CN110554251A - 电场强度测量传感器及包括其的电场强度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电场强度测量传感器，该电场强度测量传感器包括：光纤，其上设有光栅区；固定套管，套接于所述光纤上；电致伸缩外壳，套接于所述固定套管上；其中，所述光栅区包覆于所述电致伸缩外壳内，该电场传感器置于电场中时，所述电致伸缩外壳发生应变，并经所述固定套管将应变力传输至所述光纤上，带动所述光栅区发生应变使得所述光栅区伸长，从而使得所述光栅区发生折射率的变化，并通过折射率的变化测出电场强度。该电场强度测量传感器测量精度高，能够对电场强度进行有效测量。还公开一种单纤多点测量的电场强度测量装置以及用于未知电场方向的电场强度测量装置。

Description

电场强度测量传感器及包括其的电场强度测量装置

技术领域

本发明涉及电场测量技术领域，更具体地，涉及一种电场强度测量传感器及包括其的电场强度测量装置。

背景技术

测量电场强度，传统的电测法(基于检测电压和电流的方法)若回路中存在高频电电干扰，或电阻元件深低温下的近藤效应和温差电效应，或低频电电场下的电阻效应，都将大大影响测量结果的可靠性，甚至无法使用。并且多点测量需要大量的电缆进行信息传输，布线将干扰结构性能。光纤光栅测量方法不仅克服了电测法的种种致命缺点，还带来了性能的极大提升。

传统的通过电致伸缩材料测量电场的方法是将光栅直接粘在等长电致伸缩材料的表面。当电致伸缩材料遇到待测电场而发生伸缩变化时，将这种变化的飘移量传递给等长的光栅，再通过光栅的长度变化来得出待测电场的电场强度。

然而，传统的测量方式，由于电致伸缩材料与光栅是等长的，而电致伸缩材料的伸缩量往往很小，这就导致了光栅的伸缩量也很小。如果通过光栅这种很细微的伸缩量来判断电场强度时，往往会出现误差而导致测量结果不准确。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种适用范围广，灵敏度高，能够对电场强度进行精准测量的，电场强度测量传感器及包括其的电场强度测量装置，以解决现有技术中存在的问题。

根据本发明的第一方面，提供一种电场强度测量传感器，包括：

光纤，其上设有光栅区；

固定套管，套接于所述光纤上；

电致伸缩外壳，套接于所述固定套管上；

其中，所述光栅区包覆于所述电致伸缩外壳内，该电场传感器置于电场中时，所述电致伸缩外壳发生应变，并经所述固定套管将应变力传输至所述光纤上，带动所述光栅区发生应变使得所述光栅区伸长，从而使得所述光栅区发生折射率的变化，并通过折射率的变化测出电场强度。

优选地，所述固定套管与所述光纤之间设有粘结剂，所述固定套管与所述光纤经所述粘结剂粘连。

优选地，所述光纤的表面设有聚合物涂覆层，用于加强光纤的抗拉能力。

优选地，所述固定套管为分体式结构，包括第一套管和第二套管，所述第一套管和第二套管彼此间隔预设距离地设于所述电致伸缩外壳的两端头上。

优选地，所述第一套管和第二套管相对的两个端面以及所述电致伸缩外壳之间形成容纳腔，用于容纳所述光栅区，所述光栅区位于所述容纳腔内。

优选地，所述第一套管和第二套管彼此远离的一端分别伸出所述电致伸缩外壳。

优选地，所述固定套管为整体式结构，所述固定套管的两端分别伸出所述电致伸缩外壳形成外伸端头，两个所述外伸端头上分别旋拧有螺母，两个所述螺母相对的端面分别挤压于所述电致伸缩外壳的外端面上。

优选地，所述光栅区位于所述固定套管内，

并且，所述光栅区的长度为所述电致伸缩外壳的长度的1/4-1/3。

根据本发明的第二方面，提供一种单纤多点测量的电场强度测量装置，其特征在于，包括多个所述的电场强度测量传感器，多个所述电场强度测量传感器彼此间隔预设距离设置；

其中，多个所述电场强度测量传感器的光纤依次连接，形成共用光纤。

根据本发明的第三方面，提供一种用于未知电场方向的电场强度测量装置，包括：

基座；

三个所述的电场强度测量传感器，三个所述电场强度测量传感器的延伸方向彼此垂直设置。

有益效果：

本发明提供的电场强度测量传感器的适用范围广，灵敏度高，能够对电场进行精确测量。

本发明提供的单纤多点测量的电场强度测量装置，光纤光栅体积小，灵敏度高，深低温强电电场干扰时仍能有效测量应力和温度，既可作为传感元件，也可作为弹性元件，可大大简化各种类型传感器的结构设计，有利于小型化。单根光纤上可设置多达上百个光栅，大大简化测量线路的布置，节约大量空间。尤其在复杂的大型超导电体结构中，光纤光栅的上述测量特点带来了无与伦比的优势。

本发明提供的用于未知电场方向的电场强度测量装置，可以对空间中任一未知电场方向的电场进行电场强度测量，并能够准确得出测量竖直。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出了根据本发明电场强度测量传感器实施例一的电场强度测量传感器的结构示意图。

图2示出了根据本发明电场强度测量传感器实施例二的电场强度测量传感器的结构示意图。

图3示出了根据本发明实施例的未知电场方向的电场强度测量装置的结构示意图。

图中：电场强度测量传感器100、光纤1、光栅区11、固定套管2、第一套管21、第二套管22、环体结构20、外螺纹201、电致伸缩外壳3、螺母4、基座200、未知电场方向的电场强度测量装置300。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。

如图1至图2所示，本发明提供一种电场强度测量传感器100，该电场强度测量传感器100包括光纤1、固定套管2和电致伸缩外壳3。光纤1，其上设有光栅区11；固定套管2，套接于所述光纤1上；电致伸缩外壳3，套接于所述固定套管2上。其中，所述光栅区11包覆于所述电致伸缩外壳3内，该电场传感器置于电场中时，所述电致伸缩外壳3发生应变，并经所述固定套管2将应变力传输至所述光纤1上，带动所述光栅区11发生应变使得所述光栅区11伸长，从而使得所述光栅区11发生折射率的变化，并通过折射率的变化测出电场强度。

下面结合两个具体的实施例对该电场强度测量传感器100，进行较为详细的介绍：

电场强度测量传感器100实施例一：

参考图1，该实施例中的电场强度测量传感器100，所述固定套管2为分体式结构，包括第一套管21和第二套管22，所述第一套管21和第二套管22彼此间隔预设距离地设于所述电致伸缩外壳3的两端，电致伸缩外壳3以一定预紧力夹持第一套管21和第二套管22。

所述第一套管21和第二套管22相对的两个端面以及所述电致伸缩外壳3之间形成容纳腔，用于容纳所述光栅区11，所述光栅区11位于所述容纳腔内。所述第一套管21和第二套管22彼此远离的一端分别伸出所述电致伸缩外壳3预设距离。如此设置，使得电致伸缩外壳3发生应变时，能够将应变力传递至第一套管21和第二套管22上，第一套管21和第二套管22将应变力传递到光纤1上将光纤1拉长，进而使得光栅区11被拉长，拉长后的光栅区11折射率发生变化。

需要说明的是，当电场强度测量传感器100置于电场中时，电致伸缩外壳3在电场的作用下产生漂移量，即发生应变，电致伸缩外壳3的应变包括沿着其长度方向的伸缩变形(具体为伸长变形)以及径向的涨大变形，径向的变形使得电致伸缩外壳3夹紧第一套管21和第二套管22，并通过第一套管21和第二套管22进一步增大对光纤1两端的夹紧力，长度方向的伸长变形带动最终将光纤1拉伸伸长，进而使得光栅区11伸长，拉长后的光栅区11折射率发生变化。

该实施例中，光纤1的两端以一定预紧力分别夹持于第一套管21和第二套管22内，光纤1的两端分别伸出到第一套管21和第二套管22的外部，从而保证第一套管21和第二套管22在应变过程中对光纤1具有最大化的夹持力。光栅区11的长度占电致伸缩外壳3长度的预设比例，例如为电致伸缩外壳3长度的1/5-1/3，具体可为1/5或者1/3。

进一步地，所述第一套管21和第二套管22与所述光纤1之间设有粘结剂，所述第一套管21和第二套管22分别与所述光纤1经所述粘结剂粘连，从而使得第一套管21和第二套管22与光纤1牢固的结合成一体，从而增强对光纤1的拉伸效果。第一套管21和第二套管22可选为非弹性材料致制成。

该实施例中，粘接剂为环氧树脂粘接剂，然而并不以此为限。第一套管21和第二套管22均为金属套管，金属套管增强了对电致伸缩外壳3的抗压强度，并且金属套管与所套接的光纤1部分形成整体结构，光纤1受拉后金属套管所套接的光纤1部分的伸长变形可忽略不计，而仅将电致伸缩外壳3的伸缩变形力传输至光栅区11部分。

电场强度的计算公式为：

其中，

H为待测电场强度；

Δλ为所述光纤1的波长飘移量，其可通过仪器测得；

λ为所述光纤1的中心波长，其已知或者可通过仪器测量；

Pe为所述光纤1的弹光系数，其已知或可通过仪器测量；

C为所述电致伸缩外壳的伸缩系数，其已知或可通过仪器测量。

进一步地，光纤1的表面设有聚合物涂覆层，聚合物涂覆层具体可为聚酰亚胺，用于加强光纤1的轴向抗拉能力，能够使得光纤1的强度加强，防止光纤1在拉伸过程中断裂。所述电致伸缩外壳3可选用电致伸缩材料或者掺入了稀土元素的超电致伸缩材料制成。

需要说明的是，光栅区11的数量不限于一个，也可根据需要设置多个。

该电场强度测量传感器100在使用时，将该电场强度测量传感器100置于电场中，在电场强度测量传感器100光纤1的一侧设置激光源，光纤1的相对另一侧设置解调仪用于接收激光光波信号，并通过激光源沿着光纤1的长度方向朝向光纤1的另一侧发射光波信号，光波信号经过光栅区11时，由于光栅区11在电场的作用下折射率发生变化(具体如何发生的变化可参考前述部分)，解调仪接收到的激光光波被光栅区11折射后中心波长发生变化，解调仪通过分析激光光波在被折射前后中心波长的变化，经过计算后得出电场强度值。

有益效果：举例而言，传统的测量方法只能将例如10厘米的光纤1贴在10厘米的电致伸缩材料上，当10厘米的电致伸缩材料发生变化而涨到11厘米时，此时光纤1也从10厘米被拉伸至11厘米。于是使用Δλ/λ＝1/10＝0.1的数值计算得出电场。

而本实施例所提供的电场强度测量传感器100，固定套管2套接在光纤1外侧，且电致伸缩外壳3设置在所述固定套管2的外侧。由于电致伸缩外壳3的长度越长，其在相同电场强度下产生的飘移量就越多。因此，当使用100厘米长的电致伸缩外壳3以及10厘米长的光纤1时，就能够将100厘米电致伸缩外壳3所产生的长度变化(10厘米)传递至光纤1。即光纤1从10厘米被拉长至20厘米。因此Δλ/λ＝(20-10)/10＝1。这样的准确率是传统方法的10倍。

电场强度测量传感器100实施例二：

参考图2，该实施例与实施例一所不同的是：

所述固定套管2为整体式结构，所述固定套管2的两端分别伸出所述电致伸缩外壳3形成外伸端头，两个所述外伸端头上分别旋拧有螺母4，两个所述螺母4相对的端面分别挤压于所述电致伸缩外壳3的外端面上，即各个螺母4朝向电致伸缩外壳3的端面挤压于对应的电致伸缩外壳3的外端面上。

所述光栅区11位于所述固定套管2内，并且，所述光栅区11的长度为所述电致伸缩外壳3的长度的1/4-1/3。

固定套管2由弹性材料制成，也可由弹性材料和非弹性材料共同制成，例如沿着轴向方向上分别设置弹性材料区和非弹性材料区。该实施例中，仅在固定套管2的两端分别设有一非弹性材料区，即非弹性材料形成的环体结构20，各个环体结构20的一端插入电致伸缩外壳3内，另一端伸出电致伸缩外壳3，每个非弹性材料区的外伸部分上分别设有一外螺纹201，用于旋拧螺母4，在光栅区11外套接的固定套管2部分为弹性材料区，从而便于固定套管2将电致伸缩外壳3的伸缩变形力传递至光栅区11。旋拧螺母4时，两个螺母4要旋拧至一定程度，确保螺母4的朝向电致伸缩外壳3的端面仅仅挤压于电致伸缩外壳3的端面上，以保证电致伸缩外壳3的伸缩变形力的传递的准确性。螺母4的设置，使得电场强度测量传感器100的准确度可调节，即通过旋拧螺母4的松紧度来实现对该电场传感器的测量准确度的调节。进行测量准确度调节时，可调节螺母4对电致伸缩外壳3的挤压力，也可调节固定套管2以及光纤1的预紧力。

该实施例中，各个环体结构20朝向光栅区11的一端延伸至光栅区11，另一端外伸至固定套管2的末端。并且，环体结构20与光纤1之间设置粘结剂粘结，光栅区11与固定套管2之间不设置粘结剂，如此，使得环体结构20与光纤1之间形成整体结构，使得两个环体结构20能够带动光栅区11拉伸，使得电致伸缩外壳3的伸缩变形力放大，增强对电场强度的检测灵敏性和准确度。

电致伸缩套管由电致伸缩材料或者掺入了稀土元素的超电致伸缩材料的制成，其内部存在力、电、热的耦合作用，若不考虑温度效应，或温度变化较弱，可只考虑力电耦合效应，要获得其最大电致伸缩系数需要施加一定的压力。

该实施例中，固定套管2的两个非弹性材料区在螺母4的作用下，紧紧的套接于光纤1的两端，光纤1受拉后，套接部位的伸缩长度可忽略不计；另外，电致伸缩外壳3的轴向伸缩变形里可通过两个螺母4快速的传递至固定套管2的两个环体结构20上，从而将整个光纤1拉伸，进而使得光栅区11拉长，发生折射率的变化。

具体地，当电场强度测量传感器100处于电场环境中时，电致伸缩外壳3将会沿着其轴向长度产生伸缩，伸缩量与电致伸缩材料的电场伸长系数和电场在材料长度方向的投影相关。电致伸缩材料伸长后将会产生推力，推动螺母4往向两端移动，从而将拉力有效传递到光纤1中。环体结构20包覆的区域由于拉压刚度非常大，其变形量可忽略，绝大部分变形量将全部由光栅区11的光纤1承担，从而实现所谓的变刚度增敏，即大部分电场导致的电致伸缩变形转移到光纤1中很小一部分的光栅区11。其增敏系数与金属细管长度、光栅区11长度、电致伸缩套管长度有关。

该实施例中的电场强度测量传感器100的测量准确度高，螺母4和整体式结构的固定套管2对光纤1的夹紧效果更好，传递到光纤1的应变力更敏感，能够最大程度的避免测量过程中噪音的干扰，灵敏度和准确度更高。

单纤多点测量的电场强度测量装置实施例：

本发明还提供一种单纤多点测量的电场强度测量装置，包括多个本发明中的所述的电场强度测量传感器100，多个所述电场强度测量传感器100彼此间隔预设距离设置。

其中，多个所述电场强度测量传感器100的光纤1依次连接，形成共用光纤1。

若已知电场方向，如通电螺线管中心，将该实施例中的单纤多点测量的电场强度测量装置平行电场方向放置，标定后能够直接测量电场大小。

光纤1光栅体积小，灵敏度高，深低温强电电场干扰时仍能有效测量应力和温度，既可作为传感元件，也可作为弹性元件，可大大简化各种类型传感器的结构设计，有利于小型化。单根光纤1上可设置多达上百个光栅，大大简化测量线路的布置，节约大量空间。尤其在复杂的大型超导电体结构中，光纤1光栅的上述测量特点带来了无与伦比的优势。

用于未知电场方向的电场强度测量装置300实施例：

如图3所示，本发明还提供一种用于未知电场方向的电场强度测量装置300，该用于未知电场方向的电场强度测量装置300包括基座200和上述的电场强度测量传感器100。其中，三个所述电场强度测量传感器100的延伸方向彼此垂直设置。

若电场方向未知，则本发明中的三传电场强度测量传感器100进行组合，通过组合结构进行测量。通过对电场在空间相互垂直的三个方向分量大小的测量来确定其大小和方向。

光纤1光栅体积小，灵敏度高，深低温强电电场干扰时仍能有效测量应力和温度，既可作为传感元件，也可作为弹性元件，可大大简化各种类型传感器的结构设计，有利于小型化。单根光纤1上可设置多达上百个光栅，大大简化测量线路的布置，节约大量空间。尤其在复杂的大型超导电体结构中，光纤1光栅的上述测量特点带来了无与伦比的优势。

通过该实施例中的用于未知电场方向的电场强度测量装置300，可以对空间中任一未知电场方向的电场进行电场强度测量，并能够准确得出测量竖直。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种电场强度测量传感器，其特征在于，包括：

光纤，其上设有光栅区；

固定套管，套接于所述光纤上；

电致伸缩外壳，套接于所述固定套管上；

其中，所述光栅区包覆于所述电致伸缩外壳内，该电场传感器置于电场中时，所述电致伸缩外壳发生应变，并经所述固定套管将应变力传输至所述光纤上，带动所述光栅区发生应变使得所述光栅区伸长，从而使得所述光栅区发生折射率的变化，并通过折射率的变化测出电场强度。

2.根据权利要求1所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述固定套管与所述光纤之间设有粘结剂，所述固定套管与所述光纤经所述粘结剂粘连。

3.根据权利要求1所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述光纤的表面设有聚合物涂覆层，用于加强光纤的抗拉能力。

4.根据权利要求1所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述固定套管为分体式结构，包括第一套管和第二套管，所述第一套管和第二套管彼此间隔预设距离地设于所述电致伸缩外壳的两端头上。

5.根据权利要求4所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述第一套管和第二套管相对的两个端面以及所述电致伸缩外壳之间形成容纳腔，用于容纳所述光栅区，所述光栅区位于所述容纳腔内。

6.根据权利要求4所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述第一套管和第二套管彼此远离的一端分别伸出所述电致伸缩外壳。

7.根据权利要求1所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述固定套管为整体式结构，所述固定套管的两端分别伸出所述电致伸缩外壳形成外伸端头，两个所述外伸端头上分别旋拧有螺母，两个所述螺母相对的端面分别挤压于所述电致伸缩外壳的外端面上。

8.根据权利要求7所述的电场强度测量传感器，其特征在于，所述光栅区位于所述固定套管内，

并且，所述光栅区的长度为所述电致伸缩外壳的长度的1/4-1/3。

9.一种单纤多点测量的电场强度测量装置，其特征在于，包括多个如权利要求1-8任一项所述的电场强度测量传感器，多个所述电场强度测量传感器彼此间隔预设距离设置；

其中，多个所述电场强度测量传感器的光纤依次连接，形成共用光纤。

10.一种用于未知电场方向的电场强度测量装置，其特征在于，包括：

基座；

三个如1至8任一项所述的电场强度测量传感器，三个所述电场强度测量传感器的延伸方向彼此垂直设置。