CN102565499A - 一种新型高电压光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高电压光纤传感装置，包括电极一、地电位电极和位于电极一与地电位电极之间的至少一个光纤敏感单元，一高压母线通过电极一和地电位电极将高压母线的高电压加载在所述光纤敏感单元上，光纤敏感单位包括一圆柱体，在圆柱体的侧表面上分布有至少一个曲线形凹槽，在凹槽内的相对两个面上布设有A侧变形齿和B侧变形齿，A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，且一信号光纤夹持于A侧变形齿和B侧变形齿之间，信号光纤连接有光缆，光缆连接有测试单元，测试单元连接有处理单元。本发明能够采用大幅度增加变形齿的数量以及大幅度延长信号光纤的长度，能检测到细微变形。

Description

一种新型高电压光纤传感装置

技术领域

本发明涉及一种光学电压传感装置，特别涉及一种新型高电压光纤传感装置。

背景技术

目前光纤高电压传感器使用的测量方法主要有光的偏振态测量法、光的干涉测量法和波长调制测量法。光的偏振态测量主要基于法拉第磁光效应，使用磁光晶体在外场变化下使光的偏振方向改变达到测试目的，是目前研究相对成熟的传感器，已有少量商业化应用。光的干涉法主要是利用外场改变相干光的光程差进行测量，主要基于迈克尔孙干涉仪或马赫曾德干涉仪的测量。波长调制测量法是对光的波长进行测量从而检测外场信号的方法。主要是由光纤光栅传感装置或法布里-珀罗干涉传感器完成，需要使用波长解调装置。这几种传感装置在理论上均可完成对电力参数的检测，但在实际应用时由于外界环境的干扰、特别是温度、振动造成误差太大不能满足使用要求，阻碍了该类光纤电流传感器的推广使用。

美国专利US5475773、US5343036公开了一种基于逆压电效应的光纤电压传感装置，其核心是将双模光纤缠绕在一圆柱体的典型的压电材料石英晶体侧表面，该石英晶体的X轴与圆柱体的中心轴线重合，当有电压加载石英晶体的X轴的端面上时，石英晶体的Y轴将出现微小的形变，通过干涉装置检测出双模光纤的变化，从而得出待测电压的变化。该方案中光纤链路是连续的、且采用的石英晶体是一种温度及其他物理特性均相当温定的一种材料，使该方案明显优于上述的其他三种光纤高电压传感装置，并且该方案的成本也低于其他的光纤高电压传感装置。但该方案中采用的干涉检测装置仍是一种比较复杂、成本较高、长期稳定欠验证的仪器，这在一定程度限制了该方案的推广使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种新型高电压光纤传感装置。本发明能够采用大幅度增加变形齿的数量以及大幅度延长信号光纤的长度，使细微的变形也能检测到，提高了本传感装置的精度和动态范围，且其结构简单、使用方便、成本低，具有良好的市场推广前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：包括电极一、地电位电极和位于电极一与地电位电极之间的至少一个光纤敏感单元，一高压母线通过电极一和地电位电极将高压母线的高电压加载在所述光纤敏感单元上，所述光纤敏感单位包括一圆柱体，在圆柱体的侧表面上分布有至少一个曲线形凹槽，在凹槽内的相对两个面上布设有A侧变形齿和B侧变形齿，所述A侧变形齿和B侧变形齿相互交错对应，且一信号光纤夹持于A侧变形齿和B侧变形齿之间，A侧变形齿和B侧变形齿位于信号光纤的两侧，所述圆柱体、以及设置于圆柱体上凹槽内的A侧变形齿和B侧变形齿的至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成，并且凹槽内的A侧变形齿相对于B侧变形齿会随着加载于光纤敏感单元的电压变化而出现相对或相反的运动变化，所述信号光纤连接有光缆，所述光缆连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述凹槽为两条或两条以上，且其相互平行的布设于圆柱体的侧表面上。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述凹槽以螺旋方式布设于圆柱体的侧表面上。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述光纤敏感单元为两个或两个以上，每个光纤敏感单元中信号光纤串联在一根光缆上并与测试单元连接。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述光纤敏感单元外围罩有电磁屏蔽壳体。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述圆柱体、A侧变形齿、B侧变形齿和信号光纤满足以下公式：

α₁L₁ΔT-α_齿(L_1齿+L_2齿)ΔT-α_纤d_纤ΔT＝0

其中，α₁是圆柱体(10)材料的膨胀系数，ΔT是变化的温度值，L₁是凹槽对应的侧壁节段的长度，α_齿为A、B侧变形齿材料的膨胀系数，L_{1 齿}、L_2齿分别是A侧变形齿、B侧变形齿的高度，α_纤为信号光纤的膨胀系数，d_纤为信号光纤的端面直径。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述圆柱体选用水晶材料制成。

上述的一种新型高电压光纤传感装置，所述光纤敏感单元为两个或两个以上，且其通过金属管串联起来并安装在一绝缘管内，绝缘管内空隙中填充有绝缘的聚氨酯，所述绝缘管两侧设置有电晕放电环。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过曲线形凹槽的设置使信号光纤的常规长度大幅度的延长，从而能够对采集到的信号进行放大，提高了该传感装置的精度，且其结构简单、加工制作方便且结构形式多样，使用方式灵活。

2、使用操作简便且各组件间连接关系设计合理，通过增加了信号光纤随待测信号变化可以弯曲的长度，从而降低了信号光纤的弯曲曲率，保证信号光纤寿命的同时，提高了测试精度。

3、圆柱体和或变形齿采用具有压电特性的水晶材料，水晶在电压场强下具有逆压电效应，水晶体积的微小变化使信号光纤的弯曲曲率变化，从而使信号光纤内部传输光信号的损耗变化，并通过测试单元获取该变化，从而感知到电压的变化；也可以根据信号光纤弯曲曲率的形变的变化，利用测试单元通过干涉法获取信号光纤形变量的大小而感知电压的变化；在电力传输领域特别是超高电压领域具有广阔的应用前景。

4、通过分别选择具有适当膨胀系数材料的圆柱体和变形齿可以达到温度补偿的效果。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明实施例1的包含有光纤敏感单元的结构示意图。

图2为图1的光纤敏感单元A-A剖面结构示意图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图4为本发明实施例3的结构示意图。

附图标记说明：

1-光缆；           2-光纤敏感单元；   4-凹槽；

4-1-A侧变形齿；    4-2-B侧变形齿；    5-测试单元；

6-信号光纤；       7-处理单元；       8-侧壁节段；

10-圆柱体；        30-高压母线；      31-电极二；

33-导线；          34-电晕放电环；    35-电极一；

36-地电位电极；    37-金属管；        38-绝缘管；

39-聚氨酯。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示的一种新型高电压光纤传感装置，包括电极一35、地电位电极36和位于电极一35与地电位电极36之间的至少一个光纤敏感单元2，高压母线30通过电极一35和地电位电极36将高压母线30的高电压加载在所述光纤敏感单元2上，所述光纤敏感单位2包括一圆柱体10，在圆柱体10的侧表面上分布有至少一个曲线形凹槽4，在凹槽4内的相对两个面上布设有A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2，所述A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2相互交错对应，且一信号光纤6夹持于A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间，A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2位于信号光纤6的两侧，所述圆柱体10、以及设置于圆柱体10上凹槽4内的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2的至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成，并且凹槽4内的A侧变形齿4-1相对于B侧变形齿4-2会随着加载于光纤敏感单元2的电压变化而出现相对或相反的运动变化，所述信号光纤6连接有光缆1，所述光缆1连接有测试单元5，所述测试单元5连接有处理单元7。

本实施例中，检测被测高压母线30的电压过程是：高压母线30通过电极二31、导线33将高电压传递到电极一35，电极一35和地电位电极36将该高电压加载于一光纤敏感单元2上，圆柱体10选用电致伸缩材料，可以是电致伸缩率较大的钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)或其他晶体材料，也可以是石英玻璃等电致伸缩率较小的、但温度等其他物理参数稳定的电介质，电极一35与地电位电极36的电压变化时，圆柱体10发生形变，导致凹槽4的宽度变化，从而使夹持于A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元7，处理单元7经过计算得到高压母线30的电压变化值。

测试单元5可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术及相干频率调制连续波技术来实现准分布式或分布式测量，或选择干涉仪进行更高精度的测量。所述的信号光纤6的两端也可以安置有光反射装置，该反射装置可以是光反射镜、光纤光栅、含有气泡的光纤或是经过镜面处理的信号的光纤的端面。测试单元5可以通过检测两个光反射装置的反射光信号的强度之差得到信号光纤6对光信号的衰减变化，这样做的好处是可以消减光源、探测器以及光缆1等环节由于变化所带来的干扰，进一步提高测试结构的精度。

优选的，所述凹槽4为两条或两条以上，且其相互平行的布设于圆柱体10的侧表面上。

优选的，所述的凹槽4以螺旋方式布设于圆柱体10的侧表面上。

优选的，与所述的高压母线30相连的电极35和地电位电极36之间并联着两个或两个以上的光纤敏感单元2，每个光纤敏感单元2中信号光纤6可以串联在一根光缆1上并连接至测试单元5。

优选的，所述的光纤敏感单元2外围罩有电磁屏蔽壳体。

优选的，所述圆柱体10、A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2和信号光纤6满足以下公式：

α₁L₁ΔT-α_齿(L_1齿+L_2齿)ΔT-α_纤d_纤ΔT＝0

其中，α₁是圆柱体10材料的膨胀系数，ΔT是变化的温度值，L₁是凹槽4对应的侧壁节段8的长度，α_齿为A、B侧变形齿材料的膨胀系数，L_1齿、L_2齿分别是A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2的高度，α_纤为信号光纤6的膨胀系数，d_纤为信号光纤6的端面直径。在圆柱体10、A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2和信号光纤6的膨胀系数满足上述公式时，本装置就可以在一定的温度变化范围内不受温度变化的影响，即补偿了温度的变化对测试结果的改变。

所述信号光纤6为外部包有多层保护光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。所述信号光纤6也可以是多芯光纤、偏振光纤、双模光纤、细径光纤(如裸光纤外径60或80微米的光纤)、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。

实施例2：

如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：圆柱体10选用温度性能和逆压电性能良好的水晶晶体材料，其中水晶晶体材料的Y轴与圆柱体10的中心轴线重合，水晶晶体材料的X轴位于圆柱体10的一个径向，电极35与地电位电极36的电压加载于构成圆柱体10的水晶材料的X轴方向，电极35与地电位电极36的电压变化时，水晶材料的Y轴方向发生变形伸缩，即由水晶材料构成的圆柱体10的长度也随之变化，从而使布设于凹槽4内的相对两个面上的A侧变形齿4-1和B侧变形齿4-2之间的距离变化，使夹持于A侧变形齿4-1、B侧变形齿4-2之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元7，处理单元7经过计算得到高压母线30的电压变化值。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

实施例3：

如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于：所述光纤敏感单元2为两个或两个以上，且其通过金属管37串联起来并安装在一绝缘管38内，绝缘管38内空隙中填充有绝缘的聚氨酯39，所述绝缘管38两侧设置有电晕放电环34，高压母线30的电压通过电极一35和地电位电极36施加到串联起来的多个光纤敏感单元2上，这样可以使本装置监测500kv以下的高压母线30的电压，通过串联更多的光纤敏感单元2可以对更高电压等级的高压母线30进行监测。电晕放电环34可以减少电场梯度，使光纤敏感单元2中包括的电致伸缩或逆压电材料承受的电场分布相对均匀。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：包括电极一(35)、地电位电极(36)和位于电极一(35)与地电位电极(36)之间的至少一个光纤敏感单元(2)，一高压母线(30)通过电极一(35)和地电位电极(36)将高压母线(30)的高电压加载在所述光纤敏感单元(2)上，所述光纤敏感单位包括一圆柱体(10)，在圆柱体(10)的侧表面上分布有至少一个曲线形凹槽(4)，在凹槽(4)内的相对两个面上布设有A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)，所述A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)相互交错对应，且一信号光纤(6)夹持于A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)之间，A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)位于信号光纤(6)的两侧，所述圆柱体(10)、以及设置于圆柱体(10)上凹槽(4)内的A侧变形齿(4-1)和B侧变形齿(4-2)的至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成，并且凹槽(4)内的A侧变形齿(4-1)相对于B侧变形齿(4-2)会随着加载于光纤敏感单元(2)的电压变化而出现相对或相反的运动变化，所述信号光纤(6)连接有光缆(1)，所述光缆(1)连接有测试单元(5)，所述测试单元(5)连接有处理单元(7)。

2.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述凹槽(4)为两条或两条以上，且其相互平行的布设于圆柱体(10)的侧表面上。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述凹槽(4)以螺旋方式布设于圆柱体(10)的侧表面上。

4.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述光纤敏感单元(2)为两个或两个以上，每个光纤敏感单元(2)中信号光纤(6)串联在一根光缆(1)上并与测试单元(5)连接。

5.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述光纤敏感单元(2)外围罩有电磁屏蔽壳体。

6.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述圆柱体(10)、A侧变形齿(4-1)、B侧变形齿(4-2)和信号光纤(6)满足以下公式：

α₁L₁ΔT-α_齿(L_1齿+L_2齿)ΔT-α_纤d_纤ΔT＝0

其中，α₁是圆柱体(10)材料的膨胀系数，ΔT是变化的温度值，L₁是凹槽(4)对应的侧壁节段(8)的长度，α_齿为A、B侧变形齿材料的膨胀系数，L_1齿、L_2齿分别是A侧变形齿(4-1)、B侧变形齿(4-2)的高度，α_纤为信号光纤(6)的膨胀系数，d_纤为信号光纤(6)的端面直径。

7.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述圆柱体选用水晶材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种新型高电压光纤传感装置，其特征在于：所述光纤敏感单元(2)为两个或两个以上，且其通过金属管(37)串联起来并安装在一绝缘管(38)内，绝缘管(38)内空隙中填充有绝缘的聚氨酯(39)，所述绝缘管(38)两侧设置有电晕放电环(34)。

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