CN111707860B - 一种光纤电压传感器敏感元件 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种光纤电压传感器敏感元件，其特点是，两块压电晶体的材料、几何形状和尺寸均相同，且在每块压电晶体表面均采用相同的粘接方式敷设长度相同的光纤，将其中一块敷设光纤的压电晶体作为传感光纤敏感元件，另一块敷设光纤的压电晶体作为补偿光纤敏感元件。两束偏振光交替沿传感光纤敏感元件与补偿光纤敏感元件快慢轴传输，双折射相位差相互抵消，仅保留由压电晶体逆压电效应引入的相位差，实现了互易性，解决聚合物光纤对温度等环境变化敏感以及聚合物光纤弯曲损耗较大的问题。与在压电晶体上缠绕光纤相比，攻克了大角度弯折对压电晶体尺寸的限制，避免了光纤弯曲带来的诸多不良影响，使抗环境扰动的灵敏性高，精度高，使用寿命长。

Description

一种光纤电压传感器敏感元件
技术领域
本发明涉及一种电压传感器敏感元件，是一种光纤电压传感器敏感元件。
背景技术
现有技术中，电力***电压检测装置用的逆压电式光纤电压传感器,是一种将传感光纤缠绕在压电晶体上，利用压电晶体的逆压电效应来敏感电压，利用全数字信号处理技术得到待测电压。与传统电磁感应式电压互感器相比，光纤电压传感器除了具有优越的绝缘性能外，还具有频带宽、动态范围大、不受电磁干扰、体积小、重量轻、结构简单等优点，是目前各国争相研究的一种新型电力***电压检测装置。然而受温度等环境扰动的影响，还存在着精度低，稳定、可靠性差，使光纤电压传感器的发展和在工程技术领域的应用受到限制，目前，如何从根本上解决光纤电压传感器环境适应性问题，进而提高其精度，稳定、可靠性已经成为本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的是,在保留现有技术优点的基础上，能够克服现有技术的不足，提供一种抗环境扰动的灵敏性高，精度高，稳定、可靠性好，使用范围宽，寿命长的光纤电压传感器敏感元件。
本发明的目的是这样实现的：一种光纤电压传感器敏感元件，它包括在压电晶体上敷设光纤，其特征是，所述的压电晶体为两块，每块压电晶体的材料、几何形状和尺寸均相同，且在每块压电晶体表面均采用相同的粘接方式敷设长度相同的光纤，将其中一块敷设光纤的压电晶体作为传感光纤敏感元件，另一块敷设光纤的压电晶体作为补偿光纤敏感元件。
进一步，每块压电晶体表面均采用相同的粘接方式敷设长度相同的光纤为光纤沿压电晶体高度方向进行敷设，在距离压电晶体上、下两端相等距离处分别用与压电晶体膨胀系数相近的胶接固定光纤。
进一步，传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接，粘接点处套置护套。
进一步，传感光纤敏感元件的压电晶体上、下端施加待测电压，所述补偿光纤敏感元件的压电晶体上、下端不施加电压。
进一步，传感光纤敏感元件的光纤和补偿光纤敏感元件的光纤均为单模保偏聚合物光纤。
本发明的一种光纤电压传感器敏感元件的优点体现在：
1.本发明的光纤电压传感器敏感元件与现有技术的石英光纤电压传感器敏感元件相比，具有较宽的丝径范围、折射率范围和较大的数值孔径，可有效提高传感器敏感元件的灵敏性，使与之连接的***动态测量范围宽，长期稳定性好；
2.本发明的光纤电压传感器敏感元件由于采用两块压电晶体，每块压电晶体的材料、几何形状和尺寸均相同，且在每块压电晶体表面均采用相同的粘接方式敷设长度相同的光纤，将其中一块敷设光纤的压电晶体作为传感光纤敏感元件，另一块敷设光纤的压电晶体作为补偿光纤敏感元件，且每块压电晶体表面敷设的光纤沿压电晶体高度方向进行敷设，在距离压电晶体上、下两端相等距离处分别用与压电晶体膨胀系数相近的胶粘接固定光纤，传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接，两束偏振光交替沿传感光纤与补偿光纤快慢轴传输，双折射相位差相互抵消，仅保留由压电晶体逆压电效应引入的相位差，在结构上实现了互易性，解决聚合物光纤对温度等环境变化敏感的问题，并使用新的光纤敷设方案解决聚合物光纤弯曲损耗较大的问题。与现有技术，在压电晶体上缠绕光纤相比，攻克了大角度弯折对压电晶体尺寸的限制，有效避免了光纤弯曲带来的诸多不良影响，使抗环境扰动的灵敏性高，精度高，使用寿命长。
附图说明
图1是实施例1的光纤电压传感器敏感元件结构示意图；
图2是实施例2的光纤电压传感器敏感元件结构示意图；
图3是本发明的传感光纤敏感元件与补偿光纤敏感元件呈90°对轴粘接示意图；
图4是实施例1的光纤电压传感器敏感元件在逆压电式光纤电压传感器的应用示意图；
图5是实施例2的光纤电压传感器敏感元件在逆压电式光纤电压传感器的应用示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1和图3，实施例1的一种光纤电压传感器敏感元件，它包括圆柱形两块压电晶体801、806，两块压电晶体801、806的材料、几何形状和尺寸均相同，且在两块压电晶体801、806的表面均采用相同的粘接方式敷设长度相同的光纤，光纤沿两块压电晶体801、806高度方向进行敷设，在距离压电晶体上、下两端相等距离处分别用与压电晶体膨胀系数相近的胶接固定光纤，将其中一块敷设光纤的压电晶体801作为传感光纤敏感元件，另一块敷设光纤的压电晶体806作为补偿光纤敏感元件。
传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接。90°粘接点805 到法拉第旋光器输出端之间的传感光纤敏感元件的光纤与该粘接点805到反射镜9之间的补偿光纤敏感元件的光纤等长。90°粘接点805处采用保护套804进行加固保护。所述传感光纤敏感元件的光纤具体的布设和粘贴方式为：在压电晶体801上、下端距离相等处有固胶线 803，在两条固胶线之间放置光纤，固胶线之外为光纤自由端，长度无限制，防止弯折引起过大损耗。上、下两条固胶线平行，方便计算传感光纤敏感元件的光纤长度。在光纤粘贴过程中使用应力计测量，保证两条固胶线之间的每条段光纤所受应力相同，每个传感光纤单元相对独立。
补偿光纤敏感元件的光纤具体布设和粘贴方式与所述传感光纤敏感元件的光纤具体布设和粘贴方式相同。
参照图2和图3，实施例2的一种光纤电压传感器敏感元件与实施例1相同，不同之处仅为，两块压电晶体801、806的形状为方形体。压电晶体的形状不限于实施例，亦可采用其他形状的压电晶体。
参照图3，传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤90°对轴粘接，x，y分别代表光纤的快轴和慢轴，90°粘接就是把传感光纤敏感元件的光纤的快轴与补偿光纤敏感元件的光纤的慢轴对应在一起。
参照图1和图2，在传感光纤敏感元件的压电晶体801上、下端施加待测电压，即轴向对称的径向处施加电压，在所述补偿光纤敏感元件的压电晶体806上、下端不施加电压，传感光纤敏感元件的压电晶体801的高度会发生变化，布设在传感光纤敏感元件压电晶体801 表面的传感光纤受到应力的作用光纤的长度、纤芯的折射率以及芯径都将发生变化，这些变化将导致光纤中沿快轴和慢轴传输的两束光产生正比于施加电压的相移。
传感光纤敏感元件的光纤和补偿光纤敏感元件的光纤均为市售单模保偏聚合物光纤。压电晶体和粘贴使用的胶均采用现有市售产品。
本发明一种光纤电压传感器敏感元件的优点在于：
当在压电晶体上施加电压时，压电晶体会产生机械形变，导致粘贴在压电晶体上的传感光纤的长度、纤芯的折射率以及芯径都发生变化，这些变化将导致光纤中沿快轴和慢轴传输的两束光产生正比于施加电压的相移。由公式：
E＝σ/ε
式中E为杨氏模量，σ为单位面积上受到的力(F/S)，ε为应变(Δl/l)。
由表1可知石英光纤的杨氏模量为100GPa左右，而聚合物光纤的杨氏模量为3GPa左右，远小于石英光纤，因此聚合物光纤更容易发生形变，具有更好的柔韧性，可有效提高***的长期工作稳定性和测量灵敏性。同时由表1可知，聚合物光纤抗断裂强度高，可承受更大的形变，可以有效扩大***测量范围。
表1聚合物光纤与石英光纤特性比较
Figure BDA0002584560040000031
本发明的传感光纤敏感元件的光纤和补偿光纤敏感元件的光纤均采用聚合物光纤，聚合物材料的密度一般在0.83-1.50g/cm3,大多数在1g/cm3左右，为玻璃密度的1/2-1/3，具有更轻的质量。同时传感头部分采用互易性结构设计，传感光纤敏感元件的光纤和补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接，保证沿快轴、慢轴传输的两束光的相位差仅由待测电压引起的压电晶体形变决定，解决了聚合物光纤对温度等环境变化敏感的问题，可有效提高***抗环境扰动性能。此外，本发明传感光纤敏感元件的光纤和补偿光纤敏感元件的光纤敷设方式打破光纤缠绕在压电晶体上的传统思维，突破现有技术的束缚，采用在两块压电晶体的表面粘接方式敷设长度相同的光纤，避免了因弯曲缠绕导致的光纤损耗过大，以及缠绕半径对压电晶体尺寸的限制等问题。
参照图4和图5，实施例1和2的光纤电压传感器敏感元件均能够用于光纤电压传感器：光纤电压传感器包含光源1、分光器件2、起偏器3、光学相位调制器5、45°法拉第旋光器7、反射镜9、光电探测器10、全数字闭环处理电路11。还包含45°光纤对轴熔接点4、延迟光纤环6、由光纤电压传感器敏感元件作为传感头8。光源1发出的光通过分光器件2进入起偏器3，通过起偏器后变为一束模式相同的线偏振光，起偏器尾纤与光学相位调制器尾纤以45°光纤对轴熔接，线偏振光经过45°光纤对轴熔接点4后变成幅值相等的两正交偏振模，进入光学相位调制器5，经过调制之后分别沿着延迟光纤6的快轴和慢轴传输。到达45°法拉第旋光器7后，偏振面发生45°旋转，然后入射到传感头8，经反射镜9反射后，沿原光路返回，最后在起偏器发3生干涉，通过分光器件2后进入光电探测器10，经过全数字闭环处理电路11处理得到施加在压电晶体两端电压值。
所述传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接，光纤快轴、慢轴中传输的光经过90°粘接点805后，实现了正交偏振模式的互补，即偏振面旋转了90°。偏振光沿光纤传输到达反射镜9，然后沿原光路被反射回去。反射回来经过90°粘接点805 时，偏振面再次旋转90°。再次经过传感光纤敏感元件的光纤802，逆压电效应产生的相位差加倍，然后到达45°法拉第旋光器7。此时偏振面会继续旋转45°。通过这一过程，使得两正交偏振模先分别沿Y、X方向传播变为分别沿X、Y方向传播。最后在起偏器发3生干涉，通过分光器件2后进入光电探测器10,经过光电转换后，进入数字信号处理单元11。
经过处理后可得到光纤电压传感器的输出信号和增益误差，与此同时，输出信号作为下一时刻的反馈信号被输入到光学相位调制器5中，构成主反馈回路。增益误差通过累加后用于控制主反馈回路的增益，构成第二反馈回路。通过运算最终解算出施加电压的大小，实现测量电压的功能。
本发明的具体实施方式仅用于对本发明作进一步的说明，并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (3)

1.一种光纤电压传感器敏感元件，它包括在压电晶体上敷设光纤，所述的压电晶体为两块，每块压电晶体的材料、几何形状和尺寸均相同，且在每块压电晶体表面均采用相同的方式敷设长度相同的光纤，将其中一块敷设光纤的压电晶体作为传感光纤敏感元件，另一块敷设光纤的压电晶体作为补偿光纤敏感元件，其特征是，所述每块压电晶体表面均采用相同的方式敷设为粘接方式敷设，光纤沿压电晶体高度方向进行粘接方式敷设，在距离压电晶体上、下两端相等距离处分别用与压电晶体膨胀系数相近的胶接固定光纤，所述传感光纤敏感元件的光纤和所述补偿光纤敏感元件的光纤均为单模保偏聚合物光纤。
2.根据权利要求1所述的一种光纤电压传感器敏感元件，其特征是，传感光纤敏感元件的光纤与补偿光纤敏感元件的光纤呈90°对轴粘接，粘接点处套置护套。
3.根据权利要求1所述的一种光纤电压传感器敏感元件，其特征是，传感光纤敏感元件的压电晶体上、下端施加待测电压，补偿光纤敏感元件的压电晶体上、下端不施加电压。
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