本發(fā)明涉及電力檢測(cè)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(cè)量系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
電網(wǎng)電壓實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)于系統(tǒng)保護(hù)、線路故障監(jiān)測(cè)和測(cè)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(diǎn)。這種設(shè)備質(zhì)量偏大且體積龐大，當(dāng)不能獲取實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)掌控時(shí)，一旦發(fā)生故障，有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，倘若發(fā)生事故，會(huì)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(cè)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(shí)容易引起工作點(diǎn)的漂移，目前的溫度補(bǔ)償措施還不足以消除此工作點(diǎn)漂移給傳感器帶來的測(cè)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(duì)電網(wǎng)的控制和運(yùn)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(cè)量系統(tǒng)及方法。
技術(shù)實(shí)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(cè)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(cè)量方法。
本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)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(cè)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(cè)器和末端信號(hào)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(hào)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(cè)電壓信號(hào)信息的光強(qiáng)信號(hào)；所述光強(qiáng)信號(hào)輸入到光電探測(cè)器中；所述光電探測(cè)器將輸出的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所述電壓信號(hào)通過末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)生成所測(cè)外加電壓數(shù)值。
進(jìn)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(cè)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(cè)器連接。
進(jìn)一步，所述第一光柵或第二光柵為反射型布拉格光柵。
進(jìn)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(jìn)一步，所述光電探測(cè)器得到電壓傳感器傳感單元輸出的光強(qiáng)信號(hào)，所述光強(qiáng)信號(hào)公式如下：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(jìn)一步，所述末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)按照以下公式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，MPD表示傳感器輸出光強(qiáng)；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(cè)電壓。
本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)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(cè)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(cè)電壓信號(hào)信息的光強(qiáng)信號(hào)通過傳輸光纖傳送至光電探測(cè)器；
3)所述光電探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；
4)末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)通過電壓信號(hào)獲得待測(cè)電壓強(qiáng)度。
進(jìn)一步，所述步驟3)中，所述光電探測(cè)器將獲得傳感器輸出的如下光強(qiáng)信號(hào)：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(jìn)一步，所述步驟4)中，末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，MPD表示傳感器輸出光強(qiáng)；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(cè)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(diǎn)：
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(cè)量系統(tǒng)及方法，具有無源性，抗電磁干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)頻帶較寬、工頻響應(yīng)好的特點(diǎn)。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(hào)送入傳感器輸入端，輸出光強(qiáng)在外加電壓作用下發(fā)生變化，光電探測(cè)器將輸出光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)，獲得所測(cè)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(yuǎn)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(jìn)行有效的電壓響應(yīng)，且響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，適合用于工程電壓測(cè)量。
2.采用光纖進(jìn)行信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的光電隔離。傳感器具有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，可適用于電磁環(huán)境較為復(fù)雜的場(chǎng)合。
3.通過優(yōu)化傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)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(gè)壓電陶瓷外徑20mm，內(nèi)徑15mm，厚度10mm)，對(duì)被測(cè)環(huán)境的影響很小。
4.傳感器的尺寸小，測(cè)量頻段較寬，傳輸測(cè)量信號(hào)均通過光纖完成，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)正弦波、三角波、方波的基本測(cè)試，可與分壓器一同用于電網(wǎng)電壓測(cè)試。
本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進(jìn)行闡述，并且在某種程度上，基于對(duì)下文的考察研究對(duì)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(shí)踐中得到教導(dǎo)。本發(fā)明的目標(biāo)和其他優(yōu)點(diǎn)可以通過下面的說明書來實(shí)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(cè)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(cè)器、5為信號(hào)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(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
實(shí)施例1
如圖所示，本實(shí)施例提供的電壓測(cè)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(cè)器和末端信號(hào)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(hào)送入傳感器輸入端，輸出光強(qiáng)在外加電壓作用下發(fā)生變化，光電探測(cè)器將輸出光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)，獲得所測(cè)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(cè)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(cè)器將獲得傳感器輸出的如下光強(qiáng)信號(hào)：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(hào)顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，ΔU為待測(cè)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(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(cè)電壓信號(hào)信息的光強(qiáng)信號(hào)通過傳輸光纖傳送至光電探測(cè)器；
3)所述光電探測(cè)器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；
4)末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)通過電壓信號(hào)獲得待測(cè)電壓強(qiáng)度。
所述步驟3)中，光電探測(cè)器將獲得傳感器輸出的如下光強(qiáng)信號(hào)：
上式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(hào)顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，ΔU為待測(cè)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(shí)施例2
參見圖1，本實(shí)施例的電壓測(cè)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(cè)器4和信號(hào)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(hào)送入傳感器3輸入端，輸出光強(qiáng)在外加電壓作用下發(fā)生變化并輸入光電探測(cè)器4，光電探測(cè)器4將輸出光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過末端信號(hào)顯示處理系統(tǒng)5，獲得所測(cè)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(cè)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(jìn)入第一光柵GA，第一光柵反射對(duì)應(yīng)于其中心波長的光，通過第一光環(huán)行器01重新進(jìn)入第二光環(huán)行器02。其后，光進(jìn)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(jìn)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(qiáng)發(fā)生變化。輸出光強(qiáng)進(jìn)入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將其轉(zhuǎn)化為能夠用示波器直接觀測(cè)的電壓信號(hào)。
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(cè)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(cè)器將獲得傳感器輸出的如下光強(qiáng)信號(hào)：
上式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(hào)顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，ΔU為待測(cè)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(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)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(qiáng)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(hào)輸入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器將輸出光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；
3)所述光電探測(cè)器將獲得傳感器輸出的如下光強(qiáng)信號(hào)：
式中，k是光經(jīng)過光柵反射后其光強(qiáng)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(hào)顯示處理系統(tǒng)通過下式獲得電場(chǎng)強(qiáng)度：
式中，ΔU為待測(cè)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(cè)試，該系統(tǒng)和方法，實(shí)際測(cè)量和擬合結(jié)果，工頻下的測(cè)試結(jié)果線性擬合度達(dá)0.99，輸出電壓信號(hào)正弦波與輸入信號(hào)正弦波在50Hz-20kHz均有較好的相符度。
最后說明的是，以上實(shí)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(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)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(hù)范圍當(dāng)中。