CN102621403B

CN102621403B - 一种光纤工频电场传感器

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Publication number: CN102621403B
Application number: CN201210120606.XA
Authority: CN
Inventors: 王陆唐; 黄肇明; 方捻
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2012-04-24
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2032-04-24
Also published as: CN102621403A

Abstract

本发明公开一种光纤工频电场传感器。该传感器包括一个光纤电场敏感元件和绝缘封装外壳。而电场敏感元件由两个光纤光栅，或一个光纤光栅结合一个光纤端面镀膜反射镜所构成的光纤F-P（Fabry-Perot）谐振腔组成。通过在包含F-P谐振腔的光纤表面涂覆聚合树脂，使该传感器具备了对外界工频电场的瞬时变化的传感功能，在外界工频电场力的作用下产生振动。该传感器与激光振动测量仪的光接口相连接，可以检测工频电场信号的强度、相位和频率等要素。相对目前市场上的基于电效应和电光效应的电场传感器，该传感器具有体积小，无任何金属部件，不会对被测电场产生影响，能够嵌入或埋入到绝缘材料中，特别适合于对高压交流送电线路、变电站等场所对工频高电压进行长时间无电源、全光、实时、远程监测等特点，是一种新型的光纤工频电场传感器。

Description

一种光纤工频电场传感器

技术领域

本发明涉及一种工频电场传感器，尤其涉及一种光纤工频电场传感器。

技术背景

在电力系统中，长期以来主要依靠传统的、基于热偶检波和二极管检波原理的电传感器对工频电场进行测量。传统电场传感器是基于对电场信号的时域平均，对电场能量的测量，因此不适合对电场的瞬时变化，包括强度、相位和频率等变化的测量。

另一方面，传统的电场测量系统中，探头与测量装置多通过电气线路相连接。被测电场在这些金属部件上会产生电磁感应现象，造成被测电场的畸变。同时在高电压电场测量场合，由于高压电容易通过电气线路产生爬电现象，威胁到设备安全和人身安全。

基于电光效应的电光式电场传感器则利用了某些晶体（如铌酸锂LiNbO₃，钽酸锂LiNbO₃）的线性电光效应（Pockels效应）将电场强度的变化通过晶体折射率的变化转化为光信号相位的变化，最终导致干涉信号强度变化，并通过光纤实现远距离传输进行电场测量。但由于晶体的偏光特性，使得传感器探头需要采用保偏光纤与光源相连，并需要另一根传输光纤将干涉信号光导入测量系统中，导致系统结构复杂，成本高。另一方面，由于晶体的光插入损耗大，难于实现级联构成准分布式传感网络。该类型传感器灵敏度易受温度影响，须经常对探头进行结构上的调整，以保持最佳工作状态，使用操作比较麻烦。

随着光纤测量制造技术不断完善，人们对光纤传感方面的研究变得更加广泛和深入。以光纤光栅为基础的光纤光栅传感器的研究，正成为光纤传感器研究领域的一大热点。在传感网络应用方面，同传统的电传感器相比，光纤光栅传感器具有明显的技术优势：

1. 作为传感元件，光纤光栅的主要成分为二氧化硅（SiO₂），为电磁场不敏感材料，因此不会导致被测空间内的电磁场畸变；

2. 光纤光栅传感器采用的是全光测量，能够实现远距离的测量，并易于级联实现准分布式传感网络；

3. 具有小的尺寸和低的制造成本。能嵌入或埋入到各类材料之中进行实时、安全监测。

由于这些优势，使得基于光纤光栅的光纤传感器的应用范围非常广，在桥梁、建筑、海洋石油勘探平台、油井及航空、大坝等工程上对结构，材料的健康状态实现无源、实时监测。

利用光纤光栅构成光纤F-P（Fabry-Perot）传感器是光干涉型传感器种类之一，具有结构简单，尺寸小，对外界扰动非常敏感，响应频带宽等优点。光纤F-P传感器的传感部分尺寸可以做到很小，这能等效于一个点状传感器，应用在许多测量场合。同样光纤F-P传感器也能够嵌入或埋入到各种材料之中，对被测物理量实现无源，实时监测。在测量系统构成方面，光纤F-P传感器能根据具体应用场合要求，采用空间、时间、波长复用技术，来提高测量的灵活性以及减少测量系统的构成成本。

利用基于光纤光栅技术的光纤F-P传感器，结合各种具有高介电常数的绝缘材料涂敷在传感器上，实现高灵敏全光光纤电场传感器，是针对目前传统的电场传感器以及电光式电场传感器存在的各类问题的解决方案之一。

发明内容

本发明的目的是，针对已有技术存在的缺陷，提供一种光纤工频电场传感器，具有体积小，无任何金属部件，不会对被测电场产生影响，能够嵌入或埋入绝缘材料中，特别适合于对高压交流送电线路、变电站等场所对工频高电压进行长时间的无电源、全光、实时、远程监测等特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：

第一种设计方案为：在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，形成一个光纤内部光栅波长反射镜。相隔一定长度后将光纤切断，其端面平整碾磨之后，通过镀膜方式形成外部反射镜，由此形成一个单光栅+反射镜的光纤F-P谐振腔。在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子、具有电场敏感特性的聚合树脂，构成第一类型光纤电场敏感元件。

第二种设计方案为：在一根单模光纤上写入一个低反射率的光栅，相隔一定长度后再写入相同波长低反射率或高反射率的光栅，在光纤内部形成一对光栅波长反射镜，由此构成一个双光栅光纤F-P谐振腔。同样，在光纤F-P谐振腔的光纤外层涂敷高分子、电场敏感特性的聚合树脂，由此构成第二类型光纤电场敏感元件。

第一类型光纤电场敏感元件，可以埋入或嵌入绝缘材料中单独使用，构成复合（composite）单点式光纤工频电场传感器，或通过采用传感器外壳进行封装，构成单体单点式光纤工频电场传感器。

第二类光纤电场敏感元件，可以埋入或嵌入绝缘材料中单独使用，构成复合（composite）单点式光纤工频电场传感器，或构成具有级联功能的复合串联式光纤工频电场传感器。另外也可以通过采用传感器外壳进行包装，构成单体单点式光纤工频电场传感器，或构成具有级联功能的单体串联式光纤工频电场传感器。

上述两种类型传感器具有相同的电场传感功能。在具体电场传感应用中，单点式光纤工频电场传感器通过连接光纤与激光振动测量仪相连接，可以构成单点式电场测量系统，而对于串联式光纤工频电场传感器，可利用波长复用方法，在一根连接光纤上，采用级联方式将多个具有不同波长的传感器串联起来，构成多点级联准分布式电场传感网络。

本发明的光纤工频电场传感器，最好与电场方向相垂直放置，以获得最大传感灵敏度。

本发明的光纤工频电场传感器，需通过单模光纤与激光振动测量仪相连。这里，从激光振动测量仪的光输入/输出端口送出的传感光，通过连接单模光纤入射到本发明的光纤工频电场传感器中。

从本发明的光纤工频电场传感器的光纤F-P谐振腔中的第一个光纤光栅反射回来的传感光，与从光纤断面反射镜或第二个光纤光栅反射回来的传感光，通过连接单模光纤返回到激光振动测量仪的光输入/输出端口，并在该激光振动测量仪的受光部形成光干涉信号，转换成电信号后，由激光振动测量仪的信号处理模块完成工频电场的测量。

使用本发明的光纤工频电场传感器进行电场测量的工作原理，具体描述如下：时变外施电场将诱导涂敷在光纤表面的对电场敏感的介电质（聚合树脂）产生内部反抗电场。通过外施电场力与内部反抗电场力的相互作用，使光纤发生与外施电场方向相一致的机械振动。光纤的机械振动会导致通过F-P谐振腔体的传感光的相位发生变化，最终使光干涉信号强度发生变化。外施电场的强度越强，诱导的介电质（聚合树脂）内部反抗电场的强度也就越强，致使作用在本发明的光纤工频电场传感器上的电场力增加，最终导致输出光干涉信号强度增强。通过激光振动测量仪所检测到的电信号的频率为被测电场频率的两倍，其幅度大小则与被测电场的强度成正比。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种光纤工频电场传感器，包括电场敏感元件和绝缘包装体，其特征在于：所述电场敏感元件为第一类型光纤电场敏感元件或第二类型光纤电场敏感元件。

所述第一类型的光纤电场敏感元件是：一个单模光纤写入光纤光栅，形成一个光纤内部光栅波长反射镜，相隔一段给定长度后将该单模光纤切断，其断面平整研磨后，通过镀膜形成外部反射镜，从而形成单光栅+反射镜的光纤F-P谐振腔，具有光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆聚合树脂层。

所述第二类型的光纤电场敏感元件是：在一根单模光纤写入两个光纤光栅形成一个双光栅光纤F-P谐振腔，在该具有双光栅光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆有聚合树脂层。

所述绝缘包装体为绝缘外壳，所述第一或第二类型光纤电场敏感元件封装在一个所述电绝缘外壳内，构成单体式光纤工频电场传感器。

所述第一或第二类型光纤电场敏感元件嵌入或埋入到所述绝缘材料中，构成复合式光纤工频电场传感器。

采用多个第二类型光纤电场敏感元件的工频电场传感器相串联，构成串联式光纤工频电场传感器。

采用波长复用方法，将不同中心波长的光纤工频电场传感器级联组成分布式电场传感网络。

本发明与现有技术相比较具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：

在本发明的光纤工频电场传感器和激光振动测量仪的频率响应范围内，所检测到的干涉信号能很好地反映出被测电场的瞬时变化，如强度、相位和频率变化。

本发明的光纤工频电场传感器能够嵌入或埋入到各种材料之中，对被测电场实现无电源、远程、实时的监测。

附图说明

图1为本发明的光纤工频电场传感器的封装后的长度方向的剖视图。

图2为本发明有关的第一类光纤电场敏感元件的长度方向的剖视图。

图3为本发明有关的第二类光纤电场敏感元件的长度方向的剖视图。

图4为本发明实施例有关的单点式光纤工频电场测量系统的示意图。

图5为本发明实施例有关的单点式光纤工频电场测量实验平台的示意图。

图6为低电压电场测量时，传感器输出信号的波形图。

图7为高电压电场测量时，传感器输出信号的波形图。

图8为所实测的工频电场电压与激光振动测量仪输出电信号幅度的有效值的关系的示意图。

图9为高电压电场测量，在升压变压器有、无电晕放电情况时，激光振动测量仪输出电信号的波形图。

图10为本发明实施例有关的多点级联准分布式光纤工频电场测量系统的示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明的优先实施例作详细说明。

实施例一：

参见图1，本光纤工频电场传感器，包括电场敏感元件和绝缘包装体，其特征在于：所述电场敏感元件为第一类型光纤电场敏感元件或第二类型光纤电场敏感元件。

实施例二：

参见图1和图2，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述第一类型的光纤电场敏感元件是：一根单模光纤写入光纤光栅，形成一个光纤内部光栅波长反射镜，相隔一段给定长度后将该单模光纤切断，其断面平整研磨后，通过镀膜形成外部反射镜，从而形成单光栅+反射镜的光纤F-P谐振腔，具有光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆聚合树脂层。

实施例三：

参考图1和图3，本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述的光纤工频电场传感器，其特征在于：所述第二类型的光纤电场敏感元件是：在一根单模光纤写入两个光纤光栅形成一个双光栅光纤F-P谐振腔，在该具有双光栅光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆有聚合树脂层。

实施例四：

以下采用图4所示的，与本实施例有关的光纤工频电场测量系统为例，说明采用本发明的光纤工频电场传感器实现对工频电场的测量。其中，光纤工频电场传感器（10）采用单体单点式类型传感器。

采用图2所示的第一类型光纤电场敏感元件，或采用图3所示的第二类型光纤电场敏感元件，以及采用图1所示的传感器的封装结构，可构成单体单点式光纤工频电场传感器（10）。

例如，采用图3所示的第二类型光纤电场敏感元件，其中，两个光纤光栅（2a）和（2b）的中心波长为1552.3 nm，线宽为1.8nm，反射率为15%，光纤F-P谐振腔长度L为20mm，表面涂敷5层聚酰亚胺树脂薄膜。

如图1所示，光纤电场敏感元件（6）放入一个传感器封装外壳（7）内，例如，绝缘陶瓷管内。两端采用树脂胶（5）将光纤电场敏感元件（6）的两端粘合固定，以此构成单体单点式光纤工频电场传感器（10）。

根据本发明实施例有关的单点式光纤工频电场测量系统，其中，单体单点式光纤工频电场传感器（10），与一定长度的，例如1km长的连接单模光纤（9）的一头相连接。连接方式可以采用光纤接头通过适配器相连接的方式，也可以采用通过放电进行熔接的方法，将两根光纤接合起来。连接单模光纤（9）与光纤电场敏感元件所用单模光纤（1）应为同种类型光纤，例如，同为SMF-28类型的光纤。

连接单模光纤（9）的另一端为光纤接头，与激光振动测量仪（8）的光接口相连。激光振动测量仪（8）的光接口作为传感光的输入/输出端口。通过该端口，激光振动测量仪（8）发出光波长与光纤工频电场传感器（10）的中心波长相匹配的传感光，例如1552.3 nm波长的传感光，同时能接收来自光纤工频电场传感器（10）反射回来的传感光。

激光振动测量仪（8）的输出电信号，通过连接电缆（11）输入到数字示波器（12）中，进行信号波形显示和保存。

为完成该实施例，可以采用图5所示的，为本发明实施例有关的单点式光纤工频电场测量实验平台，对实际的工频电场进行测量。

其中，平行板电极（13）采用了两块面积为50 cm x 50 cm的平整铝板。平行板电极间距可调。平行板电极与一个100:1的升压变压器（15）的两个高压输出端相连接。平行板电极间的电压采用高压交流电压表（14）进行测量。由升压变压器（15）的输入端与调压器（16）输出端相连，调压器（16）的输入端与工频交流电源（17）相连。由于测试在北美地区进行，工频交流电源（17）的标称电压为110伏特，频率为60 赫兹。

如图5所示，平行板电极13产生随工频变化的交变电场，或称为工频电场。光纤工频电场传感器（10）位于两平行电极中央部位，以获得较为均匀分布的工频电场。同时保持光纤工频电场传感器（10）与工频电场方向相垂直，以获得最大传感灵敏度。

位于工频电场中的光纤电场敏感元件（6），其光纤表面上的介电质（聚合树脂）涂层，在外施电场诱导下，产生正负电荷相分离的电极化效应，由此在介电质的内部产生一个反抗电场。在外施电场与反抗电场的相互作用下，电场力将推动轻质光纤，产生与电场方向相一致的机械运动。又由于外施电场为工频电场，电场方向作周期性地改变，因此在时变电场力的作用下，光纤产生微机械振动。这种微机械振动将导致通过光纤电场敏感元件（6）的传感光的相位发生变化，进而导致激光振动测量仪（8）所检测到的光干涉信号产生与这种机械振动相一致的变化。又由于，电场敏感元件（6）内产生反抗电场的强度与外施电场的强度成正比，通过对输出电信号幅度的检测，可完成对外施电场强度，即工频电场强度大小的测量。

图6为所测得的工频电场信号（激光振动测量仪8的输出电信号）的时间波形图。此时平行板电极的间距为20 cm，所施加工频电压为200 V。

图7为所测得的工频电场信号（激光振动测量仪8的输出电信号）的另一时间波形图。此时所施加工频电压为1000 V，其他条件保持不变。

从图6和图7的所测得的信号波形可以看出，信号波形幅度随外施电压幅度的增加而变大，而信号波形频率为所测工频电场频率的两倍。

在电场测量实验中，通过调整调压器（16），改变施加在平行板电极上的工频交流电压大小，以获得不同的电场强度。同时，通过激光振动测量仪（8）对在不同施加电压下的检测电信号的幅度进行测量，可以获得所测量的信号幅度与外施电场强度或电压值的关系曲线。

图8为根据在不同工频电压条件下工频电场电压与测量信号幅度的有效值（RMS）的关系的示意图。

当存在电场产生放电情况下，电场的能量会有所降低。通过采用与本发明实施例有关的单点式光纤工频电场测量系统，外施电场的能量因放电所产生的变化能够被检测出来。

图9为升压变压器的引出端处出现电晕放电时，激光振动测量仪（8）所测得的工频电场信号波形。此时，平行板电极的间距为50 cm，工频电压为11 kV。从图9的结果可以清楚观察到，在升压变压器发生电晕放电时，测量信号波形随着发生了变化。

实施例五：

例如，采用图3和图1所示的第二类型传感器，构成图10所示的，与本实施例有关的多点级联准分布式光纤工频电场测量系统。

在本实施例中，例如，采用了3个不同中心波长的第二类型传感器，各传感器的中心波长分别用λ₁、λ₂和λ₃来区分。各传感器，如图10所示，采用多根连接单模光纤串联起来，构成多点级联准分布式电场传感网络。

本发明不限定连接传感器的个数。例如，在本实施例中，与连接光纤相连接的传感器，可以是3个，也可以是多个。与本发明实施例有关的多点级联准分布式光纤工频电场测量系统中，激光振动测量仪（8）能够在不同时间段，发射光波长与传感网络中某一特定的传感器的中心波长相一致的传感光，对特定的传感器实施信号检测。

本发明的光纤工频电场传感器，包括单点的或多点的传感器，都可以嵌入或埋入到各种绝缘材料中，例如，陶瓷或玻璃纤维材料中，对被测电场实现无电源、远程、实时的监测。

其他，在不脱离本发明的要点的范围内，传感器种类的选择与测量系统结构设计，能够进行种种变更。

本发明能够应用在各种工频电场，特别是高电压电场测量场合，对各种设备的安全和人身安全起到保护作用，是一种新型的光纤工频电场传感器。

Claims

1.一种光纤工频电场传感器，包括电场敏感元件（6）和绝缘包装体（7），其特征在于：所述电场敏感元件（6）为第一类型光纤电场敏感元件或第二类型光纤电场敏感元件；所述第一类型的光纤电场敏感元件是：一根单模光纤（1）写入光纤光栅（2），形成一个光纤内部光栅波长反射镜，相隔一段给定长度后将该单模光纤（1）切断，其断面平整研磨后，通过镀膜（4）形成外部反射镜，从而形成单光栅和反射镜的光纤F-P谐振腔，具有光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆聚合树脂层（3）；所述第二类型的光纤电场敏感元件是：在一根单模光纤（1）写入两个光纤光栅（2a，2b）形成一个双光栅光纤F-P谐振腔，在该具有双光栅光纤F-P谐振腔的光纤表面涂覆有聚合树脂层（3）。

2.根据权利要求1所述的光纤工频电场传感器，其特征在于：所述绝缘包装体（7）为电绝缘外壳，所述第一或第二类型光纤电场敏感元件封装在一个所述电绝缘外壳内，构成单体式光纤工频电场传感器。

3.根据权利要求1或2所述的光纤工频电场传感器，其特征在于：所述绝缘包装体（7）为绝缘材料，所述第一或第二类型光纤电场敏感元件嵌入或埋入到所述绝缘材料中，构成复合式光纤工频电场传感器。

4.根据权利要求1所述的光纤工频电场传感器，其特征在于∶采用多个第二类型光纤电场敏感元件的光纤工频电场传感器相串联，构成串联式光纤工频电场传感器。

5.根据权利要求1或4所述的光纤工频电场传感器，其特征在于：采用波长复用方法，将不同中心波长的光纤工频电场传感器级联组成分布式电场传感网络。