RU2539114C1 - Волоконно-оптический измеритель напряжения - Google Patents
Волоконно-оптический измеритель напряжения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2539114C1 RU2539114C1 RU2013134406/28A RU2013134406A RU2539114C1 RU 2539114 C1 RU2539114 C1 RU 2539114C1 RU 2013134406/28 A RU2013134406/28 A RU 2013134406/28A RU 2013134406 A RU2013134406 A RU 2013134406A RU 2539114 C1 RU2539114 C1 RU 2539114C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coupler
- optical
- port
- optic
- photodetectors
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к измерениям высоких напряжений с помощью оптических средств. Измеритель содержит чувствительный элемент в виде пары идентичных пьезокристаллических цилиндров, соединенных торцами так, что электрические оси Е их пьезокристаллов соосны и направлены встречно. Каждый цилиндр обмотан одномодовым оптоволокном. Оптоволокна оптически связаны в интерферометр Майкельсона с помощью направленного оптического ответвителя, выполненного по схеме три на три. Каждое оптоволокно подсоединено одним своим торцом к порту ответвителя. На других, свободных торцах оптоволокон установлены зеркала Фарадея. Источник лазерного излучения через циркулятор оптически подключен к порту ответвителя. К портам ответвителя подключены фотоприемники. К третьему фотоприемнику подведен однонаправленный выход циркулятора. Выходы фотоприемников подключены через блок аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку цифровой обработки. Датчик температуры, размещаемый в непосредственной близости от чувствительного элемента, содержит приемопередающий лазерный модуль. Передающий порт и приемный порт модуля через ответвитель, выполненный по схеме два на два, оптически соединены с катушкой оптоволокона, в торце которого установлено отражающее зеркало. Свободный порт ответвителя заглушен отражателем. Технический результат изобретения - повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к измерениям высоких напряжений с помощью оптических средств.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны оптические измерители напряжения (оптические датчики напряжения, оптические измерительные трансформаторы), использующие эффект Поккельса [RU 71441 U1].
Общий недостаток таких измерителей - необходимость использования дорогостоящих оптических и волоконно-оптических элементов: электрооптических кристаллов большого размера, анизотропных оптических волокон и других анизотропных оптических элементов. Оптическое излучение приходится выводить из волоконной линии, пропускать через электрооптические кристаллы и затем возвращать обратно в волоконную линию. Из-за большой длины оптического пути вне волоконной линии (несколько десятков см) возникают повышенные требования к стабильности оптической системы сопряжения оптоволоконной линии и электрооптических кристаллов. Это приводит к высокой себестоимости датчиков и их температурной нестабильности.
Известен выбранный в качестве прототипа оптический измеритель напряжения, использующий обратный пьезоэффект - деформацию пьезокристаллов под воздействием электрического поля [Fiber-optic voltage sensor for SF6 gas-insulated high-voltage switchgear. APPLIED OPTICS / vol.38, №10 / April 1999].
Прототип содержит чувствительный элемент в виде оптоволокна, намотанного на кварцевый цилиндр, изменяющий свой диаметр и соответственно длину намотанного оптоволокна под воздействием электрического поля, прикладываемого к торцам кварцевого цилиндра.
В прототипе оптическое волокно поддерживает две распространяющиеся моды. При изменении длины волокна пропорционально изменяется разность оптических путей волоконных мод, которая в прототипе измеряется методом низкокогерентной тандемной интерферометрии с помощью интерферометра, снабженного фазовым модулятором.
Недостаток прототипа состоит в относительной малости регистрируемого эффекта: изменение разности оптических путей волоконных мод много меньше изменения длины самого волокна. Это может приводить к ограничениям по чувствительности и динамическому диапазону. Используемое в прототипе восстановление интерференционной фазы, основанное на низкокогерентной тандемной интерферометрии с фазовой модуляцией, приводит к дополнительному ограничению чувствительности из-за того, что видность интерференционной картины при этом не может быть выше 50%.
Еще одним недостатком прототипа является значительная погрешность измерений, поскольку изменение линейных размеров кварцевого цилиндра, обусловленное изменениями температуры, также приводит к изменению разности оптических путей волоконных мод. Эта погрешность будет особенно заметна при измерении постоянных напряжений.
Технический результат изобретения - повышение точности измерения, обусловленное увеличением диапазона изменения интерференционной фазы на несколько порядков, увеличением видности интерференционной картины до 100%, снижением чувствительности к акустическим шумам и колебаниям температуры.
Предметом изобретения является оптический измеритель напряжения, содержащий чувствительный элемент в виде, по меньшей мере, одной пары идентичных пьезокристаллических цилиндров, соединенных торцами так, что электрические оси их пьезокристаллов соосны и направлены встречно, при этом каждый цилиндр обмотан одномодовыми оптоволокнами, на свободных торцах которых установлены зеркала Фарадея, оптоволокна введены в плечи интерферометра Майкельсона с помощью волоконно-оптического ответвителя три на три, к портам которого оптически подключены первый и второй фотоприемники излучений, отраженных зеркалами Фарадея, источник лазерного излучения с циркулятором, отвод которого подведен к третьему фотоприемнику, при этом фотоприемники подключены через блок аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку цифровой обработки, выполненному с возможностью вычисления интерференционного сдвига фазы, пропорционального измеряемому напряжению, по величинам интенсивности излучения на выходах фотоприемников и значениям вносимых оптическим ответвителем фазовых сдвигов интерференционных сигналов.
Предложенное решение имеет развитие, состоящее в том, что измеритель снабжен оптическим датчиком температуры чувствительного элемента, при этом датчик температуры подключен выходом к блоку аналого-цифрового преобразования и содержит приемопередающий лазерный модуль, порты которого через ответвитель два на два оптически соединены с катушкой оптоволокона, снабженной отражающим зеркалом.
Это позволяет дополнительно повысить термературную стабильность измерения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ С УЧЕТОМ ЕГО РАЗВИТИЯ
На фиг.1 приведена схема заявляемого измерителя, снабженного оптическим датчиком температуры.
На схеме показаны чувствительный элемент 1 в виде пары идентичных пьезокристаллических цилиндров 2 и 3, соединенных торцами так, что электрические оси Е их пьезокристаллов соосны и направлены встречно.
Каждый цилиндр 2 и 3 обмотан одномодовыми оптоволокнами 4 и 5 соответственно. Оптоволокна 4 и 5 оптически связаны в интерферометр Майкельсона с помощью направленного оптического ответвителя 6, выполненного по схеме три на три. Каждое оптоволокно 4 и 5 подсоединено одним своим торцом к порту 7 и 8 ответвителя 6 соответственно. На других, свободных торцах оптоволокон 4 и 5 установлены зеркала Фарадея 9 и 10 соответственно.
Источник 11 лазерного излучения через циркулятор 12 оптически подключен к порту 13 ответвителя 6, К портам 14 и 15 ответвителя 6 подключены фотоприемники 16 и 17 соответственно. К третьему фотоприемнику 18 подведен однонаправленный выход циркулятора 12. Свободный порт ответвителя 6 заглушен отражателем 19.
Выходы фотоприемников 16-18 подключены через блок 20 аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку 21 цифровой обработки. Блок 21 выполнен с возможностью вычисления интерференционного сдвига фазы, пропорционального измеряемому напряжению, по величинам интенсивности излучения на выходах фотоприемников 16-18 и значениям вносимых направленным ответвителем 6 фазовых сдвигов интерференционных сигналов.
Схема датчика температуры, размещаемого в непосредственной близости от чувствительного элемента 1, содержит приемопередающий лазерный модуль 22. Передающий порт 23 и приемный порт 24 модуля 22 через ответвитель 25, выполненный по схеме два на два, оптически соединены с катушкой оптоволокона 26, в торце которого установлено отражающее зеркало 27. Свободный порт ответвителя 25 заглушен отражателем 28.
Устройство работает следующим образом.
Непрерывное лазерное излучение источника 11 через циркулятор 12 подается в порт 13 ответвителя 6, который делит это излучение между портами 7 и 8. Излучения, полученные в результате деления, проходят оптоволокна 4 и 5 и отражаются зеркалами 9 и 10.
Отраженные излучения возвращаются через волокна 4 и 5 в направленный ответвитель 6, который через порты 14 и 15 подает их на фотоприемники 16 и 17 соответственно. Циркулятор 12 препятствует поступлению отраженных излучений на источник 11 и направляет излучение, выходящее из порта 13 ответвителя 6, на фотоприемник 18.
При наличии измеряемого напряжения U между внешними торцами кварцевых цилиндров 2 и 3 их диаметры модулируются напряжением (за счет обратного пьезоэффекта) в противофазе (за счет встречной направленности их электрических осей Е). Соответственно изменениям диаметров изменяются длины намотанных на цилиндры 2 и 3 оптоволокон 4 и 5, по которым проходит прямое и отраженное лазерное излучение. Намотка должна быть выполнена с обеспечением механического контакта оптоволокон 4, 5 с цилиндрами 2, 3.
Поскольку при предложенном включении пьезоцилиндров измеряемое напряжение модулирует разность хода в плечах интерферометра в противофазе, а температурные изменения разности хода в интерферометре равны нулю (оптическая длина плеч изменяется одинаково в диапазоне температур), повышается температурная стабильность измерений.
В ответвителе 6 излучения отраженные зеркалами 9 и 10 и дважды прошедшие волокна 4 и 5 смешиваются и затем попадают на фотоприемники 16-18. Разница в длинах плеч интерферометра Майкельсона, образованных волокнами 4 и 5, через которые проходят смешиваемые излучения, создает фазовый сдвиг между их волнами, линейно зависящий от этой разницы длин и обусловливающий вид электрических интерференционных сигналов, формируемых фотоприемниками 16-18 в соответствии с нижеприведенной формулой (1).
Ответвитель 6 обеспечивает постоянные фазовые сдвиги, близкие к 120°, между тремя интерференционными сигналами на выходах фотоприемников 16-18. Эти сигналы поступают на входы блока 20, с выхода которого оцифрованные сигналы поступают в программируемый блок 21 цифровой обработки, где с помощью соответствующего программного обеспечения рассчитываются значения измеряемого напряжения.
Эти расчеты базируются на том, что интенсивность Р излучения на каждом из трех фотоприемников определяется интерференционным фазовым сдвигом в соответствии с зависимостью
где i - номер фотоприемника, λ - длина волны лазера 11, U - приложенное напряжение, α≈5×10-4 (мкм×рад.)/В - калибровочная константа датчика, l0 - разность плеч интерферометра, не зависящая от напряжения, φ2=0, φ1≈120°, φ3≈-120°.
Постоянные фазовые сдвиги φ1, φ2 и φ3 для соответствующих фотоприемников обеспечиваются ответвителем 6. Благодаря этим фазовым сдвигам интерференционные сигналы (1) можно рассматривать как проекции аналитического сигнала
на три оси, расположенные под углом ≈120° друг к другу на комплексной плоскости, что дает возможность однозначного восстановления аналитического сигнала
и определения интерференционного фазового сдвига
, зависящего от разности длин оптоволокон 4 и 5.
Калибровочная константа α зависит от температуры. Для учета этой зависимости при расчете U измеритель напряжения снабжен оптическим датчиком температуры.
В качестве термочувствительного элемента в оптическом датчике температуры используется катушка оптоволокна 26.
Датчик температуры работает следующим образом.
Импульс лазерного излучения из порта 23 приемопередающего модуля 22 проходит на первый порт 29 ответвителя 25, который делит его на два импульса. Один из этих импульсов возвращается отражателем 28 и, вторично пройдя через ответвитель 25, попадает через его порт 30 в приемный порт 24 модуля 22. Второй из этих импульсов выходит из порта 31 ответвителя 25, проходит по отрезку оптоволокна 26, отражается от зеркала 27, вновь проходит через оптоволокно 26, возвращается в ответвитель 25 и через порт 30 также поступает в порт 24 модуля 22. Таким образом, на приемный порт 24 модуля 22 приходит два импульса, временная задержка между которыми определяется длиной катушки оптоволокна 26, выполняющего функцию линии задержки с известной зависимостью времени задержки от температуры.
Конструктивно чувствительный элемент 1 измерителя напряжения и катушка оптоволокна 26 располагаются так, чтобы их температуры практически совпадали.
Устранение недостатка прототипа и указанный выше технический результат (повышение точности измерения) достигаются благодаря тому, что в предлагаемом волоконно-оптическом измерителе пьезоэффект в обоих плечах интерферометра суммируется, а акустические шумы и температурные изменения длин оптических плеч вычитаются. Это обеспечивается использованием схемы интерферометра Майкельсона с ответвителем три на три, фарадеевскими зеркалами и когерентным источником света (лазером), а также встречной ориентацией электрических осей пьезокристаллических цилиндров, включаемых в разные плечи интерферометра Майкельсона.
Claims (2)
1. Оптический измеритель напряжения, содержащий чувствительный элемент в виде, по меньшей мере, одной пары идентичных пьезокристаллических цилиндров, соединенных торцами так, что электрические оси их пьезокристаллов соосны и направлены встречно, при этом каждый цилиндр обмотан одномодовым оптоволокном, на свободном торце которого установлено зеркало Фарадея, оптоволокна введены в плечи интерферометра Майкельсона с помощью оптического ответвителя три на три, к портам которого оптически подключены первый и второй фотоприемники излучений, отраженных зеркалами Фарадея, источник лазерного излучения с циркулятором, отвод которого подведен к третьему фотоприемнику, при этом фотоприемники подключены через блок аналого-цифрового преобразования к программируемому блоку цифровой обработки, выполненному с возможностью вычисления интерференционного сдвига фазы, пропорционального измеряемому напряжению, по величинам интенсивности излучения на выходах фотоприемников и значениям вносимых оптическим ответвителем фазовых сдвигов интерференционных сигналов.
2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен оптическим датчиком температуры чувствительного элемента, при этом датчик температуры подключен выходом к блоку аналого-цифрового преобразования и содержит приемопередающий лазерный модуль, порты которого через ответвитель два на два оптически соединены с катушкой оптоволокона, снабженной отражающим зеркалом.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013134406/28A RU2539114C1 (ru) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | Волоконно-оптический измеритель напряжения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013134406/28A RU2539114C1 (ru) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | Волоконно-оптический измеритель напряжения |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2539114C1 true RU2539114C1 (ru) | 2015-01-10 |
RU2013134406A RU2013134406A (ru) | 2015-01-27 |
Family
ID=53281235
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013134406/28A RU2539114C1 (ru) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | Волоконно-оптический измеритель напряжения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2539114C1 (ru) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2579541C1 (ru) * | 2015-02-25 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Измеритель напряжения на основе эффекта поккельса |
RU2741270C1 (ru) * | 2020-06-08 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационный центр "Институт развития исследований, разработок и трансферта технологий" | Волоконно-оптический кольцевой датчик акустической эмиссии |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2032181C1 (ru) * | 1991-02-05 | 1995-03-27 | Киселев Владимир Васильевич | Волоконно-оптический измеритель напряженности электрического поля и напряжения |
US20100027940A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Carmi Shapiro | Method and System for Coupling Multimode Optical Fiber to an Optical Detector |
RU111679U1 (ru) * | 2011-05-20 | 2011-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" | Устройство измерения напряженности электрического поля |
RU2451941C1 (ru) * | 2010-12-27 | 2012-05-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") | Волоконно-оптический измерительный преобразователь тока |
-
2013
- 2013-07-23 RU RU2013134406/28A patent/RU2539114C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2032181C1 (ru) * | 1991-02-05 | 1995-03-27 | Киселев Владимир Васильевич | Волоконно-оптический измеритель напряженности электрического поля и напряжения |
US20100027940A1 (en) * | 2008-07-30 | 2010-02-04 | Carmi Shapiro | Method and System for Coupling Multimode Optical Fiber to an Optical Detector |
RU2451941C1 (ru) * | 2010-12-27 | 2012-05-27 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения" (ОАО "НИИ ОЭП") | Волоконно-оптический измерительный преобразователь тока |
RU111679U1 (ru) * | 2011-05-20 | 2011-12-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" | Устройство измерения напряженности электрического поля |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2579541C1 (ru) * | 2015-02-25 | 2016-04-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Измеритель напряжения на основе эффекта поккельса |
RU2741270C1 (ru) * | 2020-06-08 | 2021-01-22 | Общество с ограниченной ответственностью Научно-инновационный центр "Институт развития исследований, разработок и трансферта технологий" | Волоконно-оптический кольцевой датчик акустической эмиссии |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013134406A (ru) | 2015-01-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CA2288746C (en) | Distributed sensing system | |
Jackson et al. | Fibre optic sensors | |
US7324714B1 (en) | Multicore fiber curvature sensor | |
WO2017087792A1 (en) | Method and apparatus for distributed sensing | |
CN100338449C (zh) | 反射型保偏光纤温度传感器 | |
He et al. | Distributed fiber-optic stress-location measurement by arbitrary shaping of optical coherence function | |
CN102564564A (zh) | 一种基于非平衡迈克尔逊光纤干涉仪的非接触微振动测量系统 | |
CN103674497B (zh) | 窄线宽激光器线宽高精度测量系统 | |
CN102564318A (zh) | 一种基于光纤复合干涉的高精度绝对位移测量系统 | |
US6285182B1 (en) | Electro-optic voltage sensor | |
Zhao et al. | Study on the performance of polarization maintaining fiber temperature sensor based on tilted fiber grating | |
Ba et al. | A high-performance and temperature-insensitive shape sensor based on DPP-BOTDA | |
CN204255613U (zh) | 一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪 | |
Wang et al. | Ultrasensitive fiber optic inclinometer based on dynamic Vernier effect using push–pull configuration | |
RU2539114C1 (ru) | Волоконно-оптический измеритель напряжения | |
CN104677596A (zh) | 一种Sagnac环形光路内嵌入非平衡Mach-Zehnder型光程扫描器的光学自相关仪 | |
CN107976300B (zh) | 一种保偏光纤拍长的测量方法 | |
CN104729750A (zh) | 一种基于布里渊散射分布式光纤温度传感器 | |
Bohnert et al. | Coherence-tuned interrogation of a remote elliptical-core, dual-mode fiber strain sensor | |
KR100810145B1 (ko) | 더블패스 마하젠더 간섭계와 광섬유 격자 센서를 이용한스트레인 측정시스템 | |
CN101592526A (zh) | 一种光平均波长的测量方法及装置 | |
CN107806981B (zh) | 一种保偏光纤拍长的测量装置 | |
RU2527308C1 (ru) | Волоконно-оптический измеритель температуры | |
Yan et al. | A micro S-shaped optical fiber temperature sensor based on dislocation fiber splice | |
Zheng | Reflectometric fiber optic frequency-modulated continuous-wave interferometric displacement sensor |