專利名稱：一種新型高電壓光纖傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學電壓傳感裝置，特別涉及一種新型高電壓光纖傳感裝置。
背景技術：
目前光纖高電壓傳感器使用的測量方法主要有光的偏振態(tài)測量法、光的干涉測量法和波長調(diào)制測量法。光的偏振態(tài)測量主要基于法拉第磁光效應，使用磁光晶體在外場變化下使光的偏振方向改變達到測試目的，是目前研究相對成熟的傳感器，已有少量商業(yè)化應用。光的干涉法主要是利用外場改變相干光的光程差進行測量，主要基于邁克爾孫干涉儀或馬赫曾德干涉儀的測量。波長調(diào)制測量法是對光的波長進行測量從而檢測外場信號的方法。主要是由光纖光柵傳感裝置或法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅魍瓿?，需要使用波長解調(diào)裝置。這幾種傳感裝置在理論上均可完成對電力參數(shù)的檢測，但在實際應用時由于外界環(huán)境的干擾、特別是溫度、振動造成誤差太大不能滿足使用要求，阻礙了該類光纖電流傳感器的推廣使用。美國專利USM75773、US5343036公開了一種基于逆壓電效應的光纖電壓傳感裝置，其核心是將雙模光纖纏繞在一圓柱體的典型的壓電材料石英晶體側表面，該石英晶體的X軸與圓柱體的中心軸線重合，當有電壓加載石英晶體的X軸的端面上時，石英晶體的Y 軸將出現(xiàn)微小的形變，通過干涉裝置檢測出雙模光纖的變化，從而得出待測電壓的變化。該方案中光纖鏈路是連續(xù)的、且采用的石英晶體是一種溫度及其他物理特性均相當溫定的一種材料，使該方案明顯優(yōu)于上述的其他三種光纖高電壓傳感裝置，并且該方案的成本也低于其他的光纖高電壓傳感裝置。但該方案中采用的干涉檢測裝置仍是一種比較復雜、成本較高、長期穩(wěn)定欠驗證的儀器，這在一定程度限制了該方案的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術中的不足，提供一種新型高電壓光纖傳感裝置。本發(fā)明能夠采用大幅度增加變形齒的數(shù)量以及大幅度延長信號光纖的長度，使細微的變形也能檢測到，提高了本傳感裝置的精度和動態(tài)范圍，且其結構簡單、使用方便、成本低， 具有良好的市場推廣前景。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于包括電極一、地電位電極和位于電極一與地電位電極之間的至少一個光纖敏感單元，一高壓母線通過電極一和地電位電極將高壓母線的高電壓加載在所述光纖敏感單元上，所述光纖敏感單位包括一圓柱體，在圓柱體的側表面上分布有至少一個曲線形凹槽，在凹槽內(nèi)的相對兩個面上布設有A側變形齒和B側變形齒，所述A側變形齒和B側變形齒相互交錯對應，且一信號光纖夾持于A側變形齒和B側變形齒之間，A側變形齒和B側變形齒位于信號光纖的兩側，所述圓柱體、以及設置于圓柱體上凹槽內(nèi)的A側變形齒和B側變形齒的至少三者之一或至少三者之一的一部分由電致伸縮材料或逆壓電材料構成，并且凹槽內(nèi)的A側變形齒相對于B側變形齒會隨著加載于光纖敏感單元的電壓變化而出現(xiàn)相對或相反的運動變化，所述信號光纖連接有光纜，所述光纜連接有測試單元，所述測試單元連接有處
理單元。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述凹槽為兩條或兩條以上，且其相互平行的布設于圓柱體的側表面上。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述凹槽以螺旋方式布設于圓柱體的側表面上。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述光纖敏感單元為兩個或兩個以上，每個光纖敏感單元中信號光纖串聯(lián)在一根光纜上并與測試單元連接。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述光纖敏感單元外圍罩有電磁屏蔽殼體。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述圓柱體、A側變形齒、B側變形齒和信號光纖滿足以下公式α Δ τ- α 齒Δ Τ—α 纖d纖 ΛΤ = 0其中，α工是圓柱體(10)材料的膨脹系數(shù)，ΔΤ是變化的溫度值，L1是凹槽對應的側壁節(jié)段的長度，α S*A、B側變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1S、L2S分別是A側變形齒、B側變形齒的高度，α纟〒為信號光纖的膨脹系數(shù)，為信號光纖的端面直徑。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述圓柱體選用水晶材料制成。上述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，所述光纖敏感單元為兩個或兩個以上，且其通過金屬管串聯(lián)起來并安裝在一絕緣管內(nèi)，絕緣管內(nèi)空隙中填充有絕緣的聚氨酯，所述絕緣管兩側設置有電暈放電環(huán)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明通過曲線形凹槽的設置使信號光纖的常規(guī)長度大幅度的延長，從而能夠對采集到的信號進行放大，提高了該傳感裝置的精度，且其結構簡單、加工制作方便且結構形式多樣，使用方式靈活。2、使用操作簡便且各組件間連接關系設計合理，通過增加了信號光纖隨待測信號變化可以彎曲的長度，從而降低了信號光纖的彎曲曲率，保證信號光纖壽命的同時，提高了測試精度。3、圓柱體和或變形齒采用具有壓電特性的水晶材料，水晶在電壓場強下具有逆壓電效應，水晶體積的微小變化使信號光纖的彎曲曲率變化，從而使信號光纖內(nèi)部傳輸光信號的損耗變化，并通過測試單元獲取該變化，從而感知到電壓的變化；也可以根據(jù)信號光纖彎曲曲率的形變的變化，利用測試單元通過干涉法獲取信號光纖形變量的大小而感知電壓的變化；在電力傳輸領域特別是超高電壓領域具有廣闊的應用前景。4、通過分別選擇具有適當膨脹系數(shù)材料的圓柱體和變形齒可以達到溫度補償?shù)男Ч?。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本發(fā)明實施例1的包含有光纖敏感單元的結構示意圖。圖2為圖1的光纖敏感單元A-A剖面結構示意圖。
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圖3為本發(fā)明實施例2的結構示意圖。
圖4為本發(fā)明實施例3的結構示意圖。
附圖標記說明
1-光纜；2-光纖敏感單元；4-凹槽；
4-1-A側變形齒；4-2-B側變形齒；5-測試單元
6-信號光纖；7-處理單元；8-側壁節(jié)段
10-圓柱體；30-高壓母線；31-電極二 ；
33-導線；34-電暈放電環(huán)；35-電極一；
36-地電位電極；37-金屬管；38-絕緣管；
39-聚氨酯。
具體實施例方式實施例1如圖1和圖2所示的一種新型高電壓光纖傳感裝置，包括電極一 35、地電位電極 36和位于電極一 35與地電位電極36之間的至少一個光纖敏感單元2，高壓母線30通過電極一 35和地電位電極36將高壓母線30的高電壓加載在所述光纖敏感單元2上，所述光纖敏感單位2包括一圓柱體10，在圓柱體10的側表面上分布有至少一個曲線形凹槽4，在凹槽4內(nèi)的相對兩個面上布設有A側變形齒4-1和B側變形齒4-2，所述A側變形齒4_1和B 側變形齒4-2相互交錯對應，且一信號光纖6夾持于A側變形齒4-1和B側變形齒4-2之間，A側變形齒4-1和B側變形齒4-2位于信號光纖6的兩側，所述圓柱體10、以及設置于圓柱體10上凹槽4內(nèi)的A側變形齒4-1和B側變形齒4-2的至少三者之一或至少三者之一的一部分由電致伸縮材料或逆壓電材料構成，并且凹槽4內(nèi)的A側變形齒4-1相對于B 側變形齒4-2會隨著加載于光纖敏感單元2的電壓變化而出現(xiàn)相對或相反的運動變化，所述信號光纖6連接有光纜1，所述光纜1連接有測試單元5，所述測試單元5連接有處理單元7。本實施例中，檢測被測高壓母線30的電壓過程是高壓母線30通過電極二 31、導線33將高電壓傳遞到電極一 35，電極一 35和地電位電極36將該高電壓加載于一光纖敏感單元2上，圓柱體10選用電致伸縮材料，可以是電致伸縮率較大的鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(PZT) 或其他晶體材料，也可以是石英玻璃等電致伸縮率較小的、但溫度等其他物理參數(shù)穩(wěn)定的電介質，電極一 35與地電位電極36的電壓變化時，圓柱體10發(fā)生形變，導致凹槽4的寬度變化，從而使夾持于A側變形齒4-1和B側變形齒4-2之間的信號光纖6的彎曲曲率變化， 導致信號光纖6內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘柟β实淖兓?，測試單元5檢測到該變化并將測試結果傳輸給處理單元7，處理單元7經(jīng)過計算得到高壓母線30的電壓變化值。測試單元5可以是光源和光功率計，也可以選用光時域反射技術及相干頻率調(diào)制連續(xù)波技術來實現(xiàn)準分布式或分布式測量，或選擇干涉儀進行更高精度的測量。所述的信號光纖6的兩端也可以安置有光反射裝置，該反射裝置可以是光反射鏡、光纖光柵、含有氣泡的光纖或是經(jīng)過鏡面處理的信號的光纖的端面。測試單元5可以通過檢測兩個光反射裝置的反射光信號的強度之差得到信號光纖6對光信號的衰減變化，這樣做的好處是可以消減光源、探測器以及光纜1等環(huán)節(jié)由于變化所帶來的干擾，進一步提高測試結構的精度。
優(yōu)選的，所述凹槽4為兩條或兩條以上，且其相互平行的布設于圓柱體10的側表面上。優(yōu)選的，所述的凹槽4以螺旋方式布設于圓柱體10的側表面上。優(yōu)選的，與所述的高壓母線30相連的電極35和地電位電極36之間并聯(lián)著兩個或兩個以上的光纖敏感單元2，每個光纖敏感單元2中信號光纖6可以串聯(lián)在一根光纜1上并連接至測試單元5。優(yōu)選的，所述的光纖敏感單元2外圍罩有電磁屏蔽殼體。優(yōu)選的，所述圓柱體10、A側變形齒4-1、B側變形齒4_2和信號光纖6滿足以下公式α Δ T- α 齒(LlS+L2S) Δ Τ—α 纖 d纖 ΔΤ = 0其中，α工是圓柱體10材料的膨脹系數(shù)，Δ T是變化的溫度值，L1是凹槽4對應的側壁節(jié)段8的長度，α ^為Α、Β側變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1S、L2S分別是A側變形齒4-1、B側變形齒4-2的高度，α纟〒為信號光纖6的膨脹系數(shù)，為信號光纖6的端面直徑。在圓柱體10、A側變形齒4-1、Β側變形齒4-2和信號光纖6的膨脹系數(shù)滿足上述公式時，本裝置就可以在一定的溫度變化范圍內(nèi)不受溫度變化的影響，即補償了溫度的變化對測試結果的改變。所述信號光纖6為外部包有多層保護光纖，如緊套光纖、碳涂覆光纖、金屬涂覆光纖或聚酰亞胺涂覆光纖。所述信號光纖6也可以是多芯光纖、偏振光纖、雙模光纖、細徑光纖(如裸光纖外徑60或80微米的光纖)、高分子聚合物光纖或光子晶體光纖。實施例2 如圖3所示，本實施例與實施例1的不同之處僅在于圓柱體10選用溫度性能和逆壓電性能良好的水晶晶體材料，其中水晶晶體材料的Y軸與圓柱體10的中心軸線重合，水晶晶體材料的X軸位于圓柱體10的一個徑向，電極35與地電位電極36的電壓加載于構成圓柱體10的水晶材料的X軸方向，電極35與地電位電極36的電壓變化時，水晶材料的Y軸方向發(fā)生變形伸縮，即由水晶材料構成的圓柱體10的長度也隨之變化，從而使布設于凹槽4內(nèi)的相對兩個面上的A側變形齒4-1和B側變形齒4-2之間的距離變化，使夾持于A側變形齒4-1、B側變形齒4-2之間的信號光纖6的彎曲曲率變化，導致信號光纖6內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘柟β实淖兓?，測試單元5檢測到該變化并將測試結果傳輸給處理單元7，處理單元7經(jīng)過計算得到高壓母線30的電壓變化值。本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。實施例3 如圖4所示，本實施例與實施例1的不同之處僅在于所述光纖敏感單元2為兩個或兩個以上，且其通過金屬管37串聯(lián)起來并安裝在一絕緣管38內(nèi)，絕緣管38內(nèi)空隙中填充有絕緣的聚氨酯39，所述絕緣管38兩側設置有電暈放電環(huán)34，高壓母線30的電壓通過電極一 35和地電位電極36施加到串聯(lián)起來的多個光纖敏感單元2上，這樣可以使本裝置監(jiān)測500kv以下的高壓母線30的電壓，通過串聯(lián)更多的光纖敏感單元2可以對更高電壓等級的高壓母線30進行監(jiān)測。電暈放電環(huán)34可以減少電場梯度，使光纖敏感單元2中包括的電致伸縮或逆壓電材料承受的電場分布相對均勻。本實施例中，其余部分的結構、連接關系和工作原理均與實施例1相同。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結構變換，均仍屬于本發(fā)明技術方案的保護范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于包括電極一(35)、地電位電極(36)和位于電極一(35)與地電位電極(36)之間的至少一個光纖敏感單元O)，一高壓母線(30) 通過電極一(3 和地電位電極(36)將高壓母線(30)的高電壓加載在所述光纖敏感單元(2)上，所述光纖敏感單位包括一圓柱體(10)，在圓柱體(10)的側表面上分布有至少一個曲線形凹槽G)，在凹槽內(nèi)的相對兩個面上布設有A側變形齒G-1)和B側變形齒 (4-2)，所述A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4-2)相互交錯對應，且一信號光纖(6)夾持于A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4-2)之間，A側變形齒(4-1)和B側變形齒(4-2)位于信號光纖(6)的兩側，所述圓柱體(10)、以及設置于圓柱體(10)上凹槽(4)內(nèi)的A側變形齒(4-1)和B側變形齒G-2)的至少三者之一或至少三者之一的一部分由電致伸縮材料或逆壓電材料構成，并且凹槽內(nèi)的A側變形齒(4-1)相對于B側變形齒(4-2)會隨著加載于光纖敏感單元O)的電壓變化而出現(xiàn)相對或相反的運動變化，所述信號光纖(6)連接有光纜(1)，所述光纜(1)連接有測試單元(5)，所述測試單元( 連接有處理單元(7)。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述凹槽(4) 為兩條或兩條以上，且其相互平行的布設于圓柱體(10)的側表面上。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述凹槽 (4)以螺旋方式布設于圓柱體(10)的側表面上。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述光纖敏感單元( 為兩個或兩個以上，每個光纖敏感單元O)中信號光纖(6)串聯(lián)在一根光纜(1) 上并與測試單元(5)連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述光纖敏感單元(2)外圍罩有電磁屏蔽殼體。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述圓柱體 (10)、A側變形齒(4-1)、B側變形齒(4-2)和信號光纖(6)滿足以下公式α 1 L1 Δ T- α 齒(L1 齒+L2 齒)Δ Τ_ α 纖 d纖 ΔΤ = 0其中，α i是圓柱體(10)材料的膨脹系數(shù)，Δ T是變化的溫度值，L1是凹槽(4)對應的側壁節(jié)段(8)的長度，α齒 為A、B側變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1 s、L2s分別是A側變形齒 G_1)、B側變形齒0-2)的高度，α纖 為信號光纖(6)的膨脹系數(shù)，為信號光纖(6)的端面直徑。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述圓柱體選用水晶材料制成。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種新型高電壓光纖傳感裝置，其特征在于所述光纖敏感單元O)為兩個或兩個以上，且其通過金屬管(37)串聯(lián)起來并安裝在一絕緣管(38)內(nèi)， 絕緣管(38)內(nèi)空隙中填充有絕緣的聚氨酯(39)，所述絕緣管(38)兩側設置有電暈放電環(huán) 034)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型高電壓光纖傳感裝置，包括電極一、地電位電極和位于電極一與地電位電極之間的至少一個光纖敏感單元，一高壓母線通過電極一和地電位電極將高壓母線的高電壓加載在所述光纖敏感單元上，光纖敏感單位包括一圓柱體，在圓柱體的側表面上分布有至少一個曲線形凹槽，在凹槽內(nèi)的相對兩個面上布設有A側變形齒和B側變形齒，A側變形齒和B側變形齒相互交錯對應，且一信號光纖夾持于A側變形齒和B側變形齒之間，信號光纖連接有光纜，光纜連接有測試單元，測試單元連接有處理單元。本發(fā)明能夠采用大幅度增加變形齒的數(shù)量以及大幅度延長信號光纖的長度，能檢測到細微變形。
文檔編號G01R15/24GK102565499SQ20101057935
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月8日 優(yōu)先權日2010年12月8日
發(fā)明者杜兵 申請人:西安金和光學科技有限公司