CN109459598B - 一种基于fbg的电压数值检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于FBG的电压数值检测装置及方法，它属于电压检测技术领域。本发明解决了目前的电压数值测量方法存在的测量精度低的问题。本发明利用反射FBG和透射FBG的组合来抑制测量仪器自身的不稳定性，由于光信号在传输过程中不断衰减，所以光电探测器探测到的是一系列衰减的信号，即可以通过光信号的衰荡时间变化来反映外加电压的大小，克服了传统方法很容易受测量仪器的影响的问题，本发明的方法可以将测量精度提高至98％以上。本发明可以应用于电压检测技术领域用。
Description
技术领域
本发明属于电压检测技术领域，具体涉及一种电压数值检测方法。
背景技术
电压数值检测方法在很多领域都发挥着至关重要的作用，特别是在一些对电压检测的精度要求比较高的情况下，工作人员更希望能够获得较高的测量精度，目前的交流电压测定方法是将万用表调至交流电压测定的最大档位，然后用其两电笔接触被测电压线两端来读出数据，这种电压测量方便虽然在操作上较为简单，但是其也会不可避免的受到测量仪器自身稳定性的影响，导致电压数值测量不稳定，进而导致测量精度低。
发明内容
本发明的目的是为解决目前的电压数值测量方法存在的测量精度低的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于本发明的一个方面，一种基于FBG的电压数值检测装置：所述电压数值检测装置包括宽带光源、起偏器、光调制器、信号发生器、第一掺铒光纤放大器，其中：
宽带光源的输出端与起偏器的输入端相连接，起偏器的输出端与光调制器的输入端相连接，信号发生器的输出端与光调制器的输入端相连接，光调制器的输出端与第一掺铒光纤放大器的输入端相连接；
所述电压数值检测装置还包括第一耦合器、环形器、反射FBG、第二耦合器、第二掺铒光纤放大器、透射FBG、超磁致伸缩材料、长方形铁芯和外加电源；
所述第一掺铒光纤放大器的输出端与第一耦合器的第一输入端相连接，第一耦合器的输出端与环形器的第一输入端相连接，环形器的第一输出端与反射FBG相连接，环形器的第二输出端与第二耦合器的第一输入端相连接，第二耦合器的第一输出端与第二掺铒光纤放大器的输入端相连接，第二掺铒光纤放大器的输出端与透射FBG的输入端相连接，透射FBG的输出端与第一耦合器的第二输入端相连接；
反射FBG粘贴在超磁致伸缩材料上，且超磁致伸缩材料位于长方形铁芯的缺口处，外加电源与长方形铁芯的两端相连接；
所述电压数值检测装置还包括光电探测器和示波器；
第二耦合器的第二输出端与光电探测器的输入端相连接，光电探测器的输出端与示波器的输入端相连接。
本发明的另一个方面：一种基于FBG的电压数值检测方法：
宽带光源发出的光信号输入起偏器，起偏器输出的光信号与信号发生器输出的调制脉冲共同输入给光调制器，经过光调制器的调制，光调制器输出光信号给第一掺铒光纤放大器；
第一掺铒光纤放大器将放大后的光信号输出给第一耦合器的第一输入端，第一耦合器的输出端将光信号输出给环形器的第一输入端，进入环形器的光信号经过第一输出端输入给反射FBG；
由反射FBG反射回来的光信号再次经过环形器，环形器的第二输出端将光信号输出给第二耦合器的输入端，第二耦合器的第一输出端将光信号输出给第二掺铒光纤放大器，第二掺铒光纤放大器将放大后的光信号输出给透射FBG，透射FBG将透射过来的光信号输出给第一耦合器的第二输入端；
第二耦合器的第二输出端将光信号输出给光电探测器，光电探测器将光信号转换为电信号，并将电信号输出给示波器；
输入第一耦合器的第二输入端的光信号继续传输，直至光电探测器探测到的光信号为零，即示波器将得到逐渐衰减的电信号，保存示波器输出的电信号数据来计算衰荡时间；
将外加电源连接在长方形铁芯的两端，并将粘贴有反射FBG的超磁致伸缩材料置于长方形铁芯的缺口处，通过改变外加电源的大小，来获得衰荡时间随外加电源变化的关系曲线；
当待测电源的数值大小未知时，将该电源施加在长方形铁芯的两端，来求得整个系统的衰荡时间，根据求得的衰荡时间，通过查衰荡时间随外加电源变化的关系曲线，即获得待测电源的数值。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于FBG的电压数值检测装置及方法，本发明利用反射FBG和透射FBG的组合来抑制测量仪器自身的不稳定性，由于光信号的不断衰减，所以光电探测器探测到的是一系列衰减的信号，即可以通过光信号的衰荡时间变化来反映外加电压的大小，克服了传统方法很容易受测量仪器的影响的问题，本发明的方法可以将测量精度提高至98％以上。
附图说明
图1为本发明一种基于FBG的电压数值检测装置的框架图；
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于FBG的电压数值检测装置，所述电压数值检测装置包括宽带光源1、起偏器2、光调制器3、信号发生器4、第一掺铒光纤放大器5，其中：
宽带光源1的输出端与起偏器2的输入端相连接，起偏器2的输出端与光调制器3的输入端相连接，信号发生器4的输出端与光调制器3的输入端相连接，光调制器3的输出端与第一掺铒光纤放大器5的输入端相连接；
所述电压数值检测装置还包括第一耦合器6、环形器7、反射FBG8、第二耦合器9、第二掺铒光纤放大器10、透射FBG11、超磁致伸缩材料14、长方形铁芯15和外加电源；
所述第一掺铒光纤放大器5的输出端与第一耦合器6的第一输入端61相连接，第一耦合器6的输出端63与环形器7的第一输入端71相连接，环形器7的第一输出端72与反射FBG8相连接，环形器7的第二输出端73与第二耦合器9的第一输入端91相连接，第二耦合器9的第一输出端93与第二掺铒光纤放大器10的输入端相连接，第二掺铒光纤放大器10的输出端与透射FBG11的输入端相连接，透射FBG11的输出端与第一耦合器6的第二输入端62相连接；
反射FBG8粘贴在超磁致伸缩材料14上，且超磁致伸缩材料14位于长方形铁芯15的缺口处，外加电源与长方形铁芯15的两端相连接；由于长方形铁芯的外部缠绕有线圈，当外加电源与线圈的两端相连接时，由于电磁作用，导致超磁致伸缩材料14发生伸缩，进而带动反射FBG伸缩。
所述电压数值检测装置还包括光电探测器12和示波器13；
第二耦合器9的第二输出端92与光电探测器12的输入端相连接，光电探测器12的输出端与示波器13的输入端相连接。
本实施方式的工作原理为：宽带光源发出的光信号经过起偏器，在信号发生器发出的调制脉冲的作用下，光调制器输出脉冲光信号，脉冲光信号经过第一耦合器继续传输，当光信号传输到第二耦合器时，一部分光信号经过第二耦合器的一个输出端输出光信号给光电探测器，通过光电探测器进行探测；另一部分光信号经过第二耦合器的另一个输出端继续传输，光信号在传输的过程中会逐渐衰减，导致光电探测器探测到的光信号也随之衰减，当光电探测器探测到的光信号的强度衰减到其探测的第二个脉冲峰值的1/e时，将光信号衰减到第二个脉冲峰值的1/e所利用的时间称为衰荡时间。由于反射FBG粘贴在超磁致伸缩材料上，当长方形铁芯两端的外加电压改变时，会导致反射FBG的中心波长移动，即改变了反射FBG与透射FBG的相对位置，光信号在传输时的透过率将发生改变，导致检测装置的衰荡时间发生变化，因此，当通过实验得到衰荡时间与外加电压的关系曲线后，即可将曲线应用于测量未知外加电压的大小。
本实施方式利用反射FBG和透射FBG进行匹配解调，利用的是反射FBG和透射FBG对测量仪器和环境影响的敏感度相同的原理，由于反射FBG和透射FBG对测量仪器和环境影响的敏感度相同，所以，即使测量仪器不稳定或测量环境变化时，反射FBG和透射FBG中心波长的相对位置也不会发生变化，即不会影响透射FBG的透过率，这种方法能够有效抑制测量仪器不稳定和环境变化的影响，克服了传统方法很容易受测量仪器的影响的问题，而本发明的方法可以将测量精度提高至98％以上。
第二掺铒光纤放大器主要用于对传输的光信号进行放大，增加光电探测器探测到的脉冲的个数，进一步提高电压测量精度。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：反射FBG8和透射FBG11的光谱范围包含在宽带光源1的光谱范围内。
本实施方式的目的是保证透射FBG内能够有光信号透射过来。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：反射FBG8的带宽为3dB，透射FBG11的带宽不超过反射FBG8带宽的四分之一，且透射FBG11的中心波长在反射FBG8边带上的线性区域内。
本实施方式中设置透射FBG11的带宽不超过反射FBG8带宽的四分之一，且透射FBG11的中心波长在反射FBG8边带上的线性区域内，可以保证衰荡时间与外加电压具有很好的线性关系，提高电压测量的精确度。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：第二耦合器9的第一输出端93与第二输出端92的分光比为50:50。
本实施方式保证一部分光信号能够继续传输，另一部分传输给光电探测器探测。且本实施方式设置分光比为50:50，可以保证有足够的能量被光电探测器探测到，进而保证测量数据的精度。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：第一耦合器6的第一输入端61与第二输入端62的分光比为1:99。
具体实施方式六：一种基于FBG的电压数值检测装置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：
宽带光源1发出的光信号输入起偏器2，起偏器2输出的光信号与信号发生器4输出的调制脉冲共同输入给光调制器3，经过光调制器3的调制，光调制器3输出光信号给第一掺铒光纤放大器5；
第一掺铒光纤放大器5将放大后的光信号输出给第一耦合器6的第一输入端61，第一耦合器6的输出端63将光信号输出给环形器7的第一输入端71，进入环形器7的光信号经过第一输出端72输入给反射FBG8；
由反射FBG8反射回来的光信号再次经过环形器7，环形器7的第二输出端73将光信号输出给第二耦合器9的输入端91，第二耦合器9的第一输出端93将光信号输出给第二掺铒光纤放大器10，第二掺铒光纤放大器10将放大后的光信号输出给透射FBG11，透射FBG11将透射过来的光信号输出给第一耦合器6的第二输入端62；
第二耦合器9的第二输出端92将光信号输出给光电探测器12，光电探测器12将光信号转换为电信号，并将电信号输出给示波器13；
输入第一耦合器6的第二输入端62的光信号继续传输，直至光电探测器探测到的光信号为零，即示波器13将得到逐渐衰减的电信号，保存示波器13输出的电信号数据来计算衰荡时间；
将外加电源连接在长方形铁芯15的两端，并将粘贴有反射FBG8的超磁致伸缩材料14置于长方形铁芯15的缺口处，通过改变外加电源的大小，来获得衰荡时间随外加电源变化的关系曲线；
当待测电源的数值大小未知时，将该电源施加在长方形铁芯15的两端，来求得整个系统的衰荡时间，根据求得的衰荡时间，通过查衰荡时间随外加电源变化的关系曲线，即获得待测电源的数值。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：信号发生器4输出的调制脉冲为矩形脉冲。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：脉冲光信号每次经过第一耦合器6的输出端63的时间间隔为矩形脉冲宽度的15倍以上。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是：每两个矩形脉冲之间的间隔为同一脉冲光信号前后两次经过第一耦合器6的输出端63的时间间隔的30至40倍。
本实施方式的目的是为防止一个脉冲光信号还未衰减完成，另一个脉冲光信号又进入，导致信号叠加、干扰测量的问题。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九不同的是：所述保存示波器13输出的电信号数据来计算衰荡时间，其具体过程为：
将示波器13输出的电信号数据保存为csv格式，利用Matlab程序调取保存的数据，并寻找保存的数据中每个脉冲光信号的峰值来计算衰荡时间。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精祌及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于FBG的电压数值检测装置，其特征在于，所述电压数值检测装置包括宽带光源(1)、起偏器(2)、光调制器(3)、信号发生器(4)、第一掺铒光纤放大器(5)，其中：
宽带光源(1)的输出端与起偏器(2)的输入端相连接，起偏器(2)的输出端与光调制器(3)的输入端相连接，信号发生器(4)的输出端与光调制器(3)的输入端相连接，光调制器(3)的输出端与第一掺铒光纤放大器(5)的输入端相连接；
所述电压数值检测装置还包括第一耦合器(6)、环形器(7)、反射FBG(8)、第二耦合器(9)、第二掺铒光纤放大器(10)、透射FBG(11)、超磁致伸缩材料(14)、长方形铁芯(15)和外加电源；
所述第一掺铒光纤放大器(5)的输出端与第一耦合器(6)的第一输入端(61)相连接，第一耦合器(6)的输出端(63)与环形器(7)的第一输入端(71)相连接，环形器(7)的第一输出端(72)与反射FBG(8)相连接，环形器(7)的第二输出端(73)与第二耦合器(9)的第一输入端(91)相连接，第二耦合器(9)的第一输出端(93)与第二掺铒光纤放大器(10)的输入端相连接，第二掺铒光纤放大器(10)的输出端与透射FBG(11)的输入端相连接，透射FBG(11)的输出端与第一耦合器(6)的第二输入端(62)相连接；
反射FBG(8)粘贴在超磁致伸缩材料(14)上，且超磁致伸缩材料(14)位于长方形铁芯(15)的缺口处，外加电源与长方形铁芯(15)的两端相连接；
反射FBG(8)的带宽为3dB，透射FBG(11)的带宽不超过反射FBG(8)带宽的四分之一，且透射FBG(11)的中心波长在反射FBG(8)边带上的线性区域内；
所述电压数值检测装置还包括光电探测器(12)和示波器(13)；
第二耦合器(9)的第二输出端(92)与光电探测器(12)的输入端相连接，光电探测器(12)的输出端与示波器(13)的输入端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FBG的电压数值检测装置，其特征在于，反射FBG(8)和透射FBG(11)的光谱范围包含在宽带光源(1)的光谱范围内。
3.根据权利要求2所述的一种基于FBG的电压数值检测装置，其特征在于，第二耦合器(9)的第一输出端(93)与第二输出端(92)的分光比为50:50。
4.根据权利要求2所述的一种基于FBG的电压数值检测装置，其特征在于，第一耦合器(6)的第一输入端(61)与第二输入端(62)的分光比为1:99。
5.根据权利要求1所述的一种基于FBG的电压数值检测装置的检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：
宽带光源(1)发出的光信号输入起偏器(2)，起偏器(2)输出的光信号与信号发生器(4)输出的调制脉冲共同输入给光调制器(3)，经过光调制器(3)的调制，光调制器(3)输出光信号给第一掺铒光纤放大器(5)；
第一掺铒光纤放大器(5)将放大后的光信号输出给第一耦合器(6)的第一输入端(61)，第一耦合器(6)的输出端(63)将光信号输出给环形器(7)的第一输入端(71)，进入环形器(7)的光信号经过第一输出端(72)输入给反射FBG(8)；
由反射FBG(8)反射回来的光信号再次经过环形器(7)，环形器(7)的第二输出端(73)将光信号输出给第二耦合器(9)的输入端(91)，第二耦合器(9)的第一输出端(93)将光信号输出给第二掺铒光纤放大器(10)，第二掺铒光纤放大器(10)将放大后的光信号输出给透射FBG(11)，透射FBG(11)将透射过来的光信号输出给第一耦合器(6)的第二输入端(62)；
第二耦合器(9)的第二输出端(92)将光信号输出给光电探测器(12)，光电探测器(12)将光信号转换为电信号，并将电信号输出给示波器(13)；
输入第一耦合器(6)的第二输入端(62)的光信号继续传输，直至光电探测器探测到的光信号为零，即示波器(13)将得到逐渐衰减的电信号，保存示波器(13)输出的电信号数据来计算衰荡时间；
将外加电源连接在长方形铁芯(15)的两端，并将粘贴有反射FBG(8)的超磁致伸缩材料(14)置于长方形铁芯(15)的缺口处，通过改变外加电源的大小，来获得衰荡时间随外加电源变化的关系曲线；
当待测电源的数值大小未知时，将该电源施加在长方形铁芯(15)的两端，来求得整个系统的衰荡时间，根据求得的衰荡时间，通过查衰荡时间随外加电源变化的关系曲线，即获得待测电源的数值；
所述衰荡时间为光电探测器探测到的光信号的强度衰减到其探测的第二个脉冲峰值的1/e时所利用的时间。
6.根据权利要求5所述的一种基于FBG的电压数值检测方法，其特征在于，信号发生器(4)输出的调制脉冲为矩形脉冲。
7.根据权利要求6所述的一种基于FBG的电压数值检测方法，其特征在于，脉冲光信号每次经过第一耦合器(6)的输出端(63)的时间间隔为矩形脉冲宽度的15倍以上。
8.根据权利要求7所述的一种基于FBG的电压数值检测方法，其特征在于，每两个矩形脉冲之间的间隔为同一脉冲光信号前后两次经过第一耦合器(6)的输出端(63)的时间间隔的30至40倍。
9.根据权利要求8所述的一种基于FBG的电压数值检测方法，其特征在于，所述保存示波器(13)输出的电信号数据来计算衰荡时间，其具体过程为：
将示波器(13)输出的电信号数据保存为csv格式，利用Matlab程序调取保存的数据，并寻找保存的数据中每个脉冲光信号的峰值来计算衰荡时间。
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