基于微静电力和微干涉仪的光纤电场传感技术研究

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1、基于微静电力和微干涉仪的光纤电场传感技术研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：周黎明指导教师：朱涛教授专业：光学工程学位类别：工学重庆大学光电工程学院二O一六年五月ReserachonFiberElectricFieldSensingTechnologybasedonWeakElectrostaticForceandMicroInterferometerAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequire

2、mentforMaster’sDegreeofEngineeringByLimingZhouSupervisedbyProf.TaoZhuSpecialty:OpticalEngineeringCollegeofOpto-ElectronicEngineeringofChongqingUniversityChongqing,ChinaMay,2016重庆大学硕士学位论文中文摘要摘要随着电力系统以及各种强电设备的快速发展，电场传感也随之受到关注和研究。现有的光学传感器主要基于电光和液晶材料，其中前者

3、响应速度很快而在低频范围内受到逆压电等低频效应影响所以主要应用于射频信号测量，后者虽然主要用于低频测量，但是其灵敏度也还有待提高。此外，上述材料均需要使用光偏振设备，系统成本和复杂度都较高，而且材料的漏电阻与材料尺寸相互制约，电场频率越低时，越难以获得较高的静电荷保持率以在材料中形成较强的感应内电场以对光信号进行调制。本文基于电场力迫使光纤光学机械结构进行纳米尺度振动这一原理，提出了基于纳米厚度金薄膜和光纤法布里-珀罗干涉仪结构的低频，偏振相关性小的电场传感器，以及基于绝缘油中介电泳和带电粒子迁移

4、的光纤偏振相关性小的高电压传感器。论文的主要工作包括：①对低频空间电场与传感器结构的耦合模型进行了阐述，通过有限元仿真软件对静电场的分布给出了分析，得到传感器内部电场值，或传感器内部间隙电压值的范围，并根据预先的电压驱动测试验证了将所设计是传感器结构进行电场传感的初步可能性以及大致可测电场范围。文中除了论证在空气空间中利用静电力来调制光学参数的机制可行性外，还分析了绝缘油液体在高电压作用下，其内部电场导致的中性粒子介电泳和带电粒子迁移两种粒子运动，并介绍了将这两种粒子在电压下运动所产生的作用力运用

5、到高电压光纤传感的方案设计。②基于微静电力效应以及光纤和纳米厚度金薄膜共同构成的干涉仪结构，制作了低频全光纤电场传感器。其中使用了高精度（光斑直径3μm）的飞秒激光器加工系统将120nm厚度的金膜加工成中部为类似菱形的弯曲梁结构，并将其作为电-光转换的核心部件。对传感器进行了频率范围从30Hz~27kHz，幅值从0~3600V/m的交流电场测试实验，结果表明传感器在19kHz出现较为尖锐的响应峰值，而在500Hz以下响应较弱，此外，传感器输出光信号与电场信号成平方关系。传感器在较低频时由于阻抗导致

6、的高通滤波效应使得传感器上能够耦合到的电场较弱，并且输出的光信号相位超前于外部电场信号，而在较高频时由于机械共振效应，输出光信号出现强度峰值，并且相位滞后于电场信号。传感器的电场测量动态范围易于调节，在本文所述传感器结构和尺寸下，传感器的可测电场范围为200V/m到3000V/m。③基于绝缘油中介电泳和带电粒子迁移效应，制作了亚克力盒封装的光纤高电压传感器。传感器核心部分为多段光纤共同构成的液体力感应头。文中对该传感器分别进行了不同幅值，持续时间毫秒级别的单极性脉冲电压测试，以及7kVrmsI重庆

7、大学硕士学位论文中文摘要的工频电压测试。脉冲电压实验主要使用传感器的介电泳效应，得到的光强波形可经过经验估计参数计算得到原始电压波形，但是略去了高频成分，传感器可测脉冲电压的主要频率成分应小于350Hz。工频电压实验主要使用传感器的介电泳效应，得到的光强波形跟随电压波形，仅有~0.1ms滞后，因此对于周期电压，可响应最高频率为700Hz。关键词：电场传感，高电压传感，微纳薄膜，F-P干涉仪，全光纤，静电力，介电泳II重庆大学硕士学位论文英文摘要ABSTRACTAstherapidgrowthofp

8、owersystemandallkindofstrongelectricitydevices,electricfieldsensingattractsequallyattentionandhasbeendevelopingfast.Currentopticalelectricfieldsensorsareprimarilybasedonelectro-opticmaterialsorliquidcrystals.Theelectro-opticmethodsareusedforRF