铌酸锂晶体光学电场传感器为全介质结构，具有宽带宽、对被测电场干扰小的优点，但其灵敏度较低。因此，分析了晶体几何尺寸对传感器灵敏度的影响机理，得出通过增加沿外加电场方向的晶体尺寸同时减少晶体横截面上沿外加电场垂直方向的晶体尺寸来提高传感器的灵敏度。使用COMSOL仿真分析了铌酸锂晶体不同厚度、宽度、长度对晶体内部电场强度的影响，得出晶体厚度从15 mm减小到3 mm和宽度从3 mm增加到22 mm时，晶体内部电场强度分别提高约5.1倍和12.3倍；晶体长度从15 mm变化到55 mm时，晶体内部的电场强度变化仅约为5%。设计并研制出晶体尺寸分别为3 mm×3 mm×42.2 mm (x×y×z)，3 mm×6 mm×42.2 mm (x×y×z)，6 mm×6 mm×42.2 mm(x×y×z)的三只铌酸锂晶体电场传感器，并搭建工频电场测试平台，测试得出三只电场传感器的灵敏度分别为0.243 mV/(kV·m⁻¹)、0.758 mV/(kV·m⁻¹)、0.150 mV/(kV·m⁻¹)。当晶体厚度和长度一定且晶体宽度从3 mm增加到6 mm时，传感器灵敏度提高3倍。当晶体宽度和长度一定且晶体厚度从6 mm减小到3 mm时，传感器灵敏度提高5倍。结合仿真与实验结果得出：在晶体长度一定时，可以通过设计使用宽度更宽、厚度更薄的晶体，研制出高灵敏度的电场传感器。

铌酸锂晶体材料具有较高的电光系数和稳定的物理、化学性质，广泛应用在各种电场传感器中。但是，铌酸锂晶体折射率对温度较为敏感，在使用最大电光效应方向时，由于自然双折射的存在，晶体工作点随温度漂移，一方面导致传感器无法稳定工作，另一方面也影响了传感器的灵敏度和动态范围。为了消除这一影响，探头中将使用长度相等、主轴正交的两块铌酸锂晶体，一块作为传感晶体，一块作为补偿晶体。由于补偿晶体的存在，传感器的自然双折射得到很大程度的抑制，温度稳定性也得到了改善。经实验对比，补偿之后的传感器工作状态稳定性比未补偿的传感器得到大幅提升。