CN106841748B - 基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，包括宽带激光光源、电压传感器参考单元、电压传感器传感单元、传输光纤、光电探测器和末端信号显示处理系统；激光通过传输光纤将光信号送入电压传感器参考单元的输入端，电压传感器参考单元的输入端与电压传感器传感单元连接；电压传感器传感单元上设置有外加电压；电压传感器传感单元输出携带待测电压信号信息的光强信号；所述光强信号输入到光电探测器中；光电探测器将输出的光强信号转换为电压信号，电压信号通过末端信号显示处理系统生成所测外加电压数值。本发明提供的电压测量系统及方法，具有无源性，抗电磁干扰能力强、响应频带较宽、工频响应好的特点。

Description

基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电力检测技术领域，特别是一种基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法。

背景技术

电网电压实时测量对于系统保护、线路故障监测和测量具有重要的意义。电网常用的PT有重量大、频带窄、体积大等缺点。这种设备质量偏大且体积庞大，当不能获取实时的监测数据和运行状态掌控时，一旦发生故障，有爆炸的风险，倘若发生事故，会威胁或破坏到周围的设备和工作人员的安全。新型的以光电晶体为基础的光学电压测量系统中，由于电光晶体所固有的双折射效应，在环境温度变化时容易引起工作点的漂移，目前的温度补偿措施还不足以消除此工作点漂移给传感器带来的测量精度的影响。因此，研究能够适用于宽温区和较宽频段的电压传感器对电网的控制和运行尤为重要。

因此，需要一种基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统；本发明的目的之二是提出一种基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，包括宽带激光光源、电压传感器参考单元、电压传感器传感单元、传输光纤、光电探测器和末端信号显示处理系统；

所述宽带激光光源输出激光，所述激光通过传输光纤将光信号送入电压传感器参考单元的输入端，所述电压传感器参考单元的输出端与电压传感器传感单元连接；所述电压传感器传感单元上设置有外加电压；所述电压传感器传感单元输出携带待测电压信号信息的光强信号；所述光强信号输入到光电探测器中；所述光电探测器将输出的光强信号转换为电压信号，所述电压信号通过末端信号显示处理系统生成所测外加电压数值。

进一步，所述电压传感器参考单元包括第一光环形器、第一光栅和第一压电陶瓷；所述电压传感器传感单元包括第二光环形器、第二光栅和第二压电陶瓷；

所述第一光栅设置于第一压电陶瓷上；所述第一光环形器的一端通过光纤与宽带激光光源的输出端连接；所述第一光环形器的另一端与第一光栅连接；

所述第二光栅设置于第二压电陶瓷上；所述第二光环形器的一端与所述第一光环形器的一端连接；所述第二光环形器的另一端与第二光栅连接；

所述第二光环形器的光输出端与光电探测器的光输入端连接；所述第二压电陶瓷上施加预设电压值；

所述第一光环形器和第二光环形器分别与光电探测器连接。

进一步，所述第一光栅或第二光栅为反射型布拉格光栅。

进一步，所述第一压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层；第二压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。

进一步，所述光电探测器得到电压传感器传感单元输出的光强信号，所述光强信号公式如下：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为第一光栅的反射率，F2(λ)为第二光栅的反射率。

进一步，所述末端信号显示处理系统按照以下公式获得电场强度：

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至电压传感器的输入端；

2)激光光束在电压传感器中经过两次反射，输出携带待测电压信号信息的光强信号通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)末端信号显示处理系统通过电压信号获得待测电压强度。

进一步，所述步骤3)中，所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

进一步，所述步骤4)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

本发明提供的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统及方法，具有无源性，抗电磁干扰能力强、响应频带较宽、工频响应好的特点。所述宽带激光光源输出一定波长范围内的激光，通过传输光纤将光信号送入传感器输入端，输出光强在外加电压作用下发生变化，光电探测器将输出光强信号转换为电压信号，通过末端信号显示处理系统，获得所测外加电压数值。

1.具有不需要使用昂贵解调仪器(如光谱仪)等设备，响应频带远超出光谱仪等传统光栅解调设备可解调的范围，在50Hz-20kHz内均可进行有效的电压响应，且响应速度快的特点，适合用于工程电压测量。

2.采用光纤进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。传感器具有较强的抗电磁干扰能力，可适用于电磁环境较为复杂的场合。

3.通过优化传感器结构设计，同时使用压电系数较大的压电陶瓷与光纤光栅配套使用，可以获得较高灵敏度而尺寸较小的传感器(传感器中单个压电陶瓷外径20mm，内径15mm，厚度10mm)，对被测环境的影响很小。

4.传感器的尺寸小，测量频段较宽，传输测量信号均通过光纤完成，可实现远距离测量。通过实验室对正弦波、三角波、方波的基本测试，可与分压器一同用于电网电压测试。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下。

图1示出了电压测量系统的结构示意图。

图中：1为宽带激光光源、2为传输光纤、3为电压传感器、4为光电探测器、5为信号显示处理系统；01为第一光环形器、GA为第一光栅、PA为第一压电陶瓷，02为第二光环形器、GB为第二光栅、PB为第二压电陶瓷。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图所示，本实施例提供的电压测量系统，包括宽带激光光源、电压传感器、传输光纤、光电探测器和末端信号显示处理系统，所述宽带激光光源输出一定波长范围内的激光，通过传输光纤将光信号送入传感器输入端，输出光强在外加电压作用下发生变化，光电探测器将输出光强信号转换为电压信号，通过末端信号显示处理系统，获得所测外加电压数值。

所述电压传感器包括沿光路依次设置的光环形器01、光栅GA与压电陶瓷PA，光环形器02、光栅GB与压电陶瓷PB。所述光栅均与相应压电陶瓷直接粘接，在压电陶瓷2上施加电压，所述光环形器01的光输入端通过光纤与宽带激光光源的光输出端连接，所述光环形器02的光输出端与光电探测器的光输入端连接。所述光栅为反射型布拉格光栅。所述压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅1的反射率，F2(λ)为光栅2的反射率。

末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至电压传感器的输入端；

2)激光光束在电压传感器中经过两次反射，输出携带待测电压信号信息的光强信号通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)末端信号显示处理系统通过电压信号获得待测电压强度。

所述步骤3)中，光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

所述步骤4)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

实施例2

参见图1，本实施例的电压测量系统包括宽带激光光源1、传输光纤2、电压传感器3、光电探测器4和信号显示处理系统5，所述宽带激光光源1输出一定波长范围内的激光，通过传输光纤2将光信号送入传感器3输入端，输出光强在外加电压作用下发生变化并输入光电探测器4，光电探测器4将输出光强信号转换为电压信号，通过末端信号显示处理系统5，获得所测外加电压数值。

所述电压传感器包括沿光路依次设置的第一光环形器01、第一光栅GA与第一压电陶瓷PA，第二光环形器02、第二光栅GB与第二压电陶瓷PB。所述光栅均与相应压电陶瓷直接粘接，所述光环形器01的光输入端通过光纤与宽带激光光源的光输出端连接，所述第二光环形器02的光输出端与光电探测器的光输入端连接。

宽带激光光源发出的光通过光纤传至第一光环行器01之后进入第一光栅GA，第一光栅反射对应于其中心波长的光，通过第一光环行器01重新进入第二光环行器02。其后，光进入第二光栅GB，与第二光栅GB相连接的第二压电陶瓷接受外加电压产生形变，进而引起第二光栅GB发生形变并产生中心波长的变化，从而使得输出光强发生变化。输出光强进入光电探测器，光电探测器将其转化为能够用示波器直接观测的电压信号。

所述光栅为布拉格反射型光栅，不同组分的压电陶瓷具有不同的压电系数，选择适当压电系数的压电陶瓷可以保证传感器有较好的测量精度。

所述压电陶瓷的两侧需镀有电极，本例中电极为银电极。

所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

上式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

本发明还提供一种上述高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤输送至电压传感器的输入端；

2)输出光强在外加电压作用下发生变化，通过传输光纤将传感器输出信号输入光电探测器，光电探测器将输出光强信号转换为电压信号；

3)所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

4)末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，ΔU为待测电压，其余数值均可通过光栅、压电陶瓷、宽带激光光源制造厂商获得。

通过任意函数发生器和高压放大器加载电压测试，该系统和方法，实际测量和拟合结果，工频下的测试结果线性拟合度达0.99，输出电压信号正弦波与输入信号正弦波在50Hz-20kHz均有较好的相符度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (6)

1.基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：包括宽带激光光源、电压传感器参考单元、电压传感器传感单元、传输光纤、光电探测器和末端信号显示处理系统；

所述宽带激光光源输出激光，所述激光通过传输光纤将光信号送入电压传感器参考单元的输入端；所述电压传感器参考单元的输出端与电压传感器传感单元连接；所述电压传感器传感单元上设置有外加电压；所述电压传感器传感单元输出携带待测电压信号信息的光强信号；所述光强信号输入到光电探测器中；所述光电探测器将输出的光强信号转换为电压信号，所述电压信号通过末端信号显示处理系统生成所测外加电压数值；

所述电压传感器参考单元包括第一光环形器、第一光栅和第一压电陶瓷；所述电压传感器传感单元包括第二光环形器、第二光栅和第二压电陶瓷；

所述第一光栅设置于第一压电陶瓷上；所述第一光环形器的一端通过光纤与宽带激光光源的输出端连接；所述第一光环形器的另一端与第一光栅连接；

所述第二光栅设置于第二压电陶瓷上；所述第二光环形器的一端与所述第一光环形器的一端连接；所述第二光环形器的另一端与第二光栅连接；

所述第二光环形器的光输出端与光电探测器的光输入端连接；所述第二压电陶瓷上施加待测电压值；

所述第二光环形器与光电探测器连接；

所述光电探测器得到电压传感器传感单元输出的光强信号，所述光强信号公式如下：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为第一光栅的反射率，F2(λ)为第二光栅的反射率。

2.如权利要求1所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述第一光栅或第二光栅为反射型布拉格光栅。

3.如权利要求1所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述第一压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层；第二压电陶瓷的两侧镀有作为电压输入端口的银电极层。

4.如权利要求1所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量系统，其特征在于：所述末端信号显示处理系统按照以下公式获得电场强度：

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。

5.基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)宽带激光光源输出激光，通过传输光纤输送至电压传感器的输入端；

2)激光光束在电压传感器中经过两次反射，输出携带待测电压信号信息的光强信号通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)末端信号显示处理系统通过电压信号获得待测电压强度；

所述步骤3)中，所述光电探测器将获得传感器输出的如下光强信号：

式中，k是光经过光栅反射后其光强的损失比率，积分范围下限aa和上限bb由宽带光源所入射的激光波长范围确定，S(λB)为宽带光源的出射频谱，F1(λ)为光栅GA的反射率，F2(λ)为光栅GB的反射率。

6.如权利要求5所述的基于逆压电效应和光纤光栅的全光路电压测量方法，其特征在于：所述步骤4)中，末端信号显示处理系统通过下式获得电场强度：

式中，M_PD表示传感器输出光强；I_peak表示宽带激光光源的峰值功率；λ_B表示宽带激光光源的波长；λ₀表示宽带光源的中心波长；R₀表示光纤光栅的最大反射率；Δλ₀表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；Δλ₁表示第一光纤光栅GA的半峰值全脉宽(FWHM)；Δλ₂表示第二光纤光栅GB的半峰值全脉宽；λ₁表示第一光纤光栅GA的中心波长；ΔU为待测电压。