摘 要：传统的电磁式电压传感器由于自身技术限制的原因，已经无法满足当前电网的发展需求了，而基于M-Z的非功能型光纤电压传感器的出现改变了这一现状，但是目前这种光纤电压传感器同样存在一定的问题，本文首先对光强测量模式存在的局限性进行了分析，然后对新的基于M-Z的非功能型光纤电压传感器进行了介绍。

关键词：电压传感器；光纤；非功能型

1.引言

对于传统的电磁式电压传感器来说，由于技术有限，其安全性以及抗电磁干扰性能较差，同时体积也较大，性价比也不是很高，所以已经很难符合当前电网的发展需求了。相对于传统的电磁式电压传感器，光纤电压传感器具有很大的优势，比如绝缘成本不是很高、电磁抗干扰能力强，同时体积不是很大，具有很高的性价比，另外在原理技术层面上，光纤电压传感器也具有较大的优势。

2.光纤电压传感器的现状

从目前的发展来看，光纤电压传感器主要分为两大类：功能型以及非功能型。对于功能型光纤电压传感器来说，其是利用对光的相位变化的检测从而实现电压大小的检测的，对于非功能型光纤电压传感器来说，其是利用出射光强的检测从而实现电压大小的检测的，但是对于这一类非功能型的电压传感器来说，其检测的模式测量的范围不是很大，同时很容易就会受到光源输出波动的影响，因此存在着很多的缺点。后来科学家研发出了一款基于马赫-曾德尔干涉原理的非功能型光纤电压传感器，对于这种非功能型传感器来说，其是通过压电陶瓷的电磁伸缩效应对光纤进行拉伸的，从而把电压的大小转化成干涉条纹的位移大小。对于这种原理来说，同样存在着一定的缺点，其中一个主要的问题就是光线老化，光纤在被拉伸的过程中会形成传输损耗。

在本文中介绍一种全新的基于马赫-曾德尔干涉原理的非功能型光纤电压传感器，和之前的电压传感器的不同之处在于，其在干涉仪所具有的传感臂上面安装了电光调制器，之后传感器通过电光晶体所具有的Pockels效应把电压转变为平移的干涉条纹。之后再对条纹位移的大小进行测量，这样就能够测量电压的大小了。

3.光强测量模式存在的局限性

通过Pockels效应我们能够得知，对于横向调制的电光晶体来说，其在一个外加电压的作用之下，会形成电光相位延迟，其大小为：

（1）

在上面的式子里面，是晶体折射率大小；是晶体线性电光系数的大小；是光源波长的大小；是晶体通光路径的长短大小；是电场施加方向上面的晶体厚度的大小；是待测电压的大小；是晶体半波电压的大小。

一般情况下会认为目前的技术是没有办法对电光相位的延迟大小进行直接测量的，所以都是借助偏光干涉，这样就能够获得输出光强的大小，也就

（2）

在上面的式子里面，是输出光强的大小，是输入光强的大小。把的大小控制在一个非常小的范围里面，那么，可以得到

（3）

（4）

但是這个测量的模式是有下面几个问题的。

3.1和光功率存在着较为密切的关联

对于光源输出功率来说，其和中心波长是具有温漂的，光学器件的热胀冷缩效应会造成光耦合的效率出现一定的改变，造成输出光功率出现一定波动以及损耗，同时还会导致光学器件本身出现温漂等。对于这些问题来说，会对出射光强的大小造成直接的影响，最终使得测量存在着很大误差。

以光源来举例，对于光学电压互感器来说，其所使用到的光源大多数都是LED，波长的温度变化系数大小一般是0.2nm/℃，当温度出现变化的时候，光源的波长就会出现改变，这样就会造成晶体的电光相位出现一定的延迟。这里我们假定温度的变化大小会导致出现波长的变化是，那么通过公式（1）就能够得知当温度出现变化的时候，所形成的电光相位延迟大小是：

（5）

以一个波长是980纳米的光源举例，在温度变化的大小是100摄氏度的时候，能够得出由于波长的变化而形成的相位延迟误差大小大约是2.0%。

3.2近视线性测量所形成的局限性

对于电光晶体来说，其存在一个固有的特性就是存在半波电压。为了能够完成对于电光相位延迟大小的线性测量，一般情况下都是针对于式子（2）取。然后再结合式子（1），便可以得出

（6）

如果是在完全一样的电场强度的作用之下，对于半波电压来说，其值越大，那么的大小就越小，这样能够有助于对测量范围进行扩大；而半波电压的值越小，那么就越大，那么就会有助于使测量的灵敏度得到提升。因此，能够看得出来，晶体所固有的会让OVT的测量灵敏度和测量范围之间具有一定的矛盾。

3.3晶体具有的附加相位延迟所带来的影响

通常情况下，对于OVT来说，都是采用BGO晶体来作为电压敏感材料的。对于晶体来说，其在进行熔化或者是加热的过程中一定会留下俩一定的应力，造成线性双折射以及圆双折射，形成附加的相位延迟，这会使得测量的稳定性以及准确性均受到很大的影响。

通过式子（1）对温度来进行求导计算，能够得到温度针对于晶体相位延迟大小的影响为：

（7）

在上面的式子里面，k所表示的是。

对于BGO晶体来说，其线性电光系数的大小，折射率大小，电光效应温度系数大小。那么温度针对于晶体相位延迟大小的影响是

（8）

所以，在温度变化值大小为100摄氏度的时候，就会额外的引入了0.164%的附加相位延迟。

3.4别的一些因素所带来的影响

对于OVT来说，其在进行运行的时候，一定会存在着热胀冷缩或者是器件老化等一系列问题，这使得电光晶体以及传输光纤会形成随机的应力双折射，造成电光相位延迟和附加相位延迟两者出现叠加，没有办法进行区分。并且这些问题同样还会导致光学器件之间的位置出现一定的偏差，从而造成测量的结果出现一定的误差。

4.新的基于马赫-曾德尔干涉原理的非功能型光纤电压传感器概述

所谓的新型OVT就是把一个横向调制的电光调制器安装在了M-Z干涉仪上面的某一个分支上面，对于光源来说，其所发射出来的光会利用起偏器生成相应的偏振光，之后再进到大小是3db的耦合器分成两束强度大小是一样的光，这两束光会各自进到M-Z干涉仪的两臂上面。一束通过具有电光调制器一侧的偏振光，利用外加的电压的作用之下会形成电光相位延迟，如式子（1）所示一样，这两束光在经过检偏器之后会生成干涉条纹。对于出射光强以及入射光来说，两者之间的关系是

（9）

在干涉仪上面的两臂的相位差的大小符合

（10）

得出的光强的大小是最大的，也就是对应的亮条纹的中心位置。在的大小符合

（11）

得出的光强的大小是最小的，也就是对应的暗条纹的中心位置。伴随着大小的改变，亮条纹以及暗条纹的位置也是在发生改变的，在的大小是2π的时候，对于条纹来说，其就进行了一个周期的位移。

对于电光调制器来说，其外加的电压大小从0增大到U的时候，所对应的干涉条纹位置的距离大小是x，那么U是

（12）

这样对条纹的位移大小x進行测量，就能够得出电压U的大小了，从而完成了直接的线性测量，并且对于测量的范围来说，其不会受到晶体所具有的半波电压的限制了。

5.结论

本文介绍了一种新的基于M-Z的非功能型光纤电压传感器，其通过Pockels 效应把外加的电压大小转变成干涉条纹的位移大小，然后利用测量条纹的位移大小完成了针对于电压大小的线性测量。

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作者简介

彭武龙（1996—），汉族，籍贯：广东普宁 职称：大学生 研究方向：物理学师范。

（作者单位：韩山师范学院）