7的上 端面与石英薄片5的端面来回反射形成的干涉是相位差恒定、频率相同的相关光。
[0028]获得电场强度的方式为：
[0029]
[0030]
[0031]其中，△ 1为传感器腔长变化量，Iq为Q点对应的FP腔长度，！为输出光功率，Iq为Q点 对应的输出光功率，k为AB线段的斜率，ε〇为真空介电常数，ε为空心半球相对介电常数，1为 石英杆长度，Eo为石英材料的弹性模量，Io为石英杆的截面惯距，R为空心半球的半径，E为外 施电场强度。
[0032] 本发明中，将用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器经过ANSYS软件仿 真，能够取得较好的效果，当所测电场强度达到60KV/m时，测量误差开始增大，因此选用0-59KV/m作为FP电场传感器的测量范围，其准确率能够达到98%。该传感器能够满足电场测 量量程大、准度高、抗干扰能力强等要求。同时，该传感器体积小，结构简单，便于安装。该电 场传感器在电力系统中具有较好的应用前景。
[0033] 当石英杆内径0.4mm外径2. Imm长度30mm，介质球半径12.7mm厚度1.2mm，石英柱内 径0.4mm外径2. Imm长度30mm时，用Ansys仿真软件仿真结果表1所示。
[0034]表1为Ansys软件仿真数据
[0036]如图3所示，从图3中选线性区间，如图4所示，对工作曲线进行线性拟合，则将该拟 合直线作为传感器的工作曲线，如图4中的AB线段。
[0037]图4中，选取区间AB的中点Q作为传感器的工作点，A、B、Q三点对应的FP腔长度分别 为11、12山，对应的输出光功率为11、12山，1^^8线段的斜率，有 ：
[0038]
Π )
[0039] 当测得输出光功率为I时，根据线性关系，可以求出传感器的腔长变化量△ 1，即：
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] ,度E的关系：
[0046]
[0047] 其中，εο为真空介电常数，ε为空心半球相对介电常数，1为石英杆长度，Eo为石英材 料的弹性模量，Io为石英杆的截面惯距，R为空心半球的半径。
[0048]由仿真数据及理论推导可知，该结构能够满足传感器的测量范围要求，能够准确 的测出电场，并且能够保证98%。
【主权项】
1. 用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在于，电场传感器包括空心 半球（1)、石英柱(2)、两个石英杆(3)、绝缘外壁(4)、石英薄片(5)、微调器(6)和光纤准直器 (7)； 两个石英杆（3)水平放置，且互相平行，石英柱（2)的中部垂直熔接有两个石英杆(3)， 石英柱(2)的上端胶固有空心半球（1)，且石英柱（2)的上端位于空心半球（1)的空腔内，石 英柱(2)的下端胶固有石英薄片(5)，石英薄片(5)水平放置，光纤准直器(7)的上端面与石 英薄片(5)的端面平行，光纤准直器(7)胶固在微调器(6)中，两个石英杆(3)、石英薄片(5) 和微调器(6)上半部分的外侧设置有绝缘外壁(4); 光纤准直器（7)的上端面与石英薄片（5)的端面平行，两端面均镀有50%反射率的薄 膜，两反射膜间形成FP腔。2. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，空心半球(1)采用聚丙稀材料，其外半径为12.7mm，内半径为11.5_。3. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，石英柱(2)截面的半径为1.05_，长度为30_。4. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，石英杆(3)截面的半径为1.05_，长度为30_。5. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，石英薄片(5)的直径为10_，厚度为60μπι，表面镀有反射率为50 %的反射膜。6. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，光纤准直器(7)端面的直径为4.13mm，端面镀有反射率为50%的反射膜，插损为0.3dB。7. 根据权利要求1所述的用于静电场测量的光纤法布里-珀罗电场传感器，其特征在 于，绝缘外壁(4)和微调器(6)均采用聚四氟乙烯材料。
【文档编号】G01R29/12GK105842549SQ201610318216
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】赵洪, 张国帅, 张开玉
【申请人】哈尔滨理工大学