用于测量工频强电场的集成光学电场传感器

针对工频强电场测量的特点,研究了用于测量高压工频电场的集成光学电场传感器。分析了集成光学电场传感器的工作原理,以及电场传感系统的输入输出性能。设计并实现了工频电场的测量校准装置,对从100V/m到2500V/m的工频电场进行了测量。测量结果表明,这种集成光学电场传感器适合于高压工频电场的测量。     

集成光波导强电场传感器天线电极仿真分析

提出一种用于强电场测量的集成光波导电场传感器天线电极设计方案。给出了传感器等效电路,计算分析了天线、电极的各个参数对传感器半波电场的影响。结果表明:当传感器电极长度、天线长度由4mm减少到0.5mm时,传感器半波电场由230kV/m分别增加到2 400kV/m和1 100kV/m,提高了943.5%和378.3%;当电极间距、电极宽度由20μm增加到200μm时,传感器半波电场由400kV/m分别增加为2 300kV/m和730kV/m,提高了475.0%和82.5%;当天线底部宽度由50μm增加到600μm时,传感器半波电场由460kV/m减小到242kV/m,减小了47.4%。因此,合理设计传感器电极、天线尺寸可使其半波电场达到几百kV/m至几千kV/m,使它能够应用于强电场测量领域。     

基于分段电极的电场探测系统灵敏度研究

针对分段电极结构的集成光学电场传感器,分析了电场探测系统的灵敏度,得到了影响灵敏度的各个参数,并做了优化,经过优化的这种电场探测系统的极限灵敏度可达到19.4 dBμV/m.模型分析所得该传感器的探测灵敏度为87.3 dBμV/m,与实验得到的90.0 dBμV/m基本一致.     

大带宽集成光学电场传感器的频率响应特性分析

采用马赫-曾德尔光波导干涉仪与锥形天线阵列,研制了基于铌酸锂（LiNbO3）结构、可用于电力电场测量的大带宽电场传感器,并通过实验对传感器性能进行了测试。结果表明,该传感器在10kHz～18GHz的大带宽范围内,频响特性波动小于±10dB,最小可测电场强度达到0.4V/m,可测量场强达103V/m的纳秒脉冲电场。     

雷电近区电场峰值及其变化率随距离的变化研究

人工引雷试验对前端测量装置的电源稳定供应和恶劣环境下的工作可靠性要求较高. 为了解决传统电池供电电场传感器持续工作能力不足以及强雷暴环境下的试验安全等问题,研制了一套基于光纤供能的雷电电磁脉冲电场测量系统. 系统电源供给、信号测量和数据监控传输均通过光纤连接,采用STM32微处理器进行监控,具有电源管理、传输比在线校准和温度在线监测功能. 介绍了系统的主电路设计,并对系统的功能和性能进行了试验测试. 结果表明：在夏季环境温度26～40 ℃的情况下,通过光纤供能的光伏电池能够持续稳定工作,测量系统−3 dB带宽达到33 MHz;通过3组不同灵敏度天线切换,可用量程范围为0.18~117 kV/m,满足人工引雷通道近区电场的测量需求.     

一种新型MOSFET静电场传感器

本文提出了一种非常有发展前途的低温漂固态电场传感器。此传感器是一种恒压惠斯顿电桥,它的电阻是由四个直接栅极SOI MOSFET器件。理论上证明这种传感器的输出信号电压与测量电场成正比,温度漂移等于零。实验结果表明,在300K温度下,传感器的分辨率为3.27 mV/KV/m,大气环境下的温度漂移相当于47V/m的电场,其远小于大气温度下相当于10,000V/m的电流漂移。     

电场传感器校准的等效天线系数法

针对电场传感器在1 GHz以上频段高于200 V/m场强的校准需求,提出了等效天线系数法.该方法借用了天线系数的概念,在混响室中首先通过现有场强标准装置传递得到小场强时接收天线的等效天线系数,再利用等效天线系数对混响室中的大场强定标,从而实现电场传感器的大场强校准.混响室中采用等效天线系数法定标的大场强与采用统计方法计算得到的大场强相比较,场强偏差满足系统不确定度要求,说明了等效天线系数法的合理性.该方法借助混响室的特点和天线系数概念,将电场传感器校准幅度提升至200 V/m以上,为大场强测量的准确性提供了依据.     

空中三维电场传感器及其标定方法研究

空中电场是以三维矢量形式存在的,以往用于空中电场探测的电场传感器主要实现矢量电场的一个或两个分量的探测.介绍了一种新型的空中三维电场传感器,可实现空中矢量电场的三维检测,并对该三维电场传感器的标定方法进行了仿真分析,设计出该传感器的专用标定装置.测试数据表明该传感器的输出与外部电场呈良好的线性关系,与理论分析一致,证明了该电场传感器结构设计和标定方法的合理性.     

聚合物偶极子天线型光纤电场传感器

设计并初步成功制作了聚合物光纤电场传感器.假设聚合物材料的电光系数r13=10 pm/V,设计的两种电场传感器的半波电场Eπ=36.2和15.8 kV/m.用自制的二阶非线性光学聚合物BPAN-NT作为聚合物光纤电场传感器的芯层材料,制作了电光调制器.用反应离子刻蚀的方法制作脊形光波导,通过电晕极化使芯层具有电光效应,...     

基于电光聚合物缺陷光子晶体的脉冲电场测量技术

针对幅值强、频带宽、持续时间短等脉冲电场测量需求,本文提出一种基于电光聚合物缺陷光子晶体的全介质脉冲电场传感器.在周期性分布的光子晶体中引入电光聚合物作为缺陷层,外界电场的作用下,电光聚合物的折射率发生改变,这将会引起光子晶体的谐振频率偏移,监测谐振频率的变化即可实现被测电场测量.本文通过理论分析与数值模拟光入射角度不同且入射波的偏振状态不同时,光子晶体的结构参数对光子晶体传输光谱特征的影响规律,验证了该传感器的电场敏感特性.仿真结果表明,通过合理设计传感器的结构参数,结合波长-光强解调系统,基于电光聚合物缺陷光子晶体的电场传感器的电场分辨力可以达到约30V/m,最高可测量场强则可达到兆V/m量级.     

基于L波段气象雷达的空中三维电场探测系统

以往采用的大气电场探测方法需搭建独立的电场探测系统,并且主要实现空中矢量电场的一个或两个分量的探测。该文介绍了一种新型空中电场探测系统,基于气象部门现有L波段气象雷达探测系统,采用新型3维电场传感器,构建了新型空中电场探测平台,实现了空中3维电场、温度、湿度、气压等气象信息的同步实时探测。系统中电场传感器采用了独特的结构设计和信号处理电路,在30 kV/m的电场测量范围内,分辨力可达20 V/m,线性度优于1%,可以连续探测地面至15000 m高空的3维电场强度,为飞行器升空提供安全保障。     

一种基于MEMS芯片的新型地面大气电场传感器

该文基于MEMS电场敏感芯片,研制出了一种新型的地面大气电场传感器,解决了现有场磨式电场仪易磨损、功耗大、故障率高等问题。敏感芯片采用SOIMUMPS加工工艺制备,其芯片面积仅为5.5 mm5.5 mm。该文提出了传感器敏感芯片的弱信号检测方法,设计出了满足环境适应性的传感器整体结构方案,并建立了传感器的灵敏度分析模型。对电场传感器进行测试,测量范围为-50 kV/m~50 kV/m,总不确定度为0.67%,分辨力达到10 V/m,功耗仅为0.62 W。外场试验结果表明,MEMS地面大气电场传感器在晴天和雷暴天的电场探测结果,与Campbell公司场磨式电场仪探测结果都有较好的一致性,说明该传感器能满足预测雷暴要求,实现雷电监测和预警功能。     

大视场全天时星敏感器光学系统设计

全天时星敏感器作为星敏感器的一个发展分支,在飞机、热气球等近空间载体定姿定位方面有较好的应用前景,是GPS拒止条件下的可用导航手段。大视场全天时星敏感器相较于小视场全天时星敏感器在高精度轻小型化定姿定位方面具有较大的优势,针对近空间高度大视场全天时测星对光学系统的需求,对光学系统工作波长的选取进行了分析,利用消色差和消热差设计,实现了一种能够适应高低温环境的大视场、大相对孔径的透射式光学系统,并对像质进行了分析评价。系统工作波长为0.9～1.7μm, F/#为1.4,焦距为70 mm,视场为18°,结构总长为105 mm。试验结果表明,该光学系统具有良好的像质,能够满足大视场星敏感器白天测星要求。     

A novel SOI MOSFET electrostatic field sensor

A novel low temperature solid state electric field sensor is demonstrated as a promising sensor. The sensor is a type of constant voltage Wheatstone bridge whose resistors are four direct gate SOI MOSFET devices. It is demonstrated in theory that the output voltage signal is proportional to the electric field E, the temperature drift is about zero when the temperature is in the range from 200 to 400 K, and the doping concentration is in the range from 1×1014 to 1 × 1016 cm-3. The experiment results indicate that the resolution of the sensor is about 3.27 mV for a 1000 V/m electric field at 300 K, and the voltage drift by an amount is about 47 V/m field signal when the degree temperature is in the range from 300 to 370 K, which is much smaller than the current drift of a single MOSFET which is about 10000 V/m field signal.     

基于锆钛酸铅的低电压驱动MEMS电场传感器研究

该文提出一种基于锆钛酸铅(PZT)的低电压驱动微机电系统(MEMS)电场传感器。该传感器基于电荷感应原理,其敏感单元由固定电极和可动电极构成。固定电极与可动电极均为感应电极,同时两者又是屏蔽电极。在PZT压电材料的驱动下,可动电极产生垂直于敏感芯片基底的振动并且与固定电极形成交互屏蔽,当存在待测电场时,分别在可动电极和固定电极上产生相位差为180°的感应电流信号。该文进行了传感器的设计和有限元仿真,提出敏感微结构的加工工艺流程,突破了基于PZT压电材料的可动电极MEMS工艺兼容制备技术,完成了敏感芯片制备,对传感器进行了性能测试。该传感器具有工作电压低的突出优点。实验测试表明,在0～50 kV/m电场强度范围内,采用1 V交流驱动电压,电场传感器的灵敏度为0.292 mV/(kV/m),线性度为2.89%。     

Active magnetic field sensor for measurements of transients

An active magnetic field sensor consisting of an electrically small loop, two ferrite core transformers, and a balanced amplifier with a low input impedance is suitable for measurements of fields, in a broad range of frequencies, and transients. The sensor provides a flat transfer function from approximately 600 Hz to 200 MHz (3 dB roll-off frequencies) and high-fidelity reproduction of pulses with a risetime of 2 ns. The sensor can be used to measure fields from less than 0.2 mA/m to approximately 0.2 A/m. The sensor has a minimal response to the electric field (at least -20 dB). The sensor's dimensions are 6 cm×6 cm, and the electronic circuitry is contained in a box of approximately 5 cm×8 cm×3 cm     

应用于EMC测量的集成光学电场传感器性能分析

依据集成光学电场传感器的工作原理,研制了可用于电磁兼容性测量的分段电极结构与锥形天线结构的电场传感器.测试结果表明:分段电极传感器频响范围为10 MHz～6 GHz,最小可测电场强度达到30 mV/m,在频率为200 MHz时,线性动态范围可达90 dB;锥形天线传感器频响范围为10 kHz～10 GHz,最小可测电场强度达到20 mV/m,在频率为1 GHz时,线性动态范围可达100 dB.     

Development and analysis of electric field sensor using LiNbO3 optical modulator

The sensitivity of an electromagnetic field sensor which uses a LiNbO₃ electrooptical crystal and an optical-fiber link is improved by using a Mach-Zehnder interferometer, whose half-wave voltage is about 4 V at 1.3-μm wavelength, and a YAG laser pumped by a laser diode whose output power is 25 mW. The resulting frequency response is about flat from 100 Hz to 300 MHz, and the minimum detectable electric field strengths are 0.22 mV/m at 50 MHz and 0.079 mV/m at 750 MHz. The variation of the sensitivity with the frequency and element length are analyzed using the moment method, and the calculated results agree with the measured results. The measurement of the cross-polarization of the sensor indicates that this property is similar to that of a dipole antenna. The improved sensor can measure an electromagnetic impulse whose peak value is larger than 10 V/m and whose width is wider than 5 ns     

小波分析在恶劣环境光纤传感中的应用(英文)

光纤光栅是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息的,是一种波长调制型光纤传感器。现代光纤传感系统的应用领域要求光纤传感器能适用于各种极端恶劣复杂环境,并在恶劣环境中实现高精度高灵敏度的检测。现有很多方法可用于光纤光栅的波长检测,但这些方法的精度都受限于不同的光噪声。如果光纤光栅检测系统的光源采用激光光源,信号功率可大大增强,但多余反射会产生有害干扰信号,限制光栅的波长解调精度。论文采用理论仿真和实验验证的方式将小波分析用于恶劣环境中的光纤传感信号的去噪。仿真和实验结果表明,小波分析处理方法可有效降低系统检测误差,提高测量精度和系统信噪比,满足恶劣环境中光纤传感检测的性能要求。