專利名稱：一種新型高電壓光纖傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)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(shù)：
目前光纖高電壓傳感器使用的測(cè)量方法主要有光的偏振態(tài)測(cè)量法、光的干涉測(cè)量法和波長(zhǎng)調(diào)制測(cè)量法。光的偏振態(tài)測(cè)量主要基于法拉第磁光效應(yīng)，使用磁光晶體在外場(chǎng)變化下使光的偏振方向改變達(dá)到測(cè)試目的，是目前研究相對(duì)成熟的傳感器，已有少量商業(yè)化應(yīng)用。光的干涉法主要是利用外場(chǎng)改變相干光的光程差進(jìn)行測(cè)量，主要基于邁克爾孫干涉儀或馬赫曾德干涉儀的測(cè)量。波長(zhǎng)調(diào)制測(cè)量法是對(duì)光的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量從而檢測(cè)外場(chǎng)信號(hào)的方法。主要是由光纖光柵傳感裝置或法布里-珀羅干涉?zhèn)鞲衅魍瓿桑枰褂貌ㄩL(zhǎng)解調(diào)裝置。這幾種傳感裝置在理論上均可完成對(duì)電力參數(shù)的檢測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于外界環(huán)境的干擾、特別是溫度、振動(dòng)造成誤差太大不能滿足使用要求，阻礙了該類(lèi)光纖電流傳感器的推廣使用。美國(guó)專利USM75773、US5343036公開(kāi)了一種基于逆壓電效應(yīng)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(cè)表面，該石英晶體的X軸與圓柱體的中心軸線重合，當(dāng)有電壓加載石英晶體的X軸的端面上時(shí)，石英晶體的Y 軸將出現(xiàn)微小的形變，通過(guò)干涉裝置檢測(cè)出雙模光纖的變化，從而得出待測(cè)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(dāng)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(cè)裝置仍是一種比較復(fù)雜、成本較高、長(zhǎng)期穩(wěn)定欠驗(yàn)證的儀器，這在一定程度限制了該方案的推廣使用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種新型高電壓光纖傳感裝置。本實(shí)用新型能夠采用大幅度增加變形齒的數(shù)量以及大幅度延長(zhǎng)信號(hào)光纖的長(zhǎng)度， 使細(xì)微的變形也能檢測(cè)到，提高了本傳感裝置的精度和動(dòng)態(tài)范圍，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低，具有良好的市場(chǎng)推廣前景。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)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(gè)光纖敏感單元，一高壓母線通過(guò)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(cè)表面上分布有至少一個(gè)曲線形凹槽， 在凹槽內(nèi)的相對(duì)兩個(gè)面上布設(shè)有A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒，所述A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，且一信號(hào)光纖夾持于A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒位于信號(hào)光纖的兩側(cè)，所述圓柱體、以及設(shè)置于圓柱體上凹槽內(nèi)的A側(cè)變形齒和B側(cè)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(gòu)成，并且凹槽內(nèi)的A側(cè)變形齒相對(duì)于B側(cè)變形齒會(huì)隨著加載于光纖敏感單元的電壓變化而出現(xiàn)相對(duì)或相反的運(yùn)動(dòng)變化，所述信號(hào)光纖連接有光纜，所述光纜連接有測(cè)試單元，所述測(cè)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(shè)于圓柱體的側(cè)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(shè)于圓柱體的側(cè)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(gè)或兩個(gè)以上，每個(gè)光纖敏感單元中信號(hào)光纖串聯(lián)在一根光纜上并與測(cè)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(cè)變形齒、B側(cè)變形齒和信號(hào)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(duì)應(yīng)的側(cè)壁節(jié)段的長(zhǎng)度，α S*A、B側(cè)變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1S、L2S分別是A側(cè)變形齒、B側(cè)變形齒的高度，α纟〒為信號(hào)光纖的膨脹系數(shù)，為信號(hào)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(gè)或兩個(gè)以上，且其通過(guò)金屬管串聯(lián)起來(lái)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(cè)設(shè)置有電暈放電環(huán)。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本實(shí)用新型通過(guò)曲線形凹槽的設(shè)置使信號(hào)光纖的常規(guī)長(zhǎng)度大幅度的延長(zhǎng)，從而能夠?qū)Σ杉降男盘?hào)進(jìn)行放大，提高了該傳感裝置的精度，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制作方便且結(jié)構(gòu)形式多樣，使用方式靈活。2、使用操作簡(jiǎn)便且各組件間連接關(guān)系設(shè)計(jì)合理，通過(guò)增加了信號(hào)光纖隨待測(cè)信號(hào)變化可以彎曲的長(zhǎng)度，從而降低了信號(hào)光纖的彎曲曲率，保證信號(hào)光纖壽命的同時(shí)，提高了測(cè)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(chǎng)強(qiáng)下具有逆壓電效應(yīng)，水晶體積的微小變化使信號(hào)光纖的彎曲曲率變化，從而使信號(hào)光纖內(nèi)部傳輸光信號(hào)的損耗變化，并通過(guò)測(cè)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(hào)光纖彎曲曲率的形變的變化，利用測(cè)試單元通過(guò)干涉法獲取信號(hào)光纖形變量的大小而感知電壓的變化；在電力傳輸領(lǐng)域特別是超高電壓領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。4、通過(guò)分別選擇具有適當(dāng)膨脹系數(shù)材料的圓柱體和變形齒可以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?。下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的包含有光纖敏感單元的結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖2為圖1的光纖敏感單元A-A剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)記說(shuō)明[0026]1-光纜；2-光纖敏感單元;4-凹槽；[0027]4-1-A側(cè)變形齒；4-2-B側(cè)變形齒；5-測(cè)試單元[0028]6-信號(hào)光纖；7-處理單元；8-側(cè)壁節(jié)段[0029]10-圓柱體；30-高壓母線；31-電極二 ；[0030]33-導(dǎo)線；34-電暈放電環(huán)；35-電極一；[0031]36-地電位電極；37-金屬管；38-絕緣管；39-聚氨酯。
具體實(shí)施方式
實(shí)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(gè)光纖敏感單元2，高壓母線30通過(guò)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(cè)表面上分布有至少一個(gè)曲線形凹槽4，在凹槽4內(nèi)的相對(duì)兩個(gè)面上布設(shè)有A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2，所述A側(cè)變形齒4_1和B 側(cè)變形齒4-2相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，且一信號(hào)光纖6夾持于A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2之間，A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2位于信號(hào)光纖6的兩側(cè)，所述圓柱體10、以及設(shè)置于圓柱體10上凹槽4內(nèi)的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)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(gòu)成，并且凹槽4內(nèi)的A側(cè)變形齒4-1相對(duì)于B 側(cè)變形齒4-2會(huì)隨著加載于光纖敏感單元2的電壓變化而出現(xiàn)相對(duì)或相反的運(yùn)動(dòng)變化，所述信號(hào)光纖6連接有光纜1，所述光纜1連接有測(cè)試單元5，所述測(cè)試單元5連接有處理單元7。本實(shí)施例中，檢測(cè)被測(cè)高壓母線30的電壓過(guò)程是高壓母線30通過(guò)電極二 31、導(dǎo)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(zhì)，電極一 35與地電位電極36的電壓變化時(shí)，圓柱體10發(fā)生形變，導(dǎo)致凹槽4的寬度變化，從而使夾持于A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2之間的信號(hào)光纖6的彎曲曲率變化， 導(dǎo)致信號(hào)光纖6內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率的變化，測(cè)試單元5檢測(cè)到該變化并將測(cè)試結(jié)果傳輸給處理單元7，處理單元7經(jīng)過(guò)計(jì)算得到高壓母線30的電壓變化值。測(cè)試單元5可以是光源和光功率計(jì)，也可以選用光時(shí)域反射技術(shù)及相干頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式或分布式測(cè)量，或選擇干涉儀進(jìn)行更高精度的測(cè)量。所述的信號(hào)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(guò)鏡面處理的信號(hào)的光纖的端面。測(cè)試單元5可以通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)光反射裝置的反射光信號(hào)的強(qiáng)度之差得到信號(hào)光纖6對(duì)光信號(hào)的衰減變化，這樣做的好處是可以消減光源、探測(cè)器以及光纜1等環(huán)節(jié)由于變化所帶來(lái)的干擾，進(jìn)一步提高測(cè)試結(jié)構(gòu)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(shè)于圓柱體10的側(cè)表面上。優(yōu)選的，所述的凹槽4以螺旋方式布設(shè)于圓柱體10的側(cè)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(gè)或兩個(gè)以上的光纖敏感單元2，每個(gè)光纖敏感單元2中信號(hào)光纖6可以串聯(lián)在一根光纜1上并連接至測(cè)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(cè)變形齒4-1、B側(cè)變形齒4_2和信號(hào)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(duì)應(yīng)的側(cè)壁節(jié)段8的長(zhǎng)度，α ^為Α、Β側(cè)變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1S、L2S分別是A側(cè)變形齒4-1、 B側(cè)變形齒4-2的高度，α纟〒為信號(hào)光纖6的膨脹系數(shù)，為信號(hào)光纖6的端面直徑。在圓柱體10、A側(cè)變形齒4-1、Β側(cè)變形齒4-2和信號(hào)光纖6的膨脹系數(shù)滿足上述公式時(shí)，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(bǔ)償了溫度的變化對(duì)測(cè)試結(jié)果的改變。所述信號(hào)光纖6為外部包有多層保護(hù)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(hào)光纖6也可以是多芯光纖、偏振光纖、雙模光纖、細(xì)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(shí)施例2 如圖3所示，本實(shí)施例與實(shí)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(gè)徑向，電極35與地電位電極36的電壓加載于構(gòu)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(shí)，水晶材料的 Y軸方向發(fā)生變形伸縮，即由水晶材料構(gòu)成的圓柱體10的長(zhǎng)度也隨之變化，從而使布設(shè)于凹槽4內(nèi)的相對(duì)兩個(gè)面上的A側(cè)變形齒4-1和B側(cè)變形齒4-2之間的距離變化，使夾持于 A側(cè)變形齒4-1、B側(cè)變形齒4-2之間的信號(hào)光纖6的彎曲曲率變化，導(dǎo)致信號(hào)光纖6內(nèi)部傳輸?shù)墓庑盘?hào)功率的變化，測(cè)試單元5檢測(cè)到該變化并將測(cè)試結(jié)果傳輸給處理單元7，處理單元7經(jīng)過(guò)計(jì)算得到高壓母線30的電壓變化值。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3 如圖4所示，本實(shí)施例與實(shí)施例1的不同之處僅在于所述光纖敏感單元2為兩個(gè)或兩個(gè)以上，且其通過(guò)金屬管37串聯(lián)起來(lái)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(cè)設(shè)置有電暈放電環(huán)34，高壓母線30的電壓通過(guò)電極一 35和地電位電極36施加到串聯(lián)起來(lái)的多個(gè)光纖敏感單元2上，這樣可以使本裝置監(jiān)測(cè)500kv以下的高壓母線30的電壓，通過(guò)串聯(lián)更多的光纖敏感單元2可以對(duì)更高電壓等級(jí)的高壓母線30進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電暈放電環(huán)34可以減少電場(chǎng)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(chǎng)分布相對(duì)均勻。本實(shí)施例中，其余部分的結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系和工作原理均與實(shí)施例1相同。 以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本實(shí)用新型作任何限制，凡是根據(jù)本實(shí)用新型技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變換，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)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(gè)光纖敏感單元O)，一高壓母線(30) 通過(guò)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(cè)表面上分布有至少一個(gè)曲線形凹槽G)，在凹槽內(nèi)的相對(duì)兩個(gè)面上布設(shè)有A側(cè)變形齒G-1)和B側(cè)變形齒 (4-2)，所述A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，且一信號(hào)光纖(6)夾持于A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)之間，A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)變形齒(4-2)位于信號(hào)光纖(6)的兩側(cè)，所述圓柱體(10)、以及設(shè)置于圓柱體(10)上凹槽(4)內(nèi)的A側(cè)變形齒(4-1)和B側(cè)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(gòu)成，并且凹槽內(nèi)的A側(cè)變形齒(4-1)相對(duì)于B側(cè)變形齒(4-2)會(huì)隨著加載于光纖敏感單元O)的電壓變化而出現(xiàn)相對(duì)或相反的運(yùn)動(dòng)變化，所述信號(hào)光纖(6)連接有光纜(1)，所述光纜(1)連接有測(cè)試單元(5)，所述測(cè)試單元( 連接有處理單元(7)。
2.根據(jù)權(quán)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(shè)于圓柱體(10)的側(cè)表面上。
3.根據(jù)權(quán)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(shè)于圓柱體(10)的側(cè)表面上。
4.根據(jù)權(quán)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(gè)或兩個(gè)以上，每個(gè)光纖敏感單元O)中信號(hào)光纖(6)串聯(lián)在一根光纜(1) 上并與測(cè)試單元(5)連接。
5.根據(jù)權(quán)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(quán)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(cè)變形齒(4-1)、B側(cè)變形齒(4-2)和信號(hào)光纖(6)滿足以下公式α !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(duì)應(yīng)的側(cè)壁節(jié)段(8)的長(zhǎng)度，α ^為A、B側(cè)變形齒材料的膨脹系數(shù)，L1 s、L2s分別是A側(cè)變形齒 G_1)、B側(cè)變形齒0-2)的高度，α纟〒為信號(hào)光纖(6)的膨脹系數(shù)，為信號(hào)光纖(6)的端面直徑。
7.根據(jù)權(quán)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(quán)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(gè)或兩個(gè)以上，且其通過(guò)金屬管(37)串聯(lián)起來(lái)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(cè)設(shè)置有電暈放電環(huán) 034)。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)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(gè)光纖敏感單元，一高壓母線通過(guò)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(cè)表面上分布有至少一個(gè)曲線形凹槽，在凹槽內(nèi)的相對(duì)兩個(gè)面上布設(shè)有A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒，A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒相互交錯(cuò)對(duì)應(yīng)，且一信號(hào)光纖夾持于A側(cè)變形齒和B側(cè)變形齒之間，信號(hào)光纖連接有光纜，光纜連接有測(cè)試單元，測(cè)試單元連接有處理單元。本實(shí)用新型能夠采用大幅度增加變形齒的數(shù)量以及大幅度延長(zhǎng)信號(hào)光纖的長(zhǎng)度，能檢測(cè)到細(xì)微變形。
文檔編號(hào)G01R19/00GK201955380SQ20102064839
公開(kāi)日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
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