專利名稱：基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)的電壓測量裝置，特別涉及其中的光纖電壓測量裝置。
背景技術(shù)：
電壓測量是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本要求之一。目前，電力系統(tǒng)普遍采用的電壓測量裝置是傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器。隨著電力系統(tǒng)電壓等級的提高，傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器的缺陷例如易受電磁干擾、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高、存在磁飽和及鐵磁諧振現(xiàn)象等將日益突出。而光纖電壓測量裝置具有抗電磁干擾、絕緣能力強(qiáng)、體積小、造價低等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。近幾十年來國內(nèi)外對光纖電壓測量裝置展開了廣泛的開發(fā)研究。但這類光纖電壓測量裝置一般都是基于電光效應(yīng)偏振調(diào)制原理的，有比較嚴(yán)重的溫度效應(yīng)。如一種采取光學(xué)部件如 波片的光纖電壓測量裝置，由于 波片有明顯的溫度效應(yīng)，將導(dǎo)致工作點(diǎn)隨溫度漂移的情況，對測量造成的誤差影響較大。還有一種光纖電壓測量裝置，其采取了一種新的光路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖舍棄了 波片，提高了裝置的溫度穩(wěn)定性，但是其光路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，增加了額外的不穩(wěn)定因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在于解決現(xiàn)有技術(shù)中光纖電壓測量裝置主要存在溫度穩(wěn)定性不高，影響測量精度的技術(shù)問題，提供一種基于位相調(diào)制進(jìn)行電壓測量的新式光纖電壓測量裝置，其具有溫度穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，有利于提高測量精度。
其技術(shù)解決方案是本發(fā)明一種基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置，其有i用來發(fā)射一路光束的光源；ii用來將上述一路入射光束分為1∶1兩路支光束的分光器；iii兩個起偏器，上述各路支光束分別入射進(jìn)入一個起偏器；iv兩個電光晶體，其中一個電光晶體加設(shè)正相被測試電壓，另一個電光晶體加設(shè)反相被測試電壓，上述每一個起偏器對應(yīng)一個電光晶體，每個起偏器的偏振光束以與電光晶體的一個光軸一致的偏振方向射入電光晶體，由電光晶體對入射其中的一路偏振光束進(jìn)行位相調(diào)制，生成一路調(diào)制光束，共生成兩路調(diào)制光束；v一個3×3光纖耦合器，上述兩路調(diào)制光束輸入一個光纖耦合器，光纖耦合器輸出三路耦合光束，三路耦合光束中兩兩光束之間可形成110°-130°相位差；vi光電轉(zhuǎn)換電路，上述三路耦合光束分別由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；vii用于將上述電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號的數(shù)據(jù)采集卡；viii用來接收上述數(shù)字信號，并進(jìn)行運(yùn)算處理得出被測試電壓大小的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
上述相位差優(yōu)選120°。
上述電光晶體可為LiNbO3晶體；上述光電轉(zhuǎn)換電路有PIN光電二極管。
在上述光電轉(zhuǎn)換電路與數(shù)據(jù)采集卡之間設(shè)有信號處理電路，信號處理電路對輸出電信號進(jìn)行隔直、放大和濾波處理。
上述光源可為LD光源。
上述光源與分光器之間、分光器與起偏器之間、電光晶體與光纖耦合器之間、光纖耦合器與光電轉(zhuǎn)換電路之間可均采用光纖線路連接。
上述兩個電光晶體中，其中一個電光晶體通過光纖線路連接光纖耦合器的1號輸入端子，另一個電光晶體通過光纖連接光纖耦合器的3號輸入端子。
上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可對光纖耦合器輸出光強(qiáng)中出現(xiàn)交流幅值不一致情形進(jìn)行歸一化處理；經(jīng)歸一化后信號算式為算式(15)和算式(16)，U5＝Acos(2Δmsinωt-120°)(15)U6＝Acos(2Δmsinωt+120°)(16)上述兩式進(jìn)行如算式(17)的差分運(yùn)算及繼續(xù)進(jìn)行如算式(18)的結(jié)果運(yùn)算，就求得被測電壓值。
上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其設(shè)有光電晶體折射率的溫度特性曲線信息數(shù)據(jù)庫，并在實(shí)際測量中根據(jù)溫度傳感器獲得的環(huán)境溫度值，依據(jù)溫度特性曲線數(shù)據(jù)信息對被測電壓測量結(jié)果進(jìn)行校正，進(jìn)而獲得被測電壓的實(shí)際值。
本發(fā)明基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置，其光路結(jié)構(gòu)簡單、可靠，舍棄了 波片，利用3×3光纖耦合器的特殊輸入輸出特性實(shí)現(xiàn)光的正交干涉，并利用計算機(jī)等數(shù)據(jù)處理設(shè)備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力對取得的信號數(shù)據(jù)信息運(yùn)算處理，得出被測電壓值。實(shí)驗(yàn)證明，該光纖電壓測量裝置精度可達(dá)到0.5％，并且具有較高的溫度穩(wěn)定性。上述信號處理電路對輸出電信號進(jìn)行隔直，一方面可以有效的隔離光纖耦合器輸出光強(qiáng)中出現(xiàn)的不對稱直流成分，另一方面能提高后續(xù)放大電路輸出信號的動態(tài)范圍；信號處理電路對輸出電信號進(jìn)行濾波，可有效去除信號中的噪聲，有利于測量精度的進(jìn)一步提高。上述相位差優(yōu)選120°，可實(shí)現(xiàn)理想的光的正交干涉。利用LiNbO3晶體的獨(dú)特光電特性更便于設(shè)置起偏器。數(shù)據(jù)處理設(shè)備所具有的光強(qiáng)幅值軟件歸一化大大降低了解調(diào)算法的復(fù)雜度，提高了測量精度，還可克服3×3光纖耦合器不對稱性對測量造成的不良影響。


圖1為本發(fā)明一種實(shí)施方式原理框圖。
圖2為本發(fā)明位相調(diào)制部分的原理示意圖。
圖3為上述實(shí)施方式的LiNbO3晶體位相調(diào)制原理圖。
圖4為本發(fā)明的一種實(shí)驗(yàn)效果圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明具體實(shí)施方式
參看附圖1和圖2，本發(fā)明基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置，LD光源1為位相調(diào)制部分提供一路光束，該路光束射入位相調(diào)制部分中的分光器2，分光器2將上述一路入射光束分為1∶1兩路支光束，上述一路支光束入射進(jìn)入起偏器P1，另一路支光束入射進(jìn)入起偏器P2，電光晶體3中的一個LiNbO3晶體4加設(shè)正相被測試電壓，另一個LiNbO3晶體5加設(shè)反相被測試電壓，起偏器P1對應(yīng)LiNbO3晶體4，起偏器P2對應(yīng)一個LiNbO3晶體5，每個起偏器的偏振光束以與電光晶體的一個光軸一致的偏振化方向射入對應(yīng)的LiNbO3晶體，結(jié)合參看圖2，由電光晶體對入射其中的一路偏振光束進(jìn)行位相調(diào)制，生成一路調(diào)制光束，共生成兩路調(diào)制光束，3×3光纖耦合器3，上述LD光源與分光器2之間、分光器2與起偏器P1、P2之間、LiNbO3晶體4、5與光纖耦合器3之間、光纖耦合器3與下述光電轉(zhuǎn)換電路如PIN光電二極管之間均采用光纖線路連接，LiNbO3晶體4通過光纖線路連接光纖耦合器3的1號輸入端子，LiNbO3晶體5通過光纖連接光纖耦合器3的3號輸入端子，上述兩路調(diào)制光束輸入光纖耦合器后，經(jīng)其耦合輸出三路耦合光束，三路耦合光束中兩兩光束之間可形成110°、115°、120°、125°或130°相位差，優(yōu)選120°相位差，上述三路耦合光束分別由光電轉(zhuǎn)換電路中光電二極管PIN1、PIN2和PIN3轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號，在上述光電轉(zhuǎn)換電路與數(shù)據(jù)采集卡之間設(shè)有信號處理電路，信號處理電路對輸出電信號進(jìn)行隔直、放大和濾波，由數(shù)據(jù)采集卡將電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并送往數(shù)據(jù)處理設(shè)備，該數(shù)據(jù)處理設(shè)備可直接使用計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)備，通過其配置的相應(yīng)軟件等進(jìn)行運(yùn)算處理，得出被測試電壓大小，上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備可配置輸出光強(qiáng)中交流幅值歸一化軟件，可對光纖耦合器輸出光強(qiáng)中出現(xiàn)交流幅值不一致情形進(jìn)行歸一化處理；經(jīng)歸一化后信號算式為算式(15)和算式(16)，U5＝Acos(2Δmsinωt-120°)(15)U6＝Acos(2Δmsinωt+120°)(16)上述兩式進(jìn)行如算式(17)的差分運(yùn)算及繼續(xù)進(jìn)行如算式(18)的結(jié)果運(yùn)算，就求得被測電壓值。
另外，上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備還設(shè)有LiNbO3晶體折射率的溫度特性曲線信息數(shù)據(jù)庫，并在實(shí)際測量中根據(jù)溫度傳感器獲得的環(huán)境溫度值，依據(jù)溫度特性曲線數(shù)據(jù)信息對被測電壓測量結(jié)果進(jìn)行校正，進(jìn)而獲得被測電壓的實(shí)際值。
下面結(jié)合上述結(jié)構(gòu)對本發(fā)明原理進(jìn)行說明1.位相調(diào)制的原理1.1 LiNbO3晶體的特性LiNbO3晶體屬3m點(diǎn)群，3m類晶體的線性電光系數(shù)矩陣具有如下形式Δβ1Δβ2Δβ3Δβ4Δβ5Δβ6=0-γ22γ130γ22γ1300γ13000γ5100-γ2200E1E2E3---(1)]]>
式中Δβi=Δ1ni2,]]>γij為線性電光系數(shù)，E1、E2、E3分別為加在晶體各主軸方向上的電場大小，LiNbO3晶體在未加電壓時的光率體方程為x12+x22n02+x32ne2=1---(2)]]>當(dāng)沿x3方向加電場時，即E1＝E2＝0、E3≠0時，由(1)式可得Δβ1Δβ2Δβ3Δβ4Δβ5Δβ6=γ13E3γ13E3γ33E3000---(3)]]>由(3)式可得新的光率體方程為(1n02+γ13E3)(x12+x22)+(1ne2+γ33E3)x32=1---(4)]]>所以可得各方向新的折射率為 記新的折射率橢球方程為x12n1′2+x22n2′2+x32ne′2=1---(6)]]>由于(3)式中后三項系數(shù)為0，故在(4)式中未出現(xiàn)交叉項，這說明新光率體的主軸方向未變，只是半軸長度發(fā)生了變化，LiNbO3晶體的這一特性為我們安置起偏器帶來了極大的方便。
1.2位相調(diào)制當(dāng)晶體沿X3方向加電壓以后，記其新折射率橢球的主軸為X′1、X′2、X′3，具體實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示(圖中U代表被測電壓，L代表電光晶體的長度，d代表電光晶體的高度)當(dāng)入射自然光經(jīng)起偏器P1(P1偏振化方向平行于X′2軸)以后，成為偏振方向平行于X′2軸的線偏振光射向電光晶體。由于入射光的偏振方向與折射率橢球的X′2軸一致，沿X′1方向傳播的只有沿X′2方向的一個光矢量，故電光晶體不會改變?nèi)肷涔獾钠駹顟B(tài)，發(fā)生改變的只有光場的位相 =πλUdn03γ13L---(7)]]>由(7)式可見，只需檢測出光場的位相改變就可得到被測電壓U的大小。
假設(shè)入射光場為Ei＝Acosωt；被測電壓為U＝umsinωt則電光晶體的出射光場為Eo=Acos[ωt-(n0-12n03γ13E3)2πλL]]]>=Acos[ωt-(n0-12n03γ13umsinωtd)2πλL]]]>=Acos(ωt-n02πλL+12n03γ13umsinωtd2πλL)]]> 其中 代表固定位相， 代表了被測電壓引起的位相變化量。利用干涉技術(shù)就可以解調(diào)出光場的位相信息。
2.工作原理2.1從LD光源發(fā)出的光經(jīng)光纖傳送，入射光經(jīng)1×2分光器均分為1∶1的兩路支光束，經(jīng)起偏器P1、P2后分別進(jìn)入LiNbO3晶體進(jìn)行位相調(diào)制，調(diào)制后的兩路調(diào)制光束輸入3×3光纖耦合器，3×3光纖耦合器將提供120°的附加相位差，由3×3光纖耦合器輸出的三路光分別由各自的PIN接收，經(jīng)過隔直、濾波、放大等一系列環(huán)節(jié)以后，由數(shù)據(jù)采集卡采入計算機(jī)進(jìn)行信號的軟件解調(diào)，最終獲得被測電壓的大小。采用兩個電光晶體，一方面可以抵消式(8)中固定位相0的影響，另一方面可提高靈敏度。
入射光經(jīng)1×2分光器均分為1∶1的兩束光，經(jīng)起偏器P1、P2后分別由兩塊加了反相電壓的LiNbO3晶體進(jìn)行位相調(diào)制，此時兩路光的光場分別為 然后，將這樣兩束光分別輸入3×3光纖耦合器的1、3端口。
理想的3×3光纖耦合器能完全均等的分配輸入光強(qiáng)，并且三路輸出的光兩兩之間形成120°的相位差，利用這個相位差，可以方便的幫助我們實(shí)現(xiàn)光的正交干涉。在理想的情況下，3×3光纖耦合器的4、5、6端口的輸出光場可以分別表示為Eo4＝d+acos(2Δmsinωt)Eo5＝d+acos(2Δmsinωt-120°)Eo6＝d+acos(2Δmsinωt+120°)則有 在2Δmsinωt＜＜1的情況下，(10)式可近似為 由(10)、(11)式可見，3×3光纖耦合器方便的實(shí)現(xiàn)了光的正交干涉。
2.2光電轉(zhuǎn)換及信號處理由于3×3光纖耦合器可能出現(xiàn)不完全對稱情形，其實(shí)際的輸出為Eo4＝d1+a1cos(2Δmsinωt) (12)Eo5＝d2+a2cos(2Δmsinωt-120°)(13)Eo6＝d3+a3cos(2Δmsinωt+120°)(14)
其中d1，d2，d3分別表示各路輸出光強(qiáng)中的直流成分，若直接對(13)、(14)兩式進(jìn)行差分必然會導(dǎo)致誤差。對其進(jìn)行隔直，一方面可以有效的隔離不對稱的直流成分，另一方面提高了后續(xù)放大電路輸出信號的動態(tài)范圍。還對進(jìn)行放大和濾波等處理。
2.3計算機(jī)軟件解調(diào)及溫度補(bǔ)償從(12)～(14)可以發(fā)現(xiàn)交流部分幅值不一致的情況，通過采用軟件幅值歸一化的方法來解決。經(jīng)歸一化后的信號形式為U5＝Acos(2Δmsinωt-120°)(15)U6＝Acos(2Δmsinωt+120°)(16)這樣對(15)、(16)兩式進(jìn)行差分運(yùn)算就可以精確求得被測電壓的大小了，具體結(jié)果見(17)、(18)。
這種方法在保證精度的條件下大大降低了解調(diào)運(yùn)算的復(fù)雜度，利于系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行。
另外，也不需要對(17)式在2Δmsinωt＜＜1的條件下進(jìn)行線性近似，而是直接由(18)式利用微機(jī)方便快速的執(zhí)行反余弦運(yùn)算從而恢復(fù)出原始信號的波形。這樣，能大大擴(kuò)展了信號的測量范圍。
對于上述電光晶體的溫度效應(yīng)，可通過把實(shí)驗(yàn)得到的LiNbO3晶體折射率的溫度特性曲線信息數(shù)據(jù)存入計算機(jī)，在實(shí)際測量中根據(jù)溫度傳感器測得得環(huán)境溫度根據(jù)其溫度特性曲線對測量結(jié)果進(jìn)行校正的方法，最終獲得被測電壓的實(shí)際值。
3、試驗(yàn)得到的效果在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的高壓模擬電力系統(tǒng)中的被測電壓，測量效果如圖4所示，單位3.5KV/V。
從圖4可以看出，本發(fā)明有較高的測量精度，實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的結(jié)果表明其測量精度可達(dá)0.5％。另外，該傳感器在-20～60℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感器的溫度偏差可在±0.2％以內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置，特征在于其有，i用來發(fā)射一路光束的光源；ii用來將上述一路入射光束分為1∶1兩路支光束的分光器；iii兩個起偏器，上述各路支光束分別入射進(jìn)入一個起偏器；iv兩個電光晶體，其中一個電光晶體加設(shè)正相被測試電壓，另一個電光晶體加設(shè)反相被測試電壓，上述每一個起偏器對應(yīng)一個電光晶體，每個起偏器的偏振光束以與電光晶體的一個光軸一致的偏振方向射入電光晶體，由電光晶體對入射其中的一路偏振光束進(jìn)行位相調(diào)制，生成一路調(diào)制光束，共生成兩路調(diào)制光束；v一個3×3光纖耦合器，上述兩路調(diào)制光束輸入一個光纖耦合器，光纖耦合器輸出三路耦合光束，三路耦合光束中兩兩光束之間可形成110°-130°相位差；vi光電轉(zhuǎn)換電路，上述三路耦合光束分別由光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；vii用于將上述電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)數(shù)字信號的數(shù)據(jù)采集卡；viii用來接收上述數(shù)字信號，并進(jìn)行運(yùn)算處理得出被測試電壓大小的數(shù)據(jù)處理設(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述相位差為120°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述電光晶體可為LiNbO3晶體；
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述光電轉(zhuǎn)換電路有PIN光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于在所述光電轉(zhuǎn)換電路與數(shù)據(jù)采集卡之間設(shè)有信號處理電路，信號處理電路對輸出電信號進(jìn)行隔直、放大和濾波處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述光源可為LD光源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述光源與分光器之間、分光器與起偏器之間、電光晶體與光纖耦合器之間、光纖耦合器與光電轉(zhuǎn)換電路之間可均采用光纖線路連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于所述兩個電光晶體中，其中一個電光晶體通過光纖線路連接光纖耦合器的1號輸入端子，另一個電光晶體通過光纖連接光纖耦合器的3號輸入端子。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖電壓測量裝置，其特征在于上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備，可對光纖耦合器輸出光強(qiáng)中出現(xiàn)交流幅值不一致情形進(jìn)行歸一化處理；經(jīng)歸一化后信號算式為算式(15)和算式(16)，U5＝Acos(2Δmsinωt-120°) (15)U6＝Acos(2Δmsinωt+120°) (16)上述兩式進(jìn)行如算式(17)的差分運(yùn)算及繼續(xù)進(jìn)行如算式(18)的結(jié)果運(yùn)算，就求得被測電壓值； 上述數(shù)據(jù)處理設(shè)備，其設(shè)有光電晶體折射率的溫度特性曲線信息數(shù)據(jù)庫，并在實(shí)際測量中根據(jù)溫度傳感器獲得的環(huán)境溫度值，依據(jù)溫度特性曲線數(shù)據(jù)信息對被測電壓測量結(jié)果進(jìn)行校正，進(jìn)而獲得被測電壓的實(shí)際值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于位相調(diào)制的光纖電壓測量裝置，包括光源、分光器、兩個起偏器、兩個電光晶體、光纖耦合器、光電轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)采集卡和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。電光晶體分別加設(shè)正反相被測試電壓，起偏器與電光晶體一一對應(yīng)，起偏器的偏振光束對應(yīng)電光晶體的一個光軸，電光晶體對偏振光束進(jìn)行位相調(diào)制，共生成兩路調(diào)制光束；調(diào)制光束輸入光纖耦合器，三路耦合光束中兩兩之間形成120°相位差；光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡采集送往數(shù)據(jù)處理設(shè)備，運(yùn)算處理得出被測試電壓值。具有測量精度優(yōu)于0.5％，溫度穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01R19/32GK1632599SQ20041003631
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月16日
發(fā)明者曹茂永, 李晶 申請人:山東科技大學(xué)