專利名稱：光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)及相應(yīng)迭代解調(diào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電壓傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)及相應(yīng)迭代解調(diào)方法。
背景技術(shù)：
智能電網(wǎng)屬于戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是新能源產(chǎn)業(yè)的重點發(fā)展目標。電子式互感器是智能化變電站的核心設(shè)備。電子式互感器通過光纖實現(xiàn)數(shù)字信號傳輸，解決了絕緣、干擾等難題。電子式光纖、光學(xué)互感器，由于其天然的絕緣優(yōu)勢，先進的傳感原理，從根本上克服了傳統(tǒng)式電磁互感器、其它種類的電子式互感器存在的一些技術(shù)缺陷，特別是在特高壓領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢更為明顯，是國際上公認的互感器技術(shù)發(fā)展方向和換代型產(chǎn)品?？v觀現(xiàn)有的光學(xué)式電壓傳感器設(shè)計方案，多存在以下特點光路設(shè)計復(fù)雜，核心傳 感光學(xué)器件由眾多分立器件構(gòu)成，光路和電極結(jié)合的系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜，制造加工工藝繁瑣，可靠性差；光源及光路噪聲將最終成為限制計量級傳感器準確度提高瓶頸，光學(xué)互感器的信噪比提高成為亟待解決的難關(guān)；光源輸出功率受光源驅(qū)動電路和器件本身壽命的影響，光源功率無法保證在整個壽命周期內(nèi)保持不變，光源功率的波動，特別是瞬時功率的波動對傳感器準確度的影響很大；傳感器系統(tǒng)震動，特別是傳感光路的高頻震動將對輸入光的偏振態(tài)產(chǎn)生嚴重擾動，導(dǎo)致輸出傳感信號在震動周期內(nèi)出現(xiàn)大幅波動，有可能會影響繼電保護裝置裝置的誤動作，也不滿足計量級傳感器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)及相應(yīng)迭代解調(diào)方法，能夠有效解決或抑制上述的一個或多個問題的影響，提高輸出光傳感信號的信噪比，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明一方面提供了一種光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，包括光源、傳感光學(xué)模塊(I)、光信號處理模塊(7)和光纖。光源用于發(fā)出一光束；傳感光學(xué)模塊(I)包括起偏器(41),用于將從輸入端輸入的所述光束分為參考光和傳感光，其中所述傳感光為線偏振光；1/4波片(5)，用于將所述傳感光分成正交的兩束線偏振光；傳感晶體(6)，被放置為使其通光方向與電場垂直，使穿過該傳感晶體(6)的兩束線偏振光產(chǎn)生與電場相關(guān)的相位差；檢偏器(42)，使從所述傳感晶體輸出的兩束線偏振光產(chǎn)生干涉，從而將攜帶有電場信息的傳感光輸出。光信號處理模塊(7)利用所述參考光和所述攜帶有電場信息的傳感光確定所述電場信息。光纖用于連接光源、傳感光學(xué)模塊以及光信號處理模塊。所述傳感光學(xué)模塊還可以包括位于起偏器的輸入端側(cè)的第一準直器(31)、位于所述起偏器的側(cè)面的第二準直器(32)、位于所述檢偏器的輸出端側(cè)的第三準直器(33)。所述光纖包括連接在所述光源(8 )與所述第一準直器(31)之間的第一光纖(21)，連接在所述第二準直器(32 )與所述光信號處理模塊(7 )之間的第二光纖(22 )，以及連接在所述第三準直器(33)與所述光信號處理模塊(7)之間的第三光纖(23)。
所述起偏器(41)的偏振方向為橫向，所述檢偏器(42)的偏振方向為縱向。所述光信號處理模塊(7)包括第一探測器(72)，用于探測所述參考光的光強；第二探測器(73)，用于探測所述攜帶有電場信息的傳感光的光強；數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)所述參考光的光強和所述攜帶有電場信息的傳感光的光強確定電場的信息。本發(fā)明另一方面公開了一種利用以上所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)的迭代解調(diào)方法，包括利用以下公式計算被測電壓V
{/Ih V = K. sin ca = —arcsin(— -1)(I)
πa其中，V111為電壓的最大幅值，ω為電壓變化的角速度，V11為所述傳感晶體的半波電壓；t = + = ，其中I1是所述參考光的光強，I2是攜帶有電場信息的傳感光的光
12 ^nc
強，aDC是a的平均值，bDC是b的平均值。其中，匕=2々t，其中，λ為所述光束的光波長，η0為傳感晶體的折射率，I為傳
感晶體通光方向的長度，d為傳感晶體沿施加電壓方向的厚度，Y41是傳感晶體材料的線性電光系數(shù)。所述k值計算周期由I秒到I分鐘的數(shù)據(jù)計算，然后代入公式(I)中循環(huán)計算電壓值。本發(fā)明所提出的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)由于引入了參考光路，因此可以簡化光路設(shè)計，可以提高輸出光傳感信號的信噪比，提高傳感器的可靠性和穩(wěn)定性。


圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。為了清楚起見，說明書省略了對理解本發(fā)明無關(guān)緊要的一些部件的描述。本發(fā)明提供一種新型光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，其采用橫向調(diào)制原理，即傳感晶體的通光方向與電場方向垂直的方式對電場/電壓進行檢測，其中在該新型的光學(xué)式電壓傳感的光路中引入了參考光路，以有效提高傳感系統(tǒng)的信噪比，抑制光源功率波動、系統(tǒng)震動等因素對輸出電壓值的影響，從而確保傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠和傳感數(shù)據(jù)的準確。圖I是根據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)的示意圖。參見圖1，本發(fā)明實施例的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)包括位于一次側(cè)的傳感光學(xué)模塊1，位于二次側(cè)的光信號處理單兀7以及光源8,以及在這三者之間傳輸光信號的光纖。光源8用于產(chǎn)生將要經(jīng)過傳感光學(xué)模塊感知電場的一束光，可以是單色激光。傳感光學(xué)模塊I (按照光行進的方向依次)包括起偏器41、1/4波片5、傳感晶體6、檢偏器42。起偏器41用于將從輸入端輸入的光束分為參考光和傳感光,并且傳感光為線偏振光。參考光從起偏器41的一側(cè)面出射，這里所說的側(cè)面是相對于通光方向而言的。1/4波片用于將傳感光分成偏振方向正交的兩束線偏振光。傳感晶體6被放置為使其通光方向與電場垂直，使穿過該傳感晶體6的兩束線偏振光產(chǎn)生與電場相關(guān)的相位差。檢偏器42使從所述傳感晶體輸出的兩束線偏振光產(chǎn)生干涉，從而將攜帶有電場信息的傳感光輸出。這里的傳感晶體可以是電光晶體，即具有線性電光效應(yīng)(即pockels效應(yīng))的晶體，如鍺酸鉍(BG0)、鈮酸鋰等。傳感晶體6可以置于地電極上。起偏器41與檢偏器42的偏振方向互相垂直。在本實施例中，優(yōu)選起偏器41的偏振方向為橫向,檢偏器42的偏振方向為縱向。這種偏振方式便于從起偏器41的側(cè)面將參考光引出。傳感光學(xué)模塊I還可以包括第一準直器31、第二準直器32、第三準直器33。第一準直器31位于起偏器的輸入端側(cè),用于將從光源傳輸來的光束稱合入起偏器。第二準直器32位于所述起偏器的側(cè)面，將從起偏器的側(cè)面出射的參考光耦合入光纖。第三準直器33位于檢偏器的輸出端側(cè)，將從檢偏器的輸出端出射的傳感光耦合入光纖。光纖包括用于連接在光源與第一準直器之間的、將光源發(fā)出的光束傳輸?shù)狡鹌?1的輸入端的第一光纖21，連接在第二準直器與光信號處理模塊7(例如其第一探測器72) 之間的、將從起偏器分出的參考光傳輸?shù)焦庑盘柼幚砟K7的第二光纖22，以及連接在第三準直器與光信號處理模塊7 (例如其第二探測器73)之間的、將攜帶有電場信息的傳感光傳輸?shù)焦庑盘柼幚砟K7的第三光纖23。這里的光纖可以是普通單模光纖。光信號處理模塊7，用于對參考光和攜帶有電場信息的傳感光進行處理得到所述電場信息。光信號處理模塊7包括第一探測器72和第二探測器73。第一探測器72用于探測參考光的光強，第二探測器73用于探測攜帶有電場信息的傳感光的光強。光信號處理模塊7還包括數(shù)據(jù)處理單元(圖中未示出)，用于根據(jù)第一探測器72和第二探測器73探測到的光強計算電場或電壓的大小。以下對利用上述光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)對電壓進行迭代解調(diào)的方法進行具體說明。光源8發(fā)出的光經(jīng)第一光纖21傳送至第一光纖準直器31，被耦合入起偏器41，光經(jīng)起偏器41后分為兩路，一路經(jīng)第二準直器32、第二光纖22到達第一探測器72，此路光即為參考光；另外一路經(jīng)1/4波片5、傳感晶體6、檢偏器42、第三準直器33、第三光纖23至第二探測器(73 )，此光路為電壓信號傳感光。入射光經(jīng)起偏器后變成線偏振光，再經(jīng)1/4波片產(chǎn)生偏振方向正交的兩束線偏振光，由于晶體中Pockels效應(yīng)的作用，兩束線偏振光經(jīng)傳感晶體6傳輸后，產(chǎn)生一個與外加電場(附圖中以虛線箭頭表不電場方向)相關(guān)的相位差，利用檢偏器使兩束線偏振光產(chǎn)生干涉，將相位檢測轉(zhuǎn)換為光強檢測。第一探測器72和第二探測器73將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，由數(shù)據(jù)處理單元解算出外加電壓值。假設(shè)第一探測器(72)、第二探測器(73)探測到的光強分別為a和b，則有B=I1(I)b=I2(1+sin δ )(2)其中I1, I2為兩光路直流光強，δ為由線性電光效應(yīng)引起的雙折射兩光束的相位差，該相位差與外加電場E的強度成正比，設(shè)比例系數(shù)為Ictl，則有^ = kji = 7^7-( 3 )
K
V為被測電壓，V=VmSin ω t，V111是被測電壓的最大幅值，ω為被測電壓變化的角速度為晶體的半波電壓，即由Pockels效應(yīng)引起的雙折射兩光束產(chǎn)生180°相位差所需的外加電壓的大小，對橫向調(diào)制的Pockels光學(xué)電壓傳感器，以BGO傳感晶體為例,其半波電
壓匕=^77，式中，λ為光波波長，％為晶體的折射率，I為晶體通光方向的長度，d為晶
/4r
體沿施加電壓方向的厚度，Y41是晶體材料的線性電光系數(shù)。光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)中，由于存在起偏器這種偏振敏感器件，輸入光經(jīng)光纖傳輸時偏振態(tài)的演化和系統(tǒng)光路特別是輸入光纖受到震動時，會造成輸出光功率的明顯變化，由于一般的信號解調(diào)電路的有限帶寬和算法限制，常常無法濾除此種光功率波動，從而影響系統(tǒng)的傳感精度。光源功率的瞬時波動無法得到濾除也是同樣道理。 光學(xué)電壓傳感器光源及輸入光路的噪聲是影響計量級、高精度電壓傳感器終極性能的重要因素，因此對于計量級電壓傳感器來說，輸入光噪聲必須得到抑制。由本發(fā)明光路的特點可知，信號a反映了輸入光的本征噪聲性能，信號b為被測電場調(diào)制后的信號，信號a和b的直流光功率變化趨勢相同、噪聲性能相同。因此令
k = ^- = -^-，分別取a、b相同數(shù)目的采樣點進行數(shù)值平均，即aDC；=mean(a), bDC=mean (b),其
& DC
中mean為平均的函數(shù)。將公式(I)、公式(2)相除，可以抵消光功率的影響，同時也大大抑制輸入光的固有噪聲，輸出信號的信噪比得到明顯提高。公式推導(dǎo)可以得到sin ^ -1(4)
a被測電壓信號值為
J//■/) V = Vm smoX = — arcsini-——I) ( 5 )
πa比值k為參考光、信號光的直流量的比值，由前面的分析知道，輸入光對參考光信號光的影響趨勢一致，因此對比值k來說在一定長的時間內(nèi)基本保持不變，k值可以在I秒、10秒甚至I分鐘的周期內(nèi)對數(shù)據(jù)求平均計算得到，然后代入公式(5)中循環(huán)迭代計算所施加電壓值。上述迭代解調(diào)算法將參考光路的技術(shù)參數(shù)進行迭代，快速、準確地計算得到被測電壓值。因此，這種迭代算法具有實時性、易實現(xiàn)等優(yōu)點。由以上所述的迭代解調(diào)算法的處理過程來看，參考光的引入，消除了光源功率波動、輸入光纖震動、輸入光路偏振態(tài)演化等光功率因素對電壓傳感器精度的影響；大大抑制了輸入光路噪聲，提高了系統(tǒng)的信噪比。需要說明的是，以上公式中采用了物理量光強Il和12來描述，實際計算中采用的是由探測器將光強信號轉(zhuǎn)換為的電信號，如電壓信號，但由于電壓信號與光強信號成正比，且上述公式中涉及的是比值，因此利用光強或探測器輸出的電壓來表示對最終結(jié)果沒有影響。根據(jù)本發(fā)明實施例的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)及相應(yīng)的電壓傳感方法具有以下優(yōu)
占-
^ \\\ ·(I)簡化了光路設(shè)計，不必再采用消偏擾偏、光源閉環(huán)控制等技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計簡單，制造加工工藝簡便，可靠性高；(2)在傳感光路中引入了參考光路，參考光與信號光傳輸路徑一致，有效的抑制了光源及光路噪聲等抑制計量級傳感器準確度的瓶頸，大大提高了光學(xué)互感器的信噪比；(3)在傳感光路中引入了參考光路，可以最大程度的消除光源功率波動、光源壽命等因素對傳感器準確度的影響，提高了傳感精度和穩(wěn)定性；(4)在傳感光路中引入了參考光路，可以有效避免傳感光纖鏈路的震動，提聞傳感精度和可靠性；(5)在解調(diào)算法中提出迭代解調(diào)算法，充分發(fā)揮了參考光路的效能，有效的保證了傳感器的準確度。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明保護的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，包括 光源(8),用于發(fā)出一光束； 傳感光學(xué)模塊(I )，包括 起偏器(41),用于將從輸入端輸入的所述光束分為參考光和傳感光,其中所述傳感光為線偏振光； 1/4波片(5),用于將所述傳感光分成偏振方向正交的兩束線偏振光， 傳感晶體(6)，被放置為使其通光方向與電場垂直，使穿過該傳感晶體(6)的兩束線偏振光產(chǎn)生與電場相關(guān)的相位差； 檢偏器(42)，使從所述傳感晶體輸出的兩束線偏振光產(chǎn)生干涉，從而將攜帶有電場信息的傳感光輸出； 光信號處理模塊(7)，用于利用所述參考光和所述攜帶有電場信息的傳感光確定所述電場信息；以及 光纖，用于連接所述光源、所述傳感光學(xué)模塊以及所述光信號處理模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，其中所述傳感光學(xué)模塊(I)還包括位于所述起偏器(41)的輸入端側(cè)的第一準直器(31)、位于所述起偏器的側(cè)面的第二準直器(32)和位于所述檢偏器的輸出端側(cè)的第三準直器(33)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，其中所述光纖包括連接在所述光源(8 )與所述第一準直器(31)之間的第一光纖(21)，連接在所述第二準直器(32 )與所述光信號處理模塊(7)之間的第二光纖(22)，以及連接在所述第三準直器(33)與所述光信號處理模塊(7)之間的第三光纖(23)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)，其中所述起偏器(41)的偏振方向為橫向，所述檢偏器(42)的偏振方向為縱向。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng),其中所述光信號處理模塊(7)包括 第一探測器(72)，用于探測所述參考光的光強； 第二探測器(73)，用于探測所述攜帶有電場信息的傳感光的光強； 數(shù)據(jù)處理單元，用于根據(jù)所述參考光的光強和所述攜帶有電場信息的傳感光的光強確定電場的信息。
6.一種利用權(quán)利要求I所述的光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)的迭代解調(diào)方法，包括利用以下公式計算被測電壓V: 其中，Vm為電壓的最大幅值，ω為電壓變化的角速度，ν 為所述傳感晶體的半波電壓； =，，其中I1是所述參考光的光強，I2攜帶有電場信息的傳感光的光強，aD。是a的 1I 0DC平均值，bx是b的平均值。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中I=$^·，其中，λ為所述光束的光波長，Iitl為傳感晶體的折射率，I為傳感晶體通光方向的長度，d為傳感晶體沿施加電壓方向的厚度，Y41是傳感晶體材料的線性電光系數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的方法，其中所述k值在I秒到I分鐘的時間周期內(nèi)對數(shù)據(jù)求平均計算得到，然后代入公式(I)中循環(huán)計算電壓值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)及相應(yīng)迭代解調(diào)方法。該光學(xué)式電壓傳感系統(tǒng)包括光源、傳感光學(xué)模塊、光信號處理單元和光纖。傳感光學(xué)模塊包括起偏器、1/4波片、傳感晶體和檢偏器，其中起偏器將從輸入端輸出的光束分為參考光和傳感光，傳感光穿過傳感晶體后攜帶有電場信息。光信號處理單元利用參考光和攜帶有電場信息的傳感光確定電場信息。光纖用于連接光源、傳感光學(xué)模塊以及光信號處理單元。
文檔編號G01R19/00GK102928647SQ20121042098
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者栗晉升, 張霄霆, 朱云峰, 朱大偉 申請人:易能(中國)電力科技有限公司