专利名称：基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器及传感系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电场测量技术，尤其涉及一种基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器及传感系统。
背景技术：
电场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，准确地确定电场强度，对于优化高压电气设备的性能和结构，以及了解其周围电磁环境是十分必要的:如确定绝缘子、避雷器等高压设备附近的电场分布规律，就可以改进绝缘子、避雷器的形状设计，从而进一步提高这些设备运行的可靠性；确定高压变电站中开关操作产生的暂态电场，就可以了解站内的电磁环境，从而为电磁干扰的防护提供有力的依据；另外，瞬态电场还对一些植物种子及生长有不同程度的影响，如果能对瞬态电场的分布进行准确测量，就可以对其善加利用；因此对高电场进行准确的测量具有重要的实际价值，研究新型实用的高压电场传感器显得尤为重要。在电场测量领域中，与传统传感器相比，光学电场传感器具有不含金属元件、对被测电场干扰小的优势。目前对基于光学的电场传感器研究已经非常广泛，主要测量原理有基于电光效应、逆压电效应、消逝场干涉等，其中基于一次电光效应(Pockels效应)的测量系统存在测量范围低的缺陷，基于二次电光效应(Kerr效应)的测量系统，其测量范围较Pockels效应稍大一些，但仍停留在实验室研究阶段，难以实用化；集成式光学电场传感器是发展的重要趋势，大部分集成式光学电场传感器都是基于光波导的，但这种集成式的光波导制作成本高，过程复杂，且装置体积较大。另外，还有研究者利用石英的逆压电效应制作出全光纤型的电场传感器，但这个系统利用模间干涉原理来进行测量，使得其安装调试困难；利用消逝 场干涉来测量电场虽也实现了全光纤测量，但其响应时间很长，不适宜脉冲电压的测量。另外一种将液晶注入光子晶体光纤来实现测量的全光纤传感器，受温度影响较大，也只还局限于实验室研究阶段。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，它由封装有液体的容器、光纤干涉仪、两块电极板和毛细玻璃管组成；所述光纤干涉仪结构为:普通单模光纤上设置有径向凹槽，径向凹槽在普通单模光纤径向上的深度深入普通单模光纤的纤芯内，使纤芯被部分截去，纤芯的残余部形成光纤干涉仪的参考臂，径向凹槽内的中空部分形成光纤干涉仪的信号臂；光纤干涉仪封装在毛细玻璃管内，形成测量部；测量部和两块电极板都浸没在容器内的液体中，且两块电极位置相对相互平行，测量部置于两块电极板之间的位置处；其中一块电极板通过导线与被测电气设备表面连接；另一块电极板通过导线接地；前述结构即形成电场传感器。具体安装时，可利用容器壁作为支撑结构，用于为光纤干涉仪和电极板提供支撑。该电场传感器的工作原理是:如图3所示，当光从光纤干涉仪的一端射入并到达径向凹槽区域时，光在A处的端面分为两束光,一束光通过纤芯继续向前传播，另一束光进入径向凹槽内的空气介质中，由于空气与光纤纤芯折射率不同，这就导致两束光在通过径向凹槽区域后存在光程差，进入空气介质中的那束光在B处的端面耦合回纤芯中时就会与通过纤芯传输的那束光发生干涉，当输入光为单波长激光时，干涉光强为一固定值；当电压通过电极板作用到容器内的液体中时，电极板之间的液体会出现流动现象，由于测量部位于两电极板之间，液体流动就会带动测量部发生振动，从而使光纤干涉仪上的信号臂长度发生变化，信号臂长度变化最终会导致干涉信号的光强发生变化，通过检测干涉信号的光强变化量即可实现对电极板的输入电压的测量，间接地也就实现了对电场的测量；由于测量部的质量、体积都很小，故测量部对液体流动十分敏感，再加上液体流动对电压的敏感性，因此该传感器特别适合于对脉冲时间很短的高脉冲电场(如雷击)的测量；
本发明中，采用毛细玻璃管来封装光纤干涉仪的原因是:因为液体流动时折射率会发生变化，如果将光纤干涉仪直接浸没在液体中(即信号臂内的导光介质为液体)，这就会使信号臂内的介质折射率存在不确定性，从而对测量结果造成影响，故采用毛细玻璃管将液体和光纤干涉仪进行隔离，以保证整个测量结果只受液体流动的影响。实际工程中，高脉冲瞬时电压有可能很大，如果采用普通液体，由于其电阻率较小，可能直接导电或者使两块电极板之间的液体被击穿，从而造成被测电气设备损坏，针对此问题，本发明还作了如下改进:所述液体采用绝缘油，绝缘油的电阻率很大，可避免两块电极板之间的液体被击穿，从而避免被测电气设备损坏。由于光纤的纤芯十分纤细，为了避免在加工、安装、使用过程中纤芯发生断裂，同时也为了降低加工和安装的难度，本发明还作了如下改进:所述径向凹槽深入纤芯的深度小于或等于纤芯半径。另外，针对常用的普通单模光纤，本发明还提出了如下的优选参数设置方案:若所述普通单模光纤直径为125微米、纤芯直径为8微米，则径向凹槽在普通单模光纤径向上的深度为62微米。本发明还针对径向凹槽提出了如下的优选参数设置方案:径向凹槽在普通单模光纤轴向上的长度为50-110微米。为了使液体流动时的作用力更加有效地作用到测量部上，本发明还作了如下改进:所述测量部的轴向与电极板平面平行；
基于前述方案，本发明还提出了如下的传感系统，它由电场传感器、激光光源、光电探测器和数字示波器组成；电场传感器内的光纤干涉仪的一端通过传输光纤与激光光源连接，光纤干涉仪的另一端通过传输光纤与光电探测器连接，光电探测器与数字示波器连接。该传感系统的工作原理是:激光光源向光纤干涉仪输出单波长的激励光，光电探测器对光纤干涉仪输出的干涉光强进行监测并放大，数字示波器对光电探测器采集到的信号进行记录，通过对一定时间段内获取到的数据进行分析处理，即可获得外部电场的信息。本发明的有益技术效果是:体积小、易制作、成本低、灵敏度高、重量轻、不会对被测电场产生影响，特别适合对高电场或脉冲电场进行全光、远距离、长时间的实时监测。
图1、本发明的电场传感器结构示意图(图中标记D所示装置即为被测电气设备)；图2、本发明的光纤干涉仪结构俯视图(图中标记C所示结构即为径向凹槽)；
图3、本发明的光纤干涉仪结构剖视 图4、本发明的传感系统结构示意图。
具体实施例方式一种基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，它由封装有液体的容器1、光纤干涉仪2、两块电极板3和毛细玻璃管4组成；
所述光纤干涉仪2结构为:普通单模光纤2-1上设置有径向凹槽，径向凹槽在普通单模光纤2-1径向上的深度深入普通单模光纤2-1的纤芯2-3内，使纤芯2-3被部分截去，纤芯2-3的残余部形成光纤干涉仪2的参考臂，径向凹槽内的中空部分形成光纤干涉仪2的信号臂；
光纤干涉仪2封装在毛细玻璃管4内，形成测量部；
测量部和两块电极板3都浸没在容器I内的液体中，且两块电极板3位置相对互相平行，测量部置于两块电极板3之间的位置处；
其中一块电极板3通过导线与被测电气设备表面连接；另一块电极板3通过导线接地；前述结构即形成电场传感器5。 进一步地，所述液体采用绝缘油。进一步地，所述径向凹槽深入纤芯2-3的深度小于或等于纤芯2-3半径。进一步地，若所述普通单模光纤2-1直径为125微米、纤芯2-3直径为8微米，则径向凹槽在普通单模光纤2-1径向上的深度为62微米。进一步地，径向凹槽在普通单模光纤2-1轴向上的长度为5(TllO微米。进一步地，所述测量部的轴向与电极板3的大平面平行。—种米用如前所述基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器的传感系统，它由电场传感器5、激光光源6、光电探测器7和数字示波器8组成；
电场传感器5内的光纤干涉仪2的一端通过传输光纤与激光光源6连接，光纤干涉仪2的另一端通过传输光纤与光电探测器7连接，光电探测器7与数字示波器8连接。
权利要求
1.一种基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:它由封装有液体的容器(I)、光纤干涉仪(2)、两块电极板(3)和毛细玻璃管(4)组成； 所述光纤干涉仪(2 )结构为:普通单模光纤(2-1)上设置有径向凹槽，径向凹槽在普通单模光纤(2-1)径向上的深度深入普通单模光纤(2-1)的纤芯(2-3)内，使纤芯(2-3)被部分截去，纤芯(2-3)的残余部形成光纤干涉仪(2)的参考臂，径向凹槽内的中空部分形成光纤干涉仪(2)的信号臂； 光纤干涉仪(2)封装在毛细玻璃管(4)内，形成测量部； 测量部和两块电极板(3 )都浸没在容器(I)内的液体中，且两块电极板(3 )位置相对相互平行，测量部置于两块电极板(3)之间的位置处； 其中一块电极板(3)通过导线与被测电气设备表面连接；另一块电极板(3)通过导线接地； 前述结构即形成电场传感器(5 )。
2.根据权利要求1所述的基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:所述液体采用绝缘油。
3.根据权利要求1所述的基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:所述径向凹槽深入纤芯(2-3)的深度小于或等于纤芯(2-3)半径。
4.根据权利要求1所述的基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:若所述普通单模光纤(2-1)直径为125微米、纤芯(2-3)直径为8微米,则径向凹槽在普通单模光纤(2-1)径向上的深度为62微米。
5.根据权利要求1所述的基于流体 动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:径向凹槽在普通单模光纤(2-1)轴向上的长度为5(Γ110微米。
6.根据权利要求1所述的基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，其特征在于:所述测量部的轴向与电极板(3)平面平行。
7.一种米用如权利要求1所述基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器的传感系统，其特征在于:它由电场传感器(5)、激光光源(6)、光电探测器(7)和数字示波器(8)组成； 电场传感器(5 )内的光纤干涉仪(2 )的一端通过传输光纤与激光光源(6 )连接，光纤干涉仪(2 )的另一端通过传输光纤与光电探测器(7 )连接，光电探测器(7 )与数字示波器(8 )连接。
全文摘要
一种基于流体动力学的全光纤高压脉冲电场传感器，它由封装有液体的容器、光纤干涉仪、两块电极板和毛细玻璃管组成；光纤干涉仪封装在毛细玻璃管内，形成测量部；测量部和两块电极板都浸没在容器内的液体中，且两块电极板位置相对相互平行，测量部置于两块电极板之间的位置处；其中一块电极板通过导线与被测电气设备表面连接；另一块电极板通过导线接地；本发明的有益技术效果是体积小、易制作、成本低、灵敏度高、重量轻、不会对被测电场产生影响，特别适合对高电场或脉冲电场进行全光、远距离、长时间的实时监测。
文档编号G01R29/14GK103235196SQ201310128920
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月15日 优先权日2013年4月15日
发明者朱涛, 欧芝香, 周黎明 申请人:重庆大学