CN110780104A - 一种提升逆压电光学电压传感器输出线性度的方法和装置 - Google Patents

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王婷婷
王国利
贾磊
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    • G01R15/22—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-emitting devices, e.g. LED, optocouplers

Abstract

本发明公开了一种提升输出线性度的方法及逆压电光学电压传感器，本方法利用光纤布拉格光栅耦合模理论对双光栅解调方法的输出优度进行计算，在光栅对的中心波长确定的前提下，获取折射率调制深度与光栅栅区长度匹配的最优光栅参数，同时提出了基于该方法的逆压电光学电压传感器，在逆压电光学传感器中使用参数匹配的C波段光纤光栅对。本发明具有操作简单，抗电磁干扰能力强、保证传感器温度稳定性、无需增加额外设备或成本的特点，可提高现有逆压电光学电压传感器的线性度，进而提高传感器的准确度，进一步提高逆压电光学电压传感器的应用可能性。

Description

一种提升逆压电光学电压传感器输出线性度的方法和装置
技术领域
本发明涉及电力检测技术领域，具体的，涉及一种提升逆压电光学电压传感器输出线性度的方法和装置。
背景技术
对电网中的各节点电压实行监测，可掌握电网运行状态，及时对电网故障进行预警或及时、准确地获取电网故障信息，保障电力系统的安全、高效运行。光学电压传感器由于其良好的电磁屏蔽性、与光纤的高度兼容性、数据传输的高保真度等优点，正逐步成为电网中电压检测、监测的研究热点。具有高准确度的光学电压传感器势必是电网电压监测的必备条件之一，但是现有技术中，电压传感器的线性度较低，因此需要提高电压传感器的线性度将直接提高电压传感器的准确度。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种提升输出线性度的方法，该方法利用耦合模理论获取光纤布拉格光栅的最大反射率与光栅栅区、折射率调制深度等参数的关系，耦合模理论成熟，具备较高可信度；目的之二是提供了一种逆压电光学电压传感器，具有结构简单、易于生产的优点，且该装置经过测试，所获测试结果的线性度相较于用同样栅区长度和99％最大反射率进行光栅定制所制作的逆压电光学电压传感器测试结果线性度提升了 2.6％。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种提升输出线性度的方法，所述方法具体为：选择现有的光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，所述光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B均满足以下条件：
Rmax＝tanh2(k·L)≤1；
其中，k＝pi×deltaneff/λ，L代表栅区长度，deltaneff表示折射率调制深度，λ表示光纤光栅中心波长，deltaneff∈[1.2×10-5-1.2×10-3]；
更新所述光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，另所述光纤布拉格光栅A LAL满足如下条件：
tanh2(k·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
另光纤布拉格光栅B LBL的栅区长度满足如下条件：
tanh2(k·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中：LAL为更新后的所述光纤布拉格光栅A的栅区长度；
LBL为更新后的所述光纤布拉格光栅B的栅区长度；
将更新完成的光栅对重新组合。
一种逆压电光学电压传感器，包括传感单元和参考单元，所述传感单元包括依次连接的压电陶瓷I和光栅I，所述参考单元包括依次连接的压电陶瓷II和光栅II。
进一步，所述光栅I满足如下条件：tanh2(k1·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
其中，k1＝pi×deltaneff1/λ1，LAL代表所述光栅I的栅区长度，deltaneff1表示所述光栅I的折射率调制深度，λ1表示所述光栅I的中心波长，deltaneff1∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
进一步，所述光栅II满足如下条件：tanh2(k2·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中，k2＝pi×deltaneff2/λ2，LAL代表所述光栅II的栅区长度，deltaneff2表示光栅II 的折射率调制深度，λ2表示光栅II的中心波长，deltaneff2∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
进一步，所述光栅I和光栅II均为C波段反射型布拉格光栅。
进一步，所述压电陶瓷I和压电陶瓷II的两侧均设置银电极层，作为电压输入端口。
进一步，所述压电陶瓷I和压电陶瓷II的性能参数和结构完全相同。
本发明的有益效果是：
1.利用耦合模理论获取光纤布拉格光栅的最大反射率与光栅栅区、折射率调制深度等参数的关系，耦合模理论成熟，具备较高可信度。
2.在选择光栅栅区时，选择48.7％的饱和光栅栅区值有利于两个光栅光谱叠加面积值与中心波长变化的线性关系的建立，数值48.7％来源于使得计算所得光谱叠加面积数值曲线单侧线性度较优的筛选条件。
3.利用以上光栅参数选择方法，重新制作逆压电光学电压传感器进行校验测试；所获测试结果的线性度相较于用同样栅区长度和99％最大反射率进行光栅定制所制作的逆压电光学电压传感器测试结果线性度提升了2.6％，实测方法有效。
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和权利要求书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
附图1为本方法流程图；
附图2为本发明结果测试图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提出了一种提升输出线性度的方法，如图1所示，具体为：选择现有的光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B均满足以下条件：
Rmax＝tanh2(k·L)≤1；
其中，k＝pi×deltaneff/λ，L代表栅区长度，deltaneff表示折射率调制深度，λ表示光纤光栅中心波长，deltaneff∈[1.2×10-5-1.2×10-3]；
更新所述光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，另所述光纤布拉格光栅A LAL满足如下条件：
tanh2(k·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
另光纤布拉格光栅B LBL的栅区长度满足如下条件：
tanh2(k·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中：LAL为更新后的所述光纤布拉格光栅A的栅区长度；
LBL为更新后的所述光纤布拉格光栅B的栅区长度；
将更新完成的光栅对重新组合。
本实施例还提出了一种基于上述方法的逆压电光学电压传感器，包括传感单元和参考单元，传感单元包括依次连接的压电陶瓷I和光栅I，参考单元包括依次连接的压电陶瓷II和光栅II。光栅I满足如下条件：tanh2(k1·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
其中，k1＝pi×deltaneff1/λ1，LAL代表所述光栅I的栅区长度，deltaneff1表示所述光栅I的折射率调制深度，λ1表示所述光栅I的中心波长，deltaneff1∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
光栅II满足如下条件：tanh2(k2·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中，k2＝pi×deltaneff2/λ2，LAL代表所述光栅II的栅区长度，deltaneff2表示光栅II 的折射率调制深度，λ2表示光栅II的中心波长，deltaneff2∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
光栅I和光栅II均为C波段反射型布拉格光栅；压电陶瓷I和压电陶瓷II的两侧均设置银电极层，作为电压输入端口；压电陶瓷I和压电陶瓷II的性能参数和结构完全相同。
实施例2
已有逆压电光学电压传感器中的光栅对参数为中心波长为A＝1549.767nm，B＝1549.839nm，折射率调制深度A1为6.873×10-5，B1为7.104×10-5，栅区长度均为15mm。对其所制作的光栅传感器进行50Hz电压输出特性测试，测试结果及线性拟合结果如图中红色圆点及红色虚线所示。
设定光纤布拉格光栅中心波长分别为A1＝1549.767nm，B1＝1549.839nm，折射率调制深度 A1为6.873×10-5，B1为7.104×10-5，代入下式：
Rmax＝tanh2((π×6.873×10-5/1549.767)·LA1s)＝0.99
Rmax＝tanh2((π×7.104×10-5/1549.839)·LB1s)＝0.99
进一步，对LA1s，LB1s乘以步骤中48.7％的倍数，解之得LA1＝10.47mm， LB1＝10.13mm
利用计算所得的光纤光栅参数进行定制，获取相关参数最为接近的光纤光栅，重新进行逆压电光学电压传感器的制作、校验测试，测试结果及线性拟合结果如图2所示。
图2中，对应拟合曲线的拟合率已分别在虚线图例后标注。使用上述方案对逆压电光学电压传感器中光栅参数进行匹配计算，所获得的逆压电光学电压传感器输出线性度提升2.6％，直接提高了传感器的准确度。
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权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种提升输出线性度的方法，其特征在于：
所述方法具体为：选择现有的光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，所述光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B均满足以下条件：
Rmax＝tanh2(k·L)≤1；
其中，k＝pi×deltaneff/λ，L代表栅区长度，deltaneff表示折射率调制深度，λ表示光纤光栅中心波长，deltaneff∈[1.2×10-5-1.2×10-3]；
更新所述光纤布拉格光栅A和光纤布拉格光栅B，另所述光纤布拉格光栅A LAL满足如下条件：
tanh2(k·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
另光纤布拉格光栅B LBL的栅区长度满足如下条件：
tanh2(k·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中：LAL为更新后的所述光纤布拉格光栅A的栅区长度；
LBL为更新后的所述光纤布拉格光栅B的栅区长度；
将更新完成的光栅对重新组合。
2.基于权利要求1所述的一种提升输出线性度的方法的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：包括传感单元和参考单元，所述传感单元包括依次连接的压电陶瓷I和光栅I，所述参考单元包括依次连接的压电陶瓷II和光栅II。
3.根据权利要求2所述的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：所述光栅I满足如下条件：tanh2(k1·LALS)＝0.99；
LAL＝0.487LALS；
其中，k1＝pi×deltaneff1/λ1，LAL代表所述光栅I的栅区长度，deltaneff1表示所述光栅I的折射率调制深度，λ1表示所述光栅I的中心波长，deltaneff1∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
4.根据权利要求3所述的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：所述光栅II满足如下条件：tanh2(k2·LBLS)＝0.99；
LBL＝0.487LBLS；
其中，k2＝pi×deltaneff2/λ2，LAL代表所述光栅II的栅区长度，deltaneff2表示光栅II的折射率调制深度，λ2表示光栅II的中心波长，deltaneff2∈[1.2×10-5-1.2×10-3]。
5.根据权利要求4所述的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：所述光栅I和光栅II均为C波段反射型布拉格光栅。
6.根据权利要求2所述的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：所述压电陶瓷I和压电陶瓷II的两侧均设置银电极层，作为电压输入端口。
7.根据权利要求4所述的一种逆压电光学电压传感器，其特征在于：所述压电陶瓷I和压电陶瓷II的性能参数和结构完全相同。
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