一种光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统

摘要

本发明公开了一种光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统，该光纤电压传感解调系统包括用于产生入射光源的光源发生器、与光源发生器的出光口连接的马赫曾德干涉仪、与马赫曾德干涉仪的输出口连接的光电振荡器、与光电振荡器连接的频率检测装置以及与频率检测装置连接的处理器。光电振荡器用于产生微波信号并将微波信号调制到梳状谱中形成光载微波信号，再将光载微波信号转换成二次微波信号，由频率检测装置接收二次微波信号并检测二次微波信号的频率；由处理器根据二次微波信号的频率变化量计算被测电压。本发明对加工要求低，装配简单，受装配误差影响小，从而提高了电压检测的精度。

权利要求

1.一种光纤电压传感探头，其特征在于，包括：

电压受体，所述电压受体采用压电材料制成，用于连接被测电压；

双偏振保偏光纤，缠绕于所述电压受体表面，用于传输两路振动方向相互垂直的光。

2.根据权利要求1所述光纤电压传感探头，其特征在于，所述电压受体为圆柱形的压电陶瓷或压电石英，所述双偏振保偏光纤按顺序分层缠绕于圆柱形所述电压受体的圆柱面。

3.根据权利要求1所述光纤电压传感探头，其特征在于，所述双偏振保偏光纤采用光纤陀螺绕环工艺缠绕于所述电压受体，并通过胶水固接于所述电压受体。

4.根据权利要求1所述光纤电压传感探头，其特征在于，所述双偏振保偏光纤为椭圆芯双偏振保偏光纤。

5.一种光纤电压传感解调系统，其特征在于，包括：

光源发生器，用于产生入射光源；

马赫曾德干涉仪，所述马赫曾德干涉仪的入光口与所述光源发生器的出光口连接，所述马赫曾德干涉仪包括如权利要求1-4任一项所述的光纤电压传感探头，所述入射光源在所述光纤电压传感探头的双偏振保偏光纤中传输，并由所述马赫曾德干涉仪输出为梳状谱；

光电振荡器，所述光电振荡器用于产生微波信号，所述光电振荡器的输入口与所述马赫曾德干涉仪的输出口连接，所述光电振荡器将所述微波信号调制到所述梳状谱中形成光载微波信号，再将所述光载微波信号转换成二次微波信号；

频率检测装置，与所述光电振荡器连接，接收所述二次微波信号并检测所述二次微波信号的频率；

处理器，与所述频率检测装置连接，根据所述频率检测装置检测的所述二次微波信号的频率变化量计算被测电压。

6.根据权利要求5所述光纤电压传感解调系统，其特征在于，所述马赫曾德干涉仪包括沿光的传播方向依次设置的起偏器、所述光纤电压传感探头和检偏器，所述起偏器与所述光纤电压传感探头的双偏振保偏光纤的输入口熔接，所述检偏器的输入口与所述双偏振保偏光纤的输出口连接，所述检偏器的输出口与所述光电振荡器的输入口连接。

7.根据权利要求6所述光纤电压传感解调系统，其特征在于，所述起偏器的偏振方向与所述双偏振保偏光纤的偏振本振轴的熔接角度为45°；所述检偏器的偏振方向与所述双偏振保偏光纤的偏振本振轴的夹角为45°。

8.根据权利要求5所述光纤电压传感解调系统，其特征在于，所述光电振荡器包括沿光的传播方向依次设置的电光调制器、色散补偿光纤、光电探测器、低噪放大器和微波功分器，且所述微波功分器的第一输出口连接所述电光调制器的射频入口，使所述电光调制器、所述色散补偿光纤、所述光电探测器、所述低噪放大器和所述微波功分器构成环形信号回路，以产生振荡生成所述微波信号；

所述电光调制器的光输入口与所述马赫曾德干涉仪的输出口连接，所述电光调制器用于将所述微波功分器输出的所述微波信号调制到所述梳状谱中形成所述光载微波信号；所述光载微波信号经所述色散补偿光纤入射至所述光电探测器，所述光电探测器将所述光载微波信号转换并由所述低噪放大器放大后形成所述二次微波信号，所述二次微波信号一部分由所述微波功分器输入至所述频率检测装置中，所述二次微波信号一部分由所述微波功分器输入至电光调制器中。

9.根据权利要求5所述光纤电压传感解调系统，其特征在于，所述频率检测装置为频谱仪。

10.根据权利要求5所述光纤电压传感解调系统，其特征在于，所述频率检测装置为微波鉴频器。

说明书

一种光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统

技术领域

[0001] 本发明涉及电压测量技术领域，特别是涉及一种光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统。

背景技术

[0002] 目前光纤电压传感器主要是利用双折射晶体的电光效应法来实现电压的检测，电压的检测稳定性和灵敏度直接受双折射晶体本身性能的影响。而双折射晶体在加工过程中不可避免的会形成残余应力，该残余应力会导致双折射晶体存在应力双折射性和旋光性，从而会扰乱入射光的偏振态，影响电压测量精度。再有，现有基于电光效应法的光纤电压传感器对于加工装配要求较高，其需要保证双偏振光的光路能够准确在光纤中传输，否则会严重影响电压检测的精度。综上，基于现有光纤电压传感器的上述缺陷，本领域技术人员亟需提供一种加工难度低、装配要求低且电压检测精度高的光纤电压传感设备。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统，以解决现有光纤电压传感器的电压检测精度受加工质量、装配质量影响大的问题。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供了一种光纤电压传感探头，包括：

[0005] 电压受体，所述电压受体采用压电材料制成，用于连接被测电压；

[0006] 双偏振保偏光纤，缠绕于所述电压受体表面，用于传输两路振动方向相互垂直的光。

[0007] 可选的，所述电压受体为圆柱形的压电陶瓷或压电石英，所述双偏振保偏光纤按顺序分层缠绕于圆柱形所述电压受体的圆柱面。

[0008] 可选的，所述双偏振保偏光纤采用光纤陀螺绕环工艺缠绕于所述电压受体，并通过胶水固接于所述电压受体。

[0009] 可选的，所述双偏振保偏光纤为椭圆芯双偏振保偏光纤。

[0010] 本发明还提供了一种光纤电压传感解调系统，包括：

[0011] 光源发生器，用于产生入射光源；

[0012] 马赫曾德干涉仪，所述马赫曾德干涉仪的入光口与所述光源发生器的出光口连接，所述马赫曾德干涉仪包括如上所述的光纤电压传感探头，所述入射光源在所述光纤电压传感探头的双偏振保偏光纤传输，并由所述马赫曾德干涉仪输出为梳状谱；

[0013] 光电振荡器，所述光电振荡器用于产生微波信号，所述光电振荡器的输入口与所述马赫曾德干涉仪的输出口连接，所述光电振荡器将所述微波信号调制到所述梳状谱中形成光载微波信号，再将所述光载微波信号转换成二次微波信号；

[0014] 频率检测装置，与所述光电振荡器连接，接收所述二次微波信号并检测所述二次微波信号的频率；

[0015] 处理器，与所述频率检测装置连接，根据所述频率检测装置检测的所述二次微波信号的频率的变化量计算被测电压。

[0016] 可选的，所述马赫曾德干涉仪包括沿光的传播方向依次设置的起偏器、所述光纤电压传感探头和检偏器，所述起偏器与所述光纤电压传感探头的双偏振保偏光纤的输入口熔接，所述检偏器的输入口与所述双偏振保偏光纤的输出口连接，所述检偏器的输出口与所述光电振荡器的输入口连接。

[0017] 可选的，所述起偏器的偏振方向与所述双偏振保偏光纤的偏振本振轴的熔接角度为45°；所述检偏器的偏振方向与所述双偏振保偏光纤的偏振本振轴的夹角为45°。

[0018] 可选的，所述光电振荡器包括沿光的传播方向依次设置的电光调制器、色散补偿光纤、光电探测器、低噪放大器和微波功分器，且所述微波功分器的第一输出口连接所述电光调制器的射频入口，使所述电光调制器、所述色散补偿光纤、所述光电探测器、所述低噪放大器和所述微波功分器构成环形信号回路，以产生振荡生成所述微波信号；

[0019] 所述电光调制器的光输入口与所述马赫曾德干涉仪的输出口连接，所述电光调制器用于将所述微波功分器输出的所述微波信号调制到所述梳状谱中形成所述光载微波信号；所述光载微波信号经所述色散补偿光纤入射至所述光电探测器，所述光电探测器将所述光载微波信号转换并由所述低噪放大器放大后形成所述二次微波信号，所述二次微波信号一部分由所述微波功分器输入至所述频率检测装置中，所述二次微波信号一部分由所述微波功分器输入至电光调制器中。

[0020] 可选的，所述频率检测装置为频谱仪。

[0021] 可选的，所述频率检测装置为微波鉴频器。

[0022] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明公开的光纤电压传感探头及光纤电压传感解调系统利用缠绕在压电材料上的双偏振保偏光纤并通过压电效应来实现电压传感，由于压电材料能耐受几十千伏到几百千伏的高压，因此本电压传感系统能实现高压测量，而且对加工要求低，装配简单，受装配误差影响小，从而提高了电压检测的精度。同时本发明采用射频信号处理方法获得被测电压，提高传感系统的电压解调结果的稳定性。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明的实施例1提供的光纤电压传感探头结构示意图；

[0025] 图2为本发明的实施例2提供的光纤电压传感解调系统结构示意图。

具体实施方式

[0026] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0028] 实施例1：

[0029] 如图1所示，本实施例1提供的光纤电压传感探头包括电压受体101和双偏振保偏光纤102。

[0030] 其中，所述电压受体101采用压电材料制成，用于连接被测电压。在实际应用中，电压受体101可以为圆柱形的压电陶瓷或压电石英。

[0031] 所述电压受体101固定在高压电极103和接地柱104之间，高压电极103和接地柱104两端施加待测电压信号。

[0032] 所述双偏振保偏光纤102缠绕于电压受体101表面，用于传输两路振动方向相互垂直的光。在实际应用中该双偏振保偏光纤102能支持两个相互正交的偏振光在光纤中传输，并且两模式之间的偏振耦合保持在一个很低的水平，比如双偏振保偏光纤102可以为椭圆芯双偏振保偏光纤即可实现。具体的，当电压受体101为圆柱形的压电陶瓷或压电石英时，双偏振保偏光纤102按顺序分层缠绕于圆柱形电压受体101的圆柱面。双偏振保偏光纤102可以采用光纤陀螺绕环工艺缠绕于电压受体101，并通过胶水固接于电压受体101，这样压电材料的电压受体101连接被测电压发生形变时，该双偏振保偏光纤102的长度也会随之改变，从而实现电压的测量。

[0033] 本光纤电压传感探头相比晶体探头装配简单，而且无需保证光路的准直也能准确获得电压引起的光的变化，因此本光纤电压传感探头的检测精度更高。而且现有的晶体受温度影响较大，而本光纤电压传感探头中的压电材料，尤其是压电石英受温度影响较小，减小了温漂对电压测量精度影响，进一步提高了电压检测精度。并且本压电材料的探头还可以耐受几十千伏到几百千伏的电压，因此可以实现高电压的测量。

[0034] 实施例2：

[0035] 如图2所示，本实施例2提供的光纤电压传感解调系统包括用于产生入射光源的光源发生器201、与光源发生器201的出光口连接的马赫曾德干涉仪、与马赫曾德干涉仪的输出口连接的光电振荡器、与光电振荡器连接的频率检测装置210以及与频率检测装置连接的处理器211。

[0036] 所述马赫曾德干涉仪包括沿光的传播方向依次设置的起偏器202、光纤电压传感探头203和检偏器204，起偏器202与光纤电压传感探头203的双偏振保偏光纤的输入口熔接，检偏器204的输入口与双偏振保偏光纤的输出口连接，检偏器204的输出口与光电振荡器的输入口连接；起偏器202的偏振方向与双偏振保偏光纤的偏振本振轴的熔接角度为45°；检偏器204的偏振方向与双偏振保偏光纤的偏振本振轴的夹角为45°。

[0037] 所述光电振荡器用于产生微波信号，光电振荡器包括沿光的传播方向依次设置的电光调制器205、色散补偿光纤206、光电探测器207、低噪放大器208和微波功分器209，且微波功分器209的第一输出口连接电光调制器205的射频入口，使电光调制器205、色散补偿光纤206、光电探测器207、低噪放大器208和微波功分器209构成环形信号回路，以产生振荡生成微波信号；

[0038] 电光调制器205的光输入口与马赫曾德干涉仪的输出口连接，电光调制器205用于将微波功分器209输出的微波信号调制到梳状谱中形成光载微波信号；光载微波信号经色散补偿光纤206入射至光电探测器207，光电探测器207将光载微波信号转换并由低噪放大器208放大后形成二次微波信号，二次微波信号一部分由微波功分器209输入至频率检测装置210中，二次微波信号一部分由微波功分器209输入至电光调制器205中。

[0039] 频率检测装置210接收二次微波信号并检测二次微波信号的频率；处理器211根据频率检测装置210检测的二次微波信号的频率变化量计算被测电压。

[0040] 本光纤电压传感解调系统的工作原理如下：

[0041] 光源发生器201产生的宽谱光源(可采用高斯型)经过起偏器202后进入光纤电压传感探头203的双偏振保偏光纤中。起偏器202和双偏振保偏光纤采用熔接的方式连接，熔接角度为45°，此时将有两路光分别在双偏振保偏光纤的两个偏振本振轴上传播。双偏振保偏光纤中传播的两路振动方向相互垂直的光经过一个与双偏振保偏光纤两偏振本振轴成45°夹角的检偏器204检偏后，两路光的振动方向对齐。由于双偏振保偏光纤两偏振本振轴的传播常数不同，导致两路光在双偏振保偏光纤的输出端的光程差不同。如果光程差在光源相干长度范围内，两路光经过检偏器204检偏后将发生干涉。在该系统中，起偏器202，光纤电压传感探头203上缠绕的双偏振保偏光纤和检偏器204共同组成了一个马赫曾德干涉仪。该马赫曾德干涉仪输出的干涉条纹在频域上为一正弦梳状谱。光电振荡器由电光调制器205，色散补偿光纤206，光电探测器207，低噪放大器208和微波功分器209组成。由马赫曾德干涉仪输出的梳状谱经过一处于正交工作点的电光调制器205，则由光电振荡器产生的微波信号通过该电光调制器205被调制到梳状谱上形成光载微波信号，该光载微波信号经过色散补偿光纤206后入射到光电探测器207上，该光电探测器207将光载微波信号转换成新的微波信号，该新的微波信号通过低噪放大器208放大后形成二次微波信号，该二次微波信号经过微波功分器209后，一部分二次微波信号注入到电光调制器205中，一部分二次微波信号通过频率检测装置210来测量二次微波信号的中心频率并通过处理器211(该处理器可以是计算机或是单片机)来记录该二次微波信号中心频率的变化，从而计算出被测电压。

[0042] 本传感系统的电压测量原理是：压电陶瓷或压电石英等压电材料具有压电效应，在外界电场的作用下，这种压电材料具有一定的形变。对于圆柱形压电陶瓷或压电石英来说，当在其上下两端面施加电压，这种材料在其径向上将产生形变，即圆柱体的外径将发生变化。当有双偏振保偏光纤缠绕在其表面时，光纤的长度将发生变化，从而使得在双偏振保偏光纤中传输的两个光载射频信号的延时发生变化，进而导致光电振荡器输出的中心频率发生变化，通过该中心频率的变化就可以得到待测电压的值。双偏振保偏光纤的输出光经检偏器45°检偏后，该双偏振保偏光纤输出的两个偏振光将发生干涉，该干涉信号可表示为：

[0043]

[0044] 其中R为干涉仪输出干涉条纹的可见度，ω0为激光器的中心圆频率，l为双偏振保偏光纤的长度，Δn为双偏振保偏光纤的两个偏振本振轴的折射率差。上式中2πc/ΔnL可以表示为：

[0045] Δω＝2πc/Δnl＝2πcLp/λ0l   (2)

[0046] 其中c为光速，λ0为光源中心波长，Lp为传感保偏光纤的拍长。

[0047] 干涉仪的输出光在频域上与波长相关，其电场在频域上可表征为：

[0048] E(t)＝∫E(ω)ejωtdω   (3)

[0049] 则光源的光功率谱密度可表示为：

[0050] T(ω)＝|E(ω)|2   (4)

[0051] 干涉仪输出的干涉条纹经过电光调制器后，光谱的每个频率分量E(ω)都被调制，并且由光电振荡器环路产生一频率为ξ的微波信号，电光调制器输出的光场可表示为：

[0052] E(ω)＝ejωt(1+ejξt+e-jξt)   (5)

[0053] 光电振荡器中使用色散补偿光纤作为时延线，该时延线的电场传递函数可表示为：

[0054] H(ω)＝|H(ω)|e-jφ(ω)   (6)

[0055] φ(ω)为色散补偿光纤延迟引入的相位，其在ω0处的泰勒级数展开可表示为：

[0056]

[0057] 式中，τ(ω0)为中心频率为ω0时的群时延，β为色散补偿光纤的色散，其单位为2
ps/km，β可表示为：

[0058]

[0059] 式中D(ps/km/nm)为色散补偿光纤的色散系数，λ0为光源波长。

[0060] 根据式(4)——(8)可得光电振荡器响应函数为：

[0061]

[0062] 其中

[0063] 由此可知，光电振荡器输出的微波信号的中心频率可表示为：

[0064]

[0065] 假设施加在压电材料上的待测电压为U，频率为ωm，则由于该电场引起的缠绕在压电材料上的双偏振保偏光纤的长度的变化量为：

[0066] Δl＝AUsinωmt   (11)

[0067] 式中A为由压电材料的形变量导致的双偏振保偏光纤长度的变化量的传递系数。由式(10)和(11)可得，待测电压的幅值U与光电振荡器输出中心频率的变化量Δf0之间的关系可表示为：

[0068] U＝Δf0DLλ0Lp   (12)

[0069] 由(12)式可知，待测电压作用于光纤电压传感探头从而改变双偏振保偏光纤中传输的两偏振本振轴之间的光程差，进而使得光电振荡器输出的微波信号的中心频率将会发生改变，根据微波信号的中心频率的变化量，宽谱光源的中心波长，双偏振保偏光纤的拍长，色散补偿光纤的长度及色散系数就可以得到待测电压的大小。

[0070] 本实施例中用频谱仪作为频率检测装置测量光电振荡器输出信号的频率的方法只能用于直流电压或慢变电压信号的测量，如果要测量频率较大的交流电压信号，可采用微波鉴频器作为频率检测装置来实现交流电压的测量。

[0071] 本光纤电压传感解调系统的工作流程如下：

[0072] 1、根据式(12)，根据测量灵敏度和测量范围，对各器件选择合适的参数。在进行电压测量前，需要对该光纤电压传感解调系统使用前进行一次量值标定，测量每个电压点下输出的微波信号的中心频率，并将电压值和对应的微波信号中心频率的变化量作为一个基准数据表存储在处理器中。

[0073] 2、在没有电压施加在光纤电压传感探头两端时，测量光电振荡器输出的微波信号的中心频率，然后在光纤电压传感探头两端施加待测电压信号，此时微波功分器输出的二次微波信号的中心频率将发生变化，根据微波功分器输出的二次微波信号的中心频率相比没有施加待测电压时微波信号的中心频率的变化量和经过标定得到的基准数据表就可以得到待测电压值。

[0074] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0075] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。