多物理场耦合效应对反射式光纤电压传感器的影响：建模与定量误差机制分析

《Optical Fiber Technology》：Multi-Physical field coupling effects on reflective Fiber-Optic voltage Sensor: Modeling and quantitative error mechanism analysis

　　光纤电压传感器多物理场耦合误差建模与补偿技术研究，提出电-热-应力耦合数值模型，量化温度梯度和机械振动对输出误差的影响，建立误差模型ε=0.01907∫vdt+0.00397σsin2πift，实验验证误差低于2%常规场景和5%极端环境，为铁路牵引系统等高压监测场景提供理论支撑。

　　
光纤电压传感器（RFOVS）作为电力系统中的关键测量设备，其性能受多物理场耦合影响显著。本文针对铁路牵引系统、智能电网变电站等典型应用场景中RFOVS面临的复杂环境干扰问题，通过建立电-热-力多物理场耦合模型，系统揭示了温度波动与机械振动对传感器输出的复合影响机制，并构建了具有工程实用价值的误差预测模型。

研究首先分析了温度场对传感器性能的长期累积效应。实验发现，在-40℃至+70℃的极端温变环境下，石英晶体的热膨胀系数呈现各向异性特征。沿晶体主轴（x、y、z方向）的线性膨胀系数差异导致温度变化时产生非均匀形变，这种形变通过紧密缠绕的传感光纤转化为相位调制信号。特别值得注意的是，当温度变化速率超过5℃/min时，系统输出漂移量呈现指数级增长，这与石英晶体各向异性热膨胀特性及压电系数的温度依赖性密切相关。研究通过对比加热与冷却过程的误差曲线，证实温度扰动引发的相位误差具有双向叠加特性，这种特性在传统补偿算法中常被忽视。

在机械振动影响方面，实验数据表明振动加速度与输出误差存在线性正相关关系。当振动幅度从1g增至5g时，相位误差波动幅度同步从0.02%提升至0.15%。振动频率的影响则呈现阶段性特征：在5-20Hz范围内，相位误差波动频率与振动频率严格同步，但幅值基本保持稳定。这种特性为振动补偿策略提供了重要依据——在铁路牵引系统这类宽频振动环境中，应优先优化高频振动下的瞬态响应补偿。

多物理场耦合模型的核心突破在于建立了温度梯度、机械应力与电场参数的联合作用机制。通过将温度场引起的形变（Δd=αΔT·ds）与应力场导致的应变（ε=1/E·P）进行叠加分析，推导出系统输出误差的合成表达式。该模型成功捕捉到温度变化速率与机械振动幅度的协同作用效应：当温度变化速率达到3℃/min且振动幅度为3g时，系统输出误差呈现典型的正弦叠加波形，其合成幅值较单一因素影响增加约40%。这种多物理场耦合效应在传统单因素补偿模型中难以准确预测。

实验验证部分采用双盲测试设计，通过搭建振动隔离平台和恒温控制实验舱，分别测试了温度循环（10℃/min ramp rate）与振动激励（5-20Hz，0.5-5g）的独立影响。测试数据显示：在25kV工作电压下，当环境温度从20℃升至85℃时，输出相位漂移达到0.28rad（对应电压误差约2.4%）；当振动加速度增至5g时，相位波动幅值提升至0.015rad（对应电压误差0.18%）。值得注意的是，在85℃高温与5g振动同时作用时，误差模型预测值与实测值偏差控制在1.5%以内，验证了模型的有效性。

研究提出的误差补偿框架具有显著工程优势。首先，通过建立温度-应力-电场参数的动态关联矩阵，实现了环境参数到输出误差的实时映射。其次，采用分段补偿策略：对温度漂移实施基于参考温度的周期性校准，对振动干扰采用自适应滤波算法。在铁路牵引系统实测中，该补偿框架使传感器在-40℃~+70℃、5Hz~20Hz振动范围内的长期稳定性提升至99.8%，动态响应误差降低至0.15%以下。

该研究对工业应用的指导意义体现在三个方面：其一，揭示了温度累积误差与振动瞬时扰动的叠加效应，为制定分级补偿策略提供理论依据；其二，建立了涵盖环境参数、材料特性（石英晶体α值、E模量）和系统配置（光纤绕距、波导长度）的复合误差模型，其预测精度达到工程实用标准；其三，提出的"温度梯度-应力幅值"双参数补偿模型，在智能电网变电站的现场试验中，成功将极端工况下的电压测量误差从3.2%压缩至1.8%，显著优于传统单因素补偿方案。

未来研究方向建议重点关注动态补偿算法的实时性优化。在高速铁路场景中，传感器需在毫秒级振动冲击下完成补偿，现有PID控制算法的响应延迟（约200ms）可能影响系统稳定性。建议结合深度学习技术，构建基于多物理场特征输入的神经网络补偿模型，通过历史运行数据的强化学习，实现自适应误差补偿。此外，针对复杂振动环境下的信号解耦问题，可探索采用光纤 Bragg 光栅阵列的多通道监测技术，通过空间解耦提高振动干扰识别精度。

该研究成果已应用于某型电力机车牵引变压器的改造工程。实测数据显示，在连续振动（20Hz，4g）和温度循环（-30℃~+50℃）工况下，电压测量精度稳定在0.12%以内，较改造前提升约60%。特别在牵引变流器启动瞬间（加速度峰值达8g），系统输出相位波动幅度从传统方案的0.05rad降至0.023rad，成功解决了高铁牵引系统动态工况下的测量精度难题。这为智能电网设备、风力发电机组等高可靠测量系统的升级提供了重要技术参考。