CN109342807B - 一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电压测量领域，具体涉及一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度；本发明由计算机完成锁相数据处理，最终求解得出待测电压，进而进行存储和显示，本发明测量灵敏度和精度较高，无运动部件，成本较低，利于工业自动化集成。

Description

一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法

技术领域

本发明涉及电压测量领域，更具体而言，涉及一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法。

背景技术

电压测量不仅是电子电路测量的一个重要内容，而且是许多电参量测量的基础。尤其，电压测量在电力系统中具有十分重要的意义，以电压传感器为主的电压传感设备感知被测电压并转换成可用输出信号，在各种自动检测、控制系统中发挥着巨大的应用价值。随着越来越多新技术的发展，电压传感器也得到了长足发展，并被广泛应用。电压传感器能够自动检测电压，进而使我们对电力设备或系统的电压进行显示，并进一步进行控制，必要时采取过电压、欠电压等自动保护措施。

常用的电压传感器根据其不同的工作机理和应用范围大致可以分为：电压互感器、霍尔电压传感器以及光电压传感器等几种主要类型。电压互感器与变压器类似，按照一次绕组与二次绕组的比例将输电线路上的高电压降低到可以用仪表直接测量的低电压。电压互感器是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少设备。但电压互感器需要进行电气隔离，近年来，随着电力系统的发展，传统电压互感器的缺陷越来越明显；霍尔电压传感器基于霍尔效应研制，被广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，但互换性较差，输出信号随温度变化，并且线性性差；光学电压传感器以光信号作为载波来加载并测量电压信号，该类型传感器为绝缘结构，具有抗干扰能力强，动态范围大等应用优势。但由于温度稳定性，重复性等问题，使得现有光电压传感器批量生产及商业化应用受到限制。因此，有必要开发新型光电压传装置及电压检测方法，提高光电压传感的稳定度、重复度，以及灵敏度和响应速率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电气隔离性好、响应快速、高灵敏、大量程和高动态范围的弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及方法

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，包括检测光源、准直透镜、起偏器、弹光调制器、电光传感元件、检偏器、光电探测器、信号采集和数字锁相模块和计算机；所述信号采集和数字锁相模块包括FPGA(现场可编程逻辑门阵列)和AD信号采集单元，所述光电探测器通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块与控制计算机连接。

进一步地，所述电光传感元件采用铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等单轴电光晶体加工制作的y切晶片。

进一步地，所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度约为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。

进一步地，所述电光传感元件选择以光轴z轴方向通光，消除静态双折射，避免环境温度对电压传感的影响，提高电压传感的长期工作稳定性。

一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置的检测方法，包括以下步骤：

S1、打开光源，准直后经45°起偏器变为线偏振光，并入射到调制快轴在0°方向上的弹光调制器，经弹光调制作用后，线偏振光的偏振状态以弹光调制器谐振频率实现调制；

S2、经弹光调制的偏振光入射电光传感元件，所述电光传感元件通过导线与待测线路连接，在待测电压作用下，依据电光调制原理，电光传感元件对入射光产生相位差；

S3、经弹光调制器调制后的偏振光载入电光传感元件的相位差信息，经检偏器后，光电探测器探测到含有电光相位差信息的弹光调制交流信号，交流信号的频率为弹光调制器谐振频率的倍频；

S4、所述光电探测器输出的信号经AD信号采集单元采集并传入FPGA中，进行倍频信号的提取，并经USB传入控制计算机中进一步完成待测电压的解调。

进一步地，所述弹光调制器的相位调制幅值为1.85rad，使得一阶J₁(X₀)和二阶J₂(X₀)贝塞尔系数较大，提高调制光信号的数据处理的信噪比。

进一步地，S4中所述倍频信号的提取采用数字锁相技术。

进一步地，所述FPGA给弹光调制器LC谐振高压驱动电路提供输入驱动源信号的同时，控制AD信号采集单元的采率和发送ROM中存储的参考信号序列完成数字锁相提取倍频信号，在保证信号处理高精度的同时，使系统驱动控制和数据处理便于集成化和一体化设计。

进一步地，所述待测电压的解调具体步骤为：

S1、完成数字锁相并提取一倍频项幅值V_1f；

S2、完成数字锁相并提取二倍频项幅值V_2f；

S3、求得电光元件由于待测电压引起的相位差：

式中X₀为弹光调制器的相位调制幅值，J₁为1阶贝塞尔级数，J₂为2阶贝塞尔级数；

S4、求得传感电压：

式中λ为入射光在真空中的波长，n₀为电光晶体施加电场前的寻常光折射率，γ₂₂为电光晶体的横向电光系数，L_y为电光传感元件在晶体y轴方向上的长度，L_z为电光传感元件在晶体z轴方向上的长度。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本发明提供了一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，利用弹光调制器调制频率大、纯度高和工作稳定等优势，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，进而实现待测电压传感，探测过程无机械调节，系统稳定性好，重复度高，能够实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，利用晶体的横向Pockels电光效应实现电压测量，消除了电光晶体静态双折射，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度；本发明由计算机完成锁相数据处理，最终求解得出待测电压，进而进行存储和显示，本发明测量灵敏度和精度较高，无运动部件，成本较低，利于工业自动化集成。

附图说明

图1为本发明提供的一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置结构示意图。

图中：1为测光源、2为准直透镜、3为起偏器、4为弹光调制器、5为电光传感元件、6为偏器、7为光电探测器、8为信号采集和数字锁相模块、9为计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：包括检测光源1、准直透镜2、起偏器3、弹光调制器4、电光传感元件5、检偏器6、光电探测器7、信号采集和数字锁相模块8和计算机9；所述信号采集和数字锁相模块8包括FPGA和AD信号采集单元，所述光电探测器7通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器4包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块8与控制计算机9连接。所述电光传感元件5采用单轴电光晶体。所述电光传感元件5采用y切晶片。所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度约为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。所述电光传感元件5选择以光轴z轴方向通光。

在本实施例中，选择具有横向晶体Pockels电光效应的铌酸锂LiNbO₃、钽酸锂LiTaO₃等单轴电光晶体来制作电光传感元件，并将通光方向选择为沿晶体的光轴方向来消除没有测量电压时晶体存在的静态双折射，提高了电压传感的长期工作稳定性和系统重复度，并进一步克服传统光电压传感器存在的晶体静态双折射受温度影响严重的缺陷，因此，选用光轴通光的单轴晶体来制作电光元件，能够提高测量系统的抗环境干扰能力，进而提高系统长期工作稳定性；其次，制作的电光元件采用y切晶片，并且在晶片的两个y轴主平面上镀制厚度约为1μm的金、银、铜或者铝膜作为电极膜；再次，采用导线与电极膜连接，外部端子连接待测线路，构成电光传感元件。

电光元件采用y切晶片，沿光轴z轴通光，将待测电压施加在晶片的y轴方向上，电光元件会发生电光调制。在y轴电场作用下，电光晶体沿晶体x轴和y轴的两个折射率大小发生改变。入射光通过时，沿两个折射率主轴的分量产生的相位差为：

式中，λ为入射光在真空中的波长，n₀为电光晶体施加电场前的寻常光折射率，γ₂₂为电光晶体的横向电光系数，L_y和L_z分别为电光传感元件在晶体y轴方向和晶体z轴方向上的长度。待测电压在晶片上施加的电场为V/L_y。

将式(1)所述待测电压在电光元件上对入射光引入的相位差进行测量，便能求解出待测电压：

将弹光调制器与电光传感元件的电光调制效应联用，弹光调制技术具有调制频率大、调制纯度高和工作稳定等优势，可实现对电光传感元件待测相位的精确测量，进而实现待测电压的高精度和高灵敏传感。弹光调制器的调制快轴调节与竖直方向平行，起偏器和检偏器透光轴方向相对于竖直方向分别成45°和-45°，电光传感元件的y轴与竖直方向平行。入射光在上述系统中的偏振传输运用Stokes参量和穆勒矩阵分析。通过起偏器后的入射光Stokes参量能够描述为：

其中，I₀为检测光源经过起偏器后的光强。弹光调制器和检偏器的穆勒矩阵可分别表示为：

式中，X_PEM＝X₀sin(2πf₀t)，X₀为弹光调制器的相位调制幅值，f₀为弹光调制器谐振频率。电光传感元件类似线性双折射样品，其偏振传输特性能够用Muller矩阵描述为：

忽略检测光源传播过程中的损失，经检偏器后出射光Stokes参量为：

S_out＝M_AM_EOMM_PEMS_in (7)

将(3)—(6)式带入(7)式，考虑到探测器探测到的总光强为Stokes矢量的第一个分量，探测器探测到的光强能够表示为：

将上式中的sin(X_PEM)＝sin(X₀sin(2πf₀t))和cos(X_PEM)＝cos(X₀sin(2πf₀t))利用第一类贝塞尔级数展开得：

上述两式中，k为正整数，J₀为0阶贝塞尔级数，J_2k-1，J_2k分别为2k-1阶和2k阶贝塞尔级数。将上述两式带入(8)式，并省略3阶以上的高阶贝塞尔级数得：

系统中弹光调制器的驱动信号由FPGA产生，经LC谐振电路放大后驱动PEM工作。同时，FPGA控制AD信号采集单元的转换时钟，将探测器探测到的光信号经AD信号采集单元转换后输入FPGA，并将式(11)采用数字信号序列改写为：

其中K是与信号采集单元转换有关的系数。设FPGA为AD信号采集单元设置的采样频率为f_s，则N＝f_s/f₀(N≥3)为一个周期内对一倍频信号采样点数。因此q个周期内对输入信号进行采样，得到总的信号采样点数为M＝N×q。采用数字锁相的手段在FPGA中完成倍频信号提取，具体操作如下：经AD信号采集单元转换后的数字信号序列I_(m)与FPGA在内部ROM中存储的正弦参考序列

相乘，并累加求和可得锁相的同向分量S，和余弦参考序列

相乘，再累加求和可得锁相的正交分量C，然后经USB传输至控制电脑(PC)完成数字锁相后提取得到一倍频项幅值：

与此同时在FPGA中并行运算，数字信号序列I_(m)与FPGA在内部ROM中存储的二倍频参考信号序列

和

完成数字锁相并提取得到二倍频项幅值：

利用(13)和(14)式的数字锁相结果能够求解得到电光元件由于待测电压引起的相位差：

结合(2)式，便能够测量出传感电压

其中弹光调制器的相位调制幅值X₀为1.85rad，使得一阶和二阶贝塞尔系数较大，提高调制光信号的信号的信噪比。此外，弹光调制器具有较高的相位探测灵敏度，一般能够达到10^-5rad，并且电光样品的尺寸在毫米量级，因此该系统能够探测几百毫伏到上千伏的电压信号，本发明所述光电压传感器具有较高灵敏度的同时，还能够实现较大范围的电压测量。

信号采集和数字锁相模块8的FPGA给弹光调制器4、LC谐振高压驱动电路提供输入信号的同时，控制AD信号采集单元的采率和发送ROM中存储的参考信号序列。并在FPGA完成参考信号和采集的交流信号的乘，然后累加，并输出给计算机9进一步完成数字锁相提取倍频幅值。最后在计算机中完成待传感电压的检测。该电压传感装置无需模拟锁相放大器等大型数据解调设备，信号控制及处理均基于FPGA完成，因此，该系统在满足高精度和高灵敏度的传感待测电压的同时，还具有测量范围大，抗干扰能力强，便于工业自动化集成等优点。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：包括检测光源(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、弹光调制器(4)、电光传感元件(5)、检偏器(6)、光电探测器(7)、信号采集和数字锁相模块(8)和计算机(9)；所述信号采集和数字锁相模块(8)包括FPGA和AD信号采集单元，所述光电探测器(7)通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器(4)包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块(8)与计算机(9)连接；

检测方法包括：

S1、打开检测光源(1)，准直后经45°起偏器(3)变为线偏振光，并入射到调制快轴在0°方向上的弹光调制器(4)；

S2、经弹光调制的偏振光入射电光传感元件(5)，所述电光传感元件(5)通过导线与待测线路连接，在待测电压作用下，依据电光调制原理，电光传感元件对入射光产生相位差；

S3、经弹光调制器调制后的偏振光载入电光传感元件的相位差信息，经检偏器(6)后，光电探测器(7)探测到含有电光相位差信息的弹光调制交流信号，交流信号的频率为弹光调制器谐振频率的倍频；

S4、所述光电探测器(7)输出的信号经AD信号采集单元采集并传入FPGA中，进行倍频信号的提取，并经USB传入计算机(9)中进一步完成待测电压的解调。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：所述电光传感元件(5)采用单轴电光晶体加工制作的y切晶片。

3.根据权利要求2所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。

4.根据权利要求2所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：所述电光传感元件(5)选择以光轴z轴方向通光。

5.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：所述弹光调制器的相位调制幅值为1.85rad。

6.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：S4中所述倍频信号的提取采用数字锁相技术。

7.根据权利要求1所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于：所述FPGA给弹光调制器(4)LC谐振高压驱动电路提供输入驱动源信号的同时，控制AD信号采集单元的采率和发送ROM中存储的参考信号序列完成数字锁相提取倍频信号。

8.根据权利要求5所述的一种基于弹光调制和电光调制联用传感装置的电压检测方法，其特征在于，所述待测电压的解调具体步骤为：

S1、完成数字锁相并提取一倍频项幅值V_1f；

S2、完成数字锁相并提取二倍频项幅值V_2f；

S3、求得电光元件由于待测电压引起的相位差：

式中X₀为弹光调制器的相位调制幅值，J₁为1阶贝塞尔级数，J₂为2阶贝塞尔级数；

S4、求得传感电压：

式中λ为入射光在真空中的波长，n₀为电光晶体施加电场前的寻常光折射率，γ₂₂为电光晶体的横向电光系数，L_y为电光传感元件在晶体y轴方向上的长度，L_z为电光传感元件在晶体z轴方向上的长度。

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