光纤电压传感器的制造方法
【专利摘要】公开用于测量两个端子（1a，1b）之间的电压（V，Vn）、特别地高压体系中的AC电压的方法和装置。该方法和/或装置依靠电光元件（2；2a，2b，2c）中的电光效应。该电光效应在行进通过电光元件（2；2a，2b，2c）的两个垂直偏振光波中引入例如不同的光学相移。从而，可以测量指示在第n电光元件（2；2a，2b，2c）的位置处或第n电光元件（2；2a，2b，2c）长度上的电场的信号（Sn）。根据本发明，信号（Sn）中的模糊通过使用关于额外的参考信号或正交信号（Sn'）的假定测试而解决。通过将多个这些电光元件串联设置在端子之间，从成本效率和绝缘方面获得优势。此外，公开了用于测量高压的装置。
【专利说明】光纤电压传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于测量电压、特别地是高压范围内的AC电压的方法和装置。
【背景技术】
[0002]光学高压传感器通常依赖例如Bi4Ge3O12 (BGO)等晶体材料中的电光效应(例如，Pockels 效应和 / 或 Kerr 效应)(L.Duvillaret, S.Rialland,和 J.-L.Coutaz^Electro-optic sensors for electric field measurements.11.Choice of thecrystal and complete optimization of their orientation" J.0pt.Soc.Am.B 192704 ( 2002))。
[0003]US 4，904，931和US 5，001，419公开了传感器，其中在单个BGO晶体的长度(典型地IOOmm与250mm长度之间)上施加全线路电压(高达几百kV)。BGO的晶类别具有对称性使得晶体在晶体长度上测量线积分/ E*ds，即从地到高压电势。因此，杂散场(例如，来自相邻相位)不影响测量。施加的电压在沿平行光路传播通过相同晶体的两个正交线性偏振光波之间引入差分光学相移。该相移与施加的电压成比例。光波在晶体末端处的偏振器处干涉。所得的光强与相移的DC偏置余弦函数成比例地变化。在高压变电站中的典型电压，相移可对应于的若干倍并且从而导致模糊的传感器输出。该模糊通过将第二光学输出路径添加到该晶体而包含四分之一波延迟器(其在干涉波之间引入90°相位偏移)而得以解决。信号处理器从正交的两个光学输出信号重建施加电压的波形。这里，两个电信号的零交叉的双向累计计数根据两个电信号中的哪个领先而递增或递减。从零交叉的累计计数生成波形的阶梯近似。经由选择性地添加或扣除该两个光电信号中较小者的幅值而内插阶梯波形(基于通过两个电信号的相对极性来确定该调整的认识)，从而实现输出信号的准确度提闻。因为晶体处的电场强度典型地非常闻，晶体安装在中空闻压绝缘体中，该中空闻压绝缘体由纤维增强环氧树脂制成并且用压力下的SF6气体填充以便获得足够的介电强度。绝缘体直径大到足以使绝缘体外的空气中的场强度保持在临界极限以下。
[0004]US 6，252，388描述电压传感器，其使用沿中空高压绝缘体的纵轴的选择位置处安装的若干较小电光晶体。晶体测量在它们的位点处的电场。这些本地场测量的总和充当施加到绝缘体的电压的近似。在该情况下，每个晶体处的电光相移在额定电压时在±90°内，即在传感器响应中没有模糊。
[0005]US 5，247，244公开了反射式且具有温度补偿的电光电压测量系统。再次，高压沿单个晶体施加并且两个光学平行光束穿过全晶体长度并且相对于彼此相移。温度补偿经由通过电光晶体的电容性电流的测量而得以实现，并且推导校正因子并且将其应用到半波电压并且用于计算瞬时电压值。
[0006]US 5，715，058公开了用于在反射设置中测量高压的另一个电光传感器。高压施加到晶体并且单个光束通过该晶体来回横穿。该光束仅在从晶体离开后分成两个光路，其相对于彼此相移。温度补偿通过测量相移波片的温度依赖性而实现。
【发明内容】
[0007]本发明的一般目标是以简单的方式在大的范围内准确地测量电压。
[0008]该目标由独立权利要求的方法和装置实现。示范性实施例在从属权利要求和权利要求组合中公开。
[0009]本发明涉及用于测量电压、特别地第一端子与第二端子之间的全电压和/或分电压的方法，该第一端子在空间上与第二端子分离并且电压在这些端子之间形成电场，该方法包括以下步骤:
在第一与第二端子之间的电场中设置至少第一电光式光传输兀件，
将光传递通过第一电光式光传输兀件，
测量至少来自第一电光式光传输元件的第一信号(例如Sn)并且进一步测量来自第一或第二电光式光传输元件的第二信号(例如Sn’)，其中两个信号都是电压的周期函数并且具有非零的相对相移，即相对于彼此的相对相移，并且可能是关于施加电压V或Vn的相对相移，
推导电压并且解决从第一和第二信号推导电压(V)中的模糊，其特征在于以下步骤:
(i)使用第一信号作为指示第一电光式光传输元件上的电场的基础信号，
(ii)使用第二信号作为参考信号用于解决在推导电压中的模糊，
(iii)从第一信号确定至少两个假定、例如h+和h—,其对应于电压、例如Vn(n=l)的不同可能电压值，例如Vlh+和Vlh —，
(iv)对于假定中的每个，推导第二信号的预期值，例如S2h+和S2h —，
(v)将预期值与第二信号的测量值比较，以及
(vi)通过验证对于哪一个假定的预期值最接近第二信号的测量值而在这些假定之间采取二元决策。
[0010]在实施例中，确定正好两个假定并且每基础信号使用正好一个参考信号，和/或使用欧式距离来确定预期值与测量值的接近性。
[0011 ] 在实施例中，基础信号是电压V或Vn的余弦，并且在第一假定下的电压设想为与+arccos成比例，并且在第二假定下的电压设想为与-arccos成比例。
[0012]在实施例中，相对相移不同于90°。
[0013]在实施例中，基础信号被归一化为围绕零的对称值范围，特别地基础信号被定标并且偏移到值范围[+1，一 I]。
[0014]在另一个实施例中，推导电压包括利用以下步骤重建改进的电压波形:从基础信号确定电压的第一电压值，特别地通过计算反余弦而从基础信号确定电压的第一电压值；从参考信号确定电压的第二电压值，特别地通过计算反余弦而从参考信号确定电压的第二电压值；以及从第一电压值和第二电压值确定改进的电压波形，特别地，其中从相同的光传输元件得出基础信号和参考信号。
[0015]另外的实施例包括以下步骤:对于每第n电光式光传输元件，特别地对于正好一个电光式光传输兀件，将基础信号和参考信号归一化到相同的最大和最小幅度，特别地到一；选择加权参数Pn，其中0 SPnS I ;以及通过计算加权和
V=Evn - s { (in* Vln + (1-Pn} *V2n }来确定改进的电压波形，其中Vln、V2n=第n电光
式光传输兀件的第一和第二电压值。例如在正好一个电光式光传输兀件的情况下，全电压V通过计算加权和V= pv1: + r1-pp+bi而确定，其中v1:b V2r =该正好一个电光式光传输兀件的第一和第二电压值。
[0016]另外的实施例包括以下步骤:选择加权参数Pn使得作为电压的函数的基础信号和参考信号更线性则被给予更大权重。
[0017]另外的实施例包括以下步骤:当基础信号的绝对值小于参考信号的绝对值时，选择加权参数Pn=I，并且当参考信号的绝对值小于基础信号的绝对值时，选择加权参数
3n=0。
[0018]另外的实施例包括以下步骤:选择加权参数Pn作为电压的连续函数，特别地根
M In = c0s^ (Snn/2} / (cos' iSn*n/2) + sIn" {Sn 1 sn/2 >。
[0019]在另一 个实施例中，使用第二电光式光传输元件，并且测量来自第二电光式光传输兀件的第二信号，并且这些假定对应于施加到第一电光式光传输兀件的分电压的不同可能电压值。
[0020]另一个实施例包括以下步骤:使用至少两个电光式光传输元件并且使它们经受个体分电压；对于每第n电光式光传输元件测量第一信号并且将它用作指示该第n电光式光传输元件上的电场的第n基础信号；对于每第n电光式光传输元件确定第二信号并且将它用作用于解决在推导该第n电光式光传输元件上的第n分电压中的模糊的第n参考信号；以及对于每第n电光式光传输元件，执行方法步骤(iii)、(iv)、(v)和(vi)来对第n电光式光传输元件上的分电压消除模糊；以及从这些分电压确定第一与第二端子之间的全电压。
[0021]在实施例中，并行地光学读出电光式光传输元件。
[0022]在另一个实施例中，使用正好一个电光式光传输元件，并且这些假定对应于第一端子与第二端子之间的全电压的不同可能电压值。
[0023]再另一个实施例包括对于每第n电光式光传输兀件和它对应的基础信号和/或参考信号(Sn’)执行以下步骤:重建测量电压(特别地，第一端子与第二端子之间的全电压和/或分电压)的波形；计算重建波形的若干周期内的时间平均值；从该时间平均值确定明显的DC偏移电压Vdc ;以及根据A{1 = Vqq * Jt / \^+1<11,(其中\，11 =第n电光式光传输兀件
的半波电压)，计算基础信号和/或参考信号(Sn’)的相对相位An，特别地关于施加电压Vn的相对相移。
[0024]本发明的另一个方面，特别地另外的实施例，包括以下步骤:(i)使用第一信号作为指示第一电光式光传输元件上的电场的基础信号，
(ii)使用第二信号作为用于解决在推导电压中的模糊的参考信号，(iii)从第一信号确定对应于电压的不同可能电压值的两个假定，(iv)确定基础信号与参考信号之间的实际相对相移，(V)从基础信号、参考信号和实际相对相移确定合成正交信号,其具有90°的理想相对相移，以及(vi)基于合成正交信号的符号在这些假定之间采取二元决策。
[0025]在实施例中，采取二元决策的步骤(vi)包括:如果该符号是负的并且A=+90°，选择可能电压值Vl h一和Vl h+中较正的，以及如果该符号是正的并且A =+90°，选择可能电压值Vl h—和Vl h+中较负的；并且反之(如果A= — 90° )亦然。
[0026]在实施例中，步骤(V)包括:根据公SSn = cos-!(2*n*A) * Sn ? +tan* Sn计算合成正交信号(Sn’tiuadX
[0027]在实施例中，至少两个电光式光传输兀件(传感器模块,例如包括电光晶体、极化波导或压电装置)设置在两个间隔开的端子(其中要测量的电压施加到端子)之间的电场中。光(有利地线性偏振光)然后穿过电光式光传输元件。凭借电光式光传输元件的性质，然后测量指示相应电光式光传输元件上的电场的至少第一和第二信号。这些第一和第二信号是施加电压的周期函数。从而，通过使这两个信号组合，可以推导第一与第二端子之间的电压并且使用第二信号来解决第一信号中的模糊。因此，作为优于现有技术的优势，仅一个第二信号(来自一个电光式光传输兀件)足以解决在基于来自其他电光式光传输兀件的第一信号的电压计算中的模糊。这导致更简单的光学器件，其更便宜并且从尺寸方面是有利的。
[0028]在实施例中，第一和第二信号具有与电压V相同的周期性或被定标使得它们具有与电压相同的周期性。此外，第一和第二信号具有非零的相对相移，即，第二信号的相位相对于第一信号的相位移位。在实施例中，第二信号相对于第一信号的非零相移由设置在第二电光式光传输兀件处的光路中的相移兀件来引入。该相移兀件是例如X/4延迟器并且从而启用正交读出。
[0029]在实施例中，第二信号相对于第一信号的相移取决于相移兀件的温度。从而，在优选实施例中，相移元件的温度可以从第二信号推导。该推导的温度然后可以例如用于测量信号的温度依赖性的计算补偿并且因此用于推导的第一与第二端子之间的电压的温度依赖性的计算补偿。从而，可以提供更好的准确度。
[0030]在实施例中，这两个信号基于光束的物理性质的电场依赖型改变，例如，基于每电光式光传输兀件的两个正交线性偏振光波的相位的电场依赖型改变。然后，例如在每个电光式光传输兀件的末端的偏振器处这些光波干涉后，所得的光强度信号例如通过光电二极管而被转换成每个晶体的电信号。
[0031 ] 在实施例中，电光式光传输元件在端子之间串联设置，即电串联(即，在纵向或轴向方向性上沿z轴一个接一个)。从而，电场分布在这些单个电光式光传输兀件上，这导致更简单的绝缘和更便宜的实现。
[0032]端子之间要测量的电压特别地是AC电压和/或在高压范围内，特别地在75kV与800kV之间或甚至更高的范围内。从而，可以测量输电网络的变电站中的电压。
[0033]在其中电压范围导致作为电压的函数的测量信号的周期性(S卩，涵盖测量信号的整个周期，或换句话说，作为电压的周期函数的测量信号达到它们的最大和最小值)的第一时间区间[tl ；t2]后，公开的方法和/或装置的有利实施例也适合于测量在第二时间区间[t3 ；t4]期间的小电压。术语“小电压”指对于测量的信号太小而不能达到它们的最大和最小值(即，涵盖测量信号的全周期)的电压的范围。测量小电压的能力在由于例如输电网络中的故障引起电压降的情况下是有利的。第一时间区间与第二时间区间之间的时隙(t3 -t2)大于一个电压信号周期来实现“小电压”检测。然后，已经在第一时间区间[tl ；t2]期间推导的标度和/或偏移参数为了在第二时间区间[t3 ；t4]期间推导端子之间的电压V而保持不变。从而，甚至对于未涵盖测量信号的全周期的电压范围来说，准确推导电压是可能的。
[0034]在实施例中，每电光式光传输兀件仅测量一个信号。这导致更简单的光学器件。[0035]在另一个实施例中，至少一个内部参数an，例如施加到单个电光式光传输元件的总电压V的分数(或描述在电光式光传输元件上的电压的分布的另一个值)基于它最常用的值而递归地推导。由于内部参数an的递归跟踪，在第一初始化期间不需要它的准确值。
[0036]在另一个优选实施例中，至少三个电光式光传输兀件串联设置在端子之间的电场中并且测量指示相应电光式光传输元件上的电场的至少三个信号。通过使所有信号组合，可以推导第一与第二端子之间的电压。在该过程中，可以解决所有信号的模糊。
[0037]此外，提供这样的装置，其适于凭借根据本发明的方法来实施电压测量。
[0038]总的来说，在本发明中，解决第一信号中的模糊的步骤包括:在两个假定之间采取二元决策的步骤。这些假定对应于在给出第一信号的测量值的情况下不同可能的电压值。二元决策进一步包括对于假定中的每个推导第二信号的预期值以及将该预期值与第二信号的测量值进行比较。从而，可以找到不模糊解决方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0039]当考虑本发明的下面的详细描述时，将更好理解本发明并且除上文阐述的那些之外的目标将变得明显。该描述参照附图，其中:
图1 (现有技术)示出光学电压传感器的示意表示，
图2a、2b、2c、2d不出对于电光电压传感器的不同配置，
图3不出两个端子之间的电场中的两个电光式光传输兀件的设置，
图4a、4b 出分别在多个电光式光传输兀件以及在单个电光式光传输兀件的情况下用于测量第一与第二端子之间的电压的方法的流程图，
图5示出具有周期数或更精确地具有零交叉的计数k的信号，
图6a、6b、6c示出使用参考或正交信号的消除模糊规程，
图7示出用于测量基础信号与参考信号之间的相位的第一规程，
图8示出用于测量基础信号与参考信号之间的相位的第二规程，
图9示出三个电光式光传输元件在两个端子之间的电场中的设置，以及 图10a、10b、IOc示出用于改进从基础信号和参考信号重建电压波形的方法。
【具体实施方式】
[0040]公开了用于测量两个端子之间的电压(特别地，高压体系中的AC电压)的方法和装置。有利地，该方法和/或装置依靠电光元件中的电光效应。该电光效应在行进通过电光元件的两个垂直偏振光波中引入例如不同的光学相移。从而，可以测量指示在电光元件的位置处或电光元件长度上的电场的信号。信号中的模糊通过额外的正交信号来解决。通过将多个这些电光元件串联设置在端子之间，从成本效率和绝缘方面获得优势，但解决信号的模糊变得更富有挑战，特别地对于单个电光元件上的不相等和/或变化的电压(和因此测量信号的不相等的周期性)以及对于信号的变化的相对相位来说也更富有挑战。
[0041]本发明涉及用于使用指不第一电光式光传输兀件上的电场的基础信号Sn (例如SI)和用于解决在推导电压中的模糊的参考信号Sn’(例如S2)来准确重建端子之间施加的电压(它可以是全电压或分电压或两者)的波形的方法。该方法包括:从第一信号Sn确定至少两个假定h+、h ―，其对应于电压V或Vn的不同的可能电压值Vh+、Vh—或Vnh+、Vnh一，例如Vlh+、Vlh-;对于假定h+、h—中的每个推导第二信号Sn’的预期值Snh+、Snh —，例如S2h+、S2h—;将预期值Snh+、Snh一与第二信号Sn’的测量值比较；以及通过验证对于哪一个假定h+或h —的预期值Snh+或Snh—最接近第二信号Sn’的测量值而在假定h+、h —之间采取二元决策。
[0042]在实施例中，使用正好一个电光式光传输兀件2,并且该假定h+、h—对应于第一端子Ia与第二端子Ib之间的全电压V的不同可能电压值Vlh+、Vlh —。
[0043]实施例公开了用于使用多个电光元件来准确重建端子之间施加的电压的波形而对于每个电光兀件不需要正交信号的方法。此外，系统的温度可以从正交信号的相位来推导并且它可以用于补偿电光效应本身的温度依赖性。此外，公开了用于推导小电压(即，电压比额定电压小得多并且电光相移在±180°内)的方法。此外，公开了用于测量高压的装置。
[0044]定义
术语“高压”指超过IkV的AC电压或超过1.5kV的DC电压，以及特别地超过75kV的电压。
[0045]术语“径向”和“轴向”关于传感器的轴向方向(平行于光束hv的轴，z轴)理解，其中“径向”指垂直于轴向方向的方向r，并且“轴向”指平行于轴向方向z的方向。
[0046]本发明的描述: 如在图1 (现有技术)中不出的，电光式光传输兀件2包括光学传感器21 (例如，电光晶体)，其在穿过它的光的第一偏振或模式与第二偏振或模式之间引入场依赖型相移。该光例如可以通过光纤27和稱合透镜26而引导到光学传感器21。理想地，电光式光传输兀件2测量两个电势la、lb (例如,地Ib与高压电势Ia)之间的电场的线积分f E*ds。该概念特别适合于户外安装，例如输电网络中的变电站，因为测量准确度未被场扰动(例如由于雨或冰或来自相邻相位的串扰引起)破坏。具有某一对称性的电光晶体21很适合实现该概念。
[0047]施加到电光晶体21的电场在材料的折射率(双折射)中引入各向异性变化。该双折射(或双折射的变化)在横穿晶体21的两个正交线性偏振光波之间引起相移(Pockels效应)。通过测量该相移，可以推导施加的电压。电光式光传输元件2的一个配置(其实现电场的线积分)在图1中示出:电压V施加到晶体21的端面，其中光也通过这些端面进入和离开晶体。选择晶体材料和它的轴向取向使得仅电场分量Ez (沿圆柱体指示)对电光相移有贡献。一个适合的材料是采用[001]配置的Bi4Ge3O12 (BG0)，其对应于与光传播方向平行的4重晶轴。输入光hv (宽箭头)通过第一偏振器22 (较细箭头指示传输偏振的方向；第一偏振器22也可以是光纤内偏振器)而线性偏振。为了实现最大调制对比，晶体的电光轴x’、y’优选地相对于入射线性偏振光在45°下取向。具有平行于x’和y’的偏振的光的分量之间的相移r由晶体21中电场引起并且由设置在晶体21的输出端处的第二偏振器23转换成传输光的幅度调制。为了使相移r偏置，额外的相移元件3 (添加相位(^ )可置于光路中(两个偏振器22、23之间)。主延迟器轴el和e2平行于晶体21的电光轴X’和y’而对齐。一般，第二偏振器23后的传输光的强度I具有形式I~Cos2(V)。延迟器3有利地是X/4波片。
[0048]对于高压变电站处的典型电压V，通常获得模糊传感器响应。该模糊经典地通过对于每晶体采用两个光学输出路径(其大致上是n/2 (90° )异相，即正交，或具有不是的倍数的任何其他相对相移)操作而解决。
[0049]图2a_2d示出可以在本发明的测量方法中使用的光学传感器设置。
[0050]在图2a中，传感器晶体21使用反射棱镜28以反射来使用，并且在图2d中以透射来使用。光经由光学装置27、|禹合透镜26和第一偏振器26而传输到晶体21内。在晶体21后，光经由分束器24而分成两个光路，即一个路径包括例如偏转棱镜25和第二偏振器23以及耦合于光电子单元的光电检测器4a (在图3中示出)，并且另一个路径包括相移元件3和另外的第二偏振器23以及耦合于光电子单元4的另外的光电检测器。从而可通过凭借分束器24和偏转棱镜25将离开晶体21的光分成两个路径并且在这些路径中的一个中设置相移元件3而产生90°相移。
[0051]在包括至少第一和第二电光式光传输兀件2a和2b (图3)的电压传感器中，基础信号SI或一般Sn和正交信号SI’ =S2或一般Sn’可在没有延迟器的情况下通过将相位延迟器3插入在电光式光传输兀件中的一个(在这里:如在图2c中的电光式光传输兀件2b)处的光路内并且操作另一个电光式光传输兀件(在这里:如在图2b中的电光式光传输兀件2a)而生成。因此，每晶体(如在图2b和2c中的)仅存在一个输出路径。对于每晶体21 (如在图2a中的)的正交路径的附加分束器24和偏转棱镜25从而被避免。因此，装置变得明显更小(和更便宜)，这允许将感测元件安装在相对窄的膛中。
[0052]在示出的实施例中，光通过光纤27而引导到电光式光传输元件2a、2b并且从其中引导。光通常由光处理模块4或光电子单元4内部的光源4c (例如，LED或激光器)产生。在光电子单元4内部，每通道(由于每元件存在单个路径，这在这里意指例如是每电光式光传输兀件2a、2b)通过例如光电二极管等光电检测器4a、4b来检测传输光。备选地，光电检测器4a、4b可以集成到电光式光传输兀件2a、2b它们自身内。从而测量第一和第二信号SI和S2 (即Sn，其中n=l并且n=2)，其指示相应电光式光传输元件2a和2b上的电场。控制单元41 (其由CPU 41a和存储器41b组成)基于信号SI和S2推导端子Ia与Ib之间的电压V。在推导期间，单个信号中的模糊一或在超过两个信号的情况下，信号子集中的模糊一通过正交信号SI’ =S2解决。换句话说，特别地如果信号中的一个(优选地正好一个)相对于另一个相移，所有配对的测量信号产`生不模糊输出。因此，每电光式光传输兀件2a和2b仅测量一个信号SI和S2而达到不模糊电压信号V，这是可能的。
[0053]在图9中示出的电压传感器与上文论述的电压传感器非常相似，所不同的是它包括额外的(例如，第三)电光式光传输兀件2c,经由第三光电检测器4d测量来自该电光式光传输兀件2c的第三信号S3。
[0054]用于准确重建施加电压V (甚至在不相等且变化的晶体分电压Vn下，并且因此在不相等的光学信号Sn的周期性下以及在变化的相对信号相位下)的波形的规程在图4a对于复数个电光式光传输元件而概述并且在图4b对于正好一个这样的元件而概述。
[0055]该规程以初始化阶段开始，其中(不一定准确的)初始值^1^_和Aninit对于每个电光式光传输元件而设置(参见下文)。这些参数可采用(半)自动化的方式确定或由操作者手动提供。然后，对于代表来自每个第n电光式光传输兀件2a、2b、…的光强度水平I的每个测量信号Sn (例如，来自光电二极管4a、4b、…)，证实施加的电压是“大的”(即信号Sn是否达到最小和最大值，或电压是否等于或超出半波电压或是否小于半波电压，例如是否引入>±180°的电光相移，或换句话说，电光相移的绝对值是否超出180° )，还是“小的”(即信号Sn是否未达到最小和最大值，例如电光相移是否保持在±180°内，或换句话说，电光相移的绝对值是否小于或等于180° )。当电压是“大的”时，采集的信号Sn的幅度归一化到给定区间，例如到区间[一 I ;1]，以便消除由于测量链(在这里，例如光电二极管一放大器)而引起的通道或路径之间的增益和偏移差异。当电压是“小的”时，信号Sn未被归一化以便保留关于幅度并且从而关于施加电压的正确信息(参见下文)。换句话说，当电压是“小的”时，例如增益、偏移等归一化参数的更新被禁用。因此，使用在“大的”电压情况下已经获得(即更新)的最新归一化参数。
[0056]图4b不出对于正好一个电光式光传输兀件2的情况的大体相似的规程,其中如上文描述的那样应用相同或相似的步骤。基础信号指示为S并且参考信号为S’。特别地，不需要a n，使用基础信号和参考信号的初始相移A init、A ’ init,或它们的相对初始相移A init —A ’ init，并且可以直接确定全电压V而没有在n上的求和。另外，辅助控制环可以包括通过使ac和dc电压分量互相分尚并且从dc分量计算A和A’或A — A’而更新或改善相移A和A’或A — A’(参见图8)。这样的更新或改善可以在图4a和图4b两者中应用。
[0057]现在继续图4a,施加到每个第n电光式光传输兀件2a、2b、…的分电压Vn米用两个步骤从Sn确定:第一步骤是对Sn中的零交叉计数，如在图5中图示的。这用于确定余弦响应的周期K并且提供施加的电压Vn的第一粗略近似。该近似然后可以(如必要的话)通过计算余数或近似误差而改善，其由传感器的逆响应(通常是反余弦函数)给出。零交叉近似和余数的总和给出施加电压Vn。
[0058]端子Ia与Ib之间的总电压V最后由所有分电压Vn的总和给出:在来自图3的本发明的实施例中，高压传感器由若干电光式光传输兀件2a、2b组成。每个电光式光传输兀件2a、2b可以插入具有中心膛(其包含例如BGO晶体21)的绝缘体中。端子Ia与Ib之间的总电压由V指不。施加到 给定的电光式光传输兀件2a、2b、…的分电压由Vn指不。总电压V则是所有分电压的总和:V= E \。因此，分电压Vn由施加到对应模块的总电压V的分数an限定:Vn =an* V。如之前提到的，分电压可不同并且随时间变化。因此，可出现如果n关m则an关an并且an=an (t)。离开每个电光式光传输元件2a、2b、…的光束的强度In由下面的表达式给出:
f? = - cos '(,T(r? + a J)(i)
F
':,=^ (2).hji
其中In, 0是具有零延迟的尚开射束的强度，r n表不两个偏振光分量在尚开晶体21时它们之间的电压依赖型延迟(场依赖型相移)，并且An是第n信号关于施加电压的相对相位。Vh，n是光学通道n中BGO晶体21的半波电压。这是导致rn=l/2延迟的电压。在方程
(I)中，假定光学信号的调制深度等于一。信号的相对相位An可以与温度有关地不同并且随时间变化，如之前提到的。因此，可出现如果n古m则An古Am并且An=An (t)。
[0059]由测量链(光电二极管一放大器)产生的电信号Sn然后由以下给出:
(3)
其中Gn是测量链中所有部件的累计增益，并且bn是偏移。项en是噪声项。
[0060]施加电压的测量如上文提到的，在第一信号处理阶段(图4a、4b)中，每个电信号的幅度可以归一化到区间[一 I ;1]。该操作从方程3消除增益和偏移参数(在这里已经忽略噪声项en)。
[0061 ]
【权利要求】
1.一种用于测量电压(V，Vn)、特别地第一端子(Ia)与第二端子(Ib)之间的全电压(V)和/或分电压(Vn)的方法，其中所述第一端子(Ia)在空间上与所述第二端子(Ib)分离并且其中所述电压(V，Vn)在所述端子(la，lb)之间形成电场，所述方法包括以下步骤: 在所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的电场中设置至少一个第一电光式光传输兀件(2, 2a), 将光传递通过所述第一电光式光传输兀件(2,2a), 测量来自所述第一电光式光传输元件(2，2a)的至少一个第一信号(Sn)并且进一步测量来自所述第一或第二电光式光传输兀件(2, 2a, 2b, 2c)的第二信号(Sn’)，其中两个信号(Sn，Sn’ )都是所述电压(V)的周期函数并且具有非零的相对相移， 推导所述电压(V，Vn)并且解决在从所述第一信号(Sn)和所述第二信号(Sn’ )推导所述电压(V，Vn)中的模糊，其特征在于以下步骤: (i)使用所述第一信号(Sn)作为指示所述第一电光式光传输元件(2，2a)上的电场的基础信号(Sn)， (?)使用所述第二信号(Sn’ )作为用于解决在推导所述电压(V，Vn)中的模糊的参考信号(Sn’)， (iii)从所述第一信号(Sn)确定对应于所述电压(V，Vn)的不同可能电压值(Vnh+，Vnh—)的至少两个假定(h+，h—)， (iv)推导对于所述假定(h+，h—)中的每个的第二信号(Sn’)的预期值(Snh+，Snh-), (v)将所述预期值(Snh+，Snh-)与所述第二信号(S2)的测量值比较，以及 (vi)通过验证对于哪一个假定(h+，h—)的所述预期值(Snh+，Snh-)最接近所述第二信号(Sn’ )的测量值而在所述假定(h+，h—)之间采取二元决策。
2.如权利要求1所述的方法，其中确定正好两个假定(h+，h—)并且每基础信号(Sn)使用正好一个参考信号(Sn’)，和/或其中使用欧式距离来确定所述预期值(Snh+，Snh-)到所述测量值(Sn’ )的接近性。
3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述基础信号(Sn)是所述电压(V，Vn)的余弦函数，并且在第一假定(h+)下的电压(Vnh+)假设为与+arccos成比例，并且在第二假定(h—)下的电压(Vnh—)假设为与-arccos成比例。
4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其中在推导期间，单个信号中的模糊，或在超过两个信号的情况下的所述至少一个第一信号(Sn)和至少一个第二信号(Sn’ )的信号子集中的模糊，通过信号中的至少一个、特别地正好一个相对于其他信号相移来解决。
5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间施加的电压(V)的波形使用多个电光式光传输兀件(2a, 2b)来重建而对于每个电光式光传输兀件(2a, 2b)不需要正交信号。
6.如权利要1-5中任一项所述的方法，其中所述第一信号(Sn)和所述第二信号(Sn’)具有与所述电压(V)相同的周期性。
7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述第一信号(Sn)和所述第二信号(Sn’)之间的相移至少部分由设置在所述第二电光式光传输兀件(2b)中的光路中的相移兀件(3)引入，特别地，其中所述相移元件(3)是λ /4延迟器，并且/或 其中所述第一信号(Sn )和所述第二信号(Sn’)之间的相移是所述相移元件(3 )的温度的函数，并且所述相移元件(3)的温度从所述第二信号(Sn’ )推导，和/或 其中所述第一信号(Sn)和所述第二信号(Sn’)之间的相移不同于90°。
8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，特别地，其中所述电压在高压范围内和/或所述电压是AC电压,其中所述第一信号(Sn)和所述第二信号(Sn’)基于穿过所述电光式光传输兀件或多个电光式光传输兀件(2a, 2b)的光的物理性质的电场依赖型改变,该改变由所述电光式光传输兀件或或多个电光式光传输兀件(2a, 2b )引入。
9.如权利要求7和8中任一项所述的方法,其中所述电场依赖型改变是所述电光式光传输元件(2，2a，2b)的温度的函数，并且推导的所述相移元件(3)的温度在推导所述电压(V)中使用。
10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其中在第一时间tl与第二时间t2>tl之间的第一时间区间[tl ；t2]中，所述端子(la，lb)上的电压(V)的范围大到足以使得所述信号(Sn)达到它们的作为所述电压(V)的函数的最大和最小值，并且 其中在第三时间t3>t2与第四时间t4>t3之间的第二时间区间[t3;t4]中，所述电压(V)的范围未大到足以使得所述信号(Sn)达到它们作为所述电压(V)的函数的最大和最小值，并且 其中在所述第一时间区间[tl ；t2]中推导的信号(Sn)的至少标度和/或偏移在所述第二时间区间[t3 ；t4]中推导所述电压(V)中使用。
11.如权利要求1-10中任一项所述的方法,其中所述电光式光传输兀件(2,2a, 2b)包括光学传感器(21),其在穿过所述电光式光传输兀件(2, 2a, 2b)的光的第一偏振或模式与第二偏振或模式之间引入场依赖型相移，并且特别地，其中所述光学传感器(21)包括: 具有场依赖型双折射的电光装置，特别地是晶体，其特别地是结晶Bi4Ge3O12 (BGO)或Bi4Si3O12 (BS0), 或展现Pockels效应的极化波导， 或压电装置，特别地是结晶石英或压电陶瓷，以及携有至少两个模式的光学波导，其中所述波导连接到所述压电装置使得所述波导的长度是场依赖型的。
12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其中在推导期间，代替使用正交信号或作为使用正交信号的补充，通过使用具有两个不同波长的光来去除模糊。
13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述信号(Sn，Sn’)，特别地所述基础信号(Sn)和/或所述参考信号(Sn’ )归一化到围绕零的对称值范围，特别地被定标并且偏移到值范围[+1，-1].
14.如权利要求13所述的方法，其中对于所述基础信号(Sn)确定零交叉的数量的双向累计计数k，并且在推导所述电压(V，Vn)中使用该计数k。
15.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中所述电压(V，Vn)的推导包括利用以下步骤来重建所述电压(V，Vn)的改进波形(V，Vn): 从所述基础信号(Sn)、特别地通过计算反余弦而确定所述电压(V，Vn)的第一电压值(VI，Vln)； 从所述参考信号(Sn’)、特别地通过计算反余弦而确定所述电压(V，Vn)的第二电压值(V2, V2n);以及 从所述第一电压值(Vl)和所述第二电压值(V2)确定改进的电压波形(V)，并且特别地，其中推导来自相同的光传输兀件(2)的基础信号(Sn)和参考信号(Sn’)。
16.如权利要求15所述的方法，其包括以下步骤: 对于每个第n电光式光传输兀件(2, 2a),特别地对于正好一个电光式光传输兀件(2,2a)，将所述基础信号(Sn)和所述参考信号(Sn’ )归一化到相同的最大和最小幅度，特别地归一化到值范围[+1，一 I], 选择加权参数Pn，其中OS PnS 1，以及 通过计算加权和 V=EVn = S { Pn*vla + (1-Pn) lari丨来确定改进的电压波形(V，Vn),其中v1.m v2n:=所述第n电光式光传输兀件(2)的第一和第二电压值。
17.如权利要求16所述的方法，其包括以下步骤: 选择加权参数Pn使得作为所述电压(V，Vn)的函数的基础信号(Sn)和参考信号(Sn’ )中较线性的信号被给予较大的权重。
18.如权利要求16-17中任 一项所述的方法，其包括以下步骤: 当所述基础信号(Sn)的绝对值小于所述参考信号(Sn’ )的绝对值时选择加权参数3 n=l,并且 当所述参考信号(Sn’ )的绝对值小于所述基础信号(Sn)的绝对值时选择加权参数3n=0o
19.如权利要求16-17中任一项所述的方法，其包括以下步骤: 选择作为所述电压(V，Vn)的连续函数的加权参数P n，特别地根据Pn - cos- (Sn*n/2) / (cos2 (Sn*n/2) + sin2 (sn ' )来进行该选择。
20.如权利要求1-14中任一项所述的方法，其中测量每电光式光传输兀件(2,2a,2b)的仅一个信号(Sn)，和/或，其中在没有延迟器的情况下操作所述第一电光式光传输元件(2a)。
21.如权利要求1-20中任一项所述的方法,其中使用所述第二电光式光传输兀件(2b)，并且测量来自所述第二电光式光传输元件(2b)的第二信号(Sn’)，并且所述假定(h+，h—)对应于施加到所述第一电光式光传输元件(2a)的分电压(Vn)的不同可能电压值(Vlh —，Vl h+)。
22.如权利要求1-21中任一项所述的方法,其中使用至少两个电光式光传输兀件(2,2a，2b)并且使它们经受个体分电压(Vn)， 对于每个第n电光式光传输兀件(2, 2a, 2b)测量所述第一信号(Sn)并且将它用作指不该第n电光式光传输兀件(2a)上的电场的第n基础信号(Sn), 对于每个第n电光式光传输兀件(2, 2a, 2b)确定第二信号(Sn’)并且将它用作用于解决在推导该第n电光式光传输兀件(2, 2a, 2b)上的第n分电压(Vn)中的模糊的第n参考信号(Sn’)，以及 对于每个第n电光式光传输元件(2, 2a, 2b)执行方法步骤(iii)、( iv)、( v)和(vi )来对该第n电光式光传输兀件(2, 2a, 2b)上的分电压(Vn)消除模糊，以及 从所述分电压(Vn)确定所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的全电压(V)。
23.如权利要求1-22中任一项所述的方法,其中所述电光式光传输兀件(2a,2b)电串联设置，并且/或，其中所述电光式光传输元件(2a，2b )串联设置用于使电场分布在所述电光式光传输兀件(2a, 2b)上，并且/或,其中所述光传输兀件(2a, 2b)在所述端子(la, Ib)之间的轴向方向上串联设置。
24.如权利要求1-23中任一项所述的方法,其中并行地光学读出所述电光式光传输兀件(2a，2b)。
25.如权利要求1-24中任一项所述的方法，其包括: 向每个电光式光传输兀件(2a, 2b)施加分电压(Vn), 从所述第一和第二信号(Sn, Sn’)确定对于每个电光式光传输兀件(2a, 2b)的分电压(Vn), 通过计算所有分电压(Vn)的总和(V=SVn )来确定所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的总电压(V)。
26.如权利要求1-25中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤: 定义至少一个内部参数an=Vn/V,其中Vn =施加到第n电光式光传输元件(2a, 2b)的分电压并且V=所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的总电压(V)， 确定对于所有电光式光传输兀件(2a, 2b)的an的估计，以及 使用所述a n用于解决在从所述第一信号(Sn)推导所述电压(V，Vn)中的模糊。
27.如权利要求26所述的方法，其进一步包括以下步骤: 测量作为离开每个电光式光传输元件(2a，2b)的光束的强度的函数的电信号Sn， 根据下式来确定所有分电压VnVhJr (2(Sit -BA ) 、 、
28.如权利要求26-27中任一项所述的方法，其中采取二元决策来使具有施加的分电S(Vl)的所述第一电光元件(2a)的第一信号(Sn)消除模糊的步骤包括使用所述a n来从所述至少两个假定(Vlh+，Vlh-)计算对于具有施加的分电压(V2)的第二电光元件(2b)的对应的电压假定(V2h+，V2h—)，并且选择较接近所述第二信号(S2)的测量值的所述第二信号(S2)的该预期值(S2h+，S2 h-)。
29.如权利要求26-28中任一项所述的方法，其中从不正确的假定选择、特别地从测量电压(V)中的不连续来检测误差大的an，并且大部分时间使用的an的最常用值被确定为正确的an。
30.如权利要求26-29中任一项所述的方法，其进一步包括通过以下步骤来递归地推导内部参数(an)中的至少一个的步骤: 利用对于所有光学通道的a n估计来初始化辅助控制环，其中所述内部参数(an)描述所述电光式光传输兀件(2a, 2b)上的电压(V)的分布， 进行第一系列测量，以及 基于所得的Vn使用方程an=Vn/V和a n的最常用值来计算更准确的an。
31.如权利要求30所述的方法，其进一步包括以下步骤: 使用更准确的an作为新估计的an，并且 使所述a n收敛，和/或跟踪所述a n的时间依赖性a n (t)。
32.如权利要求1-19中任一项所述的方法,其中使用正好一个电光式光传输兀件(2),并且所述假定(h+，h )对应于所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的全电压(V)的不同可能电压值(Vlh+，Vlh一)。
33.如权利要求1-32中任一项所述的方法，其进一步包括以下步骤: 将至少第三电光式光传输元件(2c )设置在所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib )之间的电场中， 使光传递通过所述第三电光式光传输兀件(2c ), 测量来自所述第三电光式光传输元件(2c)的至少第三信号(S3)，其中所述第三信号(S3)指示所述第三电光式光 传输元件(2c)上的电场，并且其中所述第三信号(S3)是所述电压(V)的周期函数， 从所述第一信号(Sn)、所述第二信号(Sn’)和所述第三信号(S3)推导所述电压(V)，其中所述第二信号(Sn’ )用于解决在使用所述第一信号(Sn)和所述第三信号(S3)推导所述电压(V)中的模糊。
34.如权利要求1-33中任一项所述的方法，对于每个第n电光式光传输兀件(2a,2b)和它对应的基础信号(Sn)和/或参考信号(Sn’)，执行以下步骤: 重建测量电压(V，Vn)、特别地所述第一端子(Ia)与所述第二端子(Ib)之间的全电压(V)和/或分电压(Vn)的波形； 计算重建波形的若干周期上的时间平均值， 从所述时间平均值确定明显的DC偏移电压VDC，以及 根据An = Vdc * ? / Vh^1计算所述基础信号(Sn)和/或参考信号(Sn’)关于施加电压的相对相位An,其中Vh, n=第n电光式光传输元件(2a, 2b)的半波电压。
35.用于根据权利要求1的引言、特别地根据权利要求1-34中任一项所述的测量电压(V，Vn)的方法，其特征在于以下步骤: (i)使用所述第一信号(Sn)作为指示所述第一电光式光传输元件(2a)上的电场的基础信号(Sn)， (ii)使用所述第二信号(Sn’)作为用于解决在推导所述电压(V，Vn)中的模糊的参考信号(Sn’)， (iii)从所述第一信号(Sn)确定对应于所述电压(V，Vn)的不同可能电压值(Vnh+，Vnh—)的两个假定(h+，h—)， (iv)确定所述基础信号(Sn)与所述参考信号(Sn’)之间的实际相对相移(A )， (v)从所述基础信号(Sn)、所述参考信号(Sn’)和所述实际相对相移(A )确定具有90°的理想相对相移的合成正交信号(Sn’ ^uad),以及(vi)基于所述合成正交信号(Sn’^uad)的符号在所述假定(h+，h—)之间采取二元决策。
36.如权利要求34-35中任一项所述的方法，其中步骤(V)包括: 根据下面的公式计算所述合成正交信号(Sn’ ^uad):
Sn,qMd ^ cos"1 (2'*n*AJ * Sn 1.+ tan (2*n*a) * Sri 0
37.用于测量所述电压(V)的装置，包括用于实施根据权利要求1-36中任一项所述的方法的步骤的部件。·
【文档编号】G01R15/24GK103718050SQ201280037164
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年5月29日 优先权日:2011年5月27日
【发明者】O.斯泰格, J.帕斯卡尔, K.博内特, S.V.马彻塞, S.维德马思 申请人:Abb研究有限公司