[发明专利]基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法

说明书

基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法，提出一种利用在电光材料上制备的随机波导光栅检测电压的方法。该方法是将随机波导光栅作为传感头，当有电压作用到随机波导光栅时，由于光波导的电光效应，引起随机波导光栅折射率调制度和有效折射率的改变，根据随机波导光栅的反射谱与没有电压作用的光栅反射谱的相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压呈线性关系，实现对电压的检测。该方法结构简单灵活，有利于推广应用。

技术领域

本发明属于波导光栅和传感器领域，具体涉及基于电光效应的随机波导光栅电压传感器及其电压检测方法。

背景技术

随着电力工业的快速发展，因传统的铁芯式电压互感器具有抗电磁干扰能力差，易爆，体积大，价格高等缺陷，故电压互感器的更新换代是必然的，研制出性能稳定，准确度高，结构简单，成本低的互感器将成为研究者所追求的目标，也是目前研究的热点。传统的电压传感一般采用克尔效应、普克尔效应、电气回转效应、场致发光效应等。光纤电压传感器是随着光纤技术发展起来的一种新型电压测量装置，与传统电压测量设备相比，其优点是：耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰；测量精度高、安全、可靠、稳定；易于小型化和智能化，可进行多功能测量，尤其是可以形成传感网络，实现远距离监控和遥测.但是其系统复杂、受环境影响大、制作成本高等缺陷阻碍了其实用化进程。

光纤电压传感器主要分为传光型(光纤只作为光信号的传输介质，以其他光学材料作为电压的敏感元件)和传感型(光纤不仅负责光的传输，而且要作为光调制的敏感元件)。传光型光纤电压传感器主要利用具有线性电光效应的电光晶体实现电压测量，传感型光纤电压传感器主要有相位型和光谱型两种。相位型光纤电压传感器利用线性压电元件或电致伸缩元件作为相位调制器，采用干涉原理检测光相位的变化，易受环境影响发生消偏及相位差扰动。光谱型的光纤电压传感器将电压信号转换为光纤光栅敏感的应变或温度信号，通过检测布拉格反射中心波长漂移量实现电压的测量。

20世纪80年代以来，国外就开始涉足光纤电压传感器的研究，逐渐向小型化、智能化、多用途、新型材料应用等高技术含量方向发展，比如利用圆石英晶体的逆压电效应或单光纤布拉格光栅用于监测高电压和交流电。国内光纤电压传感器的研究虽然起步较晚但是发展迅速，也取得了丰硕的成果，比如，之前有学者提出将长周期光纤光栅横向粘贴在压电陶瓷上，用于感知交流电压加在压电陶瓷上所产生的应变，通过在光谱仪中观察两个谐振波长的偏移量来计算出光栅的应变，进而由所建的数学模型实现被测电压的测量；利用双光纤光栅和磁致伸缩材料的电压传感器，有效解决了电流和温度的交叉敏感问题；电光调制的法布里-珀罗干涉型电压传感器，具有较宽的频率响应范围、较高的灵敏度和较好的多额线性度；利用锗酸铋晶体作传感头的光纤电压传感器，能够较好地消除光源波长波动、环境变化等不良因素带来的误差；采用光纤布拉格光栅的金属管封装进行电调谐的方法易受外界环境的影响，并且套管产生的热量传导至栅区较慢，导致传感器对电流变化反应缓慢，热量的大量散失也降低了传感器的灵敏度；运用2×2，3×3耦合器构成的M-Z干涉仪作为光纤布拉格光栅电压传感器的波长解调系统，该电压传感器在电压小于50V的低压段及高于450V的高压段线性度不理想；以压电陶瓷调谐光纤布拉格光栅为基础的电压传感器，在一定范围内外加电压和波长移动之间的关系是线性的，但线性调谐的波长范围约为1.5nm，电压检测范围为150V，灵敏度为9.7pm/V，传感器的性能不够理想。

发明内容

本发明目的是解决现有电压传感器结构复杂、制作成本高和响应速度慢的问题，提供一种利用在电光材料上制备的随机波导光栅检测电压的传感器及其电压检测方法。该方法是将随机波导光栅作为传感头，当有电压作用到随机波导光栅时，由于光波导的电光效应，引起随机波导光栅折射率调制度和有效折射率的改变，根据随机波导光栅的反射谱与没有电压作用的光栅反射谱的相关曲线峰值对应的波长偏移与外加电压呈线性关系，实现对电压的检测。该方法结构简单灵活，有利于推广应用。

本发明的技术方案：