CN100363745C - 基于位相调制的光纤电压测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于位相调制的光纤电压测量装置，包括光源、分光器、两个起偏器、两个电光晶体、光纤耦合器、光电转换电路、数据采集卡和数据处理设备。电光晶体分别加设正反相被测试电压，起偏器与电光晶体一一对应，起偏器的偏振光束对应电光晶体的一个光轴，电光晶体对偏振光束进行位相调制，共生成两路调制光束；调制光束输入光纤耦合器，三路耦合光束中两两之间形成120°相位差；光信号经光电转换电路转换成电信号，经数据采集卡采集送往数据处理设备，运算处理得出被测试电压值。具有测量精度优于0.5%，温度稳定性强等优点。

Description

基于位相调制的光纤电压测量装置

技术领域

本发明涉及电力系统的电压测量装置，特别涉及其中的光纤电压测量装置。

背景技术

电压测量是电力系统正常运行的基本要求之一。目前，电力系统普遍采用的电压测量装置是传统的电磁式电压互感器。随着电力系统电压等级的提高，传统的电磁式电压互感器的缺陷例如易受电磁干扰、绝缘结构复杂、造价高、存在磁饱和及铁磁谐振现象等将日益突出。而光纤电压测量装置具有抗电磁干扰、绝缘能力强、体积小、造价低等优点，具有传统的电磁式电压互感器无可比拟的优点。近几十年来国内外对光纤电压测量装置展开了广泛的开发研究。但这类光纤电压测量装置一般都是基于电光效应偏振调制原理的，有比较严重的温度效应。如一种采取光学部件如

波片的光纤电压测量装置，由于

波片有明显的温度效应，将导致工作点随温度漂移的情况，对测量造成的误差影响较大。还有一种光纤电压测量装置，其采取了一种新的光路结构，这种结构虽舍弃了

波片，提高了装置的温度稳定性，但是其光路结构过于复杂，增加了额外的不稳定因素。

发明内容

本发明在于解决现有技术中光纤电压测量装置主要存在温度稳定性不高，影响测量精度的技术问题，提供一种基于位相调制进行电压测量的新式光纤电压测量装置，其具有温度稳定性强的特点，有利于提高测量精度。

其技术解决方案是：

本发明一种基于位相调制的光纤电压测量装置，其有：

i用来发射一路光束的光源；

ii用来将上述一路入射光束分为1∶1两路支光束的分光器；

iii两个起偏器，上述各路支光束分别入射进入一个起偏器；

iv两个电光晶体，电光晶体为LiNbO₃晶体；其中一个电光晶体加设正相被测试电压，另一个电光晶体加设反相被测试电压，上述每一个起偏器对应一个电光晶体，每个起偏器的偏振光束以与电光晶体的一个光轴一致的偏振方向射入电光晶体，由电光晶体对入射其中的一路偏振光束进行位相调制，生成一路调制光束，共生成两路调制光束；

v一个3×3光纤耦合器，上述两路调制光束输入一个光纤耦合器，光纤耦合器输出三路耦合光束，三路耦合光束中两两光束之间可形成110°-130°相位差；

vi光电转换电路，上述三路耦合光束分别由光电转换电路转换成相应的电信号；

vii用于将上述电信号转换成相应数字信号的数据采集卡；

viii用来接收上述数字信号，并进行运算处理得出被测试电压大小的数据处理设备。

上述相位差优选120°。

上述光电转换电路有PIN光电二极管。

在上述光电转换电路与数据采集卡之间设有信号处理电路，信号处理电路对输出电信号进行隔直、放大和滤波处理。

上述光源可为LD光源。

上述光源与分光器之间、分光器与起偏器之间、电光晶体与光纤耦合器之间、光纤耦合器与光电转换电路之间可均采用光纤线路连接。

上述两个光电晶体中，其中一个电光晶体通过光纤线路连接光纤耦合器的1号输入端子，另一个电光晶体通过光纤连接光纤耦合器的3号输入端子。

上述数据处理设备，可对光纤耦合器输出光强中出现交流幅值不一致情形进行归一化处理；经归一化后信号算式为算式(15)和算式(16)，其中U₅与U₆分别为对应3×3光纤耦合器5、6端口输出光场经光电转换所得的电压值，A为输出光强中交流幅值；

U₅＝Acos(2Δ_m sinωt-120°)(15)

U₆＝Acos(2Δ_m sinωt+120°)(16)

上述两式按算式(17)进行差分运算及继续按算式(18)进行结果运算，就求得被测电压值；

上述数据处理设备，其设有光电晶体折射率的温度特性曲线信息数据库，并在实际测量中根据温度传感器获得的环境温度值，依据温度特性曲线数据信息对被测电压测量结果进行校正，进而获得被测电压的实际值。

本发明基于位相调制的光纤电压测量装置，其光路结构简单、可靠，舍弃了

波片，利用3×3光纤耦合器的特殊输入输出特性实现光的正交干涉，并利用计算机等数据处理设备较强的数据处理能力对取得的信号数据信息运算处理，得出被测电压值。实验证明，该光纤电压测量装置精度可达到0.5％，并且具有较高的温度稳定性。上述信号处理电路对输出电信号进行隔直，一方面可以有效的隔离光纤耦合器输出光强中出现的不对称直流成分，另一方面能提高后续放大电路输出信号的动态范围；信号处理电路对输出电信号进行滤波，可有效去除信号中的噪声，有利于测量精度的进一步提高。上述相位差优选120°，可实现理想的光的正交干涉。利用LiNbO₃晶体的独特光电特性更便于设置起偏器。数据处理设备所具有的光强幅值软件归一化大大降低了解调算法的复杂度，提高了测量精度，还可克服3×3光纤耦合器不对称性对测量造成的不良影响。

附图说明

图1为本发明一种实施方式原理框图。

图2为本发明位相调制部分的原理示意图。

图3为上述实施方式的LiNbO₃晶体位相调制原理图。

图4为本发明的一种实验效果图。

下面结合附图对本发明进行说明：

具体实施方式

参看附图1和图2，本发明基于位相调制的光纤电压测量装置，LD光源1为位相调制部分提供一路光束，该路光束射入位相调制部分中的分光器2，分光器2将上述一路入射光束分为1∶1两路支光束，上述一路支光束入射进入起偏器P1，另一路支光束入射进入起偏器P2，电光晶体3中的一个LiNbO₃晶体4加设正相被测试电压，另一个LiNbO₃晶体5加设反相被测试电压，起偏器P1对应LiNbO₃晶体4，起偏器P2对应一个LiNbO₃晶体5，每个起偏器的偏振光束以与电光晶体的一个光轴一致的偏振化方向射入对应的LiNbO₃晶体，结合参看图2，由电光晶体对入射其中的一路偏振光束进行位相调制，生成一路调制光束，共生成两路调制光束，3×3光纤耦合器3，上述LD光源与分光器2之间、分光器2与起偏器P1、P2之间、LiNbO₃晶体4、5与光纤耦合器3之间、光纤耦合器3与下述光电转换电路如PIN光电二极管之间均采用光纤线路连接，LiNbO₃晶体4通过光纤线路连接光纤耦合器3的1号输入端子，LiNbO₃晶体5通过光纤连接光纤耦合器3的3号输入端子，上述两路调制光束输入光纤耦合器后，经其耦合输出三路耦合光束，三路耦合光束中两两光束之间可形成110°、115°、120°、125°或130°相位差，优选120°相位差，上述三路耦合光束分别由光电转换电路中光电二极管PIN1、PIN2和PIN3转化成相应的电信号，在上述光电转换电路与数据采集卡之间设有信号处理电路，信号处理电路对输出电信号进行隔直、放大和滤波，由数据采集卡将电信号转换成数字信号，并送往数据处理设备，该数据处理设备可直接使用计算机系统设备，通过其配置的相应软件等进行运算处理，得出被测试电压大小，上述数据处理设备可配置输出光强中交流幅值归一化软件，可对光纤耦合器输出光强中出现交流幅值不一致情形进行归一化处理；经归一化后信号算式为算式(15)和算式(16)，

U₅＝Acos(2Δ_msinωt-120°)(15)

U₆＝Acos(2Δ_msinωt+120°)(16)

上述两式进行如算式(17)的差分运算及继续进行如算式(18)的结果运算，就求得被测电压值。

另外，上述数据处理设备还设有LiNbO₃晶体折射率的温度特性曲线信息数据库，并在实际测量中根据温度传感器获得的环境温度值，依据温度特性曲线数据信息对被测电压测量结果进行校正，进而获得被测电压的实际值。

下面结合上述结构对本发明原理进行说明：

1.位相调制的原理

1.1 LiNbO₃晶体的特性

LiNbO₃晶体属3m点群，3m类晶体的线性电光系数矩阵具有如下形式：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_3\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_4\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_5\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& -{\mathrm{\γ}}_{22}& {\mathrm{\γ}}_{13}\\ 0& {\mathrm{\γ}}_{22}& {\mathrm{\γ}}_{13}\\ 0& 0& {\mathrm{\γ}}_{33}\\ 0& 0& 0\\ {\mathrm{\γ}}_{51}& 0& 0\\ -{\mathrm{\γ}}_{22}& 0& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\\ E_3\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_i=\mathrm{\Δ}\frac{1}{n_i^2}$ ，γ_ij为线性电光系数，E₁、E₂、E₃分别为加在晶体各主轴方向上的电场大小，LiNbO3晶体在未加电压时的光率体方程为：

$\frac{x_1^2+x_2^2}{n_0^2}+\frac{x_3^2}{n_e^2}=1---\left(2\right)$

当沿x₃方向加电场时，即E₁＝E₂＝0、E₃≠0时，由(1)式可得：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_2\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_3\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_4\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_5\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3\\ {\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3\\ {\mathrm{\γ}}_{33}{E}_3\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

由(3)式可得新的光率体方程为：

$(\frac{1}{n_0^2}+{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3)(x_1^2+x_2^2)+(\frac{1}{n_e^2}+{\mathrm{\γ}}_{33}{E}_3)x_3^2=1---\left(4\right)$

所以可得各方向新的折射率为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1^{\′}=n_0-\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3\\ n_2^{\′}=n_0-\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3\\ n_3^{\′}=n_e-\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}{E}_3\end{array}\right.---\left(5\right)$

记新的折射率椭球方程为：

$\frac{x_1^2}{n_1^{\′2}}+\frac{x_2^2}{n_2^{\′2}}+\frac{x_3^2}{n_e^{\′2}}=1---\left(6\right)$

由于(3)式中后三项系数为0，故在(4)式中未出现交叉项，这说明新光率体的主轴方向未变，只是半轴长度发生了变化，LiNbO₃晶体的这一特性为我们安置起偏器带来了极大的方便。

1.2位相调制

当晶体沿X₃方向加电压以后，记其新折射率椭球的主轴为X′₁、X′₂、X′₃，具体实现原理如图3所示：(图中U代表被测电压，L代表电光晶体的长度，d代表电光晶体的高度)当入射自然光经起偏器P₁(P₁偏振化方向平行于X′₂轴)以后，成为偏振方向平行于X′₂轴的线偏振光射向电光晶体。由于入射光的偏振方向与折射率椭球的X′₂轴一致，沿X′₁方向传播的只有沿X′₂方向的一个光矢量，故电光晶体不会改变入射光的偏振状态，发生改变的只有光场的位相：

$=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{U}{d}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}L---\left(7\right)$

由(7)式可见，只需检测出光场的位相改变就可得到被测电压U的大小。

假设入射光场为：E_i＝Acosωt；

被测电压为：U＝u_msinωt

则电光晶体的出射光场为：

$E_o=A\cos [\mathrm{\ωt}-(n_0-\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3)\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L]$

$=A\cos [\mathrm{\ωt}-(n_0-\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}\frac{u_m\sin \mathrm{\ωt}}{d})\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L]$

$=A\cos (\mathrm{\ωt}-n_0\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L+\frac{1}{2}{n}_0^3{\mathrm{\γ}}_{13}\frac{u_m\sin \mathrm{\ωt}}{d}\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}L)$

其中

代表固定位相，

代表了被测电压引起的位相变化量。利用干涉技术就可以解调出光场的位相信息。

2.工作原理

2.1从LD光源发出的光经光纤传送，入射光经1×2分光器均分为1∶1的两路支光束，经起偏器P₁、P₂后分别进入LiNbO₃晶体进行位相调制，调制后的两路调制光束输入3×3光纤耦合器，3×3光纤耦合器将提供120°的附加相位差，由3×3光纤耦合器输出的三路光分别由各自的PIN接收，经过隔直、滤波、放大等一系列环节以后，由数据采集卡采入计算机进行信号的软件解调，最终获得被测电压的大小。采用两个电光晶体，一方面可以抵消式(8)中固定位相₀的影响，另一方面可提高灵敏度。

入射光经1×2分光器均分为1∶1的两束光，经起偏器P₁、P₂后分别由两块加了反相电压的LiNbO₃晶体进行位相调制，此时两路光的光场分别为：

然后，将这样两束光分别输入3×3光纤耦合器的1、3端口。

理想的3×3光纤耦合器能完全均等的分配输入光强，并且三路输出的光两两之间形成120°的相位差，利用这个相位差，可以方便的帮助我们实现光的正交干涉。在理想的情况下，3×3光纤耦合器的4、5、6端口的输出光场可以分别表示为：

E_o4＝d+acos(2Δ_msinωt)

E_o5＝d+acos(2Δ_msinωt-120°)

E_o6＝d+acos(2Δ_msinωt+120°)

则有：

在2Δ_msinωt＜＜1的情况下，(10)式可近似为：

由(10)、(11)式可见，3×3光纤耦合器方便的实现了光的正交干涉。

2.2光电转换及信号处理

由于3×3光纤耦合器可能出现不完全对称情形，其实际的输出为：

E_o4＝d₁+a₁cos(2Δ_msinωt)  (12)

E_o5＝d₂+a₂cos(2Δ_msinωt-120°)(13)

E_o6＝d₃+a₃cos(2Δ_msinωt+120°)(14)

其中d₁，d₂，d₃分别表示各路输出光强中的直流成分，若直接对(13)、(14)两式进行差分必然会导致误差。对其进行隔直，一方面可以有效的隔离不对称的直流成分，另一方面提高了后续放大电路输出信号的动态范围。还对进行放大和滤波等处理。

2.3计算机软件解调及温度补偿

从(12)～(14)可以发现交流部分幅值不一致的情况，通过采用软件幅值归一化的方法来解决。经归一化后的信号形式为：

U₅＝Acos(2Δ_msinωt-120°)  (15)

U₆＝Acos(2Δ_msinωt+120°)  (16)

这样对(15)、(16)两式进行差分运算就可以精确求得被测电压的大小了，具体结果见(17)、(18)。

这种方法在保证精度的条件下大大降低了解调运算的复杂度，利于系统实时运行。

另外，也不需要对(17)式在2Δ_msinωt＜＜1的条件下进行线性近似，而是直接由(18)式利用微机方便快速的执行反余弦运算从而恢复出原始信号的波形。这样，能大大扩展了信号的测量范围。

对于上述电光晶体的温度效应，可通过把实验得到的LiNbO₃晶体折射率的温度特性曲线信息数据存入计算机，在实际测量中根据温度传感器测得得环境温度根据其温度特性曲线对测量结果进行校正的方法，最终获得被测电压的实际值。

3、试验得到的效果

在实验室产生的高压模拟电力系统中的被测电压，测量效果如图4所示，单位3.5KV/V。

从图4可以看出，本发明有较高的测量精度，实验室运行的结果表明其测量精度可达0.5％。另外，该传感器在-20～60℃的温度范围内进行了多次实验，实验结果表明该传感器的温度偏差可在±0.2％以内。

Claims (8)

1.一种基于位相调制的光纤电压测量装置，特征在于：其有，

i用来发射一路光束的光源；

ii用来将上述一路入射光束分为1∶1两路支光束的分光器；

iii两个起偏器，上述各路支光束分别入射进入一个起偏器；

iv两个电光晶体，电光晶体为LiNbO₃晶体；其中一个电光晶体加设正相被测试电压，另一个电光晶体加设反相被测试电压，上述每一个起偏器对应一个电光晶体，每个起偏器的偏振光束以与电光晶体的一个光轴一致的偏振方向射入电光晶体，由电光晶体对入射其中的一路偏振光束进行位相调制，生成一路调制光束，共生成两路调制光束；

v一个3×3光纤耦合器，上述两路调制光束输入一个光纤耦合器，光纤耦合器输出三路耦合光束，三路耦合光束中两两光束之间可形成110°-130°相位差；

vi光电转换电路，上述三路耦合光束分别由光电转换电路转换成相应的电信号；

vii用于将上述电信号转换成相应数字信号的数据采集卡；

viii用来接收上述数字信号，并进行运算处理得出被测试电压大小的数据处理设备。

2.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：所述相位差为120°。

3.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：所述光电转换电路有PIN光电二极管。

4.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：在所述光电转换电路与数据采集卡之间设有信号处理电路，信号处理电路对输出电信号进行隔直、放大和滤波处理。

5.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：所述光源可为LD光源。

6.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：所述光源与分光器之间、分光器与起偏器之间、电光晶体与光纤耦合器之间、光纤耦合器与光电转换电路之间可均采用光纤线路连接。

7.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：所述两个电光晶体中，其中一个电光晶体通过光纤线路连接光纤耦合器的1号输入端子，另一个电光晶体通过光纤连接光纤耦合器的3号输入端子。

8.根据权利要求1所述的光纤电压测量装置，其特征在于：上述数据处理设备，可对光纤耦合器输出光强中出现交流幅值不一致情形进行归一化处理；经归一化后信号算式为算式(15)和算式(16)，其中U₅与U₆分别为对应3×3光纤耦合器5、6端口输出光强经光电转换所得的电压值，A为输出光强中交流幅值；

U₅＝Acos(2Δ_m sinωt-120°) (15)

U₆＝Acos(2Δ_msinωt+120°)  (16)

上述两式按算式(17)进行差分运算及继续按算式(18)进行结果运算，就求得被测电压值；

上述数据处理设备，其设有光电晶体折射率的温度特性曲线信息数据库，并在实际测量中根据温度传感器获得的环境温度值，依据温度特性曲线数据信息对被测电压测量结果进行校正，进而获得被测电压的实际值。

Images