CN104020338B - 基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统及采用该系统实现的测量方法 - Google Patents

Abstract

基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统及采用该系统实现的测量方法，属于静电电压测量领域。解决了现有静电电压测量系统测量精度低和动态测量范围窄的问题。首先，使调压器、精密直流高压电源、精密电压计、光源、信号隔离器、耦合器、光谱仪和信号处理器处于工作状态，使精密直流高压电源输出的电压加在FBG电压传感器上，光源输出的光依次经信号隔离器和耦合器后，分别入射至1号FBG和2号FBG，耦合器先后接收1号FBG和2号FBG反射的光，并将该反射光送至光谱仪，光谱仪的信号输出端与信号处理器的信号输入端连接，信号处理器对接收的信号进行处理，最终获得该测量系统测量的电压值。本发明主要用于电压测量领域。

Description

基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统及采用该系统实现的测量方法

技术领域

本发明属于静电电压测量领域

背景技术

静电电压测量在高电压的测量中起着非常重要的作用。目前高电压测量传统的使用方法有：电阻分压器的直流高压测量方法、阻容分压的交流高压测量方法和静电电压表的交直流高压测量方法。相对于电阻分压和阻容分压的测量方法，在测量过程中静电电压表有着极大的内阻抗，不会影响到高压输入端，在高电压测量中有着不可替代的作用。传统非接触式静电电压表主要有振动电容式、旋转叶片式、直接感应式等几种，振动电容式存在工艺复杂成本较高，旋转叶片式存在机械磨损影响测量精度，直接感应式存在读数无法直接转换成电量进入自动测试系统的问题，同时基于电信号输出的测试仪器信号传输存在着高压电场下被干扰的问题。鉴于传统静电电压表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。

国外首先兴起高压静电测量的研究，从结构上突破了传统的静电电压表。较早出现的有应变计式静电电压表，近来有现场磨式直流高压静电计等。此类静电电压表都有较好的测量范围和测量精度，但是应变计式电压表制备困难，而现场磨式静电计有机械旋转部件，涉及到寿命和可靠性问题。光学电压测量的方法具有测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点，是非常有潜能的高压测量解决方案。现有报道中采用光学方法测量电压的有以下三类，第一类是利用玛赫-泽德干涉仪原理设计的电场传感器，此类传感器可获得较高的测量精度，但其结构中需要引入参考臂光纤，存在结构复杂问题。第二类是使用压电陶瓷的电压传感器，此类传感器存在电滞现象。第三类是利用光学晶体的逆压电效应设计的传感器，此类传感器加工工艺复杂，光学系统的封装困难。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高电压信号的测量，但是由于制备困难、受外部条件影响造成了传感器工作不稳定，这都会影响电压测量效果，FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。

发明内容

本发明是为了解决现有静电电压测量系统测量精度低和动态测量范围窄的问题，本发明提供了一种基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统及采用该系统实现的测量方法。

基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，它包括FBG电压传感器、调压器、精密直流高压电源、精密电压计、保护电阻R、电阻R₁、电阻R₂、光源、信号隔离器、耦合器、光谱仪和信号处理器；

所述的FBG电压传感器包括导体半球、1号FBG、2号FBG、固定块、等应变梁、高压电极、绝缘装置、接地电极、调节螺栓；

接地电极和高压电极镜像相对设置，且接地电极和高压电极之间的垂直距离d，d的范围为大于20mm且小于50mm，

接地电极的引出端通过夹固器件与绝缘装置固定连接，高压电极的引出端与调节螺栓螺纹连接，调节螺栓通过夹固器件与绝缘装置固定连接，

等应变梁采用聚酯板实现，等应变梁通过固定块与绝缘装置固定连接，且等应变梁位于接地电极和高压电极之间，等应变梁的两个侧面分别粘贴有1号FBG和2号FBG，且1号FBG和2号FBG镜像对称，

1号FBG与高压电极相对，且之间留有间隙，

2号FBG与接地电极相对，且之间留有间隙，

等应变梁的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球，该导体半球为封闭的空心导体半球，且导体半球与1号FBG位于等应变梁的同一侧，

调压器的信号输出端与精密直流高压电源的信号输入端连接，该精密直流高压电源的电信号输出端与保护电阻R的一端连接，保护电阻R的另一端同时与电阻R₁的一端和高压电极的引出端连接，电阻R₁的另一端与电阻R₂串联后连接精密直流高压电源的电源地，精密电压计的电压输出端并联有电阻R₂，接地电极接精密直流高压电源的电源地，

光源输出的光依次经信号隔离器和耦合器后，分别入射至1号FBG和2号FBG，耦合器先后接收1号FBG和2号FBG反射的光，并将该反射光送至光谱仪，光谱仪的信号输出端与信号处理器的信号输入端连接。

所述的等应变梁为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块与绝缘装置固定连接。

所述的高压电极的放电端面覆盖导体半球和1号FBG，接地电极的放电端面覆盖2号FBG。

所述的高压电极和接地电极结构完全相同。

采用基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系实现电压测量方法，该方法为，

首先，使调压器、精密直流高压电源、精密电压计、光源、信号隔离器、耦合器、光谱仪和信号处理器处于工作状态，

其次，通过光谱仪测量，获得1号FBG的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG的中心波长漂移量△λ₂，根据公式一

△λ＝△λ₁-△λ₂，

获得1号FBG和2号FBG中心波长漂移量差值△λ，

最后，根据公式二

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{27\mathrm{\π}(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{LR}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{Ebh}}^2{d}^2}\·U^2,$

计算获得精密直流高压电源输出的电压U，

其中，λ_B为中心波长，P_e为有效弹光系数，ε为应变系数，L为等应变梁的长度，R为导体半球的半径，ε₀为空气的介电常数，E为杨氏模量，b为等应变梁固定端宽度，h为等应变梁厚度。

所述的公式二是通过下述方法获得的，

步骤一：精密直流高压电源输出的电压U施加在高压电极和接地电极上，在高压电极和接地电极之间形成了均匀电场，空心导体半球在静电力F的作用下，驱动等应变梁受力产生变形，根据电动力学可得该静电力F的大小，如下述公式三所示

$F=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}{4}{R}^2{E}_0^2,$

其中，E₀为均匀电场的强度，

步骤二：高压电极与接地电极间距为d时，公式三表示为公式四

$F=\frac{9{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}^2{U}^2}{{4d}^2},$

步骤三：1号FBG和2号FBG的中心波长分别为λ₁和λ₂，1号FBG和2号FBG的应变系数分别为ε₁和ε₂，

当1号FBG和2号FBG的温度灵敏度系数ΔT和应变系数大小均一致时，设λ₁＝λ₂＝λ_B，同时，在等应变梁在变形的过程中，有ε₁＝-ε₂＝ε，

由温度和应变引起的1号FBG的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG的中心波长漂移量△λ₂分别为，

公式五：△λ₁＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

公式六：△λ₂＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

其中，α和ζ分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数，

步骤四：将公式五和公式六代入公式一中，获得公式七：

△λ＝△λ₁-△λ₂＝2λ_B(1-P_e)ε，

步骤五：根据弹性力学原理，等应变梁的自由端受静电力F作用时，应变系数ε记为公式八：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L}{{\mathrm{Ebh}}^2}F,$

步骤六：将公式四、公式七和公式八代入到公式二中，完成对精密直流高压电源输出的电压U的测量。

所述的λ_B是通过公式九获得的

λ_B＝2n_effΛ，

其中，Λ为光栅周期，n_eff是光栅波导的有效折射率。

采用本发明所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统及采用该系统实现的测量方法进行实验，FBG电压传感器的结构参数如表1：

表1

实验过程中，采用精密直流高压电源作为电压输入装置，从0V开始，通过调压器给高压电极施加直流电压，每增加300V记录下施加的电压值和对应电压下1号FBG和2号FBG的输出光谱数据，直至高压电极开始放电现象，记录下开始放电时电压为24600V，从而确立了FBG电压传感器所在测量系统的最高测量电压。

再次实验时，以300V的间隔增加至24000V停止施加电压；然后，再以300V的间隔递减进行实验，同时记录实验电压和1号FBG及2号FBG的输出光谱数据。根据实验施加的电压和测量的1号FBG及2号FBG波长值，可以得到不同电压下1号FBG及2号FBG的输出光谱图，如图4至图7所示。

从图4至图7可以看出，随着施加电压的增加，1号FBG的光谱向右发生偏移，2号FBG的光谱向左发生偏移，其偏移程度随电压而递增。

当电压为0V时，如图4所示，1号FBG及2号FBG的中心波长为1549.980nm，中心波长漂移量差值△λ基本为0，

电压为10kV时，如图5所示，1号FBG与2号FBG的中心波长漂移量差值△λ为246pm，

电压为24kV时，如图6所示，1号FBG与2号FBG的中心波长漂移量差值△λ最大为1380pm，

如图7所示，不同电压时，1号FBG与2号FBG的输出光谱。

本发明带来的有益效果是，静电电压的动态测量范围为0至20kV，测量精度小于3％。

附图说明

图1为具体实施方式一中所述的FBG电压传感器的原理示意图；

图2为具体实施方式一中所述的等应变梁与导体半球、1号FBG、2号FBG及固定块之间的位置关系示意图；

图3为本发明所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统的原理示意图；

图4为精密直流高压电源输出的电压为0V时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线19为2号FBG输出的光谱曲线，曲线18为1号FBG输出的光谱曲线；

图5为精密直流高压电源输出的电压为10kV时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线21为2号FBG输出的光谱曲线，曲线20为1号FBG输出的光谱曲线；

图6为精密直流高压电源输出的电压为24kV时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线23为2号FBG输出的光谱曲线，曲线22为1号FBG输出的光谱曲线；

图7为精密直流高压电源输出不同电压时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1、2和3说明本实施方式，本实施方式所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，它包括FBG电压传感器、调压器10、精密直流高压电源11、精密电压计12、保护电阻R、电阻R₁、电阻R₂、光源13、信号隔离器14、耦合器15、光谱仪16和信号处理器17；

所述的FBG电压传感器包括导体半球1、1号FBG2、2号FBG3、固定块4、等应变梁5、高压电极6、绝缘装置7、接地电极8、调节螺栓9；

接地电极8和高压电极6镜像相对设置，且接地电极8和高压电极6之间的垂直距离d，d的范围为大于20mm且小于50mm，

接地电极8的引出端通过夹固器件与绝缘装置7固定连接，高压电极6的引出端与调节螺栓9螺纹连接，调节螺栓9通过夹固器件与绝缘装置7固定连接，

等应变梁5采用聚酯板实现，等应变梁5通过固定块4与绝缘装置7固定连接，且等应变梁5位于接地电极8和高压电极6之间，等应变梁5的两个侧面分别粘贴有1号FBG2和2号FBG3，且1号FBG2和2号FBG3镜像对称，

1号FBG2与高压电极6相对，且之间留有间隙，

2号FBG3与接地电极8相对，且之间留有间隙，

等应变梁5的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球1，该导体半球1为封闭的空心导体半球，且导体半球1与1号FBG2位于等应变梁5的同一侧，

调压器10的信号输出端与精密直流高压电源11的信号输入端连接，该精密直流高压电源11的电信号输出端与保护电阻R的一端连接，保护电阻R的另一端同时与电阻R₁的一端和高压电极6的引出端连接，电阻R₁的另一端与电阻R₂串联后连接精密直流高压电源11的电源地，精密电压计12的电压输出端并联有电阻R₂，接地电极8接精密直流高压电源11的电源地，

光源13输出的光依次经信号隔离器14和耦合器15后，分别入射至1号FBG2和2号FBG3，耦合器15先后接收1号FBG2和2号FBG3反射的光，并将该反射光送至光谱仪16，光谱仪16的信号输出端与信号处理器17的信号输入端连接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统的区别在于，所述的等应变梁5为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块4与绝缘装置7固定连接。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统的区别在于，所述的高压电极6的放电端面覆盖导体半球1和1号FBG2，接地电极8的放电端面覆盖2号FBG3。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统的区别在于，所述的高压电极6和接地电极8结构完全相同。

具体实施方式五：采用具体实施方式一所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系实现电压测量方法，该方法为，

首先，使调压器10、精密直流高压电源11、精密电压计12、光源13、信号隔离器14、耦合器15、光谱仪16和信号处理器17处于工作状态，

其次，通过光谱仪16测量，获得1号FBG2的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG3的中心波长漂移量△λ₂，根据公式一

△λ＝△λ₁-△λ₂

获得1号FBG2和2号FBG3中心波长漂移量差值△λ，

最后，根据公式二

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{27\mathrm{\π}(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{LR}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{Ebh}}^2{d}^2}\·U^2,$

计算获得精密直流高压电源11输出的电压U，

其中，λ_B为中心波长，P_e为有效弹光系数，ε为应变系数，L为等应变梁5的长度，R为导体半球1的半径，ε₀为空气的介电常数，E为杨氏模量，b为等应变梁固定端宽度，h为等应变梁厚度。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五所述的采用基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系实现电压测量方法的区别在于，所述的公式二是通过下述方法获得的，

步骤一：精密直流高压电源11输出的电压U施加在高压电极6和接地电极8上，在高压电极6和接地电极8之间形成了均匀电场，空心导体半球在静电力F的作用下，驱动等应变梁5受力产生变形，根据电动力学可得该静电力F的大小，如下述公式三所示

$F=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}{4}{R}^2{E}_0^2,$

其中，E₀为均匀电场的强度，

步骤二：高压电极6与接地电极8间距为d时，公式三表示为公式四

$F=\frac{9{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}^2{U}^2}{{4d}^2},$

步骤三：1号FBG2和2号FBG3的中心波长分别为λ₁和λ₂，1号FBG2和2号FBG3的应变系数分别为ε₁和ε₂，

当1号FBG2和2号FBG3的温度灵敏度系数ΔT和应变系数大小均一致时，设λ₁＝λ₂＝λ_B，同时，在等应变梁5在变形的过程中，有ε₁＝-ε₂＝ε，

不考虑温度与应变耦合相互作用，由温度和应变引起的1号FBG2的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG3的中心波长漂移量△λ₂分别为，

公式五：△λ₁＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

公式六：△λ₂＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

其中，α和ζ分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数，

步骤四：将公式五和公式六代入公式一中，获得公式七：

△λ＝△λ₁-△λ₂＝2λ_B(1-P_e)ε，

步骤五：根据弹性力学原理，等应变梁5的自由端受静电力F作用时，应变系数ε记为公式八，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L}{{\mathrm{Ebh}}^2}F,$

步骤六：将公式四、公式七和公式八代入到公式二中，完成对精密直流高压电源11输出的电压U的测量。

由本实施方式中，由于1号FBG2和2号FBG3对温度和应变同时敏感，式7可消除温度对传感器的影响，实现传感器的温度自补偿。

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基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系实现电压测量方法的区别在于，所述的λ_B是通过公式九获得的

λ_B＝2n_effΛ，

其中，Λ为光栅周期，n_eff是光栅波导的有效折射率。

Claims (7)

1.基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，其特征在于，它包括FBG电压传感器、调压器(10)、精密直流高压电源(11)、精密电压计(12)、保护电阻R、电阻R₁、电阻R₂、光源(13)、信号隔离器(14)、耦合器(15)、光谱仪(16)和信号处理器(17)；

所述的FBG电压传感器包括导体半球(1)、1号FBG(2)、2号FBG(3)、固定块(4)、等应变梁(5)、高压电极(6)、绝缘装置(7)、接地电极(8)、调节螺栓(9)；

接地电极(8)和高压电极(6)镜像相对设置，且接地电极(8)和高压电极(6)之间的垂直距离d，d的范围为大于20mm且小于50mm，

接地电极(8)的引出端通过夹固器件与绝缘装置(7)固定连接，高压电极(6)的引出端与调节螺栓(9)螺纹连接，调节螺栓(9)通过夹固器件与绝缘装置(7)固定连接，

等应变梁(5)采用聚酯板实现，等应变梁(5)通过固定块(4)与绝缘装置(7)固定连接，且等应变梁(5)位于接地电极(8)和高压电极(6)之间，等应变梁(5)的两个侧面分别粘贴有1号FBG(2)和2号FBG(3)，且1号FBG(2)和2号FBG(3)镜像对称，

1号FBG(2)与高压电极(6)相对，且之间留有间隙，

2号FBG(3)与接地电极(8)相对，且之间留有间隙，

等应变梁(5)的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球(1)，该导体半球(1)为封闭的空心导体半球，且导体半球(1)与1号FBG(2)位于等应变梁(5)的同一侧，

调压器(10)的信号输出端与精密直流高压电源(11)的信号输入端连接，该精密直流高压电源(11)的电信号输出端与保护电阻R的一端连接，保护电阻R的另一端同时与电阻R₁的一端和高压电极(6)的引出端连接，电阻R₁的另一端与电阻R₂串联后连接精密直流高压电源(11)的电源地，精密电压计(12)的电压输出端并联有电阻R₂，接地电极(8)接精密直流高压电源(11)的电源地，

光源(13)输出的光依次经信号隔离器(14)和耦合器(15)后，分别入射至1号FBG(2)和2号FBG(3)，耦合器(15)先后接收1号FBG(2)和2号FBG(3)反射的光，并将该反射光送至光谱仪(16)，光谱仪(16)的信号输出端与信号处理器(17)的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，其特征在于，所述的等应变梁(5)为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块(4)与绝缘装置(7)固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，其特征在于，所述的高压电极(6)的放电端面覆盖导体半球(1)和1号FBG(2)，接地电极(8)的放电端面覆盖2号FBG(3)。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统，其特征在于，所述的高压电极(6)和接地电极(8)结构完全相同。

5.采用权利要求1所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统实现电压测量的方法，其特征在于，该方法为，

首先，使调压器(10)、精密直流高压电源(11)、精密电压计(12)、光源(13)、信号隔离器(14)、耦合器(15)、光谱仪(16)和信号处理器(17)处于工作状态，

其次，通过光谱仪(16)测量，获得1号FBG(2)的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG(3)的中心波长漂移量△λ₂，根据公式一

△λ＝△λ₁-△λ₂，

获得1号FBG(2)和2号FBG(3)中心波长漂移量差值△λ，

最后，根据公式二

$\mathrm{\Δ}\mathrm{\λ}=\frac{27\mathrm{\π}(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{LR}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{Ebh}}^2{d}^2}\·U^2,$

计算获得精密直流高压电源(11)输出的电压U，

其中，λ_B为中心波长，P_e为有效弹光系数，L为等应变梁(5)的长度，R为导体半球(1)的半径，ε₀为空气的介电常数，E为杨氏模量，b为等应变梁固定端宽度，h为等应变梁厚度。

6.根据权利要求5所述的采用基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统实现电压测量的方法，其特征在于，根据公式二计算获得精密直流高压电源(11)输出的电压U的具体过程为：

步骤一：精密直流高压电源(11)输出的电压U施加在高压电极(6)和接地电极(8)上，在高压电极(6)和接地电极(8)之间形成了均匀电场，空心导体半球在静电力F的作用下，驱动等应变梁(5)受力产生变形，根据电动力学可得该静电力F的大小，如下述公式三所示

$F=\frac{9{\mathrm{\π\ϵ}}_0}{4}{R}^2{E}_0^2,$

其中，E₀为均匀电场的强度，

步骤二：高压电极(6)与接地电极(8)间距为d时，公式三表示为公式四

$F=\frac{9{\mathrm{\π\ϵ}}_0{R}^2{U}^2}{4d^2},$

步骤三：1号FBG(2)和2号FBG(3)的中心波长分别为λ₁和λ₂，1号FBG(2)和2号FBG(3)的应变系数分别为ε₁和ε₂，

当1号FBG(2)和2号FBG(3)的温度灵敏度系数ΔT和应变系数大小均一致时，设λ₁＝λ₂＝λ_B，同时，在等应变梁(5)在变形的过程中，有ε₁＝-ε₂＝ε，ε为应变系数，

由温度和应变引起的1号FBG(2)的中心波长漂移量△λ₁和2号FBG(3)的中心波长漂移量△λ₂分别为，

公式五：△λ₁＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

公式六：△λ₂＝{(α+ζ)△T+(1-P_e)ε}λ_B，

其中，α和ζ分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数，

步骤四：将公式五和公式六代入公式一中，获得公式七：

△λ＝△λ₁-△λ₂＝2λ_B(1-P_e)ε，

步骤五：根据弹性力学原理，等应变梁(5)的自由端受静电力F作用时，应变系数ε记为公式八：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L}{{\mathrm{Ebh}}^2}F,$

步骤六：将公式四、公式七和公式八代入到公式二中，完成对精密直流高压电源(11)输出的电压U的测量。

7.根据权利要求6所述的采用基于等应变梁的光纤Bragg光栅静电电压测量系统实现电压测量的方法，其特征在于，所述的λ_B是通过公式九获得的

λ_B＝2n_effΛ，

其中，Λ为光栅周期，n_eff是光栅波导的有效折射率。