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综述了现有各种光学电功率传感器的传感机理和主要特点, 提出了电功率传感器研究中存在的问题、方法和研究方向。光学电功率传感器一般具有测量范围大、响应频带宽和电气绝缘能力强等优点。根据光载波中是否含有电功率调制信号, 可将光学电功率传感器分为直接调制型和间接调制型两类;与光学电压、电流传感信号相比, 直接调制型光学电功率传感信号更加微弱, 且其有功功率传感信号为直流信号, 易与光载波强度波动混淆。对于单晶体型电功率传感器, 一般要求传感介质兼具线性电光、磁光效应, 或者具有双横向电光Pockels或Kerr效应;此外, 选择传感介质时应全面考虑其多重光学效应及其相互关系, 并应考虑如何避免或抑制传感信号的温度漂移。光学电功率传感器在智能电网、微波功率及电磁脉冲功率测量等领域具有潜在的应用前景。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
收稿日期
收到修改稿日期
作者简介
李长胜
男
博士
副教授
硕士生导师
主要从事物理光学效应
偏振光学
光学传感 技术 等方 面的 研
究
光学电功率传感器研究综述
李 长 胜
,
崔 翔
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
北京
华北电力大学电气与电子工程学院
北京
摘要
综述了现有各种光学电功率传感器的传感机理 和 主要 特 点
提 出了 电 功 率传 感 器 研究 中 存 在的 问 题
方 法
和研究方向
光学电功率传感器一般具有测量范围大
响应频带宽和电气绝缘能 力强 等优 点
根据 光载 波中 是否
含有电功率调制信号
可将光学电功率传 感 器 分 为 直 接 调 制 型 和 间 接 调 制 型 两 类
与 光 学 电 压
电 流 传 感 信 号 相
比
直接调制型光学电功率传感信号更加微弱
且其有功功率传感信号为直流信 号
易与 光载 波强 度波 动混 淆
对
于单晶体型电功率传感器
一般要求传 感 介 质 兼 具 线 性 电 光
磁 光 效 应
或 者 具 有 双 横 向 电 光
或
效
应
此外
选择传感介质时应全面考虑其多重光学效应及其相互关系
并应考虑如何 避免 或抑 制传 感信 号的 温度 漂
移
光学电功率传感器在智能电网
微波功率及电磁脉冲功率测量等领域具有潜在的应用前景
关键词
光学传感器
电功率传感器
微波功率测量
电光效应
磁光效应
晶体
中图分类号
文献标识码
doi
ReviewofO
p
ticalElectricGPowerSensor
Schoolo
f
InstrumentationScienceandO
p
toGElectronicsEn
g
ineerin
g
Beihan
g
Universit
y
Bei
j
in
g
China
Schoolo
f
Electrical&ElectronicEn
g
ineerin
g
NorthChinaElectricPowerUniversit
y
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
引
言
电功率是电气和电子科学与技术领域中的基本
物理量
指电磁能量随时间的变化率
可用于描述电
磁能量产生
传输和消耗的速率
也可用于解释许多
电磁现象和规律
电功率测量是电气与电子技术领
域的重要研究内容
已被广泛应用于智能电网
电磁
兼容
微波工程以及电磁科学研究等领域
在电
力系统中
电功率主要采用电气与电子方法测量
其
中单相电路功率的典型测量方法主要包括
基于安
培力和电磁感应原理的电动式功率表
基于模拟乘
法器
时分割乘法器或数字乘法器的电子式功率计
光
学
学
报
利用 热 电 偶 或 半 导 体 霍 尔 效 应 元 件 的 功 率 计
等
大功率微波功率的现有典型测量技术主要包
括
量热法
半导体传感 器及耦合 衰减法等
电功
率的上述电气及电子测量方法具有一定局限性
主要
为
被测电功率信号端在测量仪器及人员之间存在
电气连接
其电气绝缘性能较差
在高电压或强电磁
脉冲环境条件下的功率测量存在安全隐患
基于电
磁感应原理的电流
电压互感器
以及电动式功率计
的频率响应范围较窄
例如低于
难以准确测
量大量非正弦及谐波信号条件下的电功率
电气与
电子测量电路自身存在一定的功率损耗
传感元件自
身介入对被测电功率信号存在一定影响
随着 现代科技 的迅速发 展
越来越 多的科技 与
工业领域需要快速
准确地测量电功率
同时对电功
率测量的技术要 求 也 越 来 越 高
例如
在电磁兼容
和微波工程等技术领域
需要测量宽频带
大功率微
波信号的幅值
功率和频谱等信息
脉 冲 功 率 技
术中需要测量高电 压
大电流和强电磁脉冲功率等
信号
此外
无线电能传输技术和太赫兹辐射功
率计量技术等领域 中
也需要对空间传输的电功率
信号进行绝缘性测量
为了 克服电气 与电子测 量方法的 上述不足
人
们逐步开始研究电 功 率 的 光 学 传 感 与 测 量 方 法
包
括电力系统中工 频 电 功 率 的 光 学 传 感 方 法
微
波功率的光纤 与 光 子 测 量 方 法
和太赫兹辐 射 功
率的光学测量方法
等
年
华北电
力大学崔翔教授主持完 成 的
光纤电功率传感机理
及信号检测方法
国家自然科学基金资助项目
主要
研究了若干工频电功率的光学传感方案和电功率传
感信号的检测方法
利用光学电功率传感器可以直
接在光载波中获取 电 功 率 信 号
该传感器具有电气
绝缘能力强
响应频带宽
对被测信号影响小和安全
性能高等优点
在智能电网
电磁兼容
微波工程
高
电压和脉冲功率技术等方面具有潜在的应用价值
目前
随着电力系统中智能电网
能源互联网和
各种新能源技术的 发 展
各种光学电流和电压传感
器研究发展迅速
但有关光学电功率传感器的
研究鲜见报道
本文综述了国内外光学电功率传感
器的研究现状和进 展
分析了本领域研究中存在的
技术问题与方法
并指出了其可能的研究方向
光学电功率传感机理
21
电功率的基本概念
在正 弦稳态电 路系统中
电源输 出的或负 载消
耗的瞬时电功率
p
t
被定义为所在一端口 网 络 的
端口电压
u
t
U
ωt
与 端 口 电 流
i
t
I
ωt
φ
的乘积
即
p
t
=
u
t
i
t
=
U
ωt
I
ωt
-
φ
=
UI
φ
+
UI
ωt
-
φ
=
UI
φ
×
+
ωt
+
UI
φ
ωt
=
P
+
ωt
+
Q
ωt
式中
U
I
分别为端口正弦电 压和电流 的有效值
ω
为其角频率
φ
为电压与电流的相位差
式 中 的
第一项表示一端口 网 络 吸 收 的 瞬 时 功 率
其在一个
正弦电 流 周 期 内 的 平 均 值 被 定 义 为 有 功 功 率
即
P
UI
φ
也 称 为 平 均 功 率
φ
称 为 功 率 因
数
故
φ
也称为功率因数角
式中的 第二项表 示
一端口网络与外电 路 周 期 性 交 换 的 瞬 时 功 率
其最
大值被定义为无功功率
即
Q
UI
φ
S
UI
被
定义为视在功率
由
式可见
电功率测量具体包
括瞬时功率
有 功 功 率
无 功 功 率 和 视 在 功 率 等 的
测量
在智能电网中
可再生能源并网装备
电动汽车
充电装备
数据中心 直 流 电 源 装 备 和 储 能 装 备 等 各
类电力电子装备的 急 剧 增 加
导致电网中存在大量
的谐波
传统的电功率理论不再适用
文献
分
析讨论了非正弦条件下的电功率理论
22
基于电光
、
磁光效应的光学电功率传感器
光学 电压
电场传 感器主要 是基于某 些光学晶
体的
线性 电 光 效 应
即 电 光 晶 体 在 外 加 电
场作用下产生折射 率 变 化
且折射率变化量与外加
电场强度成正比
有时还伴随新折射率主轴方位角
的变化
光学 电 流
磁 场 传 感 器 主 要 依 据
磁光效应
使通过处于外加磁场作用下的磁光晶体
玻璃
光纤等介质的光波偏振面产生旋转
且旋转角
度与外加磁场强度成正比
由于电功率信号产生于
电压与电流的乘积
因此需要同时利用光学介质的
电光与磁光效应
才能实现电功率的光学传感
根据 光载波中 是否含有 电功率传 感信号
可将
光学电功率传感器 分 为 两 类
一类是直接调制型电
功率传感器
被测电 功 率 信 号 通 过 光 学 介 质 直 接 调
制光载波
另一类是间接调制型电功率传感器
即利
用光学方法同时传感电压
电场
电流
磁场
再根
据电压
电流与电功率之间的关系
通过信号处理获
取电功率信号
直接调制型光学电功率传感方案
根据 现有文献
已经过 实验验证 的直接调 制型
光
学
学
报
光学电功率传感方案主要包括以下
种
级联 电 光 晶 体 与 磁 光 玻 璃 的 电 功 率 传 感 方
案
例如同时利 用铌酸锂
晶体
的线性电 光 效 应 和 含 铽
元 素 玻 璃 的
磁光效应
使 光 载 波 先 后 通 过 被 测 电 压 调 制 的
晶体和被测电流调 制 的 铽 玻 璃
则可在光载波中获
得电功率传感信号
该方案的一种典型实验装置如
图
所示
图中
分别为
晶体和含铽磁
光玻璃
Z
为 负 载 阻 抗
利 用 双 光 路 信 号 检 测 方
法
可以从输出光强度传感信号的
x
y
正交偏振分
量的差值
I
x
-
I
y
中获得 有功功率 信 号
传感器输
出电压
u
x
和
u
y
随被测有功功 率变化
实验数 据的
非线性误差低于
图
基于级联电光晶体和磁光玻璃的
光学电功率传感实验装置
利用兼具电 光
磁光效应的单晶体的电功率
传感方案
例如闪烁锗酸铋
晶
体兼具
效 应 和
效 应
利 用 该 晶 体
传感工频电功率的实验装置如图
所示
其电功
率传感 单 元 主 要 包 括 偏 振 器
晶 体
波片
和偏振分 光 器
在小信号调制条
件下
当电光相 位 延 迟 和
旋 光 角 均 远 小 于
时
可由输出光强度的
x
y
偏振分量获得电功
率传感信号
当负载功率因数分别为
视
在功率小于
时
有功功率测量的 非线性误 差
低于
视在功率测量的非线性误差低于
此外
文献
报 道 了 利 用 兼 具 线 性 电 光
磁光效应的硅酸 铋
晶 体 和 石 英
晶体传感电功率 的 方 案
但这两种晶体具有
较强的自然旋光性
特别是石英晶体
同时兼具电致
旋 光 效应
要设计电功率传感器
通常需要补偿
图
利用闪烁锗酸铋晶体的光学电功率传感器实验装置
和抑制这些效应的影响
否则难以实现电功率传感
文献
提出了采用螺旋型电极和反射光路的补偿
方法
但二者增加了 传 感 系 统 结 构 及 其 加 工 的 复 杂
性
并易引起额外的测量误差
基 于 电 光 晶 体 乘 法 器 的 电 功 率 传 感 方
案
电光晶体乘法器可以实现两个电压信号的
乘法运算
如果将被 测 电 流 成 比 例 地 变 换 为 电 压 信
号
u
x
而被测电压变换为
u
y
则可以 利用电光 晶体
乘法器实现电功率传感
利用单块
晶体的电光
晶体乘法器如图
所示
主要包 括偏振器
晶体
和偏振分光器
将被 测 电 功 率 的 电 流 和 电 压 变 换 为
晶体的两个横向调制电压
u
x
和
u
y
则可通过检
测输出光强 度 的
x
y
偏 振 分 量 实 现 电 功 率 传 感
此外
可以利用两块 串 联 的 光 波 导 调 制 器 或 电 光 晶
体来实现电光乘 法 器
双横向电光克尔效应也
可以用于设计电光乘法器
图
利用单块铌酸锂晶体的光学电功率
传感单元结构示意图
同时测量电压
、
电流的光学电功率间接传感
方案
如果能够利用单块或两块光学介质同时传感电
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