基于地电位晶体的光学电场传感器对环境因素的补偿机理研究

Optical electric field sensor based on the principle of the linear electro-optic effect is the ideal way to measure the electric field / voltage, but in the actual operating environment, by the combined effects of the electric field, temperature field and stress field Simultaneously, the distribution of the refractive index of the electro-optic crystals will change, which will affect the operational stability of the sensor. This project intends to introduce another electro-optic crystal on the ground potential side of the sensor, and that the phase retardation generated by the environmental factors in the sensing crystal and the ground potential crystal compensates for each other, and thus to establish a new optical electric field sensor with environment independency and to conduct in-depth research on it.This project also intends to study the variation characteristics of the optical properties of the crystal in its interaction with the environmental factors including the electric field, temperature, and SF6 gas pressure, to create polarization model of the optical electric field sensor based on the ground potential crystal, and to explore the impact of the optical spindle azimuth relationship of each optical element in its optical path on sensor characteristics, to investigate the compensation mechanism on the environmental dependency; to examine the impact of the optical element optical spindle deviation angle of sensor optical path structure on the sensor characteristics, to identify the process requirements for the production of the sensor, and further optimize the performance of the sensor. This study will lay a good technical foundation for the practicality of electro-optic electric field sensors, and expand the application range of the sensor.

基于线性电光效应原理的光学电场传感器是测量电场/电压的理想方法，但在实际运行环境下，电光晶体同时受电场、温度场以及应力场等外场的综合作用，晶体的折射率分布将发生变化，而影响传感器的运行稳定性。本项目拟通过在传感器的地电位侧引入另一电光晶体，环境因素分别在传感晶体和地电位晶体中产生的相位延迟形成做差补偿，建立一种新型环境不敏感的光学电场传感器并进行深入的研究。课题拟研究在电场、温度、SF6气体压力等环境因素与晶体相互作用下，晶体光学性质的变化特性；建立基于地电位晶体光学电场传感器的偏振模型，研究传感晶体和地电位晶体内通光方向与外场方向对晶体本征模的改变规律，而探索对环境因素的补偿机理；研究光路中各光学元件光学主轴方位角及其偏差对传感器特性的影响，找出传感器的制作工艺控制参数，进一步优化传感器的性能。本研究将为电光效应电场传感器的实用化奠定良好的技术基础，同时拓展光学电场传感器的应用范围。

基于线性电光效应原理的光学电压传感器由非导电导磁的光学元件构成，对被测电场无任何影响，不受电磁干扰，一次部分无需电源，安全性非常高，特别适合电力系统朝着高电压等级、紧凑化小型化的发展趋势。当前光学电压互感器因为其环境稳定性问题尚未能满足电网长期稳定的运行需求。.本项目研究了基于地电位晶体补偿的光学电场传感器。研究了光学传感晶体在电场、温度场和应力场等环境因素的作用下，晶体光学性质的变化。温度场在晶体内产生的热应力以及气体压力产生的应力都改变了晶体的折射率分布，在传感器的输出中形成附加光学相位延迟。建立了基于地电位晶体补偿的光学电场传感器模型，研究了地电位晶体对环境因素的补偿机理。当处于地电位一侧的晶体其通光方向以及应力场作用于晶体的晶向与传感晶体完全相同时，由于半波片对坐标轴的旋转改变作用，使得传感晶体和地电位晶体内由于环境因素产生的附加相位延迟正好抵消。研究了传感器光路方位角偏差对传感器的影响。传感晶体内通光光线产生垂直方向、水平方向以及角度偏移时，传感器输出光中的直流分量和交流分量都将产生变化，利用交流分量除以直流分量的方式可以减弱光路损耗带来的影响，但是由于晶体内电场分布的不均匀，光线偏移时其电场沿光线方向上的积分即光学相位延迟亦将发生变化，因此，对传感器的制作工艺提出了很高的要求。通过对制作的光学电场传感器进行温度变化特性以及气体压力变化特性的测试，测试结果说明与本项目的理论研究分析结论是一致的。.本研究为改善光学电场传感器受环境因素的影响提供了新思路和理论依据，尤其对于传感器制作工艺的要求提供了理论依据，为解决光学电场传感器的实用化奠定基础。