實(shí)驗名稱(chēng)：傳感器基本特性研究

研究方向：基于逆壓電效應和光纖光柵傳感原理設計光學(xué)電壓傳感器，以實(shí)現在電網(wǎng)電壓傳感過(guò)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(shí)現光電隔離。主要研究傳感器的基本設計原理、傳感器中光柵信號的解調原理及相對應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(shí)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(shí)驗過(guò)程：

為了研究所設計傳感器的各項性能，本文在實(shí)驗室搭建了逆壓電-光柵電壓傳感器的校驗測量平臺。本測試平臺所用設備根據設備性質(zhì)，可分為光學(xué)、電學(xué)兩大類(lèi)設備。光學(xué)設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)設備主要包括函數發(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(lèi)型的電壓信號。

試驗設計中，電學(xué)相關(guān)的設備主要包括任意函數波形發(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，最小調整刻度為1mV。高壓放大器放大倍數為2000倍，配合任意函數波形發(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(guò)光導纖維進(jìn)入光電探測器，在光電探測器中完成光電轉換，最后通過(guò)電纜信號線(xiàn)傳輸至示波器進(jìn)行顯示。在測試前，首先應檢測傳感器內部的光路暢通性，以保證后續信號的傳輸可靠性。具體應檢測光環(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器的光纖的連通性。

實(shí)驗結果：

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

圖2：傳感器工頻響應測試結果

工頻響應測試中，從圖2中可以看出，傳感器的工頻響應呈線(xiàn)性，其測試結果的線(xiàn)性擬合度達到99.9%以上。從圖中可知，對應外加電壓每kV的變化，傳感器光探輸出的電壓幅值為217.54mV。傳感器的工頻響應能呈線(xiàn)性的原因是，傳感器在外加電壓信號處于0.5kV-5kV范圍內時(shí)，能夠工作在線(xiàn)性區，如圖2右下角所示。與此同時(shí)，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。對傳感器工頻響應的測試、分析及與國際標準的對比結果說(shuō)明，傳感器能夠滿(mǎn)足電網(wǎng)中一般工頻電壓信號的測試要求，具有了初步的應用基礎條件。

圖3：傳感器的頻率響應測試結果

頻率響應測試中，從圖3中可以看出，在50Hz到20kHz頻率范圍內，傳感器的頻率響應大致平坦。在7kHz及17kHz頻率點(diǎn)處，傳感器的響應出現了小幅度波動(dòng)，但波動(dòng)最大值仍處于±3dB范圍內，因此整體來(lái)說(shuō)，在50Hz-20kHz頻率范圍內，傳感器的頻率響應平坦。

圖4：50Hz，3kHz，8kHz和20kHz頻率條件下，傳感器的正弦波形響應測試結果

三種基本波形響應測試中，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測試結果。從圖中可以看出，對于正弦波輸入信號，傳感器在各個(gè)頻率點(diǎn)下都能有較為完整的響應；在20kHz處，由于高壓放大器頻率的限制，輸入信號類(lèi)似轉折圓滑的三角波信號，與之對應的輸出信號幅值也有所降低?？傮w來(lái)說(shuō)，在20kHz的頻帶內，傳感器對正弦波信號的響應良好，并未出現信號明顯畸變、延遲的現象，進(jìn)一步說(shuō)明了傳感器在50Hz-20kHz內的基本電壓測量特性良好。

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