高压放大器在传感器基本传感特性研究中的应用

实验名称：传感器基本特性研究

研究方向：基于逆压电效应和光纤光栅传感原理设计光学电压传感器，以实现在电网电压传感过程中的全光纤传输、测量，增加电压传感单元的电磁屏蔽性能，最大限度实现光电隔离。主要研究传感器的基本设计原理、传感器中光栅信号的解调原理及相对应的能量耦合模型和电路、光路模型；完成对压电-光栅电压传感器的制备，在实验室和搭建电压传感器校验测试平台，研究分析传感器的基本特性。

测试设备：高压放大器、信号发生器、示波器、宽带光源、压电型光学传感器、光电探测器等。

图1：传感器校验测试平台示意图

实验过程：

为了研究所设计传感器的各项性能，本文在实验室搭建了逆压电-光栅电压传感器的校验测量平台。本测试平台所用设备根据设备性质，可分为光学、电学两大类设备。光学设备主要包括宽带激光源和光电探测器，用于提供宽带光信号和检测输出光信号；电学设备主要包括函数发生器，冲击电压发生器，高压放大器和示波器，用于提供和检测不同类型的电压信号。

试验设计中，电学相关的设备主要包括任意函数波形发生器、高压放大器、示波器、冲击电压发生器。示波器带宽为70MHz，采样率为1.0GS/s。任意函数波形发生器可提供12种标准波形及任意波形电压信号，最小调整刻度为1mV。高压放大器放大倍数为2000倍，配合任意函数波形发生器，为压电型光学传感器提供多种高幅值电压输入信号。

传感器校验测试平台如图1所示。信号发生器与高压放大器联合使用，为传感器提供基本的宽频带、多幅值的正弦波，方波，三角波信号等。宽带光源为传感器提供光源信号。传感器的输出光信号通过光导纤维进入光电探测器，在光电探测器中完成光电转换，最后通过电缆信号线传输至示波器进行显示。在测试前，首先应检测传感器内部的光路畅通性，以保证后续信号的传输可靠性。具体应检测光环形器的三个端口处，光环形器间的连接段处，以及传感器输出到光电探测器的光纤的连通性。

实验结果：

对传感器进行基本传感特性校验测试。校验测试内容为：传感器的工频响应测试，频率响应测试，三种基本波形测试，冲击电压测试。

图2：传感器工频响应测试结果

工频响应测试中，从图2中可以看出，传感器的工频响应呈线性，其测试结果的线性拟合度达到99.9%以上。从图中可知，对应外加电压每kV的变化，传感器光探输出的电压幅值为217.54mV。传感器的工频响应能呈线性的原因是，传感器在外加电压信号处于0.5kV-5kV范围内时，能够工作在线性区，如图2右下角所示。与此同时，传感器的信噪比测量为11.58:1，传感器最大误差为3.7%，符合相关国际标准IEC60044-7和IEC61869-5：2011中等级3的要求。对传感器工频响应的测试、分析及与国际标准的对比结果说明，传感器能够满足电网中一般工频电压信号的测试要求，具有了初步的应用基础条件。

图3：传感器的频率响应测试结果

频率响应测试中，从图3中可以看出，在50Hz到20kHz频率范围内，传感器的频率响应大致平坦。在7kHz及17kHz频率点处，传感器的响应出现了小幅度波动，但波动最大值仍处于±3dB范围内，因此整体来说，在50Hz-20kHz频率范围内，传感器的频率响应平坦。

图4：50Hz，3kHz，8kHz和20kHz频率条件下，传感器的正弦波形响应测试结果

三种基本波形响应测试中，图4所示为传感器在50Hz，3kHz，8kHz及20kHz频率条件下，传感器的正弦波形响应测试结果。从图中可以看出，对于正弦波输入信号，传感器在各个频率点下都能有较为完整的响应；在20kHz处，由于高压放大器频率的限制，输入信号类似转折圆滑的三角波信号，与之对应的输出信号幅值也有所降低。总体来说，在20kHz的频带内，传感器对正弦波信号的响应良好，并未出现信号明显畸变、延迟的现象，进一步说明了传感器在50Hz-20kHz内的基本电压测量特性良好。

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