CN104049124B - 基于非垂直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非垂直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平行方式固定两根光纤光栅，最后通过检测两根光纤光栅应变差的变化，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

基于非垂直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方法及装置，具体是一种基于转臂式光纤光栅及压电材料的面向高压电场的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，提出一种基于非垂直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：

本发明涉及一种基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量方法，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平行方式固定两根光纤光栅，最后通过检测两根光纤光栅的光谱的变化，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。

所述的相平行包括：两根光纤光栅分别设置于复合压电材料的两侧，贴合于复合压电材料的表面或与复合压电材料不相接触。

本发明涉及实现上述方法的电场解调系统，包括：贴合式或悬臂式的电场感应装置、依次通过光纤串联的宽带光源、两个串联或并联的光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：电场感应装置包括复合压电材料以及与之相平行的两根光纤光栅，两个环形器分别与电场感应装置中的两个光纤光栅的一端相连。

所述的悬臂式电场感应装置是指：两根光纤光栅通过支架平行设置于复合压电材料的两侧且不相接触。

所述的贴合式电场感应装置是指：两根光纤光栅直接平行贴合于复合压电材料的两个表面。

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。

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为贴合式电场感应装置示意图；

图2为悬臂式电场感应装置示意图；

图3为检测电场时，复合压电材料形变简图；

图4为复合压电材料弯曲带动悬臂发生位移的示意图；

图5为电场解调系统示意图；

图中：1第一压电材料、2第二压电材料、3第一光纤光栅、4第二光纤光栅、5支架、6宽带光源、7第一环形器、8第二环形器、9光电探测器、10光纤。

图6为图5装置中光纤光栅的光谱示意图；

图中：a为反射率与两个光纤光栅光谱关系的示意图；b为计算光纤光栅总反射率与光纤光栅中心波长差的理论模型示意图，可见当两个光纤光栅的中心波长差改变时，总反射率也随之改变；c为验证实验中所采用的一个光纤光栅的实测光谱。

图7为实施例中另一种解调系统示意图。

图8为实施例效果示意图，图中：横轴是电场强度，单位是千伏/米，纵轴是探测光功率，单位是微瓦。

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1、图2和图5所示，本实施例电场解调系统包括：电场感应装置、依次通过光纤10串联的宽带光源6、两个串联的二环形器7、8以及光电探测器9，其中：电场感应装置包括复合压电材料1/2以及与之相平行的两根光纤光栅3、4，两个环形器7、8分别与电场感应装置中的两个光纤光栅3、4的一端相连。

如图1所示，贴合式电场感应装置中的两根光纤光栅直接平行贴合于复合压电材料的上下表面，或者如图2所示，为悬臂式电场感应装置，其中的两根光纤光栅3、4通过支架5平行设置于复合压电材料1或2的两侧且不相接触。

当采用两种相同的压电材料，或者不同的压电材料，即带状压电陶瓷1和2，且压电陶瓷1和2具有较大的压电系数，则两者的放置方向必须相反且最大压电系数方向与待测电场方向一致，沿着压电陶瓷材料1、2的厚度方向。在外加电场作用下，两块压电陶瓷1、2分别会伸长和缩短，使得压电陶瓷粘合体发生弯曲，并带动两个光纤光栅发生形变，通过检测光纤光栅的光谱变化就可以获得待测电场的信息。

如图3和图4所示，本实施例中压电陶瓷1和2反向设置，使得两片压电陶瓷一片伸长一片压缩，形成弯曲的效果，图中：d为压电陶瓷厚度，R为曲率半径，θ为圆心角，L为压电陶瓷长度，Δ为单个压电陶瓷伸缩量且θd=Δ，则有如下关系式：

$\left\{\begin{array}{c}(R+d)\mathrm{\θ}=L\\ (R+1.5d)\mathrm{\θ}-(R+0.5d)\mathrm{\θ}=\mathrm{\Δ}\end{array}\right..$

因为两块压电陶瓷上下两面伸长差即光纤光栅伸长差Δ=(R+2d)θ-Rθ＝2θd＝2Δ，即形变为2倍的单个压电陶瓷伸缩量。

如图4所示，有总形变差Δ＝2(Δ₁+Δ₂)；总应变差其中：L_z为支架长度，L_t为陶瓷长度；对应的光纤光栅中心波长差基于θd＝Δ＝d₃₁U，则有而Δ_B＝(1‐P)L_zd₃₁U_B/(dL_t)。

对图4所示结构，当压电材料长度L等于悬臂的总长度(L₁+L₂)时，每增加1000V/m电场时，且取光纤光栅的中心波长为1550nm时，Δλ_B＝2.2×10^-13m。

本实施例采用如图5所示的精密测量装置进行检测时，宽带光源6发出的光依次经过第一环形器7、第一光纤光栅3、第二环形器8、第二光纤光栅4，进入光电探测器9。

如图6所示，为采用悬臂式电场感应装置得到的实验测量结果。图中横轴是电场强度，纵轴是光电探测器上的功率。

如图6中a所示，当给电场感应装置施加1000V/m电场时，功率的变化大约在0.02微瓦，变化比例约为0.02/17.8＝1.1×10^-3，在光谱仪上显示的光谱图，功率对应的是其面积，为方便计算，把光谱图形近似为一个三角形，如图6中b所示。

假设x的初始位置为光谱宽度的一半，假设光谱宽度为w，近似三角形为等腰三角形，底角设为α.求出图5‐4阴影部分的面积两端微分得：两式相除：得出结论：面积的变化比与x的变化比是线性关系。并且面积变化比与功率变化比相等，因此当取1000V/m的变化值，ΔS＝0.02，S＝17.8，由光栅中心波长差计算知Δx，然后即近似认为理论与测得的值吻合。

该实验结果验证了本实施例所提出的光电探测器的性能；并且通过增大支架的旋臂长度的方式可以进一步增大放大倍数。

如图7所示，为另一种结构的电场解调系统，包括：电场感应装置、依次通过光纤10串联的宽带光源6、两个并联的二环形器7、8以及光电探测器9，并联的环形器7、8的两侧各设有一个耦合器11，其中：两个环形器7、8分别与电场感应装置中的两个光纤光栅3、4的一端相连。

m本实施例利用了压电材料在电场作用下会沿着电场方向发生形变，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)

1.一种基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量系统，其特征在于，包括：贴合式或悬臂式的电场感应装置、依次通过光纤串联的宽带光源、光电探测器、两个依次串联的环形器或两个并联的环形器，其中：并联的环形器的两侧各设有一个耦合器，电场感应装置包括复合压电材料以及与之相平行的两根光纤光栅，两个环形器分别与电场感应装置中的两个光纤光栅的一端相连；所述的精确测量，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平行方式固定两根光纤光栅，最后通过检测两根光纤光栅中心波长差的变化，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所述的高压电场精确测量系统，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所述的高压电场精确测量系统，其特征是，所述的复合压电材料中：两条压电材料为相同材料但是具有不同方向，或两种不同的材料，或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或3所述的高压电场精确测量系统，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所述的高压电场精确测量系统，其特征是，所述的平行包括：两根光纤光栅分别设置于复合压电材料的两侧，贴合于复合压电材料的表面或与复合压电材料不相接触。

6.根据权利要求1所述的高压电场精确测量系统，其特征是，所述的悬臂式电场感应装置是指：两根光纤光栅通过支架平行设置于复合压电材料的两侧且不相接触。

7.根据权利要求1所述的高压电场精确测量系统，其特征是，所述的贴合式电场感应装置是指：两根光纤光栅直接平行贴合于复合压电材料的上下表面。

8.根据权利要求1所述的高压电场精确测量系统，其特征是，每加1000V/m电场时，所述光纤光栅中心波长差Δλ_B＝4.4×10^-13m。