CN103884901B - 一种基于fp电压传感器的高电压测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FP电压传感器的高电压测量系统及测量方法，属于电压传感器测量领域。解决了现有测量静电高电压的测量系统及测量方法测量精度低的问题。所述的系统它包括宽带光源、信号隔离器、耦合器、FP电压传感器、高压电极、保护电阻、光谱仪、信号处理器和绝缘板装置；所述的FP电压传感器包括铝电极主体、光纤准直器、微调器、光纤和聚酯膜，所述方法的具体过程为，首先，使宽带光源、信号隔离器、耦合器、光谱仪和信号处理器均处于工作状态；测量获得FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)，然后根据<maths num="0001"></maths>计算获得待测高压直流电源输出的电压。本发明主要应用在采用传感器测量高电压领域。

Description

一种基于FP电压传感器的高电压测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于电压传感器测量领域。

背景技术

电压的测量在电力系统中起着非常重要的作用，其测量的精度及可靠性与电力系统的安全、可靠和运行密切相关。目前在电力系统中广泛使用的是电磁式电压测量方法和电容分压式电压测量方法，前者缺点主要是绝缘结构复杂，固有的磁饱和问题导致输出波形失真，响应速度低、频带窄。后者缺点主要是工作带宽窄，抗干扰能力差。鉴于传统的电压测量方法的诸多缺点，人们一直在寻求安全可靠、性能优越的新方法。光学电压测量法具有测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点，是非常有潜能的解决方案。1993年L.Fabiny等人提出利用玛赫-泽德干涉仪原理(Mach-ZehnderInterferometer)设计并实现了光纤低频电压传感器；1995年Chai-NanChang等人利用模-模干涉仪原理(Mode-ModeInterferometer)设计了温度和电压传感器，同年N.A.F.Jaeger等人利用集成光学技术设计了高压传感器；1996年M.Sedlar等人利用晶体的逆压电效应提出了光纤电磁场传感器；2000年J.C.Santos等人利用Pockels电光效应设计了高压测量系统；2009年国内学者胡涛、赵勇等人采用光纤磁流体设计了电磁场传感器。以上光学测量方法都是利用光电子技术和光纤传感技术来实现电力系统电压信号的测量，虽然克服了传统电磁式和电容分压式电压测量方法的磁饱和、铁磁谐振等问题，设计结构简单，频率响应快，但是由于测量动态范围窄、测量精度较低，在一定程度上影响了测量效果。

发明内容

本发明是为了解决现有测量静电高电压的测量系统及测量方法测量精度低的问题，本发明提供了一种基于FP电压传感器的高电压测量系统及测量方法。法布里-珀罗干涉仪，简称FP(Fabry-Perot)干涉仪。

一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，它包括宽带光源、信号隔离器、耦合器、FP电压传感器、高压电极、保护电阻、光谱仪、信号处理器和绝缘板装置；

所述的FP电压传感器包括铝电极主体、光纤准直器、微调器、光纤和聚酯膜，

所述的铝电极主体为圆柱体结构，且铝电极主体上表面中心位置设有圆形凹槽，在所述凹槽底部同心设有一个通孔，

聚酯膜覆盖在所述凹槽上，并通过环氧树脂黏贴在铝电极主体的上表面，所述的聚酯膜的上表面镀有铝，其下表面与通孔相对的位置粘有反射膜，

光纤准直器的端面上镀有反射膜，光纤准直器固定在微调器上，光纤准直器的信号输出端与光纤的一端连接，微调器嵌入在凹槽底部通孔内，光纤准直器的端面与聚酯膜之间形成了FP腔，且光纤准直器的端面与聚酯膜之间的垂直距离小于凹槽的深度，

聚酯膜下表面粘有反射膜的面积大于光纤准直器的端面上镀有反射膜的面积；

宽带光源的光信号输出端与信号隔离器的光信号输入端连接，信号隔离器的光信号输出端同时与耦合器的第一光信号输入输出端和光谱仪的光信号输入端连接，光谱仪的光信号输出端与信号处理器的数据信号输入端连接，耦合器的第二光信号输入输出端与光纤的另一端连接，

FP电压传感器和高压电极均固定在绝缘板装置上，且保证铝电极主体的上表面与高压电极相对设置，铝电极主体的上表面与高压电极之间的垂直距离为d,铝电极主体接待测高压直流电源的负极，高压电极的一端通过保护电阻与待测高压直流电源的正极连接。

采用一种基于FP电压传感器的高电压测量系统实现的高电压测量方法，该方法的具体过程为，

首先，使宽带光源、信号隔离器、耦合器、光谱仪和信号处理器均处于工作状态；

测量获得FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)，然后根据

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;\&lsqb;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}arccos\left(\frac{1-1.25\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}{1-\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}\right)-l\&rsqb;$ (公式一)

计算获得待测高压直流电源输出的电压；

公式中，a表示聚酯膜的半径，D表示聚酯膜的抗弯刚度，ε₀为空气的介电常数，I₀(λ)为FP电压传感器的输入光功率，λ为入射光波长，l为FP腔初始长度。

所述的公式一是通过下述方法获得的：

在高压电极和铝电极主体之间的电压不变的情况下，根据高电压试验技术获得高压电极给铝电极主体施加的均匀载荷采用公式二表示：

$q=\frac{dF}{dS}=\frac{1}{2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\left(\frac{u}{d}\right)}^2$ (公式二)

式中，ε_r为高压电极和铝电极主体间介质的相对介电常数，S为FP电压传感器的铝电极主体的上表面的面积，u为高压电极施加的电压，即FP电压传感器输入的被测电压，F为电场力，

根据弹性力学理论获得聚酯膜的最大扰度w_max与均匀载荷q之间的关系采用

$w_{max}=\frac{a^4}{64D}q$ (公式三)

表示，其中，所述最大扰度w_max即为FP电压传感器在均匀载荷q的作用下的FP腔的腔长变化量，将公式二代入公式三中，获得高压电极施加的电压u的表达式为

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;w_{max}$ (公式四)，

所述FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)与最大扰度w_max间的关系,根据多光束干涉理论采用

$I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\&CenterDot;\frac{2R\&lsqb;1-cos\left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\&rsqb;}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}$ (公式五)

表示，公式五中，R为FP腔内反射膜的反射率，n₀为FP腔内介质的折射率；将公式四变换后采用电压u表示最大扰度w_max，然后代入公式五中即获得公式一。

采用本发明所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统对高压电极在输入不同直流高压时的FP电压传感器输出光谱，具体参见图3，

当输入的直流电压加至15800V时，电极间开始出现放电现象，从图3中可以得到光谱的波长漂移最大为0.72nm，试验结果表明FP电压传感器电压测量范围为DC0V-15000V，测量精度最小可以达到0.6％；本发明所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统及测量方法具有很好的应用前景。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的FP电压传感器的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统的原理示意图。

图3为采用本发明所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统对高压电极在输入不同直流高压时的FP电压传感器输出光谱图，其中，曲线A表示输入的直流电压为15000V时的输出光谱，曲线B表示输入的直流电压为0V时的输出光谱，纵坐标表示光谱的强度，横坐标表示入射光波长。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，它包括宽带光源7、信号隔离器8、耦合器9、FP电压传感器、高压电极10、保护电阻11、光谱仪13、信号处理器14和绝缘板装置15；

所述的FP电压传感器包括铝电极主体1、光纤准直器2、微调器3、光纤4和聚酯膜5，

所述的铝电极主体1为圆柱体结构，且铝电极主体1上表面中心位置设有圆形凹槽，在所述凹槽底部同心设有一个通孔，

聚酯膜5覆盖在所述凹槽上，并通过环氧树脂黏贴在铝电极主体1的上表面，所述的聚酯膜5的上表面镀有铝，其下表面与通孔相对的位置粘有反射膜6，

光纤准直器2的端面上镀有反射膜6，光纤准直器2固定在微调器3上，光纤准直器2的信号输出端与光纤4的一端连接，微调器3嵌入在凹槽底部通孔内，光纤准直器2的端面与聚酯膜5之间形成了FP腔，且光纤准直器2的端面与聚酯膜5之间的垂直距离小于凹槽的深度，

聚酯膜5下表面粘有反射膜6的面积大于光纤准直器2的端面上镀有反射膜6的面积；

宽带光源7的光信号输出端与信号隔离器8的光信号输入端连接，信号隔离器8的光信号输出端同时与耦合器9的第一光信号输入输出端和光谱仪13的光信号输入端连接，光谱仪13的光信号输出端与信号处理器14的数据信号输入端连接，耦合器9的第二光信号输入输出端与光纤4的另一端连接，

FP电压传感器和高压电极10均固定在绝缘板装置15上，且保证铝电极主体1的上表面与高压电极10相对设置，铝电极主体1的上表面与高压电极10之间的垂直距离为d,铝电极主体1接待测高压直流电源12的电源地，高压电极10的一端通过保护电阻11与待测高压直流电源12的电压信号输出端连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统的区别在于，所述反射膜6的反射率为40％至55％。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统的区别在于，所述的聚酯膜5的厚度为30um到50um。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统的区别在于，所述的聚酯膜5的厚度为40um。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统的区别在于，所述的铝电极主体1的上表面与高压电极10之间的垂直距离为d的范围是8mm到15mm。

具体实施方式六：采用具体实施方式一或二所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统实现的高电压测量方法，该方法的具体过程为，

首先，使宽带光源7、信号隔离器8、耦合器9、光谱仪13和信号处理器14均处于工作状态；

测量获得FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)，然后根据

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;\&lsqb;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}arccos\left(\frac{1-1.25\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}{1-\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}\right)-l\&rsqb;$ (公式一)

计算获得待测高压直流电源12输出的电压；

公式中，a表示聚酯膜的半径，D表示聚酯膜的抗弯刚度，ε₀为空气的介电常数，I₀(λ)为FP电压传感器的输入光功率，λ为入射光波长，l为FP腔初始长度。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六所述的采用一种基于FP电压传感器的高电压测量系统实现的高电压测量方法的区别在于，所述的公式一是通过下述方法获得的：

在高压电极10和铝电极主体1之间的电压不变的情况下，高压电极10与铝电极主体1间形成了一个稳定的电场，即高压电极10给铝电极主体1施加了一个均匀载荷，根据高电压试验技术获得高压电极10给铝电极主体1施加的均匀载荷采用公式二表示：

$q=\frac{dF}{dS}=\frac{1}{2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\left(\frac{u}{d}\right)}^2$ (公式二)

式中，ε_r为高压电极10和铝电极主体1间介质的相对介电常数，S为FP电压传感器的铝电极主体1的上表面的面积，u为高压电极10施加的电压，即FP电压传感器输入的被测电压，F为电场力，

在均匀载荷q作用下，FP电压传感器的聚酯膜5实现受力拉伸变形，根据弹性力学理论获得聚酯膜5的最大扰度w_max与均匀载荷q之间的关系采用

$w_{max}=\frac{a^4}{64D}q$ (公式三)

表示，其中，所述最大扰度w_max即为FP电压传感器在均匀载荷q的作用下的FP腔的腔长变化量，将公式二代入公式三中，获得高压电极10施加的电压u的表达式为

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;w_{max}$ (公式四)，

FP电压传感器的聚酯膜5在受力拉伸变形的过程中，改变了FP腔的腔长，在施加均匀载荷q时，FP电压传感器的FP腔的腔长，由初始长度l增至l+w_max，则此时所述FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)与最大扰度w_max间的关系,根据多光束干涉理论采用

$I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\&CenterDot;\frac{2R\&lsqb;1-cos\left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\&rsqb;}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}$ (公式五)

表示，公式五中，R为FP腔内反射膜6的反射率，n₀为FP腔内介质的折射率；将公式四变换后采用电压u表示最大扰度w_max，然后代入公式五中即获得公式一。

Claims (7)

1.一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，其特征在于，它包括宽带光源(7)、信号隔离器(8)、耦合器(9)、FP电压传感器、高压电极(10)、保护电阻(11)、光谱仪(13)、信号处理器(14)和绝缘板装置(15)；

所述的FP电压传感器包括铝电极主体(1)、光纤准直器(2)、微调器(3)、光纤(4)和聚酯膜(5)，

所述的铝电极主体(1)为圆柱体结构，且铝电极主体(1)上表面中心位置设有圆形凹槽，在所述凹槽底部同心设有一个通孔，

聚酯膜(5)覆盖在所述凹槽上，并通过环氧树脂黏贴在铝电极主体(1)的上表面，所述的聚酯膜(5)的上表面镀有铝，其下表面与通孔相对的位置粘有反射膜(6)，

光纤准直器(2)的端面上镀有反射膜(6)，光纤准直器(2)固定在微调器(3)上，光纤准直器(2)的信号输出端与光纤(4)的一端连接，微调器(3)嵌入在凹槽底部通孔内，光纤准直器(2)的端面与聚酯膜(5)之间形成了FP腔，且光纤准直器(2)的端面与聚酯膜(5)之间的垂直距离小于凹槽的深度，

聚酯膜(5)下表面粘有反射膜(6)的面积大于光纤准直器(2)的端面上镀有反射膜(6)的面积；

宽带光源(7)的光信号输出端与信号隔离器(8)的光信号输入端连接，信号隔离器(8)的光信号输出端同时与耦合器(9)的第一光信号输入输出端和光谱仪(13)的光信号输入端连接，光谱仪(13)的光信号输出端与信号处理器(14)的数据信号输入端连接，耦合器(9)的第二光信号输入输出端与光纤(4)的另一端连接，

FP电压传感器和高压电极(10)均固定在绝缘板装置(15)上，且保证铝电极主体(1)的上表面与高压电极(10)相对设置，铝电极主体(1)的上表面与高压电极(10)之间的垂直距离为d,铝电极主体(1)接待测高压直流电源(12)的负极，高压电极(10)的一端通过保护电阻(11)与待测高压直流电源(12)的正极连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，其特征在于，所述反射膜(6)的反射率为40％至55％。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，其特征在于，所述的聚酯膜(5)的厚度为30um到50um。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，其特征在于，所述的聚酯膜(5)的厚度为40um。

5.根据权利要求1所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统，其特征在于，所述的铝电极主体(1)的上表面与高压电极(10)之间的垂直距离为d的范围是8mm到15mm。

6.采用权利要求1或2所述的一种基于FP电压传感器的高电压测量系统实现的高电压测量方法，其特征在于，该方法的具体过程为，

首先，使宽带光源(7)、信号隔离器(8)、耦合器(9)、光谱仪(13)和信号处理器(14)均处于工作状态；

测量获得FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)，然后根据

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;\&lsqb;\frac{\mathrm{\&lambda;}}{4\mathrm{\&pi;}}arccos\left(\frac{1-1.25\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}{1-\frac{I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}}\right)-l\&rsqb;$ 公式一，

计算获得待测高压直流电源(12)输出的电压；

公式中，a表示聚酯膜的半径，D表示聚酯膜的抗弯刚度，ε₀为空气的介电常数，I₀(λ)为FP电压传感器的输入光功率，λ为入射光波长，l为FP腔初始长度，u为高压电极施加的电压。

7.根据权利要求6所述的采用一种基于FP电压传感器的高电压测量系统实现的高电压测量方法，其特征在于，所述的公式一是通过下述方法获得的：

在高压电极(10)和铝电极主体(1)之间的电压不变的情况下，根据高电压试验技术获得高压电极(10)给铝电极主体(1)施加的均匀载荷采用公式二表示：

$q=\frac{dF}{dS}=\frac{1}{2}{\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r{\left(\frac{u}{d}\right)}^2$ 公式二

式中，ε_r为高压电极(10)和铝电极主体(1)间介质的相对介电常数，S为FP电压传感器的铝电极主体(1)的上表面的面积，u为高压电极(10)施加的电压，即FP电压传感器输入的被测电压，F为电场力，

根据弹性力学理论获得聚酯膜(5)的最大扰度w_max与均匀载荷q之间的关系采用

$w_{max}=\frac{a^4}{64D}q$ 公式三

表示，其中，所述最大扰度w_max即为FP电压传感器在均匀载荷q的作用下的FP腔的腔长变化量，将公式二代入公式三中，获得高压电极(10)施加的电压u的表达式为

$u^2=\frac{128\&CenterDot;D\&CenterDot;d^2}{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;a^4}\&CenterDot;w_{max}$ 公式四，

所述FP电压传感器的反射光输出功率I(λ)与最大扰度w_max间的关系,根据多光束干涉理论采用

$I\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=I_0\left(\mathrm{\&lambda;}\right)\&CenterDot;\frac{2R\&lsqb;1-cos\left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)\&rsqb;}{1+R^2-2R\cos \left(\frac{4{\mathrm{\&pi;n}}_0(l+w_{max})}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}$ 公式五

表示，公式五中，R为FP腔内反射膜(6)的反射率，n₀为FP腔内介质的折射率；将公式四变换后采用电压u表示最大扰度w_max，然后代入公式五中即获得公式一。