[发明专利]基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光电测量技术领域的方法及装置，具体是一种基于转臂式光纤光栅及压电材料的面向高压电场的精确测量方法及装置。 

背景技术

传统的电学传感器的传感探头是基于电子器件制成的，在测量高压电场时，存在击穿触电的风险，而且，传感器中导体的存在也对被测电场产生影响，改变了原有电场的分布。基于光学效应的电场传感器由于在传感探头部分不包含任何导体，从而避免了上述问题。光学电场传感器的报道多数基于电光材料波克尔斯效应或克尔效应的强度调制，如杨晓春，阎永志，《光纤电场传感器温克尔斯元件的理论分析与设计》，压电与声光，1986.4，第二期，p.p13‐18，这种传感器主要由准直透镜，起偏器，1/4波片，电光晶体，检偏器和耦合透镜组成。其过程为：LED发出的光经光纤传送到电场传感器，由准直透镜耦合入起偏器，再由1/4波片产生π/2的相移，然后进入电光晶体，在电场的作用下，光发生双折射，即电光效应，双折射两光束之间的位相差与所施加的电场强度成正比，然后由检偏器检偏，其输出光的光强度与被测电场强度成正比，最后由耦合透镜将光耦合入光纤传送到远方进行光电转换和信号处理。传感器的各光学元件一般是在平面基底材料上粘接成一体。这种结构存在明显的缺点，如结构不稳定，光学元件易产生位移，耦合效率低，调整困难等，因此这种结构的传感器稳定性和可靠性不高。 

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN10316387A，公开了一种基于电光效应的光纤电场传感器，包括有机玻璃下基体和有机玻璃上基体，有机玻璃下基体上设有凹槽，光学元件固定粘贴在凹槽内，有机玻璃下基体和有机玻璃上基体粘贴成一体。中国专利文献号CN1419129A公开了一种光电测量器件，基于电光效应对电场进行测量，包括在光路上顺序放置的准直透镜、起偏器、λ/4波片、电光晶体、检偏器和耦合透镜，各光学元件嵌于有机玻璃基体上、有机玻璃基体具有与嵌入的光学元件形状和顺序相匹配的凹槽，光学元件之间以及光学元件和有机玻璃基体用光学胶粘接。 

但上述技术所采用的分离元件多、加工工艺复杂、成本高、生产效益低，而且不能小型化，不利于携带和调试，难以满足现有技术的需要。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量方法及装置，解决了传统光学电场传感器结构复杂，光路调整困难，光学元件分散不易组 装和携带等困难，简化了加工工艺，降低了成本，提高了测量精度。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

本发明涉及一种基于非垂直式光纤光栅的高压电场精确测量方法，通过将两条相互贴合制成的复合压电材料置于电场中，且压电材料的厚度方向与待测电场方向一致，然后通过以与复合压电材料相平行方式固定两根光纤光栅，最后通过检测两根光纤光栅的光谱的变化，计算得到由电场导致的复合压电材料的形变差，并进而获得精确的电场强度和方向。 

所述的复合压电材料的厚度方向是指：垂直于压电材料贴合面的方向；选择压电材料的放置方向使得当外加电场方向沿着此厚度方向时，压电材料具有最大的变形系数。 

所述的复合压电材料中：两条压电材料可以是相同材料但是具有不同方向、两种不同的材料，或者是一个具有压电系数而另一个不具备压电特性，优选为两条压电材料具有相同的结构参数，即两条压电材料具有相同的长度、宽度和厚度相同参数，而在贴合时其极性方向相反，即在沿厚度方向外电场作用下，两条压电材料的伸缩趋势相反。 

所述的相平行包括：两根光纤光栅分别设置于复合压电材料的两侧，贴合于复合压电材料的表面或与复合压电材料不相接触。 

本发明涉及实现上述方法的电场解调系统，包括：贴合式或悬臂式的电场感应装置、依次通过光纤串联的宽带光源、两个串联或并联的光环形器以及光电探测器，并联的环形器的两侧各设有一个耦合器，其中：电场感应装置包括复合压电材料以及与之相平行的两根光纤光栅，两个环形器分别与电场感应装置中的两个光纤光栅的一端相连。 

所述的悬臂式电场感应装置是指：两根光纤光栅通过支架平行设置于复合压电材料的两侧且不相接触。 

所述的贴合式电场感应装置是指：两根光纤光栅直接平行贴合于复合压电材料的两个表面。 

技术效果 

与现有技术相比，本发明的技术效果包括： 

1.抗干扰，器件完全是光路元件，没有电气元件，能准确地测量实际电场。 

2.全光纤设计，不需要光路准直元件，结构简单，小巧，易于操作和携带。