一种线性测量的光纤电压传感器

王 云 胡裕峰 邹志坚 蔡 礼 朱建武

（国网南昌市供电公司，南昌 330000）

一种线性测量的光纤电压传感器

王 云 胡裕峰 邹志坚 蔡 礼 朱建武

（国网南昌市供电公司，南昌 330000）

本文提出了一种基于马赫-曾德尔干涉原理的光纤电压传感器，可以将电光相位延迟直接转化为干涉条纹的位移，通过定位条纹的位移量得到待测电压。本文实验验证了这一方法的有效性。该光纤电压传感器具有直接线性测量、测量方式与光强无关、测量范围不受晶体半波电压限制、原理简单、容易实现等优点，满足0.5级准确度的要求。

光纤电压传感器；马赫-曾德尔干涉；电光调制器；CCD

传统的电磁式电压传感器存在安全性差、抗电磁干扰能力差、体积大、性价比低等缺点，已经难以满足电网发展的要求[1-4]。光纤电压传感器（optical voltage transducer, OVT）具有不受电磁干扰、绝缘成本低、体积小、重量轻、频带宽等优点，与传统的电磁式电压互感器比较，具有原理技术优势[5-9]。

光纤电压传感器可被分为功能型和非功能型两种[10-11]。功能型光纤电压传感器通过检测光的相位变化就可以得到待测电压的大小，非功能型光纤电压传感器需通过检测出射光强的大小来测量电压，这种非功能型的光强检测模式存在近似线性、测量范围小，易受光源输出波动和应力线双折射的影响等缺点。一种基于马赫-曾德尔干涉原理的（Mach-Zehnder Interferometer）的非功能型光纤电压传感器[12]，利用压电陶瓷的电致伸缩效应拉伸光纤，将电压大小转变为干涉条纹的位移。这种方法的缺点是，光纤老化的问题难以解决，光纤拉伸产生传输损耗；对环境的干扰（如热胀冷缩、震动等）比较敏感。

本文提出了一种新型基于马赫-曾德尔干涉原理的非功能型光纤电压传感器，在干涉仪的传感臂上放置一个电光调制器，利用电光晶体的 Pockels效应将电压转化为平移的干涉条纹。通过测量条纹位移的距离，实现对电压的测量。实验结果表明，相比于传统的光强测量模式，该光纤电压传感器具有直接线性测量、测量方式与光强无关、测量范围不受晶体半波电压的限制等优点，可以满足 0.5级准确度的要求。

1 光强测量模式的局限性

根据Pockels效应，横向调制的电光晶体在外加电压U的作用下，其电光相位延迟φ 为

式中，n为晶体的折射率；γ 为晶体的线性电光系数；λ 为光源波长；l为晶体的通光路径；d为电场施加方向的晶体厚度；U为待测电压；Uπ为晶体的半波电压。

通常认为现有的技术无法直接测量电光相位延迟，因此借助于偏光干涉，可得到输出光强，即

式中，I为输出光强，I0为输入光强。将φ 控制在很小的角度范围内，有sinφ ≈φ，得到

而这一测量模式存在以下问题。

1.1 与光功率密切相关

光源输出功率和中心波长存在温漂，光学器件如透镜、起偏器、检偏器和波片的热胀冷缩引起光耦合效率发生变化，导致输出光功率的损耗与波动，光学器件自身的温漂、光电转换器件与电子器件的温漂等。这些问题直接影响出射光强的大小，导致测量误差。

以光源为例，光学电压互感器用的光源多采用LED，其波长温度变化系数约为0.2nm/℃[13]，温度变化引起光源波长的变化，继而影响晶体的电光相位延迟。假设温度变化ΔT而引起的波长变化为Δλ，由式（1）可知温度变化产生的电光相位延迟为

以光源波长为980nm为例，当ΔT=100℃时，带入式（5），得到因波长变化而产生的相位延迟误差约为2.0%。

1.2 近似线性测量的局限性

半波电压Uπ是电光晶体的固有特性。为了实现对电光相位延迟的线性测量，通常对式（2）取一级近似sinφ ≈φ。对于OVT必须具备的0.2级测量准确度，理论上要求φ ＜6.28°[14]，结合式（1），得到

在相同的电场强度作用下，Uπ越大则φ 越小，有利于扩大测量范围；而Uπ越小则φ 越大，有利于提高测量灵敏度。所以，晶体固有的半波电压使OVT的测量范围与测量灵敏度存在矛盾。

1.3 晶体附加相位延迟的影响

OVT一般使用BGO晶体作为电压敏感材料。晶体在加热、熔化、生长、退火、冷却过程中不可避免地留下残余应力，引起线性双折射和圆双折射，产生附加相位延迟，影响测量的准确度和稳定性。

由式（1）对温度求导，可得出温度对晶体相位延迟的影响：

式中，k 表示 n03γ41。

BGO晶体的线性电光系数γ41=1.03×10-12，晶体的折射率 n0=2.09，晶体的电光效应温度系数∂k/∂T为1.54×10-4/℃[15]。则温度对晶体相位延迟的影响为

因此，当ΔT=100℃时，将额外引入0.164%的附加相位延迟。

1.4 其他因素的影响

OVT在运行过程中不可避免地存在热胀冷缩、震动与器件连接的老化等因素，使传输光纤和电光晶体产生随机应力双折射，导致附加相位延迟并与电光相位延迟混叠在一起，难以区分应对。同时，这些问题还会造成光路或光学器件的相互位置产生偏移，导致测量产生误差[8]。

2 基于M-Z干涉的新型OVT

新型OVT的结构如图1所示，将一个横向调制的电光调制器放在M-Z干涉仪的一个分支上，光源发出的光通过起偏器形成偏振光，再进入一个 3db耦合器分为等强度的两束光，分别进入M-Z干涉仪的两臂。其中经过带有电光调制器一侧的偏振光，在外加电压的作用下产生电光相位延迟φ ，如式（1）所示，两束光通过检偏器后形成干涉条纹。出射光强Io和入射光Ii的关系为

图1 基于M-Z干涉仪的OVT结构设计

当干涉仪两臂的相位差φ 满足

所得到的光强Io为最大值，即对应亮条纹的中心位置。当φ 满足

所得到的光强Io为最小值，对应暗条纹的中心位置。随着相位差φ 的变化，亮、暗条纹的位置交替变化，当φ 变化达到2π 时，条纹位移了一个周期，如图2所示，其中l为干涉条纹一个周期的宽度。

图2 干涉条纹完整周期的宽度

电光调制器的外加电压从零增加至 U，对应的干涉条纹位移的距离为x，则U为

测量条纹的位移x，便可得到电压U的大小，实现直接线性测量，测量的范围不受晶体的半波电压限制。

3 实验验证

图3的实验系统采用分布反馈式半导体光源，光源波长为 980nm，光纤耦合输出，光斑直径为3mm，功率为30mW，激光由光纤耦合器进入光纤，电光调制部分采用中国电子科技集团公司第四十四研究所生产的Y波导集成器，型号为GC85YC2010，其中LiNbO3的半波电压为2.3V。其结构如图4所示。该调制器有一根输入尾纤，两根等长度的输出尾纤，一个地电极，一个正电极和一个负电极，电压施加在正负电极上，可同时驱动干涉仪的两臂，其中一臂进行电压调制，另一臂为参考。

图3 实验系统图

图4 Y波导示意图

此外，Y波导两个输出的分光比稳定，经实验验证，在-40～70℃的温度范围内，分光比变化小于0.5%，见表1。

表1 Y波导的温度试验

Y波导的输出尾纤等长地固定在光纤座上，出射光通过检偏器在纸屏上形成干涉条纹。采用线阵CCD相机（S3-20-02K40）测量干涉条纹移动的距离 x，相机的最大行频为 36kHz，每个像素尺寸为14μm×14μm，每个工频周期采集 40个点，分辨率为 2048。通过 CCD相机定位图像暗条纹中心的位置，如图5所示。CCD采集图像信息后，将信息送至数据采集卡，进行暗条纹的位移量x的运算，并转换为电压值，送入上位机显示。在数据的读取过程中，会出现暗条纹底部是平的情况，即有几个相同的最小值，如图5像素点灰度值分布。因此，条纹的数据处理采用最小值算法，即先对一维图像进行平滑处理，将每一个像素点的灰度值进行更新，取最靠近该点的30个像素点的平均灰度值，以确定条纹的中心位置。

图5 干涉条纹的CCD图像和暗条纹的定位

若将待测电压调整为电光调制器的半波电压，即为 2.3V，所对应的相位变化为π，此时像素点位移了4，则一个位移像素点所对应的电压为0.575V。假设初始暗条纹中心位置的像素点为N0，改变外加电压后暗条纹中心所在像素点为Nx，实时待测电压U可表达为

图6为实验过程中电压变化时暗条纹的位移情况。

图6 实验中干涉条纹位移情况

按照IEC 60044-7电子式电压互感器标准，实验测量结果见表2。

表2 实验测量结果

从表 1可得，在不同电压下互感器的比差＜0.5%，角差＜20′，符合电子式电压互感器 0.5%准确级的要求。

基于M-Z的OVT一大优点是光功率无关性，本文对此进行了实验验证。在光源后加入一块衰减片，通过调节衰减片可调整光源输出光强，其结构如图7所示。通过调节衰减片，使输出光强分别为原始光强的30%、50%和80%，图6显示的条纹并未发生移动，新型OVT与光功率无关得证。

图7 OVT光功率无关性验证实验

4 结论

本文提出了一种基于马赫-曾德尔干涉原理的光学电压传感器，利用Pockels效应将外加电压转换为干涉条纹的位移，通过CCD相机定位条纹的位移实现了对电压的直接线性测量。经过实验验证，干涉条纹的位移量和电光相位延迟的线性关系良好，解决了近似线性与半波电压限制的问题，测量方式与光强无关。其原理简单，容易实现，满足0.5%准确级的要求。但是仍然存在以下几个问题需要解决：

1）光纤在受到振动和其他机械扰动时产生内应力，并引入一定的噪声，影响测量结果。

2）测量分辨率受CCD相机像元尺寸的限制，需要进一步改进，以满足0.2级的测量要求。

3）只对个别子系统进行了温度特性实验，例如对Y波导的分光比进行了温度测试，未对全系统进行高低温循环实验，需要在后续的工作中补充。

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The New Optical Voltage Sensor for Linear Measurement

Wang Yun Hu Yufeng Zou Zhijian Cai Li Zhu Jianwu
(State Grid Jiangxi Electric Power, Nanchang 330000)

An OVT based on Mach-Zehnder interferometer is proposed in this paper, which helps to convert the electro-optic phase delay into the displacement of the interference fringe. And then, the voltage applied to the electro-optic crystal is obtained by positioning the displacement of the fringe, and the effectiveness of this method is verified by experiments. The new OVT meets the requirements of 0.5% accuracy class. And it has advantages of direct linear measurement, independent of light intensity and no limit by half wave voltage of crystal in measurement range. Moreover the new OVT is simple and easy to be built up.

OVT; Mach-Zehnder interferometer; electro-optic modulator; CCD

王 云（1988-），男，江西南昌人，博士，工程师，主要从事电力系统动态参数识别、电力系统暂态稳定控制工作。