CN203909123U - 基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器 - Google Patents

Abstract

基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，属于电压传感器测量领域。解决了现有电压传感器测量精度低和动态测量范围窄的问题。它的接地电极和高压电极镜像相对设置，接地电极通过夹固器件与绝缘装置固定连接，高压电极与调节螺栓螺纹连接，调节螺栓通过夹固器件与绝缘装置固定连接，等应变梁通过固定块与绝缘装置固定连接，且等应变梁位于接地电极和高压电极之间，等应变梁的两个侧面分别粘贴有1号FBG和2号FBG，且1号FBG和2号FBG镜像对称，1号FBG与高压电极相对，2号FBG与接地电极相对，等应变梁的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球，且导体半球与1号FBG位于等应变梁的同一侧。它应用在电压测量领域。

Description

基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器

技术领域

本发明属于电压传感器测量领域。

背景技术

静电电压测量在高电压的测量中起着非常重要的作用。目前高电压测量传统的使用方法有：电阻分压器的直流高压测量方法、阻容分压的交流高压测量方法和静电电压表的交直流高压测量方法。相对于电阻分压和阻容分压的测量方法，在测量过程中静电电压表有着极大的内阻抗，不会影响到高压输入端，在高电压测量中有着不可替代的作用。传统非接触式静电电压表主要有振动电容式、旋转叶片式、直接感应式等几种，振动电容式存在工艺复杂成本较高，旋转叶片式存在机械磨损影响测量精度，直接感应式存在读数无法直接转换成电量进入自动测试系统的问题，同时基于电信号输出的测试仪器信号传输存在着高压电场下被干扰的问题。鉴于传统静电电压表测量方法的诸多缺点，人们一直在寻求安全可靠、性能优越的新方法。

国外首先兴起高压静电测量的研究，从结构上突破了传统的静电电压表。较早出现的有应变计式静电电压表，近来有现场磨式直流高压静电计等。此类静电电压表都有较好的测量范围和测量精度，但是应变计式电压表制备困难，而现场磨式静电计有机械旋转部件，涉及到寿命和可靠性问题。光学电压测量的方法具有测量灵敏度高、抗干扰能力强等优点，是非常有潜能的高压测量解决方案。现有报道中采用光学方法测量电压的有以下三类，第一类是利用玛赫-泽德干涉仪原理设计的电场传感器，此类传感器可获得较高的测量精度，但其结构中需要引入参考臂光纤，存在结构复杂问题。第二类是使用压电陶瓷的电压传感器，此类传感器存在电滞现象。第三类是利用光学晶体的逆压电效应设计的传感器，此类传感器加工工艺复杂，光学系统的封装困难。以上光学测量方法都是利用光电子技术和光纤传感技术来实现高电压信号的测量，但是由于制备困难、受外部条件影响造成了传感器工作不稳定，这都会影响电压测量效果，FBG是Fiber Bragg Grating的缩写，即光纤布拉格光栅。

实用新型内容

本发明是为了解决现有电压传感器测量精度低和动态测量范围窄的问题，本发明提供了一种基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器。

基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，它包括导体半球、1号FBG、2号FBG、固定块、等应变梁、高压电极、绝缘装置、接地电极和调节螺栓；

接地电极和高压电极镜像相对设置，且接地电极和高压电极之间的垂直距离d，d的范围为20mm至50mm，

接地电极的引出端通过夹固器件与绝缘装置固定连接，高压电极的引出端与调节螺栓螺纹连接，调节螺栓通过夹固器件与绝缘装置固定连接，

等应变梁采用聚酯板实现，等应变梁通过固定块与绝缘装置固定连接，且等应变梁位于接地电极和高压电极之间，等应变梁的两个侧面分别粘贴有1号FBG和2号FBG，且1号FBG和2号FBG镜像对称，1号FBG与高压电极相对，且之间留有间隙，2号FBG与接地电极相对，且之间留有间隙，

等应变梁的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球，该导体半球为封闭的空心导体半球，且导体半球与1号FBG位于等应变梁的同一侧。

所述的等应变梁为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块与绝缘装置固定连接。

所述的等应变梁与高压电极之间的垂直距离为25mm至40mm。

所述的等应变梁与接地电极之间的垂直距离为25mm至10mm。

所述的高压电极的放电端面覆盖导体半球和1号FBG。

所述的接地电极的放电端面覆盖2号FBG。

所述的d的范围为25mm至40mm。

所述的1号FBG和2号FBG的放电端面的直径均为130mm。

所述的高压电极和接地电极结构完全相同。

原理分析：

当高压电极和接地电极之间施加电压U后，在高压电极和接地电极之间形成了均匀电场，空心导体半球在静电力F的作用下，驱动等应变梁受力产生变形，根据电动力学可得该静电力F的大小为

$F=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0}{4}{R}^2{E}_0^2$        (公式1)，

其中，E₀为均匀电场的强度，ε₀为空气的介电常数，R为导体半球的半径；

高压电极与接地电极间距为d时，公式1变形为

$F=\frac{9\mathrm{\π}{\mathrm{\ϵ}}_0{R}^2{U}^2}{4d^2}$           (公式2)，

FBG可看为光纤纤芯内形成的反射镜，对入射到光栅上的部分光波进行反射，其反射的波长可表示为

λ_B＝2n_effΛ   (公式3)

式中Λ为光栅周期，n_eff是光栅波导的有效折射率，二者均是温度和应变的函数。当不考虑FBG的温度与应变耦合作用时，由温度和应变引起的FBG中心波长漂移量为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(\mathrm{\α}+\mathrm{\ζ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\ϵ}$     (公式4)

其中，ΔT为温度灵敏度系数，α和ζ分别为光纤材料的热膨胀系数和热光系数。ε为FBG的应变系数，P_e为有效弹光系数，在Si纤介质中，P_e约为0.22。

设1号FBG和2号FBG的中心波长分别为λ₁和λ₂，1号FBG和2号FBG的应变系数分别为ε₁和ε₂，

当1号FBG和2号FBG的温度灵敏度系数ΔT和应变系数大小均一致时，设λ₁＝λ₂＝λ_B，同时，在等应变梁在变形的过程中，有ε₁＝-ε₂＝ε，

根据公式4可得

δλ＝Δλ₁-Δλ₂＝2λ_B(1-P_e)ε   (公式5)

Δλ₁为1号FBG的中心波长漂移量、Δλ₂为2号FBG的中心波长漂移量，

由于FBG对温度和应变同时敏感，公式5可消除温度对传感器的影响，实现传感器的温度自补偿，

根据弹性力学原理，等应变梁的自由端受静电力F作用时，应变系数ε记为，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{6L}{{\mathrm{Ebh}}^2}F$          (公式6)

式中，E为杨氏模量，L为应变梁长度，b为应变梁固定端宽度，h为应变梁厚度。

将公式2和公式6代入公式5可得到

$\mathrm{\δ\λ}=\frac{27\mathrm{\π}(1-P_e){\mathrm{\λ}}_B{\mathrm{LR}}^2{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{Ebh}}^2{d}^2}.U^2$      (公式7)

由公式7可得：当1号FBG和2号FBG中心波长漂移量差值δλ确定时，通过上式可求得电压U，即可实现基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器对电压测量。

对本实用新型所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器进行实验，结构参数如表1：

表1

实验过程中，采用精密直流高压电源作为对高压电极的电压输入装置，从0V开始，通过调节器给高压电极施加直流电压，每增加300V记录下施加的电压值和对应电压下1号FBG和2号FBG的输出光谱数据，直至高压电极开始放电现象，记录下开始放电时电压为24600V，从而确立了基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的最高测量电压。

再次实验时，以300V的间隔增加至24000V停止施加电压；然后，再以300V的间隔递减进行实验，同时记录实验电压和1号FBG及2号FBG的输出光谱数据。根据实验施加的电压和测量的1号FBG及2号FBG波长值，可以得到不同电压下1号FBG及2号FBG的输出光谱图，如图3至图6所示。

从图3至图6可以看出，随着施加电压的增加，1号FBG的光谱向右发生偏移，2号FBG的光谱向左发生偏移，其偏移程度随电压而递增。

当电压为0V时，如图3所示，1号FBG及2号FBG的中心波长为1549.980nm，中心波长漂移量差值δλ基本为0，

电压为10kV时，如图4所示，1号FBG与2号FBG的中心波长漂移量差值δλ为246pm，

电压为24kV时，如图5所示，1号FBG与2号FBG的中心波长漂移量差值δλ最大为1380pm，

如图6所示，不同电压时，1号FBG与2号FBG的输出光谱。

本发明带来的有益效果是，本实用新型所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的静电电压的动态测量范围为0至20kV，测量精度小于3％。

附图说明

图1为本实用新型所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器原理示意图；

图2为具体实施方式一中所述的等应变梁与导体半球、1号FBG、2号FBG及固定块之间的位置关系示意图；

图3为精密直流高压电源输出的电压为0V时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线19为2号FBG输出的光谱曲线，曲线18为1号FBG输出的光谱曲线；

图4为精密直流高压电源输出的电压为10kV时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线21为2号FBG输出的光谱曲线，曲线20为1号FBG输出的光谱曲线；

图5为精密直流高压电源输出的电压为24kV时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图，其中，曲线23为2号FBG输出的光谱曲线，曲线22为1号FBG输出的光谱曲线；

图6为精密直流高压电源输出不同电压时，1号FBG与2号FBG输出的光谱曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，它包括导体半球1、1号FBG2、2号FBG3、固定块4、等应变梁5、高压电极6、绝缘装置7、接地电极8和调节螺栓9；

接地电极8和高压电极6镜像相对设置，且接地电极8和高压电极6之间的垂直距离d，d的范围为20mm至50mm，

接地电极8的引出端通过夹固器件与绝缘装置7固定连接，高压电极6的引出端与调节螺栓9螺纹连接，调节螺栓9通过夹固器件与绝缘装置7固定连接，

等应变梁5采用聚酯板实现，等应变梁5通过固定块4与绝缘装置7固定连接，且等应变梁5位于接地电极8和高压电极6之间，等应变梁5的两个侧面分别粘贴有1号FBG2和2号FBG3，且1号FBG2和2号FBG3镜像对称，1号FBG2与高压电极6相对，且之间留有间隙，2号FBG3与接地电极8相对，且之间留有间隙，

等应变梁5的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球1，该导体半球1为封闭的空心导体半球，且导体半球1与1号FBG2位于等应变梁5的同一侧。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的等应变梁5为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块4与绝缘装置7固定连接。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的等应变梁5与高压电极6之间的垂直距离为25mm至40mm。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的等应变梁5与接地电极8之间的垂直距离为25mm至40mm。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的高压电极6的放电端面覆盖导体半球1和1号FBG2。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的接地电极8的放电端面覆盖2号FBG3。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的d的范围为25mm至40mm。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的1号FBG2和2号FBG3的放电端面的直径均为130mm。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一、二、三或四所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的区别在于，所述的高压电极6和接地电极8结构完全相同。

本实用新型所述基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器的结构不局限于上述各实施方式所记载的具体结构，还可以是上述各实施方式所记载的技术特征的合理组合。

Claims (9)

1.基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，它包括导体半球(1)、1号FBG(2)、2号FBG(3)、固定块(4)、等应变梁(5)、高压电极(6)、绝缘装置(7)、接地电极(8)和调节螺栓(9)；

接地电极(8)和高压电极(6)镜像相对设置，且接地电极(8)和高压电极(6)之间的垂直距离d，d的范围为20mm至50mm，

接地电极(8)的引出端通过夹固器件与绝缘装置(7)固定连接，高压电极(6)的引出端与调节螺栓(9)螺纹连接，调节螺栓(9)通过夹固器件与绝缘装置(7)固定连接，

等应变梁(5)采用聚酯板实现，等应变梁(5)通过固定块(4)与绝缘装置(7)固定连接，且等应变梁(5)位于接地电极(8)和高压电极(6)之间，等应变梁(5)的两个侧面分别粘贴有1号FBG(2)和2号FBG(3)，且1号FBG(2)和2号FBG(3)镜像对称，1号FBG(2)与高压电极(6)相对，且之间留有间隙，2号FBG(3)与接地电极(8)相对，且之间留有间隙，

等应变梁(5)的一个侧面的自由端还粘贴有导体半球(1)，该导体半球(1)为封闭的空心导体半球，且导体半球(1)与1号FBG(2)位于等应变梁(5)的同一侧。

2.根据权利要求1所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的等应变梁(5)为等腰三角形平板结构，该等腰三角形的底边通过固定块(4)与绝缘装置(7)固定连接。

3.根据权利要求2所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的等应变梁(5)与高压电极(6)之间的垂直距离为25mm至40mm。

4.根据权利要求2所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的等应变梁(5)与接地电极(8)之间的垂直距离为25mm至40mm。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的高压电极(6)的放电端面覆盖导体半球(1)和1号FBG(2)。

6.根据权利要求1、2、3或4所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的接地电极(8)的放电端面覆盖2号FBG(3)。

7.根据权利要求1所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的d的范围为25mm至40mm。

8.根据权利要求1、2、3或4所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的1号FBG(2)和2号FBG(3)的放电端面的直径均为130mm。

9.根据权利要求1、2、3或4所述的基于等应变梁的光纤Bragg光栅电压传感器，其特征在于，所述的高压电极(6)和接地电极(8)结构完全相同。