CN105425312A - 基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，包括至少一个作为感应物的人体、一个能够提供电场辐射的高压设备、至少一个光纤电场传感器、至少一根传输光纤和一台激光解调仪；所述光纤电场传感器通过传输光纤与激光解调仪相连接；所述光纤电场传感器设置于人体与高压设备之间，且贴近高压设备一侧。当人体接近运作中的高压设备时，作为导电体的人体会干扰设备周围原有电场的分布，引起电场强度发生波动；通过分析激光解调仪输出的与电场强度相关的解调信号，可了解人体接近高压设备时的具体状况，包括相隔间距、移动速度等，实现对人体接近的传感。

Description

基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置

技术领域

本发明属于人体接近传感领域，尤其涉及一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置。

背景技术

在电力系统中，特别是大型高压设备如高压传输变压器，高压电缆等上的高压电对人体危害的事件时常发生，是一项值得关注的问题。如何防止人体高压触电事故的发生，也是一个迫切需要解决的研究课题。

在人体接近传感方面，传统的传感技术包括有：电磁波反射及吸收技术、电容感应技术、红外感应，超声波反射技术以及光电检测技术，此外还有采用数字图像处理等智能检测技术等。虽然这些人体接近传感技术在许多领域取得了很好的应用成果，但这些技术都是基于电或电子检测方式的，很难在电力系统行业中得到推广和应用。原因是：在大型高压设备附近，经常存在着非常强的工频交变电磁场以及由于频繁放电所产生的高强度，高频电磁波噪声。这些因素会严重干扰电子器件及设备的正常工作，使传统的人体接近传感装置的工作可靠性大大降低。

光纤传感技术是采用以光纤作为传感或传输媒介的激光测量技术，由于光纤不受上述强电磁场干扰的影响，在电力行业中，作为一种可替代传统检测方法的新类型传感技术，已经受到了人们的普遍关注和接受。在电力行业中，如果采用基于光纤电场传感技术实现人体高压设备接近的传感装置，能够很好地克服传统传感技术和装置所遇到的，由强电磁场干扰所带来的各种问题。进一步，由于光纤传感器为无电驱动类型，可长时间安全可靠地运行；通过光纤连接还可实现远距离，多支路安置，构成一个大规模传感网络，实现大面积范围的人体接近高压设备的实时监测。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明目的是提供一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，包括至少一个作为感应物的人体、一个能够提供电场辐射的高压设备、至少一个光纤电场传感器、至少一根传输光纤和一台激光解调仪；所述光纤电场传感器通过传输光纤与激光解调仪相连接；所述光纤电场传感器设置于人体与高压设备之间，且贴近高压设备一侧。

所述光纤电场传感器为无源的全光纤结构或晶体结构的电场传感器，能够感应高压设备附近的电场，并改变激光解调仪发送的探测激光光束中至少一种光参数的量值，其中光参数包括波长、相位、振幅和偏振态。

所述高压设备为能向周围辐射足够强的交流电场或直流静电场的工频交流高压设备或直流高压设备。

所述激光解调仪能够向光纤电场传感器发送探测激光光束，并在返回激光光束中解调出光参数所包含的传感信息，输出与电场强度相对应的解调信号，实现电场传感。

采用无电驱动的光纤电场传感器和激光解调仪，并将传感器安装在所需监视的高压设备附近对其周围电场实施长时间连续的监测。当人体接近该高压设备时，人体作为一个导电体会干扰高压设备周围附近的电场分布状态，引起局部电场强度发生变化。通过对电场强度变化的连续监测和对检测信号特征的分析，可获取人体接近高压设备时的各种具体信息，其中包括相隔间距、接近速度等，实现传感目的。

本发明的工作原理是：直立在地面上的人体可视为一个导电体，并具有与地面相同的电势，而高压设备可为一个电极。当人体接近高压设备时，其相隔间距会不断地减少，使高压设备与人体之间空间内的平均电场不断增强，并改变了原有电场的分布状态。人体越接近高压设备，电场强度就会变得越大。另一方面，当人体移动速度加快时，单位时间内电场强度的变化就会加大。因此，可根据所测电场强度的平均值大小以及其单位时间内增幅的大小，推算出人体与高压设备的相隔间距以及接近时的平均速度，并根据预先所设定好的安全距离判别标准，决定是否发出相应的危险警报。

在具体实际应用中，可预先对监测区域内的电场强度进行测量并记录，用于与随后的测量结果进行数值比较，并由此确定具体的安全阈值。另一方面，在具体实际应用中，可在高压设备附近不同地方安置多个光纤电场传感器，以提高探测灵敏度和扩大探知范围。在传感器配置方面，可采用多个单体式光纤电场传感器，或采用单根光纤串联式光纤电场传感器组合体，或同时采用单体式与串联式相组合的方式进行配置。在多传感器复用方面，可采用时分复用，或波分复用，或两者相结合的方式构建成一个传感网络，并通过中央数据处理装置对多路探测信号实施统一管理，实现对大面积区域内高压设备人体接近的实时监控管理。

与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点和显著的优点：

1、光纤电场传感器为无电驱动，不受各种强电磁场干扰的影响。

2、光纤电场传感器体积小安装方便；且安装位置不受距离的限制，可实现远程传感。

3、光纤电场传感器成本低，可靠性高，可长时期使用。

4、可在大面积范围内安置多个光纤电场传感器构成传感网络，从而扩展探测范围。

5、通过对电场检测信号的分析，可对人体接近高压设备时的相隔间距与接近速度进行估计。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明一实施例有关的当无人体接近高压设备时传感系统输出的解调信号的时域波形图。

图3为本发明一实施例有关的当有人体接近高压设备时传感系统输出的解调信号的时域波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，包括至少一个作为感应物的人体50、一个能够提供电场辐射的高压设备10、至少一个光纤电场传感器20、至少一根传输光纤30和一台激光解调仪40；所述光纤电场传感器20通过传输光纤30与激光解调仪40相连接；所述光纤电场传感器20设置于人体50与高压设备10之间，且贴近高压设备10一侧。

所述光纤电场传感器20为无源的全光纤结构或晶体结构的电场传感器，能够感应高压设备10附近的电场，并改变激光解调仪40发送的探测激光光束中至少一种光参数的量值，其中光参数包括波长、相位、振幅和偏振态。

所述高压设备10为能向周围辐射足够强的交流电场或直流静电场的工频交流高压设备或直流高压设备。

所述激光解调仪40能够向光纤电场传感器20发送探测激光光束，并在返回激光光束中解调出光参数所包含的传感信息，输出与电场强度相对应的解调信号，实现电场传感。

根据激光解调仪40输出的解调信号平均值的大小，可推断出人体50与高压设备10相隔间距；具体地，平均值越大代表人体50越接近高压设备10。根据激光解调仪40输出的解调信号平均值单位时间内增量的大小，可推断出人体50接近高压设备10时的运动速度；具体地，单位时间内平均值增量越大代表人体运动的速度就越快。所述光纤电场传感器20可根据监测需要，在高压设备10周围安置多个光纤电场传感器20，并通过各自的传输光纤30与激光解调仪40相连，并由激光解调仪40输出对应于各个光纤电场传感器20的传感信号。

在本实施例中，采用了一块50厘米平方大小的平板电极并施加工频50赫兹4000伏特的交流电来模拟高压设备10。光纤电场传感器20则采用了中国专利102621403B“一种光纤工频电场传感器”中所述的双光纤光栅F-P谐振腔类型的单体式光纤工频电场传感器，并安装在平板电极前方相距5厘米处，位于人体高度中间并与平板电极相平行。光纤工频电场传感器20通过一根长度为100米的单模传输光纤30与一台激光解调仪40相连接；激光解调仪40向光纤工频电场传感器20发送波长为1552.3nm的连续激光光束，并从返回激光光束中解调出与交变电场相关联的光相位信号，输出与电场强度相对应的解调信号电压，实现对工频交变电场的传感。激光解调仪40输出的解调信号接入到一台数字示波器中，进行波形的显示与记录。

如图2所示，是本发明实施例当无人体接近高压设备时传感系统输出的解调信号的时域波形图。具体地，在光纤工频电场传感器20周围半径5米区域内无人时，激光解调仪40输出的解调信号电压表示电场强度在5秒内的波动，图中虚直线表示每秒内解调信号电压的平均值，如图2所示，在5秒时间间隔内其值并无大的波动。

如图3所示，是本发明实施例当有人体接近高压设备时传感系统输出的解调信号的时域波形图。具体地，一个人体50最初与平板电极相隔为3米，并以平均每秒0.6米的速度迈步接近平板电极。此时激光解调仪40输出的解调信号表示的是电场强度在5秒内的波动，图中虚直线也表示每秒内解调信号电压的平均值，如图3所示，在5秒时间间隔内其值随着人体接近高压设备呈现出不断增加的趋势。

本发明所述的光纤电场传感器不限于实施所采用的光纤工频电场传感器，凡是能检测高压设备附近电场，包括工频交流电场或直流静电场的任何类型的光纤电场传感器均可以实现本方面目的。

Claims (4)

1.一种基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，其特征在于：包括至少一个作为感应物的人体（50）、一个能够提供电场辐射的高压设备（10）、至少一个光纤电场传感器（20）、至少一根传输光纤（30）和一台激光解调仪（40）；所述光纤电场传感器（20）通过传输光纤（30）与激光解调仪（40）相连接；所述光纤电场传感器（20）设置于人体（50）与高压设备（10）之间，且贴近高压设备（10）一侧。

2.根据权利要求1所述的基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，其特征在于：所述光纤电场传感器（20）为无源的全光纤结构或晶体结构的电场传感器，能够感应高压设备（10）附近的电场，并改变激光解调仪（40）发送的探测激光光束中至少一种光参数的量值，其中光参数包括波长、相位、振幅和偏振态。

3.根据权利要求1所述的基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，其特征在于：所述高压设备（10）为能向周围辐射足够强的交流电场或直流静电场的工频交流高压设备或直流高压设备。

4.根据权利要求1所述的基于光纤电场传感技术的人体接近高压设备传感装置，其特征在于：所述激光解调仪（40）能够向光纤电场传感器（20）发送探测激光光束，并在返回激光光束中解调出光参数所包含的传感信息，输出与电场强度相对应的解调信号，实现电场传感。