CN102928647B - 光学式电压传感系统及相应迭代解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学式电压传感系统及相应迭代解调方法。该光学式电压传感系统包括光源、传感光学模块、光信号处理单元和光纤。传感光学模块包括起偏器、1/4波片、传感晶体和检偏器，其中起偏器将从输入端输出的光束分为参考光和传感光，传感光穿过传感晶体后携带有电场信息。光信号处理单元利用参考光和携带有电场信息的传感光确定电场信息。光纤用于连接光源、传感光学模块以及光信号处理单元。

Description

光学式电压传感系统及相应迭代解调方法

技术领域

本发明涉及电压传感技术领域，尤其涉及一种光学式电压传感系统及相应迭代解调方法。

背景技术

智能电网属于战略性新兴产业，是新能源产业的重点发展目标。电子式互感器是智能化变电站的核心设备。电子式互感器通过光纤实现数字信号传输，解决了绝缘、干扰等难题。电子式光纤、光学互感器，由于其天然的绝缘优势，先进的传感原理，从根本上克服了传统式电磁互感器、其它种类的电子式互感器存在的一些技术缺陷，特别是在特高压领域的应用优势更为明显，是国际上公认的互感器技术发展方向和换代型产品。

纵观现有的光学式电压传感器设计方案，多存在以下特点：光路设计复杂，核心传感光学器件由众多分立器件构成，光路和电极结合的系统设计复杂，制造加工工艺繁琐，可靠性差；光源及光路噪声将最终成为限制计量级传感器准确度提高瓶颈，光学互感器的信噪比提高成为亟待解决的难关；光源输出功率受光源驱动电路和器件本身寿命的影响，光源功率无法保证在整个寿命周期内保持不变，光源功率的波动，特别是瞬时功率的波动对传感器准确度的影响很大；传感器系统震动，特别是传感光路的高频震动将对输入光的偏振态产生严重扰动，导致输出传感信号在震动周期内出现大幅波动，有可能会影响继电保护装置装置的误动作，也不满足计量级传感器的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种光学式电压传感系统及相应迭代解调方法，能够有效解决或抑制上述的一个或多个问题的影响，提高输出光传感信号的信噪比，提高传感器的可靠性和稳定性。

本发明一方面提供了一种光学式电压传感系统，包括：光源、传感光学模块（1）、光信号处理模块（7）和光纤。光源用于发出一光束；传感光学模块（1）包括：起偏器（41），用于将从输入端输入的所述光束分为参考光和传感光，其中所述传感光为线偏振光；1/4波片（5），用于将所述传感光分成正交的两束线偏振光；传感晶体（6），被放置为使其通光方向与电场垂直，使穿过该传感晶体（6）的两束线偏振光产生与电场相关的相位差；检偏器（42），使从所述传感晶体输出的两束线偏振光产生干涉，从而将携带有电场信息的传感光输出。光信号处理模块（7）利用所述参考光和所述携带有电场信息的传感光确定所述电场信息。光纤用于连接光源、传感光学模块以及光信号处理模块。

所述传感光学模块还可以包括：位于起偏器的输入端侧的第一准直器（31）、位于所述起偏器的侧面的第二准直器（32）、位于所述检偏器的输出端侧的第三准直器（33）。

所述光纤包括连接在所述光源（8）与所述第一准直器（31）之间的第一光纤（21），连接在所述第二准直器（32）与所述光信号处理模块（7）之间的第二光纤（22），以及连接在所述第三准直器（33）与所述光信号处理模块（7）之间的第三光纤（23）。

所述起偏器（41）的偏振方向为横向，所述检偏器（42）的偏振方向为纵向。

所述光信号处理模块（7）包括：第一探测器（72），用于探测所述参考光的光强；第二探测器（73），用于探测所述携带有电场信息的传感光的光强；数据处理单元，用于根据所述参考光的光强和所述携带有电场信息的传感光的光强确定电场的信息。

本发明另一方面公开了一种利用以上所述的光学式电压传感系统的迭代解调方法，包括：利用以下公式计算被测电压V：

$V=V_m\mathrm{sim\ωt}=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}\arcsin (\frac{\mathrm{kb}}{a}-1)---\left(1\right)$

其中，V_m为电压的最大幅值，ω为电压变化的角速度，V_π为所述传感晶体的半波电压；

其中I₁是所述参考光的光强，I₂是携带有电场信息的传感光的光强，a_DC是a的平均值，b_DC是b的平均值。

其中，其中，λ为所述光束的光波长，n₀为传感晶体的折射率，l为传感晶体通光方向的长度，d为传感晶体沿施加电压方向的厚度，γ₄₁是传感晶体材料的线性电光系数。

所述k值计算周期由1秒到1分钟的数据计算，然后代入公式（1）中循环计算电压值。

本发明所提出的光学式电压传感系统由于引入了参考光路，因此可以简化光路设计，可以提高输出光传感信号的信噪比，提高传感器的可靠性和稳定性。

附图说明

图1是根据本发明实施例的光学式电压传感系统的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。为了清楚起见，说明书省略了对理解本发明无关紧要的一些部件的描述。

本发明提供一种新型光学式电压传感系统，其采用横向调制原理，即传感晶体的通光方向与电场方向垂直的方式对电场/电压进行检测，其中在该新型的光学式电压传感的光路中引入了参考光路，以有效提高传感系统的信噪比，抑制光源功率波动、系统震动等因素对输出电压值的影响，从而确保传感系统的稳定可靠和传感数据的准确。

图1是根据本发明实施例的光学式电压传感系统的示意图。参见图1，本发明实施例的光学式电压传感系统包括位于一次侧的传感光学模块1，位于二次侧的光信号处理单元7以及光源8，以及在这三者之间传输光信号的光纤。

光源8用于产生将要经过传感光学模块感知电场的一束光，可以是单色激光。

传感光学模块1（按照光行进的方向依次）包括：起偏器41、1/4波片5、传感晶体6、检偏器42。起偏器41用于将从输入端输入的光束分为参考光和传感光，并且传感光为线偏振光。参考光从起偏器41的一侧面出射，这里所说的侧面是相对于通光方向而言的。1/4波片用于将传感光分成偏振方向正交的两束线偏振光。传感晶体6被放置为使其通光方向与电场垂直，使穿过该传感晶体6的两束线偏振光产生与电场相关的相位差。检偏器42使从所述传感晶体输出的两束线偏振光产生干涉，从而将携带有电场信息的传感光输出。这里的传感晶体可以是电光晶体，即具有线性电光效应（即pockels效应）的晶体，如锗酸铋（BGO）、铌酸锂等。传感晶体6可以置于地电极上。起偏器41与检偏器42的偏振方向互相垂直。在本实施例中，优选起偏器41的偏振方向为横向，检偏器42的偏振方向为纵向。这种偏振方式便于从起偏器41的侧面将参考光引出。

传感光学模块1还可以包括第一准直器31、第二准直器32、第三准直器33。第一准直器31位于起偏器的输入端侧，用于将从光源传输来的光束耦合入起偏器。第二准直器32位于所述起偏器的侧面，将从起偏器的侧面出射的参考光耦合入光纤。第三准直器33位于检偏器的输出端侧，将从检偏器的输出端出射的传感光耦合入光纤。

光纤包括用于连接在光源与第一准直器之间的、将光源发出的光束传输到起偏器41的输入端的第一光纤21，连接在第二准直器与光信号处理模块7（例如其第一探测器72）之间的、将从起偏器分出的参考光传输到光信号处理模块7的第二光纤22，以及连接在第三准直器与光信号处理模块7（例如其第二探测器73）之间的、将携带有电场信息的传感光传输到光信号处理模块7的第三光纤23。这里的光纤可以是普通单模光纤。

光信号处理模块7，用于对参考光和携带有电场信息的传感光进行处理得到所述电场信息。

光信号处理模块7包括第一探测器72和第二探测器73。第一探测器72用于探测参考光的光强，第二探测器73用于探测携带有电场信息的传感光的光强。光信号处理模块7还包括数据处理单元（图中未示出），用于根据第一探测器72和第二探测器73探测到的光强计算电场或电压的大小。

以下对利用上述光学式电压传感系统对电压进行迭代解调的方法进行具体说明。

光源8发出的光经第一光纤21传送至第一光纤准直器31，被耦合入起偏器41，光经起偏器41后分为两路，一路经第二准直器32、第二光纤22到达第一探测器72，此路光即为参考光；另外一路经1/4波片5、传感晶体6、检偏器42、第三准直器33、第三光纤23至第二探测器（73），此光路为电压信号传感光。入射光经起偏器后变成线偏振光，再经1/4波片产生偏振方向正交的两束线偏振光，由于晶体中Pockels效应的作用，两束线偏振光经传感晶体6传输后，产生一个与外加电场（附图中以虚线箭头表示电场方向）相关的相位差，利用检偏器使两束线偏振光产生干涉，将相位检测转换为光强检测。第一探测器72和第二探测器73将光信号转换成电信号，由数据处理单元解算出外加电压值。

假设第一探测器（72）、第二探测器（73）探测到的光强分别为a和b，则有：

a=I₁（1）

b=I₂(1+sinδ)（2）

其中I₁，I₂为两光路直流光强，δ为由线性电光效应引起的双折射两光束的相位差，该相位差与外加电场E的强度成正比，设比例系数为k₀，则有：

$\mathrm{\δ}=k_{0}E=\frac{\mathrm{\πV}}{V_{\mathrm{\π}}}---\left(3\right)$

V为被测电压，V=V_msinωt，V_m是被测电压的最大幅值，ω为被测电压变化的角速度；V_π为晶体的半波电压，即由Pockels效应引起的双折射两光束产生180°相位差所需的外加电压的大小，对横向调制的Pockels光学电压传感器，以BGO传感晶体为例，其半波电压式中，λ为光波波长，n₀为晶体的折射率，l为晶体通光方向的长度，d为晶体沿施加电压方向的厚度，γ₄₁是晶体材料的线性电光系数。

光学式电压传感系统的光路结构中，由于存在起偏器这种偏振敏感器件，输入光经光纤传输时偏振态的演化和系统光路特别是输入光纤受到震动时，会造成输出光功率的明显变化，由于一般的信号解调电路的有限带宽和算法限制，常常无法滤除此种光功率波动，从而影响系统的传感精度。光源功率的瞬时波动无法得到滤除也是同样道理。

光学电压传感器光源及输入光路的噪声是影响计量级、高精度电压传感器终极性能的重要因素，因此对于计量级电压传感器来说，输入光噪声必须得到抑制。

由本发明光路的特点可知，信号a反映了输入光的本征噪声性能，信号b为被测电场调制后的信号，信号a和b的直流光功率变化趋势相同、噪声性能相同。因此令分别取a、b相同数目的采样点进行数值平均，即a_DC=mean(a)，b_DC=mean(b)，其中mean为平均的函数。

将公式（1）、公式（2）相除，可以抵消光功率的影响，同时也大大抑制输入光的固有噪声，输出信号的信噪比得到明显提高。公式推导可以得到：

$\sin \mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{kb}}{a}-1---\left(4\right)$

被测电压信号值为：

$V=V_m\sin \mathrm{\ωt}=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}\arcsin (\frac{\mathrm{kb}}{a}-1)---\left(5\right)$

比值k为参考光、信号光的直流量的比值，由前面的分析知道，输入光对参考光信号光的影响趋势一致，因此对比值k来说在一定长的时间内基本保持不变，k值可以在1秒、10秒甚至1分钟的周期内对数据求平均计算得到，然后代入公式（5）中循环迭代计算所施加电压值。

上述迭代解调算法将参考光路的技术参数进行迭代，快速、准确地计算得到被测电压值。因此，这种迭代算法具有实时性、易实现等优点。

由以上所述的迭代解调算法的处理过程来看，参考光的引入，消除了光源功率波动、输入光纤震动、输入光路偏振态演化等光功率因素对电压传感器精度的影响；大大抑制了输入光路噪声，提高了系统的信噪比。

需要说明的是，以上公式中采用了物理量光强I1和I2来描述，实际计算中采用的是由探测器将光强信号转换为的电信号，如电压信号，但由于电压信号与光强信号成正比，且上述公式中涉及的是比值，因此利用光强或探测器输出的电压来表示对最终结果没有影响。

根据本发明实施例的光学式电压传感系统及相应的电压传感方法具有以下优点：

（1）简化了光路设计，不必再采用消偏扰偏、光源闭环控制等技术，系统设计简单，制造加工工艺简便，可靠性高；

（2）在传感光路中引入了参考光路，参考光与信号光传输路径一致，有效的抑制了光源及光路噪声等抑制计量级传感器准确度的瓶颈，大大提高了光学互感器的信噪比；

（3）在传感光路中引入了参考光路，可以最大程度的消除光源功率波动、光源寿命等因素对传感器准确度的影响，提高了传感精度和稳定性；

（4）在传感光路中引入了参考光路，可以有效避免传感光纤链路的震动，提高传感精度和可靠性；

（5）在解调算法中提出迭代解调算法，充分发挥了参考光路的效能，有效的保证了传感器的准确度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (3)

1.一种光学式电压传感系统的迭代解调方法，

所述光学式电压传感系统包括：光源(8)、传感光学模块(1)、光信号处理模块(7)和光纤；

光源(8)，用于发出一光束；

传感光学模块(1)，包括：

起偏器(41),用于将从输入端输入的所述光束分为参考光和传感光，其中所述传感光为线偏振光；

1/4波片(5)，用于将所述传感光分成偏振方向正交的两束线偏振光，

传感晶体(6)，被放置为使其通光方向与电场垂直，使穿过该传感晶体(6)的两束线偏振光产生与电场相关的相位差；

检偏器(42)，使从所述传感晶体输出的两束线偏振光产生干涉，从而将携带有电场信息的传感光输出；

光信号处理模块(7)，用于利用所述参考光和所述携带有电场信息的传感光确定所述电场信息；以及

光纤，用于连接所述光源、所述传感光学模块以及所述光信号处理模块；

所述光信号处理模块(7)包括：

第一探测器(72)，用于探测所述参考光的光强；

第二探测器(73)，用于探测所述携带有电场信息的传感光的光强；

数据处理单元，用于根据所述参考光的光强和所述携带有电场信息的传感光的光强确定电场的信息；

所述光学式电压传感系统的迭代解调方法包括：利用以下公式计算被测电压V：

$V=V_{m}sin\mathrm{\ω}t=\frac{V_{\mathrm{\π}}}{\mathrm{\π}}\arcsin (\frac{kb}{a}-1)---\left(1\right)$

其中，V_m为电压的最大幅值，ω为电压变化的角速度，V_π为所述传感晶体的半波电压；

其中I₁是所述参考光的直流光强，I₂是携带有电场信息的传感光的直流光强，a_DC是a的平均值，b_DC是b的平均值；

第一探测器探测到的光强为a；第二探测器探测到的光强为b。

2.根据权利要求1所述的方法，其中其中，λ为所述光束的光波长，n₀为传感晶体的折射率，l为传感晶体通光方向的长度，d为传感晶体沿施加电压方向的厚度，γ₄₁是传感晶体材料的线性电光系数。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述k值在一定时间周期内对数据求平均计算得到，然后代入公式(1)中循环计算电压值，所述时间周期的取值范围为1秒至1分钟。