基于支架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
【專利摘要】一種光電測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】的基于支架式光纖光柵的高壓電場(chǎng)精確測(cè)量方法及裝置，通過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，然后通過以與復(fù)合壓電材料相垂直的方式固定兩根光纖光柵，且光纖光柵與復(fù)合壓電材料為點(diǎn)接觸，最后通過檢測(cè)兩根光纖光柵的長(zhǎng)度變化，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。
【專利說明】基于支架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】的裝置，具體是一種基于支架式光纖光柵及壓電材料的面向高壓電場(chǎng)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)過對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN10316387A，公開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)專利文獻(xiàn)號(hào)CN1419129A公開了一種光電測(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，提出一種基于支架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)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種高壓電場(chǎng)的精確測(cè)量方法，通過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，然后通過以與復(fù)合壓電材料相垂直的方式固定兩根光纖光柵，且光纖光柵與復(fù)合壓電材料為點(diǎn)接觸，最后通過檢測(cè)兩根光纖光柵的長(zhǎng)度變化，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]本發(fā)明涉及實(shí)現(xiàn)上述方法的高壓電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，包括:電場(chǎng)感應(yīng)裝置、依次通過光纖串聯(lián)的寬帶光源、兩個(gè)并聯(lián)或串聯(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)I禹合器，其中:電場(chǎng)感應(yīng)裝置由支架、復(fù)合壓電材料以及與之相垂直的兩根光纖光柵組成，兩個(gè)環(huán)形器分別與對(duì)應(yīng)的光纖光柵相連。
[0011]所述的電場(chǎng)感應(yīng)裝置中:c字形結(jié)構(gòu)的支架以及垂直設(shè)置于支架中部的復(fù)合壓電材料，第一光纖光柵固定于復(fù)合壓電材料和支架的一個(gè)端腳之間，第二光纖光柵固定于復(fù)合材料和支架的另一個(gè)端腳之間，兩根光纖光柵的一端各自與所述環(huán)形器相連。
[0012]所述的光纖光柵與環(huán)行器之間的連接為光路連接；光纖光柵分別與支架和復(fù)合壓電材料之間的連接為機(jī)械固定連接。
[0013]所述的光纖光柵的反射譜部分重疊。
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，沒有電氣元件，能準(zhǔn)確地測(cè)量實(shí)際電場(chǎng)，沒有高壓擊穿和觸電的危險(xiǎn)。
[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)變化來測(cè)量，大大提高了測(cè)量精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為實(shí)施例中電場(chǎng)感應(yīng)裝置示意圖；
[0019]圖2為圖1所示的電場(chǎng)感應(yīng)裝置在探測(cè)到電場(chǎng)存在時(shí)的示意圖；
[0020]圖3為圖2中電場(chǎng)感應(yīng)裝置的簡(jiǎn)化示意圖；
[0021]圖4為實(shí)施例中解調(diào)系統(tǒng)示意圖；
[0022]圖中:1第一光纖光柵、2第二光纖光柵、3復(fù)合壓電材料、4支架、5寬帶光源、6、7光纖、8第一環(huán)形器、9第二環(huán)形器、10耦合器、11光電探測(cè)器。
[0023]圖5為實(shí)施例中反射率與兩個(gè)光纖光柵光譜關(guān)系的不意圖；
[0024]圖中:a為反射率與兩個(gè)光纖光柵光譜關(guān)系；b為在外加電場(chǎng)作用下,光纖光柵中心波長(zhǎng)差增加，使得總反射率隨之增加的示意圖；
[0025]圖6為實(shí)施例中另一種解調(diào)系統(tǒng)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，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
[0027]如圖4和圖1所示，本實(shí)施例通過將壓電材料的變形經(jīng)過機(jī)械放大后再施加到光纖光柵上，該裝置包括:電場(chǎng)感應(yīng)裝置1、2、3、4、依次通過光纖串聯(lián)的寬帶光源5、兩個(gè)并聯(lián)的環(huán)形器8、9以及光電探測(cè)器11，并聯(lián)的環(huán)形器8、9的兩側(cè)各設(shè)有一個(gè)耦合器10，其中:電場(chǎng)感應(yīng)裝置由支架4、復(fù)合壓電材料3以及與之相垂直的兩根光纖光柵1、2組成，第一和第二環(huán)形器8、9分別與對(duì)應(yīng)的第一和第二光纖光柵1、2相連。
[0028]如圖1所示，所述的電場(chǎng)感應(yīng)裝置中:C字形結(jié)構(gòu)的支架4以及垂直設(shè)置于支架中部的復(fù)合壓電材料3,第一光纖光柵I固定于復(fù)合壓電材料3和支架4的一個(gè)端腳之間,第二光纖光柵2固定于復(fù)合材料3和支架4的另一個(gè)端腳之間,兩根光纖光柵1、2的一端各自與所述環(huán)形器8、9相連。 [0029]本實(shí)施例中的光纖光柵米用光纖布拉格光柵，兩根光纖布拉格光柵的反射譜部分重疊。
[0030]如圖2所示，當(dāng)感測(cè)到電場(chǎng)時(shí)，壓電材料復(fù)合體發(fā)生彎曲形變，使得兩條光纖光柵分別被拉伸和壓縮，即產(chǎn)生應(yīng)變差。
[0031]如圖2和3所示，壓電結(jié)構(gòu)體在外加電場(chǎng)作用下彎曲的曲率半徑取決于電場(chǎng)的強(qiáng)度，可知壓電結(jié)構(gòu)體的長(zhǎng)度越大，光纖光柵的固定端距離越小，則應(yīng)變的放大倍數(shù)越大。兩條厚度為d的壓電陶瓷的形變放大示意圖(左)及其簡(jiǎn)化圖(右)，圖中:
+其中:L為壓電陶瓷長(zhǎng)度，Δ為單個(gè)壓電陶瓷伸縮量，d為壓
電陶瓷厚度，R為形變后的曲率半徑，θ為形變后兩塊壓電陶瓷組成圓弧的圓心角，Qd =Δ。
[0032]如圖4所示，本裝置通過以下方式進(jìn)行電場(chǎng)的精密測(cè)量:當(dāng)寬帶光源5發(fā)出的光依次經(jīng)過第一環(huán)形器9、兩根光纖光柵1、2、第二環(huán)形器9進(jìn)入光電探測(cè)器11，光電探測(cè)器11測(cè)量到的是兩根光纖光柵1、2反射功率之和。

2 2
[0033]當(dāng)有應(yīng)變差為:Δε=2三=A 其中:S=R-RcoS 6 = 2/? (sin 2) = L。ZW/2，根據(jù)上
WW22
述模型可見:調(diào)整w(壓電材料和支架之間的距離)大小可以改變應(yīng)變差的大小，即實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度的調(diào)整，如圖2中w’和w"分別為發(fā)生變形后壓電材料和支架之間的距離，如圖5所
/Jn ο
[0034]對(duì)應(yīng)的光纖光柵中心波長(zhǎng)差ΔλβΚΙ-Ρ〕!^，因?yàn)橛笑?d = Λ = d31U，d31為壓電材料
的壓電系數(shù)，因此 Θ = d31U/d，并且 Λ λ B = (1- P) Ld31U λ B//dff) ο
[0035]故在加lOOOV/m 的電場(chǎng)且 L = 2w 時(shí):Λ λ B = 4.4Χ l(T13m。
[0036]如圖6所示,為另一種串聯(lián)結(jié)構(gòu)的解調(diào)系統(tǒng),包括:電場(chǎng)感應(yīng)裝置1、2、3、4、依次通過光纖串聯(lián)的寬帶光源5、兩個(gè)串聯(lián)的環(huán)形器8、9以及光電探測(cè)器11，其中:第一和第二環(huán)形器8、9分別與對(duì)應(yīng)的第一和第二光纖光柵1、2相連。
[0037]本實(shí)施例利用了壓電材料在電場(chǎng)作用下會(huì)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)在壓電材料厚度方向分量的強(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】
1.一種高壓電場(chǎng)的精確測(cè)量方法，其特征在于，通過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，然后通過以與復(fù)合壓電材料相垂直的方式固定兩根光纖光柵，且光纖光柵與復(fù)合壓電材料為點(diǎn)接觸，最后通過檢測(cè)兩根光纖光柵的長(zhǎng)度變化，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:兩條壓電材料是相同材料但是具有不同方向，或者是兩種不同的材料，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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3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。
5.一種實(shí)現(xiàn)上述任一權(quán)利要求所述方法的高壓電場(chǎng)解調(diào)系統(tǒng)，其特征在于，包括:電場(chǎng)感應(yīng)裝置、依次通過光纖串聯(lián)的寬帶光源、兩個(gè)并聯(lián)或串聯(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)裝置由支架、復(fù)合壓電材料以及與之相垂直的兩根光纖光柵組成，兩個(gè)環(huán)形器分別與對(duì)應(yīng)的光纖光柵相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓電場(chǎng)傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，所述的電場(chǎng)感應(yīng)裝置中:C字形結(jié)構(gòu)的支架以及垂直設(shè)置于支架中部的復(fù)合壓電材料，第一光纖光柵固定于復(fù)合壓電材料和支架的一個(gè)端腳之間，第二光纖光柵固定于復(fù)合材料和支架的另一個(gè)端腳之間，兩根光纖光柵的一端各自與所述環(huán)形器相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓電場(chǎng)傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，所述的光纖光柵與環(huán)行器之間的連接為光路連接；光纖光柵分別與支架和復(fù)合壓電材料之間的連接為機(jī)械固定連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓電場(chǎng)傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，所述的光纖光柵的反射譜部分重疊。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓電場(chǎng)傳感器解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，通過調(diào)整壓電材料和支架之間的垂直距離以改變應(yīng)變差的大小，即實(shí)現(xiàn)對(duì)所述傳感器靈敏度的調(diào)整。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的解調(diào)系統(tǒng)，其特征是，當(dāng)壓電材料長(zhǎng)度L為壓電材料和支架之間的距離w的兩倍時(shí)，每增加1000V/m電場(chǎng)時(shí)，光纖光柵中心波長(zhǎng)差Λ λ B = 4.4Χ 10_13m。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK104020360SQ201410300570
【公開日】2014年9月3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)