摘要: 电场的测量是电力系统中不可缺少的重要组成部分，随着电力工业的快速发展以及智能电网的建设，传统的电场传感器已经不能完全满足当前电场检测的需求。近年来，有关光纤电场传感器的研究逐渐兴起，相比于传统的电场传感器，其具有体积小、响应迅速、... 展开 电场的测量是电力系统中不可缺少的重要组成部分，随着电力工业的快速发展以及智能电网的建设，传统的电场传感器已经不能完全满足当前电场检测的需求。近年来，有关光纤电场传感器的研究逐渐兴起，相比于传统的电场传感器，其具有体积小、响应迅速、能耗低、自身不产生电磁干扰、可实现在线监测等优点，在智能电网的建设中具备潜在的应用价值。结合当下智能电网建设中的电场测量需求，本文利用液晶的电光效应，采用多种参数的微结构光纤，将液晶与微结构光纤结合，设计并制造了多种透射式的全光纤电场传感器。本文主要完成了以下研究内容: (1)设计了一种液晶填充空芯光纤的全光纤电场传感器件，该器件使用的是5μm直径空气孔的空芯光纤，将填充了液晶的空芯光纤熔接在两根单模光纤之间，通过调整熔接机放电参数，在熔接点处形成三角锥形塌陷区，该结构激发了Mach-Zehnder干涉。当施加外部电场时，产生红移现象，电压从142Vrms变化到152Vrms，波长移动了12.6nm，传感器灵敏度高达1.1943nm/Vrms，且传感器的重复性良好，具有一定的实际应用潜力。 (2)使用三种不同型号的光子晶体光纤，进行了液晶全填充方案的设计。首先设计了一种液晶全填充C3P1型号光子晶体光纤器件，得到了一种基于光强解调的电场传感器，其电压灵敏度达到了-0.3195dB/Vrms，并对电场频率敏感，响应光谱会随着电场频率的改变而发生变化。随后，又使用了另一种型号(PCF000041B01)的光子晶体光纤进行液晶的全填充，得到了光强解调且两段不同灵敏度的电场传感器，其在高灵敏度段的灵敏度为-0.2594dB/Vrms,并且其光谱会随着电压变化产生微量移动，在20Vrms的电压变化下，产生了0.96nm的移动。最后，为了降低器件的阈值电压，使用了保偏光子晶体光纤进行了测试，虽然得到的光谱变化非线性，但是其光谱随电压和频率变化的规律，为选择性填充微结构光纤器件提供了设计基础。 (3)设计了一种液晶选择性填充光子晶体光纤的电场传感器，通过改进的显微涂胶辅助填充方法，将液晶填充进保偏光子晶体光纤的单个大空气孔内，构成一个光纤耦合器件。施加电场后，耦合峰向长波长方向移动，在161Vrms～175Vrms的电压变化范围，波长红移量达到15.4nm,灵敏度为1.1137nm/Vrms，换算到125μm板间距的标准，灵敏度高达3.6529nm/Vrms,在目前已报道的同类器件中，处于前沿水平。同时，对该传感器的电场频率响应做了对应研究，其对电场频率的改变具有一定程度的分辨能力，如采用合适的液晶型号和光纤，有望实现对于电场频率的精确测量。 本文根据智能电网建设的需求，设计并制造了几种能够实现电场测量的全光纤电场传感器，且具有较高的电压灵敏度和初步的电场频率分辨能力，推进了光纤电场传感进一步发展，使其在电力工业等领域具备潜在的应用价值。 收起