CN110174547A - 一种逆压电式光纤电压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种逆压电式光纤电压传感器，包括光子晶体尾纤光源、环形器、起偏器、45°熔接点、光学相位调制器、光子晶体延迟光纤环、45°法拉第旋光器、第一压电晶体、光子晶体传感光纤、90°熔接点、第二压电晶体、光子晶体补偿光纤、反射镜、光电探测器、全数字闭环处理电路。本发明光功率传输效率高，特别是弯曲损耗小，动态范围宽，抗外界环境扰动能力强。能够有效减小系统因工艺问题造成的不可避免的非互易误差，增强光纤电压传感器系统的抗环境扰动性能，提高系统测量精度与可靠性。信号处理引入光纤陀螺技术，结构简单、动态范围大、响应速度快、温度稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及光纤电压传感器，具体涉及一种基于光子晶体光纤和光纤陀螺技术的逆压电式光纤电压传感器。
背景技术
目前，逆压电式光纤电压传感器是一种将传感光纤环缠绕在压电晶体，利用晶体的逆压电效应来敏感电压，利用全数字信号处理技术得到待测电压的新型高电压测试设备。与传统电磁感应式电压互感器相比，光纤电压传感器除了具有优越的绝缘性能外，还具有频带宽、动态范围大、不受电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单等优点，是目前各国争相研究的一种新型电力系统电压检测装置。然而受温度等环境扰动的影响，光纤电压传感器发展受到制约，目前，解决光纤电压传感器环境适应性问题已然成为提高其精度、稳定性、可靠性及加速其工程化应用的重要途径。基于逆压电效应的光学电压互感器结构简单，传感器的信号传输与检测都使用光纤，除了压电晶体外，系统不再需要其它分立光学元件，在解决环境适应性问题上，比其它类型的光学电压互感器更有优势。光纤是光学电压互感器的重要组成部分，不仅用于传输信号，还用于检测信号，在环境温度等发生变化时传统光纤性能易受到热膨胀和热光效应等的影响，尤其是通过引入应力区获得高双折射的保偏光纤，受环境扰动应力区掺杂的物质会发生不可逆的扩散，使得其双折射等性能发生变化，进而影响光纤电压传感器系统的输出性能。而光子晶体光纤制成材料单一，具有很好的热稳定性和偏振稳定性，可用于光纤电压传感器。另外，光纤陀螺信号处理和光纤环绕环技术等同样适用于集成偏振光学电压互感器，相关技术的引入，可有效降低系统噪声，提高系统的动态范围和抗环境扰动能力。
信号处理方面，最简单的检测方法是直接对干涉仪输出的光强信号进行检测，进而推导出待测电压大小，但会受到信号模糊和漂移等问题影响。更先进的方案是采用低相干干涉测量或频率调制技术，但实现起来更为复杂。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于光子晶体光纤和光纤陀螺技术的逆压电式光纤电压传感器，通过光子晶体光纤的应用与光纤陀螺技术的引入，提高光纤电压传感器的测量精度和温度稳定性，改善其环境适应性问题。
本发明采用的技术方案是：一种逆压电式光纤电压传感器，包括光子晶体尾纤光源、环形器、起偏器、45°熔接点、光学相位调制器、光子晶体延迟光纤环、45°法拉第旋光器、第一压电晶体、光子晶体传感光纤、90°熔接点、第二压电晶体、光子晶体补偿光纤、反射镜、光电探测器、全数字闭环处理电路；
光子晶体尾纤光源连接环形器，环形器分别连接起偏器和光电探测器, 起偏器通过45°熔接点连接光学相位调制器, 光学相位调制器连接全数字闭环处理电路, 光电探测器连接全数字闭环处理电路, 光子晶体延迟光纤环连接光学相位调制器, 45°法拉第旋光器连接光子晶体延迟光纤环, 第一压电晶体连接45°法拉第旋光器, 第一压电晶体和第二压电晶体通过90°熔接点连接；
所述逆压电式光纤电压传感器的器件之间的连接均采用光子晶体光纤连接；
光子晶体传感光纤缠绕设置在第一压电晶体上；光子晶体补偿光纤缠绕设置在第二压电晶体上。
进一步地，所述连光子晶体光纤连接为全内反射型单模光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤、全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
更进一步地，所述光学相位调制器为直波导,其尾纤为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
更进一步地，所述光子晶体延迟光纤环、光子晶体传感光纤及光子晶体补偿光纤均为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
更进一步地，第一压电晶体和第二压电晶体之间设有90°熔接点，所述90°熔接点到45°法拉第旋光器输出端之间的光子晶体传感光纤的长度与所述90°熔接点到反射镜之间的光子晶体补偿光纤长度相等；第一压电晶体和第二压电晶体的形状、尺寸相同；90°熔接点前的第一压电晶体两端施加待测电压，90°熔接点后的第二压电晶体两端不施加电压；光子晶体传感光纤与光子晶体补偿光纤的缠绕方式和弯曲参数相同。
更进一步地，所述逆压电式光纤电压传感器的工作过程为：
光子晶体尾纤光源发出的光通过环形器进入起偏器，通过起偏器后变为一束模式相同的线偏振光，起偏器的尾纤与光学相位调制器尾纤以45°对轴熔接，线偏振光经过45°熔接点后变成幅值相等的两正交偏振模，进入光学相位调制器，经过调制之后分别沿着光子晶体延迟光纤环的快轴和慢轴传输；
光到达45°法拉第旋光器后，偏振面发生45°旋转然后入射到缠绕在第一压电晶体上的光子晶体传感光纤中，经过90°熔接点后，实现正交偏振模式的互补，即偏振面旋转了180°；
偏振光沿缠绕在第二压电晶体上的光子晶体补偿光纤传输到达反射镜，然后沿原光路被反射回去；
光反射回来经过90°熔接点时，偏振面再次旋转180°，然后到达45°法拉第旋光器；
此时偏振面继续旋转45°，使得两正交偏振模最早分别沿 Y、 X 方向传播变为分别沿X、 Y 方向传播，消除两正交偏振模在保偏光纤中传播所产生的光程差；
最后在起偏器发生干涉，通过环形器后进入光电探测器，经过全数字闭环处理电路处理得到施加在第一压电晶体两端的电压。
本发明的优点：
本发明的光纤电压传感器采用的是互易性结构，保证沿快轴、慢轴传输的两束光的相位差仅由待测电压引起的压电晶体形变决定。采用光子晶体光纤连接各光学器件，光功率传输效率高，特别是弯曲损耗小，动态范围宽，抗外界环境扰动能力强。采用光子晶体光纤作为延迟光纤、传感光纤和补偿光纤，能够有效减小系统因工艺问题造成的不可避免的非互易误差，增强光纤电压传感器系统的抗环境扰动性能，提高系统测量精度与可靠性。延迟光纤采用光纤陀螺光纤环绕制方法绕制，使得光纤环中各对称点的温度变化率相同，保证系统温度稳定性。信号处理引入光纤陀螺技术，结构简单、动态范围大、响应速度快、温度稳定性好。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的延迟光纤环对称绕制法原理图；
图3是本发明的光源尾纤与部分光学器件（1,2,3前端尾纤，14）间连
接光纤所采用的全内反射型单模光子晶体光纤结构示意图；
图4是本发明的光源尾纤与部分光学器件（1,2,3前端尾纤，14）间连
接光纤所采用的带隙型单模光子晶体光纤结构示意图；
图5是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光纤6，
法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤的第一结构示意图；
图6是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光纤6，
法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤的第二结构示意图；
图7是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光纤6，
法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤的第三结构示意图；
图8是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光纤6，
法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤的第四结构示意图；
图9是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光
纤6，法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤的第一结构示意图；
图10是本发明中部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，延迟光
纤6，法拉第旋光器与90°熔接点间传感光纤及反射镜与90°熔接点间补偿光纤所采用的带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤的第二结构示意图。
附图标记：
1为光子晶体尾纤光源、2为环形器、3为起偏器、4为45°熔接点、5为光学相位调制器、6为光子晶体延迟光纤环、7为45°法拉第旋光器、8为第一压电晶体、9为光子晶体传感光纤、10为90°熔接点、11为第二压电晶体、12为光子晶体补偿光纤、13为反射镜、14为光电探测器、15为全数字闭环处理电路；
131为涂覆层、132为包层空气孔、133为纤芯。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参考图1，如图1所示，一种逆压电式光纤电压传感器，包括光子晶体尾纤光源1、环形器2、起偏器3、45°熔接点4、光学相位调制器5、光子晶体延迟光纤环6、45°法拉第旋光器7、第一压电晶体8、光子晶体传感光纤9、90°熔接点10、第二压电晶体11、光子晶体补偿光纤12、反射镜13、光电探测器14、全数字闭环处理电路15；
光子晶体尾纤光源1连接环形器2，环形器2分别连接起偏器3和光电探测器14, 起偏器3通过45°熔接点4连接光学相位调制器5, 光学相位调制器5连接全数字闭环处理电路15,光电探测器14连接全数字闭环处理电路15, 光子晶体延迟光纤环6连接光学相位调制器5,45°法拉第旋光器7连接光子晶体延迟光纤环6, 第一压电晶体8连接45°法拉第旋光器7,第一压电晶体8和第二压电晶体11通过90°熔接点10连接；
所述逆压电式光纤电压传感器的器件之间的连接均采用光子晶体光纤连接；
光子晶体传感光纤9缠绕设置在第一压电晶体8上；光子晶体补偿光纤12缠绕设置在第二压电晶体11上。
所述连光子晶体光纤连接为具有温度稳定性的光子晶体光纤，包括全内反射型单模光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤、全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
所述光学相位调制器5为直波导,其尾纤为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
所述光子晶体延迟光纤环6、光子晶体传感光纤9及光子晶体补偿光纤12均为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
第一压电晶体8和第二压电晶体11之间设有90°熔接点10，所述90°熔接点10到45°法拉第旋光器7输出端之间的光子晶体传感光纤9的长度与所述90°熔接点10到反射镜13之间的光子晶体补偿光纤12长度相等；第一压电晶体8和第二压电晶体11的形状、尺寸相同；90°熔接点10前的第一压电晶体8两端施加待测电压，90°熔接点后的第二压电晶体11两端不施加电压；光子晶体传感光纤9与光子晶体补偿光纤12的缠绕方式和弯曲参数相同，，保证系统互易性。
所述逆压电式光纤电压传感器的工作过程为：
光子晶体尾纤光源1发出的光通过环形器2进入起偏器3，通过起偏器3后变为一束模式相同的线偏振光，起偏器3的尾纤与光学相位调制器尾纤以45°对轴熔接，线偏振光经过45°熔接点4后变成幅值相等的两正交偏振模，进入光学相位调制器5，经过调制之后分别沿着光子晶体延迟光纤环6的快轴和慢轴传输；
光到达45°法拉第旋光器7后，偏振面发生45°旋转然后入射到缠绕在第一压电晶体8上的光子晶体传感光纤9中，经过90°熔接点10后，实现正交偏振模式的互补，即偏振面旋转了180°；
偏振光沿缠绕在第二压电晶体11上的光子晶体补偿光纤12传输到达反射镜13，然后沿原光路被反射回去；
光反射回来经过90°熔接点10时，偏振面再次旋转180°，然后到达45°法拉第旋光器7；
此时偏振面继续旋转45°，使得两正交偏振模最早分别沿 Y、 X 方向传播变为分别沿X、 Y 方向传播，消除两正交偏振模在保偏光纤中传播所产生的光程差；
最后在起偏器3发生干涉，通过环形器2后进入光电探测器14，经过全数字闭环处理电路15处理得到施加在第一压电晶体8两端的电压。
光子晶体延迟光纤环6采用光纤陀螺光纤环常用对称绕制方法绕制，如图2所示。
光源尾纤与部分光学器件（1,2,3前端尾纤，14）间连接光纤是全内反射型单模光子晶体光纤或带隙型单模光子晶体光纤，横截面分别如图3和图4所示。
部分光学器件（3后端尾纤，5,7）尾纤，光子晶体延迟光纤环6，45°法拉第旋光器7与90°熔接点10间光子晶体传感光纤9及反射镜（13）与90°熔接点10间光子晶体补偿光纤12是全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤，横截面分别如图5至8和图9至10所示。
在第一压电晶体8的电轴即轴向对称的径向(x轴)处施加交流电压，第一压电晶体8的机械轴(y轴)产生应变，缠绕在第一压电晶体8的光子晶体传感光纤9受到该应力的作用光纤的长度、纤芯的折射率以及芯径都将发生变化，这些变化将导致光纤中沿快轴和慢轴传输的两束光产生正比于施加电压的压电相移。电压大小与压电相移之间的关系如下所示：
其中：为压电相移，为光波在光纤中的传播常数，为光纤半径,为压电晶体的径向半径，压电晶体的光轴方向的长度，为第一压电晶体的压电系数，为缠绕在压电晶体上传感光纤的长度，为待测外加电压。
经过90°熔接点10后，实现了正交偏振模式的互补，即偏振面旋转了180°。光沿第补偿光纤传输到反射镜。偏振光沿光纤传输到达反射镜13，然后沿原光路被反射回去。反射回来经过90°熔接点10时，偏振面再次旋转180°。再次经过传感光纤9，逆压电效应产生的相位差加倍，然后到达45°法拉第旋光器7。此时偏振面会继续旋转45°。通过这一过程，使得两正交偏振模最早分别沿 Y、 X 方向传播变为分别沿 X、 Y 方向传播。最后在起偏器3发生干涉，通过环形器2后进入光电探测器14,经过光电转换后，进入数字信号处理单元。
信号处理引入光纤陀螺技术。经过处理后可得到光纤电压传感器的输出信号和增益误差，与此同时，输出信号作为下一时刻的反馈信号被输入到光学相位调制器5中，构成主反馈回路。增益误差通过累加后用于控制主反馈回路的增益，构成第二反馈回路。通过运算最终解算出施加电压的大小，实现测量电压的功能。
本发明提出一种利用光子晶体光纤和光纤陀螺技术的新型抗环境扰动的光纤电压传感器。
本发明通过互易性结构来增加光纤电压传感器的稳定性，将传感光纤与补偿光纤以相同的方式缠绕在材料、形状、尺寸完全相同的两块压电晶体上，保证了系统的互易性，提高了光纤电压传感器的抗环境扰动性能和测量精度。
对比传统光纤，光子晶体光纤具有灵活的设计自由度、低温度和压力敏感性以及低弯曲损耗等特性，因而本发明采用光子晶体光纤作为延迟、传感和补偿光纤，提高系统的抗环境扰动性能。
延迟光纤采用光纤陀螺光纤环绕制方法进行绕制，使光纤环能够对称缠绕，各对称点能够并列放置，紧靠在一起。使得光纤环中各对称点的温度变化率相同，保证光纤电压传感器的温度稳定性。
本发明采用光纤陀螺信号处理方法，采用数字闭环阶梯波调制方法，并引入第二反馈回路来控制反馈回路的增益来实现对增益误差的补偿，提高了系统动态范围、响应速度和温度稳定性。
本发明的光纤电压传感器采用的是互易性结构，保证沿快轴、慢轴传输的两束光的相位差仅由待测电压引起的压电晶体形变决定。采用光子晶体光纤连接各光学器件，光功率传输效率高，特别是弯曲损耗小，动态范围宽，抗外界环境扰动能力强。采用光子晶体光纤作为延迟光纤、传感光纤和补偿光纤，能够有效减小系统因工艺问题造成的不可避免的非互易误差，增强光纤电压传感器系统的抗环境扰动性能，提高系统测量精度与可靠性。延迟光纤采用光纤陀螺光纤环绕制方法绕制，使得光纤环中各对称点的温度变化率相同，保证系统温度稳定性。信号处理引入光纤陀螺技术，结构简单、动态范围大、响应速度快、温度稳定性好。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种逆压电式光纤电压传感器，其特征在于，包括光子晶体尾纤光
源（1）、环形器（2）、起偏器（3）、45°熔接点（4）、光学相位调制器（5）、光子晶体延迟光纤环（6）、45°法拉第旋光器（7）、第一压电晶体（8）、光子晶体传感光纤（9）、90°熔接点（10）、第二压电晶体（11）、光子晶体补偿光纤（12）、反射镜（13）、光电探测器（14）、全数字闭环处理电路（15）；
光子晶体尾纤光源（1）连接环形器（2），环形器（2）分别连接起偏器（3）和光电探测器（14）, 起偏器（3）通过45°熔接点（4）连接光学相位调制器（5）, 光学相位调制器（5）连接全数字闭环处理电路（15）, 光电探测器（14）连接全数字闭环处理电路（15）, 光子晶体延迟光纤环（6）连接光学相位调制器（5）, 45°法拉第旋光器（7）连接光子晶体延迟光纤环（6）,第一压电晶体（8）连接45°法拉第旋光器（7）, 第一压电晶体（8）和第二压电晶体（11）通过90°熔接点（10）连接；
所述逆压电式光纤电压传感器的器件之间的连接均采用光子晶体光纤连接；
光子晶体传感光纤（9）缠绕设置在第一压电晶体（8）上；光子晶体补偿光纤（12）缠绕设置在第二压电晶体（11）上。
2.根据权利要求1所述的逆压电式光纤电压传感器，其特征在于，所
述连光子晶体光纤连接为全内反射型单模光子晶体光纤、带隙型单模光子晶体光纤、全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
3.根据权利要求1所述的逆压电式光纤电压传感器，其特征在于，所
述光学相位调制器（5）为直波导,其尾纤为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
4.根据权利要求1所述的逆压电式光纤电压传感器，其特征在于，所
述光子晶体延迟光纤环（6）、光子晶体传感光纤（9）及光子晶体补偿光纤（12）均为全内反射型单模单芯保偏光子晶体光纤或带隙型单模单芯保偏光子晶体光纤。
5.根据权利要求1所述的逆压电式光纤电压传感器，其特征在于，第
一压电晶体（8）和第二压电晶体（11）之间设有90°熔接点（10），所述90°熔接点（10）到45°法拉第旋光器（7）输出端之间的光子晶体传感光纤（9）的长度与所述90°熔接点（10）到反射镜（13）之间的光子晶体补偿光纤（12）长度相等；第一压电晶体（8）和第二压电晶体（11）的形状、尺寸相同；90°熔接点（10）前的第一压电晶体（8）两端施加待测电压，90°熔接点后的第二压电晶体（11）两端不施加电压；光子晶体传感光纤（9）与光子晶体补偿光纤（12）的缠绕方式和弯曲参数相同。
6.根据权利要求1-5任一所述的逆压电式光纤电压传感器，其特征在
于，所述逆压电式光纤电压传感器的工作过程为：
光子晶体尾纤光源（1）发出的光通过环形器（2）进入起偏器（3），通过起偏器（3）后变为一束模式相同的线偏振光，起偏器（3）的尾纤与光学相位调制器尾纤以45°对轴熔接，线偏振光经过45°熔接点（4）后变成幅值相等的两正交偏振模，进入光学相位调制器（5），经过调制之后分别沿着光子晶体延迟光纤环（6）的快轴和慢轴传输；
光到达45°法拉第旋光器（7）后，偏振面发生45°旋转然后入射到缠绕在第一压电晶体（8）上的光子晶体传感光纤（9）中，经过90°熔接点（10）后，实现正交偏振模式的互补，即偏振面旋转了180°；
偏振光沿缠绕在第二压电晶体（11）上的光子晶体补偿光纤（12）传输到达反射镜（13），然后沿原光路被反射回去；
光反射回来经过90°熔接点（10）时，偏振面再次旋转180°，然后到达45°法拉第旋光器（7）；
此时偏振面继续旋转45°，使得两正交偏振模最早分别沿 Y、 X 方向传播变为分别沿X、 Y 方向传播，消除两正交偏振模在保偏光纤中传播所产生的光程差；
最后在起偏器（3）发生干涉，通过环形器（2）后进入光电探测器（14），经过全数字闭环处理电路（15）处理得到施加在第一压电晶体（8）两端的电压。
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| CN201910536269.4A CN110174547A (zh) | 2019-06-20 | 2019-06-20 | 一种逆压电式光纤电压传感器 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2019
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