高压放大器在交直流混合强电场传感器中的应用

　　实验名称：交直流混合强电场传感器的试验研究
　　实验目的：搭建测试平台，对传感器在交直流混合电场下的响应进行测试，对调制后电场中的目标信号分量进行分离提取，实现交直流混合电场强度的测量和直流电场极性的判断，验证传感方法的有效性并对传感器进行标定。
　　测试设备：高压放大器、函数信号发生器、示波器、光电探测器、激光源等。

　　图1：传感器测试与标定平台　　实验过程：
　　搭建交直流混合强电场传感器的试验平台，如上图1所示，函数信号发生器产生交流（50Hz）直流混合电压信号，经过高压放大器放大后施加在上平板电极，下平板电极接地，在两平板电极间产生均匀的电场。电场调制机构的旋转屏蔽电极贴近下平板电极布置，在电机的带动下匀速转动并通过电刷可靠接地。高精度激光源发出波长为1550nm的激光经由单模光纤传输至电光传感单元，在调制后电场的作用下，激光强度会产生相应的变化，再由多模光纤传输至光电探测器对激光信号进行强度检测，实现对调制后电场波形的测量。高压放大器监测信号、光电探测器与光电码盘的输出信号由示波器进行测量与记录。
　　设定电机转速为1000r/min，屏蔽电极的开孔数为6，此时电场调制频率为100Hz。在上下平板电极之间分别施加直流电场与交流（50Hz）直流混合电场，由于旋转屏蔽电极的调制作用，光电探测器输出为变化的电压信号，其波形如图2所示。

　　图2：实测调制后电场波形　　当施加电场为直流电场时，光电探测器输出波形为正弦波形，其周期为100Hz，与调制频率相同；当施加电场为交直流混合电场时，由于交流电场的存在，经过调制后光电探测器输出波形中产生不同的谐波分量。上述结果表明，电场调制机构有效，旋转屏蔽电极下的电场经过调制后产生了相应的变化。保持交直流混合电场中直流（交流）电场强度不变，逐渐增加交流（直流）电场强度，记录输出波形并进行傅里叶分析。如图3所示频谱图，当保持直流电场强度为100kV/m不变时，逐渐增大交流电场强度峰峰值至225kV/m，实测波形频谱中主要含有50Hz、100Hz与150Hz分量，这与分析的结果相符。其中，50Hz与150Hz分量由交流电场产生，其幅值表征交流电场强度；100Hz分量由直流电场产生，表征直流电场强度。

　　图3：实测波形的频谱分析图　　实验结果：
　　交流电场强度增加时，50Hz与150Hz分量的幅值随之线性增加，而100Hz分量幅值不变，误差仅在1%以内。同理如图3(b)所示频谱图，当保持交流电场强度峰峰值为150kV/m不变时，逐渐增大直流电场强度至150kV/m，实测波形中表征直流电场强度的100Hz分量的幅值随之线性增加，而表征交流电场强度的50Hz与150Hz信号幅值不变，误差最大不超过2%。由此可见，电场调制机构达到了应有的调制效果，外部交流或直流电场强度仅影响其对应的频率分量，理论分析与试验结果相符。
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