专利名称：光纤型高电压监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学电压传感装置，特别涉及一种光纤型高电压监测装置。
背景技术：
目前光纤高电压传感器使用的测量方法主要有光的偏振态测量法、光的干涉测量法和波长调制测量法。光的偏振态测量主要基于法拉第磁光效应，使用磁光晶体在外场变化下使光的偏振方向改变达到测试目的，是目前研究相对成熟的传感器，已有少量商业化应用。光的干涉法主要是利用外场改变相干光的光程差进行测量，主要基于迈克尔孙干涉仪或马赫曾德干涉仪的测量。波长调制测量法是对光的波长进行测量从而检测外场信号的方法。主要是由光纤光栅传感装置或法布里-珀罗干涉传感器完成，需要使用波长解调装置。这几种传感装置在理论上均可完成对电力参数的检测，但在实际应用时由于外界环境的干扰、特别是温度、振动造成误差太大不能满足使用要求，阻碍了该类光纤电流传感器的推广使用。中国专利申请号为200510019497. 2《光纤电压传感器》公开了一种方案，其是由两块平行的电致伸缩材料构成的锯齿板组成。该方案采用的变形齿少、变形齿间的传感光纤长度短，使其采集数据的能力较差、传感光纤弯曲曲率小导致使用寿命短，采集到的数据要么精度高动态范围小，要么动态范围大精度低，无法满足实际应用要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种光纤型高电压监测装置。本发明能够采用大幅度增加变形齿的数量以及大幅度延长信号光纤的长度，使细微的变形也能检测到，提高了本传感装置的精度和动态范围，且其结构简单、使用方便、成本低， 具有良好的市场推广前景。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是光纤型高电压监测装置，其特征在于包括电极一、地电位电极和位于电极一与地电位电极之间的至少一个光纤敏感单元，高压母线通过电极一和地电位电极将高压母线的高电压加载在所述光纤敏感单元上，所述光纤敏感单元包括基板一，所述基板一上设置有锯齿板一和锯齿板二，所述基板一以及设置在基板一上的锯齿板一和锯齿板二上至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成或者变形齿一和变形齿二的表面镀覆有电致伸缩材料或逆压电材料，所述锯齿板一上设置有变形齿一，所述锯齿板二上设置有变形齿二，所述锯齿板一和锯齿板二相互平行，所述变形齿一和变形齿二相互交错对应并位于所述锯齿板一和锯齿板二之间，并且所述锯齿板一相对于锯齿板二会随着加载于光纤敏感单元的电压变化而出现相对或相反的运动变化，在变形齿一的齿间有凹槽，所述锯齿板二上设置有多匝环绕的信号光纤，且所述信号光纤安置于于凹槽中，所述信号光纤连接有光缆，所述光缆连接有测试单元，所述测试单元连接有处理单元。上述的光纤型高电压监测装置，所述信号光纤的两端安装有光反射装置，该光反射装置为光反射镜、光纤光栅、含有气泡的光纤或是经过镜面处理的信号的光纤的端面。上述的光纤型高电压监测装置，所述光纤敏感单元为相互并联的两个或两个以上，每个光纤敏感单元中的信号光纤串联在一根光缆上并连接在测试单元上。上述的光纤型高电压监测装置，所述基板一上设置有基板二和基板三，所述锯齿板一和锯齿板二分别通过基板二和基板三固定在基板一上，且所述锯齿板一、锯齿板二、基板一、基板二、基板三、变形齿一、变形齿二和信号光纤满足以下公式α Δ T- α 2L2 Δ T- α 3L3 Δ T- α 齿(LlS+L2S) Δ Τ—α 纤 d纤 ΔΤ = 0其中，α 2和α 3分别为基板二和基板三材料的膨胀系数，α 是基板一材料的膨胀系数，式中L2、L3分别是基板二和基板三的长度，Δ T是变化的温度值，L1是基板一的长度， α s为变形齿一和变形齿二材料的膨胀系数，L1S、L2S分别是包含有锯齿板一厚度的变形齿一的高度和包含有锯齿板二厚度的变形齿二的高度，α纟〒为信号光纤的膨胀系数，为信号光纤的端面直径。上述的光纤型高电压监测装置，所述光纤敏感单元为两个或两个以上，且其通过金属管串联起来并安装在一绝缘管内，所述绝缘管内空隙中填充有绝缘的聚氨酯，所述绝缘管的两侧设置有电晕放电环。上述的光纤型高电压监测装置，所述锯齿板一和锯齿板二均由水晶材料制作。上述的光纤型高电压监测装置，所述基板一是有石英玻璃制作。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明通过多匝信号光纤能够对采集到的信号进行放大，提高了提高了该传感装置的精度，且其结构简单、加工制作方便且结构形式多样，使用方式灵活。2、使用操作简便且各组件间连接关系设计合理，通过多匝缠绕于锯齿板二上的信号光纤，大大增加了信号光纤随信号变化可以弯曲的长度，从而在保证信号光纤寿命的基础上，提高了测试精度。3、基板一、锯齿板一和(或)锯齿板二采用具有压电特性的水晶材料，水晶在电压场强下具有逆压电效应，水晶体积的微小变化使信号光纤的弯曲曲率变化，从而使信号光纤内部传输光信号的损耗变化，并通过测试单元获取该变化，从而感知到电压的变化；也可以根据信号光纤弯曲曲率的形变的变化，利用测试单元通过干涉法获取信号光纤形变量的大小而感知电压的变化，在电力传输领域特别是超高电压领域具有广阔的应用前景。4、锯齿板一和锯齿板二固定在基板一上，或锯齿板一固定在基板二上，锯齿板二固定在基板三上，所述基板二和基板三固定在基板一上，通过这种方式将锯齿板一和锯齿板二固定好，可以通过分别选择具有适当膨胀系数的材料达到温度补偿的效果。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为为本发明实施例1的包含有光纤敏感单元俯视图的结构示意图。图2为本发明实施例1的光纤敏感单元主视结构示意图。图3为本发明实施例2的光纤敏感单元主视结构示意图。图4为本发明实施例3的结构示意图。附图标记说明
1-光缆；2-光纤敏感单元；5-测试单元
6-信号光纤；7-处理单元；8-锯齿板一
9-锯齿板二 ；10-基板一；11-变形齿-
12-变形齿二 ；16-凹槽；24-基板二 ；
25-基板三；30-高压母线；31-电极二 ；
33-导线；34-电晕放电环；35-电极一；
36-地电位电极；37-金属管；38-绝缘管；
39-聚氨酯。
具体实施例方式实施例1如图1和图2所示的一种光纤型高电压监测装置，包括电极一 35、地电位电极36 和位于电极一 35与地电位电极36之间的至少一个光纤敏感单元2，高压母线30通过电极一 35和地电位电极36将高压母线30的高电压加载在所述光纤敏感单元2中包含的电致伸缩材料或逆压电材料的X轴或Y轴方向，所述光纤敏感单元2包括基板一 10，所述基板一 10上设置有锯齿板一 8和锯齿板二 9，所述基板一 10以及设置在基板一 10上的锯齿板一 8和锯齿板二 9上至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成或者变形齿一 11和变形齿二 12的表面镀覆有电致伸缩材料或逆压电材料，所述锯齿板一 8上设置有变形齿一 11，所述锯齿板二 9上设置有变形齿二 12，所述锯齿板一 8和锯齿板二 9相互平行，所述变形齿一 11和变形齿二 12相互交错对应并位于所述锯齿板一 8和锯齿板二 9之间，并且所述锯齿板一 8相对于锯齿板二 9会随着加载于光纤敏感单元2的电压变化而出现相对或相反的运动变化，在变形齿一 11的齿间有凹槽16，所述锯齿板二 9 上设置有多匝环绕的信号光纤6，且所述信号光纤6安置于于凹槽16中，信号光纤6夹持于变形齿一 11和变形齿二 12之间，所述信号光纤6连接有光缆1，所述光缆1连接有测试单元5，所述测试单元5连接有处理单元7。所述锯齿板一 8和锯齿板二 9均通过胶黏剂粘接、焊接或螺丝连接固定在基板一 10上。所述的基板一 10、锯齿板一 8和锯齿板二 9的三者或三者之一整体由电致伸缩材料或逆压电材料构成、或变形齿一 11和变形齿二 12两者或两者之一由电致伸缩材料或逆压电材料构成、或者变形齿一 11和变形齿二 12的表面镀覆有电致伸缩材料或逆压电材料。监测被测高压母线30的电压过程是高压母线30通过电极二 31、导线33将高电压传递到电极35，电极35和地电位电极36将该高电压加载于一光纤敏感单元2上，锯齿板一 8和(或)锯齿板二 9选用温度性能和逆压电性能良好的水晶材料，另一锯齿板和基板一 10采用石英玻璃材料，优选的做法是锯齿板一 8和锯齿板二 9以及变形齿一 11和变形齿二 12均由水晶材料制作，基板一 10采用石英玻璃制作，变形齿一 11和变形齿二 12位于锯齿板一 8和锯齿板二 9的相对面上，且该相对面为水晶材料的Y轴方向，信号光纤6夹持于凹槽16中，电极35与地电位电极36的电压加载于构成锯齿板的水晶材料的X轴方向， 电极35与地电位电极36的电压变化时，水晶材料的Y轴方向发生变形伸缩，即由水晶材料构成的锯齿板一 8和锯齿板二 9厚度以及变形齿一 11和变形齿二 12的高度也随之变化， 从而使分别布设于锯齿板一 8和锯齿板二 9上的变形齿一 11和变形齿二 12之间的距离变化，使夹持于变形齿一 11和变形齿二 12之间的信号光纤6的弯曲曲率变化，导致信号光纤 6内部传输的光信号功率的变化，测试单元5检测到该变化并将测试结果传输给处理单元 7，处理单元7经过计算得到高压母线30的电压变化值。该装置可以对220kv以下的高压母线30进行监测。测试单元5可以是光源和光功率计，也可以选用光时域反射技术及相干频率调制连续波技术来实现准分布式或分布式测量，或选择干涉仪进行更高精度的测量。所述的信号光纤6的两端也可以安置有光反射装置，该反射装置可以是光反射镜、光纤光栅、含有气泡的光纤或是经过镜面处理的信号的光纤的端面。测试单元5可以通过检测两个光反射装置的反射光信号的强度之差得到由于信号光纤6的弯曲曲率变化对信号光纤6内部传输的光信号的衰减变化，这样做的好处是可以消减光源、探测器以及光缆1等环节由于变化所带来的干扰，进一步提高测试结果的精度。优选的，与所述的高压母线30相连的电极35和地电位电极36之间并联着两个极两个以上的光纤敏感单元2，每个光纤敏感单元2中信号光纤6可以串联在一根光缆1上并连接至测试单元5。所述信号光纤6为外部包有多层保护光纤，如紧套光纤、碳涂覆光纤、金属涂覆光纤或聚酰亚胺涂覆光纤。所述信号光纤6也可以是多芯光纤、偏振光纤、双模光纤、细径光纤(如裸光纤外径60或80微米的光纤)、高分子聚合物光纤或光子晶体光纤。实施例2如图3所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于所述基板一 10上设置有基板二 M和基板三25，所述锯齿板一 8和锯齿板二 9分别通过基板二 M和基板三25固定在基板一 10上。所述锯齿板一 8、锯齿板二 9、基板一 10、基板二对、基板三25、变形齿一 11、 变形齿二 12和信号光纤6满足以下公式 α Δ T- α 2L2 Δ Τ- α 3L3 Δ T-α 齿(L1S+L2S) ΔΤ-α 纤d纤 ΔΤ = 0其中，α 2和α 3分别为基板二 M和基板三25材料的膨胀系数，α工是基板一 10 材料的膨胀系数，式中L2、L3分别是基板二 M和基板三25的长度，Δ T是变化的温度值，L1 是基板一 10的长度，α s为变形齿一 11和变形齿二 12材料的膨胀系数，Lltt, L2tt分别是包含有锯齿板一 8厚度的变形齿一 11的高度和包含有锯齿板二 9厚度的变形齿二 12的高度，α纟〒为信号光纤6的膨胀系数，为信号光纤6的端面直径。可以看出，锯齿板一 8、锯齿板二 9、基板一 10、基板二 M、基板三25和信号光纤6 的材料的膨胀系数满足上述公式时，本装置就可以在一定的温度变化范围内不受温度变化的影响，即补偿了温度的变化对测试结果的改变。在对测试结果的精度要求不是很高情况下，也可以去掉信号光纤6的相关部分的膨胀系数计算项以降低成本。本实施例中，其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。实施例3如图4所示，本实施例与实施例1的不同之处仅在于所述光纤敏感单元2为两个或两个以上，且两个或两个以上的光纤敏感单元2通过金属管37串联起来并安置在绝缘管 38内，绝缘管38内空隙中填充有绝缘的聚氨酯39，绝缘管38的两侧设置有电晕放电环34， 高压母线30的电压通过电极35和地电位电极36施加到串联起来的多个光纤敏感单元2上，这样可以使本装置监测500kv以下的高压母线30的电压，通过串联更多的光纤敏感单元2可以对更高电压等级的高压母线30进行监测。电晕放电环34可以减少电场梯度，使光纤敏感单元2中包括的电致伸缩或逆压电材料承受的电场分布相对均勻。本实施例中， 其余部分的结构、连接关系和工作原理均与实施例1相同。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1.光纤型高电压监测装置，其特征在于包括电极一(35)、地电位电极(36)和位于电极一(3 与地电位电极(36)之间的至少一个光纤敏感单元O)，高压母线(30)通过电极一 (35)和地电位电极(36)将高压母线(30)的高电压加载在所述光纤敏感单元(2)上，所述光纤敏感单元( 包括基板一(10)，所述基板一(10)上设置有锯齿板一(8)和锯齿板二 (9)，所述基板一(10)以及设置在基板一(10)上的锯齿板一(8)和锯齿板二(9)上至少三者之一或至少三者之一的一部分由电致伸缩材料或逆压电材料构成或者变形齿一(11)和变形齿二(1 的表面镀覆有电致伸缩材料或逆压电材料，所述锯齿板一(8)上设置有变形齿一(11)，所述锯齿板二(9)上设置有变形齿二(12)，所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)相互平行，所述变形齿一(11)和变形齿二(1 相互交错对应并位于所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)之间，并且所述锯齿板一(8)相对于锯齿板二(9)会随着加载于光纤敏感单元 (2)的电压变化而出现相对或相反的运动变化，在变形齿一(11)的齿间有凹槽(16)，所述锯齿板二(9)上设置有多匝环绕的信号光纤(6)，且所述信号光纤(6)安置于于凹槽(16) 中，所述信号光纤(6)连接有光缆(1)，所述光缆(1)连接有测试单元(5)，所述测试单元 (5)连接有处理单元(7)。
2.根据权利要求1所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述信号光纤(6)的两端安装有光反射装置，该光反射装置为光反射镜、光纤光栅、含有气泡的光纤或是经过镜面处理的信号的光纤的端面。
3.根据权利要求1所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述光纤敏感单元(2) 为相互并联的两个或两个以上，每个光纤敏感单元O)中的信号光纤(6)串联在一根光缆 (1)上并连接在测试单元( 上。
4.根据权利要求1所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述基板一(10)上设置有基板二 04)和基板三(25)，所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)分别通过基板二(24) 和基板三(2 固定在基板一(10)上，且所述锯齿板一(8)、锯齿板二(9)、基板一(10)、基板二(M)、基板三(25)、变形齿一(11)、变形齿二(1 和信号光纤(6)满足以下公式α Δ T- α 2L2 Δ T- α 3L3 Δ T- α 齿Δ Τ_ α 纤d纤 ΛΤ = 0其中，α 2和α 3分别为基板二 04)和基板三05)材料的膨胀系数，α 是基板一(10) 材料的膨胀系数，式中1^2、L3分别是基板二 04)和基板三05)的长度，Δ T是变化的温度值，L1是基板一(10)的长度，α s为变形齿一(11)和变形齿二(12)材料的膨胀系数，Lltt、 L2s分别是包含有锯齿板一(8)厚度的变形齿一(11)的高度和包含有锯齿板二(9)厚度的变形齿二(12)的高度，α纟〒为信号光纤(6)的膨胀系数，为信号光纤(6)的端面直径。
5.根据权利要求1所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述光纤敏感单元(2) 为两个或两个以上，且其通过金属管(37)串联起来并安装在一绝缘管(38)内，所述绝缘管 (38)内空隙中填充有绝缘的聚氨酯(39)，所述绝缘管(38)的两侧设置有电晕放电环(34)。
6.根据权利要求1所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述锯齿板一(8)和锯齿板二(9)均由水晶材料制作。
7.根据权利要求6所述的光纤型高电压监测装置，其特征在于所述基板一(10)由石英玻璃制作。
全文摘要
本发明公开了一种光纤型高电压监测装置，包括电极一、地电位电极和至少一个光纤敏感单元，高压母线通过电极一和地电位电极将高压母线的高电压加载在光纤敏感单元上，光纤敏感单元包括基板一，基板一上设置锯齿板一和锯齿板二，锯齿板一上设置变形齿一，锯齿板二上设置变形齿二，锯齿板一和锯齿板二相互平行，变形齿一和变形齿二相互交错对应并位于所述锯齿板一和锯齿板二之间，在变形齿一的齿间有凹槽，锯齿板二上设置多匝环绕的信号光纤，且信号光纤安置于于凹槽中，信号光纤连接有光缆，光缆连接有测试单元，测试单元连接有处理单元。本发明采用大幅度增加变形齿的数量以及大幅度延长信号光纤的长度，能检测到细微的变形。
文档编号G01R19/00GK102565498SQ20101057906
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月8日 优先权日2010年12月8日
发明者杜兵 申请人:西安金和光学科技有限公司