一種光纖電壓傳感系統(tǒng)及獲取與電壓相關(guān)相位差的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種光纖電壓傳感系統(tǒng)及獲取與電 壓相關(guān)相位差的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光在傳感單元中傳播時，與被（待）測物理量相互作用，改變了光電場的偏振狀 態(tài)，從而使被測物理量的信息加載于光波之上。為了將光波上加載的物理量信息提取出來， 光學系統(tǒng)一般由相互直交的一對偏振器和它們之間夾著的傳感單元組成；這樣的光學系統(tǒng) 稱為偏振計。
[0003] 光纖作為光波的導波體，是光纖傳感系統(tǒng)的基本器件。由于它可彎拗，傳播距離 遠，使用方便；又由于它是絕緣體，不受電磁干擾的影響，光纖傳感系統(tǒng)具有很多優(yōu)越性。但 是，由于光單性物理效應(yīng)的作用，當光纖傳導路徑上的任一點，受到機械振動或環(huán)境溫度變 化的影響時，光纖中傳導的光波在該點處的偏振態(tài)都將發(fā)生不可控制的改變，使得光纖作 為雙折射單元具有時變特性。
[0004] 通常，光纖偏振計在偏振器對的前面和后面各有一根光纖；前面的光纖將入射光 送入偏振計，后面的光纖將偏振計出射光送回。由于偏振計對入射光的偏振態(tài)非常敏感，入 射光纖作為雙折射單元所具有的時變特性使得光纖偏振計不可避免地具有時變特性。光源 隨時間的老化、光電檢測器的溫度特性、光源與光纖、光纖與光電檢測器、光線與光纖準直 器等的光耦合隨外界影響的變化等所產(chǎn)生的時變特性使得這些傳感系統(tǒng)不能實用。
[0005] 電壓互感器是一種在高電壓環(huán)境下測量高電壓的電子設(shè)備，傳統(tǒng)都是通過電壓互 感器來測量高電壓的。在變電站的高電壓環(huán)境下，由于導線的空氣放電（電暈），大電流沖 擊，隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的強電弧輻射等引起的強電磁干擾，會導致互感器發(fā)出失真數(shù)據(jù)或 通信錯誤，有時甚至會損壞電子線路，使其永久失效。電磁兼容（EMC)是它必須面臨的技術(shù) 問題。
[0006] 由于光纖不受電磁干擾的影響，將它與電光泡克爾斯（Pockels)晶體有機結(jié)合起 來所產(chǎn)生的無源型光纖電壓傳感器，為電壓互感器提供了電磁兼容問題的理想解決方案。 無源型是指處于高電壓環(huán)境下的傳感模塊無需商用電壓進行供電工作，傳感模塊是依靠純 光學原理來感應(yīng)電壓信息。
[0007] 現(xiàn)有技術(shù)也有使用光彈性效應(yīng)或泡克爾斯（Pockels)光電效應(yīng)作為光相位調(diào)制 器來改善偏振計測量精度的，但由于光線電壓傳感系統(tǒng)具有時變性，使得數(shù)據(jù)的分析很復 雜且測量的結(jié)果存在較大的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，在于提供一種通過光纖電壓傳感系統(tǒng)獲取測量值的方 法，由于采用純光學測量原理，光源處于控制模塊內(nèi)，且在傳感模塊處無需商用電源供電， 測量得到的電壓波形不受強電磁干擾以及光纖等系統(tǒng)元件所產(chǎn)生的時變特性的影響。
[0009] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0010] 一種光纖電壓傳感系統(tǒng)，包括控制模塊、傳感模塊以及隔離光纜，所述隔離光纜分 別與所述控制模塊、所述傳感模塊連接。
[0011] 進一步地，所述傳感模塊包括第一光纖準直器、第二光纖準直器、第三光纖準直 器、第四光纖準直器、第一分束器、第二分束器、泡克爾斯兀件、第一檢偏器、第二檢偏器、第 三檢偏器、1/4波長板；
[0012] 所述隔離光纜中的隔離入射光纖與所述第一光纖準直器的輸入端連接，所述第一 光纖準直器的輸出端將光傳輸至所述第一分束器，通過所述第一分束器將光分為兩路，其 中一路光依次傳輸至所述泡克爾斯元件、所述第一檢偏器、所述第二光纖準直器的輸入端， 其另一路光傳輸至所述第二分束器，通過所述第二分束器將光分為兩路，其中一路光依次 傳輸至所述1/4波長板、所述第二檢偏器、所述第三光纖準直器的輸入端，其另一路光依次 傳輸至所述第三檢偏器、所述第四光纖準直器的輸入端，所述第二光纖準直器的輸出端、所 述第三光纖準直器的輸出端、所述第四光纖準直器的輸出端均通過光纖連接至所述隔離光 纜中。
[0013] 進一步地，所述傳感模塊包括第一光纖準直器、第二光纖準直器、第三光纖準直 器、第四光纖準直器、第一分束器、第二分束器、泡克爾斯兀件、第一檢偏器、第二檢偏器、第 三檢偏器、1/4波長板；
[0014] 所述隔離光纜中的隔離入射光纖與所述第一光纖準直器的輸入端連接，所述第一 光纖準直器的輸出端將光傳輸至所述第一分束器，通過所述第一分束器將光分為兩路，其 中一路光依次傳輸至所述第二檢偏器、所述第三光纖準直器的輸入端，其另一路光依次傳 輸至所述泡克爾斯元件、所述第二分束器，通過所述第二分束器將光分為兩路，其中一路光 依次傳輸至所述1/4波長板、所述第三檢偏器、所述第四光纖準直器的輸入端，其另一路光 依次傳輸至所述第一檢偏器、所述第二光纖準直器的輸入端，所述第二光纖準直器的輸出 端、所述第三光纖準直器的輸出端、所述第四光纖準直器的輸出端均通過光纖連接至所述 隔離光纜中。
[0015] 進一步地，所述傳感模塊包括第一光纖準直器、第二光纖準直器、第三光纖準直 器、第四光纖準直器、第一分束器、第二分束器、泡克爾斯兀件、第一檢偏器、第二檢偏器、第 三檢偏器、第一 1/4波長板、第二1/4波長板、第三分束器、第四檢偏器、第五光纖準直器； [0016] 所述隔離光纜中的隔離入射光纖與所述第一光纖準直器的輸入端連接，所述第一 光纖準直器的輸出端將光傳輸至所述第一分束器，通過所述第一分束器將光分為兩路，其 中一路光依次連接至所述泡克爾斯元件、所述第二分束器，通過所述第二分束器將光分為 兩路，其中一路光依次傳輸至所述第二1/4波長板、所述第三檢偏器、所述第四光纖準直器 的輸入端，從所述第二分束器發(fā)出的另一路光依次傳輸至所述第一檢偏器、所述第二光纖 準直器的輸入端，從所述第一分束器發(fā)出的另一路光傳輸至所述第三分束器，通過所述第 三分束器將光分為兩路，其中一路光依次傳輸至所述第一 1/4波長板、所述第二檢偏器、所 述第三光纖準直器的輸入端，從所述第三分束器發(fā)出的另一路光依次傳輸至所述第四檢偏 器、所述第五光纖準直器的輸入端，所述第二光纖準直器的輸出端、所述第三光纖準直器的 輸出端、所述第四光纖準直器的輸出端、所述第五光纖準直器的輸出端均通過光纖連接至 所述隔離光纜中。
[0017] 進一步地，所述控制模塊包括光源、相位調(diào)制器、調(diào)制電壓發(fā)生器、光電轉(zhuǎn)換器、數(shù) 模轉(zhuǎn)換器、信號處理器，所述光源通過光纖的連接頭C1與所述相位調(diào)制器的輸入端連接， 所述相位調(diào)制器的輸出端通過光纖的連接頭C2連接至所述隔離光纜中，所述調(diào)制電壓發(fā) 生器連接至所述相位調(diào)制器，所述隔離光纜中的隔離出射光纖均與所述光電轉(zhuǎn)換器連接， 所述光電轉(zhuǎn)換器經(jīng)由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器連接至所述信號處理器。
[0018] 進一步地，所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器為非偏振分束器。
[0019] 進一步地，所述光纖為單模光纖。
[0020] 一種獲取與電壓相關(guān)相位差的方法，所述方法需要提供上述本發(fā)明的光纖電壓傳 感系統(tǒng)，所述方法具體包括如下步驟：
[0021] 步驟1、啟動所述控制模塊的電源后，由所述光源發(fā)出的激光通過光纖進入所述相 位調(diào)制器中，然后再進入所述隔離光纜的入射光纖中；
[0022] 步驟2、所述調(diào)制電壓發(fā)生器將產(chǎn)生一幅值恒定且具有周期性的階梯狀電壓，然后 將該電壓的信號傳輸至所述相位調(diào)制器進行調(diào)制，使調(diào)制電壓信號加載到光波上形成調(diào)制 光；
[0023] 步驟3、該調(diào)制光通過所述隔離光纜中的入射光纖傳輸至電場作用下的所述傳感 模塊中，此時所述傳感模塊的光路中帶有電壓信息，然后將該調(diào)制光傳輸至所述隔離光纜 的出射光纖中，接著傳輸至所述光電轉(zhuǎn)換器中；
[0024] 步驟4、將所述光電轉(zhuǎn)換器中的光強信號轉(zhuǎn)換為電信號后，由所述調(diào)制電壓發(fā)生器 對采樣時鐘脈沖進行控制，再由所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器對轉(zhuǎn)換后的電信號進行采樣；
[0025] 步驟5、通過采樣得到一組光強信息，然后由所述信號處理器對該組光強信息進行 處理計算，可計算出系統(tǒng)函數(shù)、固有函數(shù)，再由所述固有函數(shù)來構(gòu)建固有函數(shù)組；
[0026] 步驟6、通過該固有函數(shù)組，計算出所述光纖電壓傳感系統(tǒng)的總相位差（0+ 0 v)和 隔離光纖的等價相位差? ;
[0027] 步驟7、通過所述光纖電壓傳感系統(tǒng)的總相位差（0 + 0 v)和隔離光纖的等價相位 差?，計算出與電壓成比例的電致相位差9 v。
[0028] 進一步地，所述步驟5具體如下：
[0029] 步驟51、由所述隔離光纜的出射光纖發(fā)出的光強一般表達式為：
[0030] I(t) = (1/2)y(t) 10 (t) {2a+COs2 (Itp-ItM) |3+sin2 (Itp-ItM) q?cos[ 0M(t)]+sin2(itP-itM)G?sin[ 0M(t)]}，
[0031] 且a= { [cos2 (步 P_ 步 M)cos2 (步 M_ 步s)+sin2 (步 P_ 步 M)sin2 (步 M_ 步 s)] cos2 (邊 s-邊 v) + [cos2 (邊 P-邊 M)sin2 (邊 M-邊 s) +sin2 (邊 P-邊 M)cos2 (邊 M-邊 s) ]sin2 (邊 s-邊 v) ]}cos2 (itv-itA) + { [cos2 (itP-itM)cos2 (itM-its) +sin2 (itP-itM)sin2 (itM-its)] sin2 (邊 s-邊 v) + [cos2 (邊 P-邊 M)sin2 (邊 M-邊 s) +sin2 (邊 P-邊 M)cos2 (邊 M-邊 s) ]cos2 (邊 s-邊 v) ]} sin2(itv-itA)
[0032] 其中，Y(t)是各單元對光的透射率總效果，1。(0是光源發(fā)出的光強度，！DP是表 示起偏器的透光軸方位，itM是表示相位調(diào)制元件的快速軸方位，9M(t)是表示相位調(diào)制元 件所產(chǎn)生的相位差或相位延遲，h是表示隔離光纖入射口的快速軸方位，步v是表示傳感 元件的快速軸方位，in是表示檢偏器的透光軸方位，0、n、e均表示固有函數(shù)；
[0033] 將起偏器的透光軸方位與相位調(diào)制元件的快速軸方位的夾角設(shè)置為45度，即 (步P-itM) =45°，則一般表達式可進一步化減為：
[0034]I(t) = (1/2)y(t)I0(t) {1+n*cos[ 0M(t)]+^ ?sin[ 0M(t)]},
[0035] 其中，Y⑴是各單元對光的透射率總效果，Ut)是光源發(fā)出的光強度，0M(t)是 表示相位調(diào)制元件所產(chǎn)生的相位差或相位延遲，n、（均表示固有函數(shù)；
[0036]每一調(diào)制周期均有二種調(diào)制狀態(tài)，分別為9M(t) = + 9M、0M(t) = 0、9M(t) =-0M，則其采樣得到的一組光強信息IT，i°，r}分別為：
[0037]I+(t) = (1/2