基于非垂直式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種光電測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】的基于非垂直式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法及裝置，通過(guò)將兩條相互貼合制成的復(fù)合壓電材料置于電場(chǎng)中，且壓電材料的厚度方向與待測(cè)電場(chǎng)方向一致，然后通過(guò)以與復(fù)合壓電材料相平行方式固定兩根光纖光柵，最后通過(guò)檢測(cè)兩根光纖光柵應(yīng)變差的變化，計(jì)算得到由電場(chǎng)導(dǎo)致的復(fù)合壓電材料的形變差，并進(jìn)而獲得精確的電場(chǎng)強(qiáng)度和方向。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)光學(xué)電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路調(diào)整困難，光學(xué)元件分散不易組裝和攜帶等困難，簡(jiǎn)化了加工工藝，降低了成本，提高了測(cè)量精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于非垂直式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種光電測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】的方法及裝置，具體是一種基于轉(zhuǎn)臂式光 纖光柵及壓電材料的面向高壓電場(chǎng)的精確測(cè)量方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的電學(xué)傳感器的傳感探頭是基于電子器件制成的，在測(cè)量高壓電場(chǎng)時(shí)，存在 擊穿觸電的風(fēng)險(xiǎn)，而且，傳感器中導(dǎo)體的存在也對(duì)被測(cè)電場(chǎng)產(chǎn)生影響，改變了原有電場(chǎng)的分 布?；诠鈱W(xué)效應(yīng)的電場(chǎng)傳感器由于在傳感探頭部分不包含任何導(dǎo)體，從而避免了上述問(wèn) 題。光學(xué)電場(chǎng)傳感器的報(bào)道多數(shù)基于電光材料波克爾斯效應(yīng)或克爾效應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制，如楊 曉春，閻永志，《光纖電場(chǎng)傳感器溫克爾斯兀件的理論分析與設(shè)計(jì)》，壓電與聲光，1986. 4,第 二期，p. pl3 - 18,這種傳感器主要由準(zhǔn)直透鏡，起偏器，1/4波片，電光晶體，檢偏器和耦合 透鏡組成。其過(guò)程為：LED發(fā)出的光經(jīng)光纖傳送到電場(chǎng)傳感器，由準(zhǔn)直透鏡耦合入起偏器， 再由1/4波片產(chǎn)生π/2的相移，然后進(jìn)入電光晶體，在電場(chǎng)的作用下，光發(fā)生雙折射，即電 光效應(yīng)，雙折射兩光束之間的位相差與所施加的電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，然后由檢偏器檢偏，其輸 出光的光強(qiáng)度與被測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，最后由耦合透鏡將光耦合入光纖傳送到遠(yuǎn)方進(jìn)行光 電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理。傳感器的各光學(xué)兀件一般是在平面基底材料上粘接成一體。這種結(jié)構(gòu) 存在明顯的缺點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，光學(xué)元件易產(chǎn)生位移，耦合效率低，調(diào)整困難等，因此這種 結(jié)構(gòu)的傳感器穩(wěn)定性和可靠性不高。
[0003] 經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)號(hào)CN10316387A，公開(kāi)了一種基于電光 效應(yīng)的光纖電場(chǎng)傳感器，包括有機(jī)玻璃下基體和有機(jī)玻璃上基體，有機(jī)玻璃下基體上設(shè)有 凹槽，光學(xué)元件固定粘貼在凹槽內(nèi)，有機(jī)玻璃下基體和有機(jī)玻璃上基體粘貼成一體。中國(guó)專(zhuān) 利文獻(xiàn)號(hào)CN1419129A公開(kāi)了一種光電測(cè)量器件，基于電光效應(yīng)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，包括在光 路上順序放置的準(zhǔn)直透鏡、起偏器、λ/4波片、電光晶體、檢偏器和耦合透鏡，各光學(xué)元件嵌 于有機(jī)玻璃基體上、有機(jī)玻璃基體具有與嵌入的光學(xué)元件形狀和順序相匹配的凹槽，光學(xué) 元件之間以及光學(xué)元件和有機(jī)玻璃基體用光學(xué)膠粘接。
[0004] 但上述技術(shù)所采用的分離元件多、加工工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效益低，而且不能 小型化，不利于攜帶和調(diào)試，難以滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于非垂直式光纖光柵的高壓電 場(chǎng)精確測(cè)量方法及裝置，解決了傳統(tǒng)光學(xué)電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，光路調(diào)整困難，光學(xué)元件分 散不易組裝和攜帶等困難，簡(jiǎn)化了加工工藝，降低了成本，提高了測(cè)量精度。
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明涉及一種基于非垂直式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法，通過(guò)將兩條相 互貼合制成的復(fù)合壓電材料置于電場(chǎng)中，且壓電材料的厚度方向與待測(cè)電場(chǎng)方向一致，然 后通過(guò)以與復(fù)合壓電材料相平行方式固定兩根光纖光柵，最后通過(guò)檢測(cè)兩根光纖光柵的光 譜的變化，計(jì)算得到由電場(chǎng)導(dǎo)致的復(fù)合壓電材料的形變差，并進(jìn)而獲得精確的電場(chǎng)強(qiáng)度和 方向。
[0008] 所述的復(fù)合壓電材料的厚度方向是指：垂直于壓電材料貼合面的方向；選擇壓電 材料的放置方向使得當(dāng)外加電場(chǎng)方向沿著此厚度方向時(shí)，壓電材料具有最大的變形系數(shù)。 [0009] 所述的復(fù)合壓電材料中：兩條壓電材料可以是相同材料但是具有不同方向、兩種 不同的材料，或者是一個(gè)具有壓電系數(shù)而另一個(gè)不具備壓電特性，優(yōu)選為兩條壓電材料具 有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即兩條壓電材料具有相同的長(zhǎng)度、寬度和厚度相同參數(shù)，而在貼合時(shí)其 極性方向相反，即在沿厚度方向外電場(chǎng)作用下，兩條壓電材料的伸縮趨勢(shì)相反。
[0010] 所述的相平行包括：兩根光纖光柵分別設(shè)置于復(fù)合壓電材料的兩側(cè)，貼合于復(fù)合 壓電材料的表面或與復(fù)合壓電材料不相接觸。
[0011] 本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)上述方法的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，包括：貼合式或懸臂式的電場(chǎng)感應(yīng)裝 置、依次通過(guò)光纖串聯(lián)的寬帶光源、兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的光環(huán)形器以及光電探測(cè)器，并聯(lián)的環(huán) 形器的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)耦合器，其中：電場(chǎng)感應(yīng)裝置包括復(fù)合壓電材料以及與之相平行的 兩根光纖光柵，兩個(gè)環(huán)形器分別與電場(chǎng)感應(yīng)裝置中的兩個(gè)光纖光柵的一端相連。
[0012] 所述的懸臂式電場(chǎng)感應(yīng)裝置是指：兩根光纖光柵通過(guò)支架平行設(shè)置于復(fù)合壓電材 料的兩側(cè)且不相接觸。
[0013] 所述的貼合式電場(chǎng)感應(yīng)裝置是指：兩根光纖光柵直接平行貼合于復(fù)合壓電材料的 兩個(gè)表面。 技術(shù)效果
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括：
[0015] 1.抗干擾，器件完全是光路元件，沒(méi)有電氣元件，能準(zhǔn)確地測(cè)量實(shí)際電場(chǎng)。
[0016] 2.全光纖設(shè)計(jì)，不需要光路準(zhǔn)直元件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，小巧，易于操作和攜帶。
[0017] 3.利用光纖光柵的波長(zhǎng)變化來(lái)測(cè)量，大大提高了測(cè)量精度。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為貼合式電場(chǎng)感應(yīng)裝置示意圖；
[0019] 圖2為懸臂式電場(chǎng)感應(yīng)裝置示意圖；
[0020] 圖3為檢測(cè)電場(chǎng)時(shí)，復(fù)合壓電材料形變簡(jiǎn)圖；
[0021] 圖4為復(fù)合壓電材料彎曲帶動(dòng)懸臂發(fā)生位移的示意圖；
[0022] 圖5為電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)示意圖；
[0023] 圖中：1第一壓電材料、2第二壓電材料、3第一光纖光柵、4第二光纖光柵、5支架、 6寬帶光源、7第一環(huán)形器、8第二環(huán)形器、9光電探測(cè)器、10光纖。
[0024] 圖6為圖5裝置中光纖光柵的光譜示意圖；
[0025] 圖中：a為反射率與兩個(gè)光纖光柵光譜關(guān)系的示意圖；b為計(jì)算光纖光柵總反射率 與光纖光柵中心波長(zhǎng)差的理論模型示意圖，可見(jiàn)當(dāng)兩個(gè)光纖光柵的中心波長(zhǎng)差改變時(shí)，總 反射率也隨之改變；c為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中所采用的一個(gè)光纖光柵的實(shí)測(cè)光譜。
[0026] 圖7為實(shí)施例中另一種解調(diào)系統(tǒng)不意圖。
[0027] 圖8為實(shí)施例效果示意圖，圖中：橫軸是電場(chǎng)強(qiáng)度，單位是千伏/米，縱軸是探測(cè)光 功率，單位是微瓦。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 實(shí)施例1
[0029] 如圖1、圖2和圖5所示，本實(shí)施例電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)包括：電場(chǎng)感應(yīng)裝置、依次通過(guò)光 纖10串聯(lián)的寬帶光源6、兩個(gè)串聯(lián)的二環(huán)形器7、8以及光電探測(cè)器9,其中：電場(chǎng)感應(yīng)裝置 包括復(fù)合壓電材料1/2以及與之相平行的兩根光纖光柵3、4,兩個(gè)環(huán)形器7、8分別與電場(chǎng)感 應(yīng)裝置中的兩個(gè)光纖光柵3、4的一端相連。
[0030] 如圖1所示，貼合式電場(chǎng)感應(yīng)裝置中的兩根光纖光柵直接平行貼合于復(fù)合壓電材 料的上下表面，或者如圖2所示，為懸臂式電場(chǎng)感應(yīng)裝置，其中的兩根光纖光柵3、4通過(guò)支 架5平行設(shè)置于復(fù)合壓電材料1或2的兩側(cè)且不相接觸。
[0031] 當(dāng)采用兩種相同的壓電材料，或者不同的壓電材料，即帶狀壓電陶瓷1和2,且壓 電陶瓷1和2具有較大的壓電系數(shù)，則兩者的放置方向必須相反且最大壓電系數(shù)方向與待 測(cè)電場(chǎng)方向一致，沿著壓電陶瓷材料1、2的厚度方向。在外加電場(chǎng)作用下，兩塊壓電陶瓷1、 2分別會(huì)伸長(zhǎng)和縮短，使得壓電陶瓷粘合體發(fā)生彎曲，并帶動(dòng)兩個(gè)光纖光柵發(fā)生形變，通過(guò) 檢測(cè)光纖光柵的光譜變化就可以獲得待測(cè)電場(chǎng)的信息。
[0032] 如圖3和圖4所示，本實(shí)施例中壓電陶瓷1和2反向設(shè)置，使得兩片壓電陶瓷一片 伸長(zhǎng)一片壓縮，形成彎曲的效果，圖中：d為壓電陶瓷厚度，R為曲率半徑，Θ為圓心角，L為 壓電陶瓷長(zhǎng)度，Λ為單個(gè)壓電陶瓷伸縮量且0d=A，則有如下關(guān)系式： f (/? + ?)θ = L + 1.5c〇(9 _ (/? + 0.5c〇i9 = Δ°
[0033] 因?yàn)閮蓧K壓電陶瓷上下兩面伸長(zhǎng)差即光纖光柵伸長(zhǎng)差A(yù) = (R+2d) Θ -R0 = 2 Θ d =2 Λ，即形變?yōu)?倍的單個(gè)壓電陶瓷伸縮量。
[0034] 如圖 4 所示，有 昏，A2=i2sin 備。i2 備;總形變差 Λ = ; 總應(yīng)變差^2 = = ge，其中：Lz為支架長(zhǎng)度，Lt為陶瓷長(zhǎng)度；對(duì)應(yīng)的光纖光柵中心波 長(zhǎng)差 Δβ= (1-Ρ) 基于 0d = Λ =d31U，則有 ，而 ΛΒ = (l-P)Lzd31V(dLt)。
[0035] 對(duì)圖4所示結(jié)構(gòu)，當(dāng)壓電材料長(zhǎng)度L等于懸臂的總長(zhǎng)度（Li+D時(shí)，每增加1000V/ m電場(chǎng)時(shí)，且取光纖光柵的中心波長(zhǎng)為1550nm時(shí)，Λ λΒ = 2. 2X10_13m。
[0036] 本實(shí)施例采用如圖5所示的精密測(cè)量裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，寬帶光源6發(fā)出的光依次 經(jīng)過(guò)第一環(huán)形器7、第一光纖光柵3、第二環(huán)形器8、第二光纖光柵4,進(jìn)入光電探測(cè)器9。
[0037] 如圖6所示，為采用懸臂式電場(chǎng)感應(yīng)裝置得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。圖中橫軸是電場(chǎng) 強(qiáng)度，縱軸是光電探測(cè)器上的功率。
[0038] 如圖6中a所示，當(dāng)給電場(chǎng)感應(yīng)裝置施加1000V/m電場(chǎng)時(shí)，功率的變化大約在0. 02 微瓦，變化比例約為0. 02/17. 8 = 1. IX 10_3,在光譜儀上顯示的光譜圖，功率對(duì)應(yīng)的是其面 積，為方便計(jì)算，把光譜圖形近似為一個(gè)三角形，如圖6中b所示。
[0039] 假設(shè)x的初始位置為光譜寬度的一半，假設(shè)光譜寬度為w，近似三角形為 等腰三角形，底角設(shè)為α.求出圖5-4陰影部分的面積S,S=fxta nax$ = ^^; Ζ Δ 4· 兩端微分得：AS = ^Δχ;兩式相除：f=2^，得出結(jié)論：面積的變化比與x的 變化比是線性關(guān)系。并且面積變化比與功率變化比相等，因此當(dāng)取l〇〇〇V/m的變 化值，Λ S = 0. 02, S = 17. 8,專(zhuān)=l.lx 10_3;由光柵中心波長(zhǎng)差計(jì)算知Λ X，然后 2警=2x2_2x 10_13/0·5 X 1(Γ9=0.88 X ΙΟ-3,即近似認(rèn)為理論與測(cè)得的值吻合。
[0040] 該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本實(shí)施例所提出的光電探測(cè)器的性能；并且通過(guò)增大支架的旋 臂長(zhǎng)度的方式可以進(jìn)一步增大放大倍數(shù)。
[0041] 如圖7所示，為另一種結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，包括：電場(chǎng)感應(yīng)裝置、依次通過(guò)光纖 10串聯(lián)的寬帶光源6、兩個(gè)并聯(lián)的二環(huán)形器7、8以及光電探測(cè)器9,并聯(lián)的環(huán)形器7、8的兩 側(cè)各設(shè)有一個(gè)耦合器11，其中：兩個(gè)環(huán)形器7、8分別與電場(chǎng)感應(yīng)裝置中的兩個(gè)光纖光柵3、 4的一端相連。
[0042] m本實(shí)施例利用了壓電材料在電場(chǎng)作用下會(huì)沿著電場(chǎng)方向發(fā)生形變，并且形變量 的大小在一定范圍內(nèi)正比于外加電場(chǎng)的強(qiáng)度的特點(diǎn)。利用光纖技術(shù)測(cè)量壓電材料的形變 量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)的大小與方向的測(cè)量。這種電場(chǎng)傳感器探頭部分不包含任何導(dǎo)體材料， 因此不會(huì)造成對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的干擾，在測(cè)量高壓電場(chǎng)時(shí)沒(méi)有觸電和擊穿的危險(xiǎn)，并且具有體 積小、成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于安裝和調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于非垂直式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法，其特征在于，通過(guò)將兩條相 互貼合制成的復(fù)合壓電材料置于電場(chǎng)中，且壓電材料的厚度方向與待測(cè)電場(chǎng)方向一致，然 后通過(guò)以與復(fù)合壓電材料相平行方式固定兩根光纖光柵，最后通過(guò)檢測(cè)兩根光纖光柵中心 波長(zhǎng)差的變化，計(jì)算得到由電場(chǎng)導(dǎo)致的復(fù)合壓電材料的形變差，并進(jìn)而獲得精確的電場(chǎng)強(qiáng) 度和方向。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的復(fù)合壓電材料的厚度方向是指：垂直 于壓電材料貼合面的方向；選擇壓電材料的放置方向使得當(dāng)外加電場(chǎng)方向沿著此厚度方向 時(shí)，壓電材料具有最大的變形系數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的復(fù)合壓電材料中：兩條壓電材料為相 同材料但是具有不同方向，或兩種不同的材料，或一個(gè)具有壓電系數(shù)而另一個(gè)不具備壓電 特性。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的方法，其特征是，所述的復(fù)合壓電材料中：兩條壓電材料 具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即兩條壓電材料具有相同的長(zhǎng)度、寬度和厚度相同參數(shù)，而在貼合時(shí) 其極性方向相反，即在沿厚度方向外電場(chǎng)作用下，兩條壓電材料的伸縮趨勢(shì)相反。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的平行包括：兩根光纖光柵分別設(shè)置于 復(fù)合壓電材料的兩側(cè)，貼合于復(fù)合壓電材料的表面或與復(fù)合壓電材料不相接觸。
6. -種實(shí)現(xiàn)上述任一權(quán)利要求所述方法的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括：貼合式 或懸臂式的電場(chǎng)感應(yīng)裝置、依次通過(guò)光纖串聯(lián)的寬帶光源、兩個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的環(huán)形器以及 光電探測(cè)器，并聯(lián)的環(huán)形器的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)耦合器，其中：電場(chǎng)感應(yīng)裝置包括復(fù)合壓電材 料以及與之相平行的兩根光纖光柵，兩個(gè)環(huán)形器分別與電場(chǎng)感應(yīng)裝置中的兩個(gè)光纖光柵的 一端相連。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，所述的懸臂式電場(chǎng)感應(yīng)裝置是指： 兩根光纖光柵通過(guò)支架平行設(shè)置于復(fù)合壓電材料的兩側(cè)且不相接觸。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，所述的貼合式電場(chǎng)感應(yīng)裝置是指： 兩根光纖光柵直接平行貼合于復(fù)合壓電材料的上下表面。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，每加1000V/m電場(chǎng)時(shí)，所述光纖光 柵中心波長(zhǎng)差Λ λ b = 2. 2 X 10_13m。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK104049124SQ201410300550
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】劉慶文, 何祖源, 樊昕昱, 杜江兵, 張朕 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)