實驗名稱：交直流混合強(qiáng)電場傳感器的試驗研究

實驗?zāi)康模捍罱y試平臺，對傳感器在交直流混合電場下的響應(yīng)進(jìn)行測試，對調(diào)制后電場中的目標(biāo)信號分量進(jìn)行分離提取，實現(xiàn)交直流混合電場強(qiáng)度的測量和直流電場極性的判斷，驗證傳感方法的有效性并對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

測試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)信號發(fā)生器、示波器、光電探測器、激光源等。

圖1：傳感器測試與標(biāo)定平臺

實驗過程：

搭建交直流混合強(qiáng)電場傳感器的試驗平臺，如上圖1所示，函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生交流（50Hz）直流混合電壓信號，經(jīng)過高壓放大器放大后施加在上平板電極，下平板電極接地，在兩平板電極間產(chǎn)生均勻的電場。電場調(diào)制機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)屏蔽電極貼近下平板電極布置，在電機(jī)的帶動下勻速轉(zhuǎn)動并通過電刷可靠接地。高精度激光源發(fā)出波長為1550nm的激光經(jīng)由單模光纖傳輸至電光傳感單元，在調(diào)制后電場的作用下，激光強(qiáng)度會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，再由多模光纖傳輸至光電探測器對激光信號進(jìn)行強(qiáng)度檢測，實現(xiàn)對調(diào)制后電場波形的測量。高壓放大器監(jiān)測信號、光電探測器與光電碼盤的輸出信號由示波器進(jìn)行測量與記錄。

設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速為1000r/min，屏蔽電極的開孔數(shù)為6，此時電場調(diào)制頻率為100Hz。在上下平板電極之間分別施加直流電場與交流（50Hz）直流混合電場，由于旋轉(zhuǎn)屏蔽電極的調(diào)制作用，光電探測器輸出為變化的電壓信號，其波形如圖2所示。

圖2：實測調(diào)制后電場波形

當(dāng)施加電場為直流電場時，光電探測器輸出波形為正弦波形，其周期為100Hz，與調(diào)制頻率相同；當(dāng)施加電場為交直流混合電場時，由于交流電場的存在，經(jīng)過調(diào)制后光電探測器輸出波形中產(chǎn)生不同的諧波分量。上述結(jié)果表明，電場調(diào)制機(jī)構(gòu)有效，旋轉(zhuǎn)屏蔽電極下的電場經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生了相應(yīng)的變化。保持交直流混合電場中直流（交流）電場強(qiáng)度不變，逐漸增加交流（直流）電場強(qiáng)度，記錄輸出波形并進(jìn)行傅里葉分析。如圖3所示頻譜圖，當(dāng)保持直流電場強(qiáng)度為100kV/m不變時，逐漸增大交流電場強(qiáng)度峰峰值至225kV/m，實測波形頻譜中主要含有50Hz、100Hz與150Hz分量，這與分析的結(jié)果相符。其中，50Hz與150Hz分量由交流電場產(chǎn)生，其幅值表征交流電場強(qiáng)度；100Hz分量由直流電場產(chǎn)生，表征直流電場強(qiáng)度。

圖3：實測波形的頻譜分析圖

實驗結(jié)果：

交流電場強(qiáng)度增加時，50Hz與150Hz分量的幅值隨之線性增加，而100Hz分量幅值不變，誤差僅在1%以內(nèi)。同理如圖3(b)所示頻譜圖，當(dāng)保持交流電場強(qiáng)度峰峰值為150kV/m不變時，逐漸增大直流電場強(qiáng)度至150kV/m，實測波形中表征直流電場強(qiáng)度的100Hz分量的幅值隨之線性增加，而表征交流電場強(qiáng)度的50Hz與150Hz信號幅值不變，誤差最大不超過2%。由此可見，電場調(diào)制機(jī)構(gòu)達(dá)到了應(yīng)有的調(diào)制效果，外部交流或直流電場強(qiáng)度僅影響其對應(yīng)的頻率分量，理論分析與試驗結(jié)果相符。

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