CN104020360B - 基于支架式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种光电测量技术领域的基于支架式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置，通过将两条相互贴合制成的复合压电材料置于电场中，且压电材料的厚度方向与待测电场方向一致，然后通过以与复合压电材料相垂直的方式固定两根光纤光栅，且光纤光栅与复合压电材料为点接触，最后通过检测两根光纤光栅的长度变化，计算得到由电场导致的复合压电材料的形变差，并进而获得精确的电场强度和方向。本发明解决了传统光学电场传感器结构复杂，光路调整困难，光学元件分散不易组装和携带等困难，简化了加工工艺，降低了成本，提高了测量精度。

Description

基于支架式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置

技术领域

本发明涉及的是一种光电测量技术领域的装置，具体是一种基于支架式光纤光栅及压电材料的面向高压电场精确测量方法及装置。

背景技术

传统的电学传感器的传感探头是基于电子器件制成的，在测量高压电场时，存在击穿触电的风险，而且，传感器中导体的存在也对被测电场产生影响，改变了原有电场的分布。基于光学效应的电场传感器由于在传感探头部分不包含任何导体，从而避免了上述问题。光学电场传感器的报道多数基于电光材料波克尔斯效应或克尔效应的强度调制，如杨晓春，阎永志，《光纤电场传感器温克尔斯元件的理论分析与设计》，压电与声光，1986.4，第二期，p.p13‐18，这种传感器主要由准直透镜，起偏器，1/4波片，电光晶体，检偏器和耦合透镜组成。其过程为：LED发出的光经光纤传送到电场传感器，由准直透镜耦合入起偏器，再由1/4波片产生π/2的相移，然后进入电光晶体，在电场的作用下，光发生双折射，即电光效应，双折射两光束之间的位相差与所施加的电场强度成正比，然后由检偏器检偏，其输出光的光强度与被测电场强度成正比，最后由耦合透镜将光耦合入光纤传送到远方进行光电转换和信号处理。传感器的各光学元件一般是在平面基底材料上粘接成一体。这种结构存在明显的缺点，如结构不稳定，光学元件易产生位移，耦合效率低，调整困难等，因此这种结构的传感器稳定性和可靠性不高。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN10316387A，公开了一种基于电光效应的光纤电场传感器，包括有机玻璃下基体和有机玻璃上基体，有机玻璃下基体上设有凹槽，光学元件固定粘贴在凹槽内，有机玻璃下基体和有机玻璃上基体粘贴成一体。中国专利文献号CN1419129A公开了一种光电测量器件，基于电光效应对电场进行测量，包括在光路上顺序放置的准直透镜、起偏器、λ/4波片、电光晶体、检偏器和耦合透镜，各光学元件嵌于有机玻璃基体上、有机玻璃基体具有与嵌入的光学元件形状和顺序相匹配的凹槽，光学元件之间以及光学元件和有机玻璃基体用光学胶粘接。

但上述技术所采用的分离元件多、加工工艺复杂、成本高、生产效益低，而且不能小型化，不利于携带和调试，难以满足现有技术的需要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于支架式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置，解决了传统光学电场传感器结构复杂，光路调整困难，光学元件分散不易组装和携带等困难，简化了加工工艺，降低了成本，提高了测量精度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种高压电场的精确测量方法，通过将两条相互贴合制成的复合压电材料置于电场中，且压电材料的厚度方向与待测电场方向一致，然后通过以与复合压电材料相垂直的方式固定两根光纤光栅，且光纤光栅与复合压电材料为点接触，最后通过检测两根光纤光栅的长度变化，计算得到由电场导致的复合压电材料的形变差，并进而获得精确的电场强度和方向。

所述的复合压电材料的厚度方向是指：垂直于压电材料贴合面的方向；选择压电材料的放置方向使得当外加电场方向沿着此厚度方向时，压电材料具有最大的变形系数。

所述的复合压电材料中：两条压电材料可以是相同材料但是具有不同方向、两种不同的材料，或者是一个具有压电系数而另一个不具备压电特性，优选为两条压电材料具有相同的结构参数，即两条压电材料具有相同的长度、宽度和厚度相同参数，而在贴合时其极性方向相反，即在沿厚度方向外电场作用下，两条压电材料的伸缩趋势相反。

本发明涉及实现上述方法的高压电场解调系统，包括：电场感应装置、依次通过光纤串联的宽带光源、两个并联或串联的环形器以及光电探测器，并联的环形器的两侧各设有一个耦合器，其中：电场感应装置由支架、复合压电材料以及与之相垂直的两根光纤光栅组成，两个环形器分别与对应的光纤光栅相连。

所述的电场感应装置中：C字形结构的支架以及垂直设置于支架中部的复合压电材料，第一光纤光栅固定于复合压电材料和支架的一个端脚之间，第二光纤光栅固定于复合材料和支架的另一个端脚之间，两根光纤光栅的一端各自与所述环形器相连。

所述的光纤光栅与环行器之间的连接为光路连接；光纤光栅分别与支架和复合压电材料之间的连接为机械固定连接。

所述的光纤光栅的反射谱部分重叠。

技术效果

与现有技术相比，本发明的技术效果包括：

1.抗干扰，器件完全是光路元件，没有电气元件，能准确地测量实际电场，没有高压击穿和触电的危险。

2.全光纤设计，不需要光路准直元件，结构简单，小巧，易于操作和携带。

3.利用光纤光栅的波长变化来测量，大大提高了测量精度。

附图说明

图1为实施例中电场感应装置示意图；

图2为图1所示的电场感应装置在探测到电场存在时的示意图；

图3为图2中电场感应装置的简化示意图；

图4为实施例中解调系统示意图；

图中：1第一光纤光栅、2第二光纤光栅、3复合压电材料、4支架、5宽带光源、6、7光纤、8第一环形器、9第二环形器、10耦合器、11光电探测器。

图5为实施例中反射率与两个光纤光栅光谱关系的示意图；

图中：a为反射率与两个光纤光栅光谱关系；b为在外加电场作用下，光纤光栅中心波长差增加，使得总反射率随之增加的示意图；

图6为实施例中另一种解调系统示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图4和图1所示，本实施例通过将压电材料的变形经过机械放大后再施加到光纤光栅上，该装置包括：电场感应装置1、2、3、4、依次通过光纤串联的宽带光源5、两个并联的环形器8、9以及光电探测器11，并联的环形器8、9的两侧各设有一个耦合器10，其中：电场感应装置由支架4、复合压电材料3以及与之相垂直的两根光纤光栅1、2组成，第一和第二环形器8、9分别与对应的第一和第二光纤光栅1、2相连。

如图1所示，所述的电场感应装置中：C字形结构的支架4以及垂直设置于支架中部的复合压电材料3，第一光纤光栅1固定于复合压电材料3和支架4的一个端脚之间，第二光纤光栅2固定于复合材料3和支架4的另一个端脚之间，两根光纤光栅1、2的一端各自与所述环形器8、9相连。

本实施例中的光纤光栅采用光纤布拉格光栅，两根光纤布拉格光栅的反射谱部分重叠。

如图2所示，当感测到电场时，压电材料复合体发生弯曲形变，使得两条光纤光栅分别被拉伸和压缩，即产生应变差。

如图2和3所示，压电结构体在外加电场作用下弯曲的曲率半径取决于电场的强度，可知压电结构体的长度越大，光纤光栅的固定端距离越小，则应变的放大倍数越大。两条厚度为d的压电陶瓷的形变放大示意图(左)及其简化图(右)，图中： $\left\{\begin{array}{c}(R+d)\mathrm{\θ}=L\\ (R+1.5d)\mathrm{\θ}-(R+0.5d)\mathrm{\θ}={\mathrm{\Δ}}^{\′}\end{array}\right.$ 其中：L为压电陶瓷长度，Δ为单个压电陶瓷伸缩量，d为压电陶瓷厚度，R为形变后的曲率半径，θ为形变后两块压电陶瓷组成圆弧的圆心角，θd＝Δ。

如图4所示，本装置通过以下方式进行电场的精密测量：当宽带光源5发出的光依次经过第一环形器9、两根光纤光栅1、2、第二环形器9进入光电探测器11，光电探测器11测量到的是两根光纤光栅1、2反射功率之和。

当有应变差为： $\mathrm{\Δ\ϵ}=2\frac{s}{W}=\frac{\mathrm{L\θ}}{W},$ 其中： $s=R-R\cos \mathrm{\θ}=2R{\left(\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}^2\≈R\frac{{\mathrm{\θ}}^2}{2}\≈\mathrm{L\θ}/2,$ 根据上述模型可见：调整W(压电材料和支架之间的距离)大小可以改变应变差的大小，即实现对灵敏度的调整，如图2中w’和w″分别为发生变形后压电材料和支架之间的距离，如图5所示。

对应的光纤光栅中心波长差因为有θd＝Δ＝d₃₁U，d₃₁为压电材料的压电系数，因此θ＝d₃₁U/d，并且Δλ_B＝(1‐P)Ld₃₁Uλ_B//dW)。

故在加1000V/m的电场且L＝2w时：Δλ_B＝4.4×10^-13m。

如图6所示，为另一种串联结构的解调系统，包括：电场感应装置1、2、3、4、依次通过光纤串联的宽带光源5、两个串联的环形器8、9以及光电探测器11，其中：第一和第二环形器8、9分别与对应的第一和第二光纤光栅1、2相连。

本实施例利用了压电材料在电场作用下会发生形变，并且形变量的大小在一定范围内正比于外加电场在压电材料厚度方向分量的强度的特点。利用光纤技术测量压电材料的形变量，可以实现对电场的大小与方向的测量。这种电场传感器探头部分不包含任何导体材料，因此不会造成对待测电场的干扰，在测量高压电场时没有触电和击穿的危险，并且具有体积小、成本低、结构紧凑、易于安装和调整等优点。

Claims (8)

1.一种实现高压电场的精确测量的高压电场解调系统，其特征在于，包括：电场感应装置、依次通过光纤串联的宽带光源、两个并联的环形器或依次串联的环形器、光电探测器，其中：并联的环形器的两侧各设有一个耦合器，电场感应装置由支架、复合压电材料以及与之相垂直的两根光纤光栅组成，两个环形器分别与对应的光纤光栅相连；

所述的精确测量是指：通过将两条相互贴合制成的复合压电材料置于电场中，且压电材料的厚度方向与待测电场方向一致，然后通过以与复合压电材料相垂直的方式固定两根光纤光栅，且光纤光栅与复合压电材料为点接触，最后通过检测两根光纤光栅的长度变化，计算得到由电场导致的复合压电材料的形变差，并进而获得精确的电场强度和方向。

2.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的复合压电材料的厚度方向是指：垂直于压电材料贴合面的方向；选择压电材料的放置方向使得当外加电场方向沿着此厚度方向时，压电材料具有最大的变形系数。

3.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的复合压电材料中：两条压电材料是相同材料但是具有不同方向，或者是两种不同的材料，或者是一个具有压电系数而另一个不具备压电特性。

4.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的复合压电材料中：两条压电材料具有相同的结构参数，即两条压电材料具有相同的长度、宽度和厚度相同参数，而在贴合时其极性方向相反，即在沿厚度方向外电场作用下，两条压电材料的伸缩趋势相反。

5.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的电场感应装置中：C字形结构的支架以及垂直设置于支架中部的复合压电材料，第一光纤光栅固定于复合压电材料和支架的一个端脚之间，第二光纤光栅固定于复合材料和支架的另一个端脚之间，两根光纤光栅的一端各自与所述环形器相连。

6.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的光纤光栅与环行器之间的连接为光路连接；光纤光栅分别与支架和复合压电材料之间的连接为机械固定连接。

7.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，所述的光纤光栅的反射谱部分重叠。

8.根据权利要求1所述的高压电场解调系统，其特征是，当压电材料长度L为压电材料和支架之间的距离w的两倍时，每增加1000V/m电场时，光纤光栅中心波长差Δλ_B＝4.4×10^-13m。