本發(fā)明涉及電力檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
電網(wǎng)電壓實時測量對于系統(tǒng)保護、線路故障監(jiān)測和測量具有重要的意義。電網(wǎng)常用的PT有重量大、頻帶窄、體積大等缺點。這種設(shè)備質(zhì)量偏大且體積龐大，當(dāng)不能獲取實時的監(jiān)測數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)掌控時，一旦發(fā)生故障，有爆炸的風(fēng)險，倘若發(fā)生事故，會威脅或破壞到周圍的設(shè)備和工作人員的安全。新型的以光電晶體為基礎(chǔ)的光學(xué)電壓測量系統(tǒng)中，由于電光晶體所固有的雙折射效應(yīng)，在環(huán)境溫度變化時容易引起工作點的漂移，目前的溫度補償措施還不足以消除此工作點漂移給傳感器帶來的測量精度的影響。因此，研究能夠適用于寬溫區(qū)和較寬頻段的電壓傳感器對電網(wǎng)的控制和運行尤為重要。
因此，需要一種基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的之一是提出一種基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量系統(tǒng)；本發(fā)明的目的之二是提出一種基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量方法。
本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
本發(fā)明提供的基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量系統(tǒng)，包括寬帶激光光源、電壓傳感器參考單元、電壓傳感器傳感單元、傳輸光纖、光電探測器和末端信號顯示處理系統(tǒng)；
所述寬帶激光光源輸出激光，所述激光通過傳輸光纖將光信號送入電壓傳感器參考單元的輸入端，所述電壓傳感器參考單元的輸出端與電壓傳感器傳感單元連接；所述電壓傳感器傳感單元上設(shè)置有外加電壓；所述電壓傳感器傳感單元輸出攜帶待測電壓信號信息的光強信號；所述光強信號輸入到光電探測器中；所述光電探測器將輸出的光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，所述電壓信號通過末端信號顯示處理系統(tǒng)生成所測外加電壓數(shù)值。
進一步，所述電壓傳感器參考單元包括第一光環(huán)形器、第一光柵和第一壓電陶瓷；所述電壓傳感器傳感單元包括第二光環(huán)形器、第二光柵和第二壓電陶瓷；
所述第一光柵設(shè)置于第一壓電陶瓷上；所述第一光環(huán)形器的一端通過光纖與寬帶激光光源的輸出端連接；所述第一光環(huán)形器的另一端與第一光柵連接；
所述第二光柵設(shè)置于第二壓電陶瓷上；所述第二光環(huán)形器的一端與所述第一光環(huán)形器的一端連接；所述第二光環(huán)形器的另一端與第二光柵連接；
所述第二光環(huán)形器的光輸出端與光電探測器的光輸入端連接；所述第二壓電陶瓷上施加預(yù)設(shè)電壓值；
所述第一光環(huán)形器和第二光環(huán)形器分別與光電探測器連接。
進一步，所述第一光柵或第二光柵為反射型布拉格光柵。
進一步，所述第一壓電陶瓷的兩側(cè)鍍有作為電壓輸入端口的銀電極層；第二壓電陶瓷的兩側(cè)鍍有作為電壓輸入端口的銀電極層。
進一步，所述光電探測器得到電壓傳感器傳感單元輸出的光強信號，所述光強信號公式如下：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為第一光柵的反射率，F(xiàn)2(λ)為第二光柵的反射率。
進一步，所述末端信號顯示處理系統(tǒng)按照以下公式獲得電場強度：
式中，MPD表示傳感器輸出光強；Ipeak表示寬帶激光光源的峰值功率；λB表示寬帶激光光源的波長；λ0表示寬帶光源的中心波長；R0表示光纖光柵的最大反射率；Δλ0表示第二光纖光柵GB的半峰值全脈寬；Δλ1表示第一光纖光柵GA的半峰值全脈寬(FWHM)；Δλ2表示第二光纖光柵GB的半峰值全脈寬；λ1表示第一光纖光柵GA的中心波長；ΔU為待測電壓。
本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的：
本發(fā)明提供的基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量方法，包括如下步驟：
1)寬帶激光光源輸出激光，通過傳輸光纖輸送至電壓傳感器的輸入端；
2)激光光束在電壓傳感器中經(jīng)過兩次反射，輸出攜帶待測電壓信號信息的光強信號通過傳輸光纖傳送至光電探測器；
3)所述光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；
4)末端信號顯示處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得待測電壓強度。
進一步，所述步驟3)中，所述光電探測器將獲得傳感器輸出的如下光強信號：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為光柵GA的反射率，F(xiàn)2(λ)為光柵GB的反射率。
進一步，所述步驟4)中，末端信號顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
式中，MPD表示傳感器輸出光強；Ipeak表示寬帶激光光源的峰值功率；λB表示寬帶激光光源的波長；λ0表示寬帶光源的中心波長；R0表示光纖光柵的最大反射率；Δλ0表示第二光纖光柵GB的半峰值全脈寬；Δλ1表示第一光纖光柵GA的半峰值全脈寬(FWHM)；Δλ2表示第二光纖光柵GB的半峰值全脈寬；λ1表示第一光纖光柵GA的中心波長；ΔU為待測電壓。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點：
本發(fā)明提供的基于逆壓電效應(yīng)和光纖光柵的全光路電壓測量系統(tǒng)及方法，具有無源性，抗電磁干擾能力強、響應(yīng)頻帶較寬、工頻響應(yīng)好的特點。所述寬帶激光光源輸出一定波長范圍內(nèi)的激光，通過傳輸光纖將光信號送入傳感器輸入端，輸出光強在外加電壓作用下發(fā)生變化，光電探測器將輸出光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過末端信號顯示處理系統(tǒng)，獲得所測外加電壓數(shù)值。
1.具有不需要使用昂貴解調(diào)儀器(如光譜儀)等設(shè)備，響應(yīng)頻帶遠超出光譜儀等傳統(tǒng)光柵解調(diào)設(shè)備可解調(diào)的范圍，在50Hz-20kHz內(nèi)均可進行有效的電壓響應(yīng)，且響應(yīng)速度快的特點，適合用于工程電壓測量。
2.采用光纖進行信號的傳輸，實現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的光電隔離。傳感器具有較強的抗電磁干擾能力，可適用于電磁環(huán)境較為復(fù)雜的場合。
3.通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時使用壓電系數(shù)較大的壓電陶瓷與光纖光柵配套使用，可以獲得較高靈敏度而尺寸較小的傳感器(傳感器中單個壓電陶瓷外徑20mm，內(nèi)徑15mm，厚度10mm)，對被測環(huán)境的影響很小。
4.傳感器的尺寸小，測量頻段較寬，傳輸測量信號均通過光纖完成，可實現(xiàn)遠距離測量。通過實驗室對正弦波、三角波、方波的基本測試，可與分壓器一同用于電網(wǎng)電壓測試。
本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得。
附圖說明
本發(fā)明的附圖說明如下。
圖1示出了電壓測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1為寬帶激光光源、2為傳輸光纖、3為電壓傳感器、4為光電探測器、5為信號顯示處理系統(tǒng)；01為第一光環(huán)形器、GA為第一光柵、PA為第一壓電陶瓷，02為第二光環(huán)形器、GB為第二光柵、PB為第二壓電陶瓷。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。
實施例1
如圖所示，本實施例提供的電壓測量系統(tǒng)，包括寬帶激光光源、電壓傳感器、傳輸光纖、光電探測器和末端信號顯示處理系統(tǒng)，所述寬帶激光光源輸出一定波長范圍內(nèi)的激光，通過傳輸光纖將光信號送入傳感器輸入端，輸出光強在外加電壓作用下發(fā)生變化，光電探測器將輸出光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過末端信號顯示處理系統(tǒng)，獲得所測外加電壓數(shù)值。
所述電壓傳感器包括沿光路依次設(shè)置的光環(huán)形器01、光柵GA與壓電陶瓷PA，光環(huán)形器02、光柵GB與壓電陶瓷PB。所述光柵均與相應(yīng)壓電陶瓷直接粘接，在壓電陶瓷2上施加電壓，所述光環(huán)形器01的光輸入端通過光纖與寬帶激光光源的光輸出端連接，所述光環(huán)形器02的光輸出端與光電探測器的光輸入端連接。所述光柵為反射型布拉格光柵。所述壓電陶瓷的兩側(cè)鍍有作為電壓輸入端口的銀電極層。所述光電探測器將獲得傳感器輸出的如下光強信號：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為光柵1的反射率，F(xiàn)2(λ)為光柵2的反射率。
末端信號顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
式中，ΔU為待測電壓，其余數(shù)值均可通過光柵、壓電陶瓷、寬帶激光光源制造廠商獲得。
高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：
1)寬帶激光光源輸出激光，通過傳輸光纖輸送至電壓傳感器的輸入端；
2)激光光束在電壓傳感器中經(jīng)過兩次反射，輸出攜帶待測電壓信號信息的光強信號通過傳輸光纖傳送至光電探測器；
3)所述光電探測器將光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；
4)末端信號顯示處理系統(tǒng)通過電壓信號獲得待測電壓強度。
所述步驟3)中，光電探測器將獲得傳感器輸出的如下光強信號：
上式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為光柵GA的反射率，F(xiàn)2(λ)為光柵GB的反射率。
所述步驟4)中，末端信號顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
式中，ΔU為待測電壓，其余數(shù)值均可通過光柵、壓電陶瓷、寬帶激光光源制造廠商獲得。
實施例2
參見圖1，本實施例的電壓測量系統(tǒng)包括寬帶激光光源1、傳輸光纖2、電壓傳感器3、光電探測器4和信號顯示處理系統(tǒng)5，所述寬帶激光光源1輸出一定波長范圍內(nèi)的激光，通過傳輸光纖2將光信號送入傳感器3輸入端，輸出光強在外加電壓作用下發(fā)生變化并輸入光電探測器4，光電探測器4將輸出光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過末端信號顯示處理系統(tǒng)5，獲得所測外加電壓數(shù)值。
所述電壓傳感器包括沿光路依次設(shè)置的第一光環(huán)形器01、第一光柵GA與第一壓電陶瓷PA，第二光環(huán)形器02、第二光柵GB與第二壓電陶瓷PB。所述光柵均與相應(yīng)壓電陶瓷直接粘接，所述光環(huán)形器01的光輸入端通過光纖與寬帶激光光源的光輸出端連接，所述第二光環(huán)形器02的光輸出端與光電探測器的光輸入端連接。
寬帶激光光源發(fā)出的光通過光纖傳至第一光環(huán)行器01之后進入第一光柵GA，第一光柵反射對應(yīng)于其中心波長的光，通過第一光環(huán)行器01重新進入第二光環(huán)行器02。其后，光進入第二光柵GB，與第二光柵GB相連接的第二壓電陶瓷接受外加電壓產(chǎn)生形變，進而引起第二光柵GB發(fā)生形變并產(chǎn)生中心波長的變化，從而使得輸出光強發(fā)生變化。輸出光強進入光電探測器，光電探測器將其轉(zhuǎn)化為能夠用示波器直接觀測的電壓信號。
所述光柵為布拉格反射型光柵，不同組分的壓電陶瓷具有不同的壓電系數(shù)，選擇適當(dāng)壓電系數(shù)的壓電陶瓷可以保證傳感器有較好的測量精度。
所述壓電陶瓷的兩側(cè)需鍍有電極，本例中電極為銀電極。
所述光電探測器將獲得傳感器輸出的如下光強信號：
上式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為光柵GA的反射率，F(xiàn)2(λ)為光柵GB的反射率。
末端信號顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
式中，ΔU為待測電壓，其余數(shù)值均可通過光柵、壓電陶瓷、寬帶激光光源制造廠商獲得。
本發(fā)明還提供一種上述高壓電場測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：
1)激光源輸出激光光束，通過傳輸光纖輸送至電壓傳感器的輸入端；
2)輸出光強在外加電壓作用下發(fā)生變化，通過傳輸光纖將傳感器輸出信號輸入光電探測器，光電探測器將輸出光強信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；
3)所述光電探測器將獲得傳感器輸出的如下光強信號：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強的損失比率，積分范圍下限aa和上限bb由寬帶光源所入射的激光波長范圍確定，S(λB)為寬帶光源的出射頻譜，F(xiàn)1(λ)為光柵GA的反射率，F(xiàn)2(λ)為光柵GB的反射率。
4)末端信號顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場強度：
式中，ΔU為待測電壓，其余數(shù)值均可通過光柵、壓電陶瓷、寬帶激光光源制造廠商獲得。
通過任意函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器加載電壓測試，該系統(tǒng)和方法，實際測量和擬合結(jié)果，工頻下的測試結(jié)果線性擬合度達0.99，輸出電壓信號正弦波與輸入信號正弦波在50Hz-20kHz均有較好的相符度。
最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍當(dāng)中。