基于光子晶体光纤的光纤电压传感器误差抑制

论文摘要

光纤电压传感器(Optical Voltage Sensor,OVS)是目前世界各国争相研究的一种新型电力系统检测装置,可用于替代传统的油浸式变压器,具有很好的研究价值,但温度扰动产生的误差问题一直是制约其发展的主要原因。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)是一种新兴的特种光纤,具有周期性空气孔所以光纤结构参数可灵活设计,温度稳定性优于传统单模光纤,可用作传感光纤用于提高光纤传感系统温度稳定性,来抑制温度误差,抑制温度扰动带来的影响,提高测量精度。本课题以基于逆压电效应的OVS为研究对象,光纤作为OVS的重要部分,利用PCF的优良特性,设计具有温度稳定性的PCF用作OVS传感光纤,减少温度作用下传感光纤造成的误差,从而实现对OVS温度误差的抑制。本文具体主要工作如下:对OVS的工作原理进行了剖析推导了OVS的输出模型。分析了OVS的主要误差来源,提出利用PCF作为新型传感光纤,用于抑制OVS的温度误差。介绍了PCF常用的数值分析方法,提出利用有限元法分析温度作用下的PCF的温度稳定性。针对OVS中主要误差来源传感光纤,分析了传感头传感光纤的误差以及方案中两段光纤不等长导致的误差,并推导了相应的误差公式;针对传感光纤热致误差也进行了分析并得到了相应的误差模型。对所设计的特种光纤的设计思路进行了介绍,分析了其可行性。设计了一种五芯结构的PCF,针对所提出的温度不敏感PCF对其温度稳定性进行了分析,考虑热光效应和热膨胀效应的影响,分析了温度作用下变化空气孔直径、空气孔层数和空气孔间距后光纤性能的变化,并且对所设计的光纤的模场特性与传统熊猫型PCF所设计的参考光纤进行了对比分析。最后通过计算得出了所设计的温度不敏感光纤的温度稳定性,将其代入误差公式并分析了该光纤对系统误差的抑制效果。经过研究本课题得出以下结论,光纤作为OVS的关键一环,光纤的双折射的稳定性可以影响OVS的输出误差,通过分析所设计的PCF,对其温度稳定性进行分析的得出所设计的五芯PCF的温度稳定性强于参考六芯PCF,该PCF的模场面积大于六芯PCF,并且模场分布趋近于圆形,在实际模场匹配时更具有优势,对误差公式进行分析得知使用该光纤作为传感光纤可以提高系统的温度稳定性,减小测量误差,可以对外界环境温度扰动给OVS带来的误差起到抑制作用。本课题的研究将为解决OVS在温度作用下的温度误差这一瓶颈问题提供可靠的理论基础,为推进OVS的发展提供新的研究思路与方法。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 黄蔚梁

导师: 杨汉瑞

关键词: 光子晶体光纤,光纤电压传感器,逆压电效应,温度误差,有限元法

来源: 东北电力大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 东北电力大学

基金: 吉林市科技发展计划项目《FOCT光纤传感头温度效应的机理与抑制》,国家自然科学基金青年科学基金《逆压电式光纤电压互感器温度误差机理与抑制方法研究》

分类号: TP212;TN253

总页数: 73

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