基于集成光学的兆伏每米强脉冲电场传感器研制

针对兆伏每米(MV/m)强脉冲电场的测量需求,设计并研制了基于集成光学的共路干涉仪(CPI)小体积宽带脉冲电场传感器。基于电光效应及电光调制原理,建立了传感器的幅度和频率响应传递函数,分析了集成光学探头的接收特性,并推导了探头灵敏度和带宽随波导长度的关系。设计了适用于MV/m量级脉冲电场测量的纯光学非金属CPI传感器,提出了利用晶体宽度对测量灵敏度调控的方法,使得设计的半波电场提高了2倍以上。研制的无源探头体积小于20 mm×10 mm×5 mm、理论带宽大于4 GHz、最大测量幅度大于1.2 MV/m。研制的传感器在高空电磁脉冲(HEMP)、雷电电磁脉冲(LEMP)及脉冲功率等领域具有应用前景。

基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器传感及温度特性研究

“双碳”背景下,新型电力系统的数字化转型对电力传感技术提出了更高的要求。文中针对光学电场传感器温度稳定性差的问题,提出了基于电光聚合物薄膜的芯片式光学硅基电场传感器。首先介绍了电光效应原理,电光聚合物的2阶非线性光学效应以及电光能量耦合方法,其次设计了传感器的加工流程并完成了制备,同时在敏感芯片上成功涂覆电光聚合物,最后通过搭建实验测试平台,完成了传感器的线性度、交流响应以及温度特性测试。实验结果表明,所制备的光学电场传感器在工频电场下拥有较好的线性度且灵敏度高达0.945 mV·(kV·m^(-1))^(-1),传感器在0~75℃温度范围内输出幅值及相位稳定,其幅值比最大波动为0.481 dB,相位差最大为3.82°。文中提出的传感结构切实可行地提升了光学硅基集成电场传感器的温度特性,为硅基集成光学电场传感器在电力系统中的使用提供参考方案。

高灵敏硅凹槽膜片型光纤F-P局部放电超声传感器

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44μm,厚度为2.09μm,F-P腔长为163.600μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

空气间隙放电物理参数测量研究进展

随着我国特高压输电建设的深入,空气间隙放电的机理研究日益迫切,针对空气间隙放电的电场、电流、流注放电形态等关键物理参数的测量研究最新进展进行了介绍。重点介绍了国内外光电电场测量系统的研究进展,通过测试证实自主研制的瞬态电场测量系统理论测量范围可达24kV/cm,雷电冲击与ns冲击下的时域动态响应试验证实电压与电场的相关系数为0.9946。采用同轴电阻与光电调制传输系统构成的放电电流测量系统,实现了放电起始几十ns级瞬态电流的准确测量,并建立了高速摄像系统研究放电形态。搭建了试验平台,并就流注放电起始阶段空间电场的跃升、瞬态放电电流、流注形态等进行了初步研究,结果表明,研制的测量系统能够满足放电关键物理参数的测量要求,为今后深入开展放电机理研究奠定了坚实的基础。

双晶体温度补偿型非接触式光学过电压传感器

现今电网电压监测和过电压监测大多采用传统的接触式分压系统,该方式的运行可靠性较高,但具有测量频带窄、抗电磁干扰能力弱、安装和维护不方便等不足之处。因而基于一次电光效应和空气耦合杂散电容原理,设计了双铌酸锂晶体结构的光学电压传感器,响应频带可覆盖10Hz～5MHz,电压比例系数波动小于2%。在实验室搭建试验平台测量了传感器的输入输出特性与温度稳定性,试验结果表明：传感器在[–10？C, 60？C]范围内的输出电压相对误差小于±5%。同时,设计三相解耦算法,实现了传感器在500 kV线路的人工接地短路过电压测量中的应用。

正极性操作冲击电压下流注发展过程中空间电场变化规律

流注放电过程具有弱发光、电离程度高等典型特征,定量分析流注发展过程中光信号和空间电场跃变规律,对于加深流注放电过程机理认识、提升间隙绝缘性能具有重要意义。利用电场传感器、光电倍增管、罗氏线圈等设备搭建光电联合检测系统,对正极性标准操作冲击电压下10 cm针–球间隙的放电发展过程中瞬时光功率、空间电场和接地极放电电流进行测量。试验结果表明:电晕起始时,流注产生紫外光并引起空间电场的畸变,针电极头部发光越剧烈,其附近出现的强电荷群在空间建立的电场也越大;间隙击穿时,空间电场畸变明显,流注发光先于间隙击穿被光电倍增管测量到,有负极性电流流过地电极。通过对不同电压下的瞬时光功率和电场进行对比分析可知,利用电场传感器可判断流注的起始时刻以及流注电离的剧烈程度。

双天幕靶交汇测量弹丸飞行参数原理

提出了两种新型天幕靶的设计原理。采用敏感面较大的真空光电管、多狭缝光阑板以及标准光学照相镜头作为基本部件,将狭缝光阑板设计成"N"字和"三"字形,就可以分别构造出"N"字和"三"字形光幕。两台完全相同的天幕靶正交放置在弹道上,配合数据采集仪和计算机,依据数据采集仪记录的弹丸穿过各光幕的时间和光幕的几何参数,计算出弹丸的飞行参数。介绍了天幕靶的结构和光路设计以及测量原理,给出了测量公式。设计的天幕靶能够用于靶场,实现对弹丸速度、着靶坐标、飞行方向角的单项测量和多项同时测量。

瞬态电磁场测试的无源电光式传感器

介绍了一种用于瞬态电磁场测试的无源电光式传感器及其应用系统，其信号输入动态范围约为６０ｄＢ，频率响应范围为１０ｋＨｚ～７００ＭＨｚ，这种探头部分无源化的传感器具有抗电磁干扰能力强、体积小等优点。

含毛刺缺陷的球-板长空气间隙流注放电特性

换流站阀厅均压屏蔽球表面的毛刺缺陷会对其放电特性产生较大影响,为此搭建以光电倍增管、光电集成电场传感器为主要检测手段的光电联合测量系统,分别开展3 m棒-板、球-板、带毛刺球-板长空气间隙的正极性操作冲击放电试验,获得了放电发展瞬时光功率及空间电场信号。试验结果表明:3种间隙结构的初始流注起始时延、初始流注场强跃升幅值、畸变电场恢复时间等放电过程特征参数有较大差异。以球-板间隙为基准,棒-板间隙的上述3个参数降低幅度最为明显,而当球表面存在3 mm微小毛刺时,上述参数值分别降低了33.4%、68.7%、68.8%,并且与棒–板间隙参数值相近,表明毛刺的存在很大程度上改变球-板间隙的放电特性,因此应严格控制均压屏蔽球表面加工和安装工艺,避免毛刺及其他缺陷产生。该研究成果对于加深长间隙放电过程机理认识、提升间隙绝缘性能具有重要意义。

光纤电压传感器最新进展

综述了光纤电压传感器近年来国内外的最新研究进展 ,包括可用于SF6绝缘高压开关的光纤电压传感器、频率调制型的光纤电压传感器以及光控灵敏度的光纤电压传感器。介绍了国内在光纤电压传感器方面的研究进展 ,包括以DSP为信号处理芯片的BGO晶体的光纤电压传感器 ,以及应用光纤传感机理来测试脉冲电压和电场的方法 ,并对光纤电压互感器暂态信号处理的原理进行了研究 ,试验证明可以满足继电保护的要求。

精密播种机种肥智能监测系统

大型宽幅精密播种机作业中一旦发生种肥堵塞或种肥箱排空问题,就会造成巨大经济损失。为此,采用了一种半值角较小的光电元件构成光电阵列的方法,检测种子和肥料流动情况,解决了以往研究中漏检和光电元件间相互干扰的问题,传感结构易于拆卸,便于维护,系统能够及时发出声光报警信号,并显示故障行号。通过田间试验表明,该系统误报率低,故障播报准确。

利用LiNbO＿3晶体电光效应测量脉冲电压

本文介绍利用ＬｉＮｂＯ＿３晶体的线性电光效应做成的电压、电场传感器；并利用汞润开关产生脉冲电压波。实验结果表明此传感器对测量波尾较短的脉冲电压是可行的，幅值测量线性度在３％以内。

“猫眼”目标的激光主动探测距离分析

激光对光电传感器主动探测的基本原理是基于光学系统的"猫眼"效应的。最大探测距离是探测系统的重要参数之一。对影响探测距离的几个重要因素如激光发射束散角、CCD灵敏度、大气能见度等进行了分析,给出了最大探测距离的数学模型,并在此基础上运用MATLAB进行了模拟仿真。分析结果表明,最大探测距离随激光发射束散角的减小、CCD灵敏度的提高而增大,随大气能见度的增强而增大。

面向太赫兹应用的平面结构聚合物电光传感器

自由空间电光取样技术是太赫兹波(THz)相干探测的典型方法,电光传感器是其中的核心器件。传统的电光传感器多采用无机电光晶体材料,但是这种材料电光系数低并存在声子吸收性,致使太赫兹波的探测带宽受到限制。主-客体结构的电光聚合物材料具有较大的电光系数和较低的介电常数,近年来成为各国学者研究的热点。然而这种材料的主客体之间相容性差,极易产生相分离,导致电光性能降低,限制了材料的更广泛应用。采用一种化学与物理手段相结合的方法,将两种电光分子引入聚合物体系,制备了具有双电光分子的聚磷腈材料。这种材料不但具备良好的相稳定性,而且具有良好的电光性能,电光系数可达64.8 pm/V。基于双电光分子聚磷腈材料,设计并制作了具有平面结构的聚合物电光传感器。与传统的三明治结构电光传感器相比,平面结构传感器可以将探测幅度提升55%,光谱灵敏度提升35%,同时还可以避免入射角度对探测灵敏度的影响、降低噪声干扰、简化实验过程,是面向太赫兹应用的更适合器件。

侧基聚合物型电光传感器及太赫兹波探测系统

太赫兹波及其相关领域研究近年来越来越受到重视,自由空间电光取样方法是探测太赫兹脉冲波的主要方法,其核心器件为电光取样传感器。传统电光取样传感器通常由无机ZnTe晶体材料构成,其电光系数较低,不利于太赫兹波的探测。研究了几种侧基型电光聚合物材料的特性,优选出了适合于制作电光取样传感器的新型电光聚合物材料,用该材料制作的电光取样传感器,不但具有较高的电光系数,而且性能稳定,克服了主客体型电光聚合物材料相分离问题。利用聚合物电光取样传感器构建了太赫兹波探测系统,实现了太赫兹脉冲的时域测量,与传统电光取样传感器相比,新型传感器的平均探测效率和光谱灵敏度都获得了显著提高。

基于波长解调的Fabry-Perot型光纤MEMS压力传感器的设计

提出了一种新的压力传感器的设计,该传感器基于Fabry-Perot腔干涉和波长解调理论测量压力.设计用MEMS技术以及普通的光通讯接插件制作出工艺简单,分辨率高的光纤MEMS压力传感器.阐述了传感器的工作原理,分析了硅膜的厚度对传感器性能的影响以及FP腔的长度对反射光信号的影响.系统采用可调谐激光器进行信号访问,利用反射谱的相位变化完成信号解调.理论分析和模拟计算验证了传感器加工制作方案的可行性.

不完全量测下事件触发卡尔曼一致滤波及在光电探测网中的应用

针对分布式状态估计中卡尔曼一致滤波算法各节点间通信量过大的问题,在保证卡尔曼一致滤波算法估计精度及各节点估计值一致性前提下,为减少各节点间的通信量,提出一种事件触发机制协调各节点间的信息交互过程。推导了相应的卡尔曼一致滤波算法,并证明了其估计误差的有界性;仿真了所提算法在不完全量测下光电探测网中的应用。研究结果表明:与经典卡尔曼一致滤波算法相比,所提算法可在节约网络通信资源前提下,保证网络中各节点估计精度及估计值的一致性。

基于一次电光效应的非接触式过电压监测传感器

高压电网中过电压的测量对于研究过电压的行为特征和绝缘配合设计具有重要的意义。为了实现高压电网的安全准确测量,采用具有良好一次电光效应特性的铌酸锂晶体设计了无源集成的光电电压传感单元以及使用该单元的非接触式过电压监测传感器。传感器的分压单元由单元自身电容和定值电容并联构成的低压臂电容与高压导线和感应金属板的耦合电容串联构成。光电电压传感单元全光纤连接,只需感应从分压单元引出的较低幅值电压信号,且无需在传感器安装点提供电源。对设计的传感器的各项测试表明:该传感器不仅具有良好的线性工作区,同时在雷电和操作冲击电压下其高频响应精度较高(幅值反算误差<3%,响应时间误差<0.1μs),适用于各电压等级的过电压非接触无源监测。

无源电光式传感器及其进展

基于晶体的电光效应原理、利用光纤传输制作的电光式传感器具有宽频带、抗干扰能力强、对被测对象扰动极小、灵敏度高等突出优点，可以对复杂环境中或小空间内的ＥＭＰ场进行高保真的测量。论述了电光式传感器的原理及其发展应用情况。

光纤电压传感器原理分析及其研制

光纤电压传感器可以用于电网电压的监测和保护。文中对体调制型光纤电压传感器原理进行了分析 ,提出当考虑被测电压为交流正弦波时 ,有效值的线性测量范围大于瞬时值的线性测量范围 ,并分析了传感头各器件的取向对测量范围和非线性失真的影响 ,得到了提高信噪比的途径 ,确定了获得最高信噪比和最小非线性失真的最佳取向 ,并且提出了 1/