本发明属于电场测量技术领域，尤其涉及一种旋转式光学电场传感器及其测定电场方法。
背景技术：
近年来随着电网运行电压等级的大幅提高，电场测量在电力系统中具有更为广泛的应用，例如：输变电设备状态监测、电气设备合理选择、高电压试验与电晕放电研究、高压系统电磁环境分析等。传统电场测量装置因体积大、绝缘困难、响应频带窄、动态范围小等缺点难以满足现代电力测量需求。光学电场传感器采用晶体材料作为传感介质，利用线偏振光经过置于外加电场中的电光材料时，偏振方向改变的角度与外加电场成正比的特性，实现对电场的测量。由于其绝缘性能好、抗电磁干扰强、稳定性高等优点具有广阔的应用前景。现有的光学电场传感器大多是开环系统，传感器长期运行稳定性和测量精度容易受光强、温度、漂移电荷等因素的影响。目前改善稳定性和测量精度的典型思路是：利用光强和温度等干扰因素变化较为缓慢的特点，在传感器的输出中将光强、温度等干扰因素的输出作为直流分量来处理，再将调制的交流信号和直流分量相除，可以在一定程度上消除影响。但此方法只适用于交流电场，且未能消除电荷漂移及空间电荷对传感器输出的影响。对于直流电场的测量，调制信号中只有直流分量，不包含交流分量，因而难以通过上述方法来改善传感器性能。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提出了一种旋转式光学电场传感器及其测定电场方法，其特征在于，一种旋转式光学电场传感器，包括沿光路传输方向依次连接的激光二极管驱动器1、激光二极管2、光学电场传感头10、光电探测器11；其中，光学电场传感头10包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器3、起偏器4、四分之一波片5、电光传感晶体6、检偏器7、第二准直器8；光电转速传感器9放置于光学电场传感头10的一端，与所述旋转式光学电场传感器分别连接至信号处理系统15，所述信号处理系统15包括依次连接的模拟信号数据采集系统12、滤波单元13、电压信号处理单元14。
所述光学电场传感头10放置在与待测电场方向垂直的平面内，传感头10在电动机28的带动下，以光路传输方向为旋转轴旋转。
一种旋转式光学电场传感器，包括沿光路传输方向依次连接的激光二极管驱动器1、激光二极管2、光学电场传感系统32、光电探测器11，所述光学电场传感系统32包括依次连接的第一光纤滑环16、光学电场传感头10、第二光纤滑环17，以及光电转速传感器9和电动机28，其中，光学电场传感头10包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器3、起偏器4、四分之一波片5、电光传感晶体6、检偏器7、第二准直器8；所述第一光纤滑环16安装在第一光纤滑环安装板18上，布置于传感头10的输入端，使激光二极管2发出的静止的光信号传输到旋转的传感头，第二光纤滑环17安装在第二光纤滑环安装板21上，布置于传感头10的输出端，使旋转传感头输出的光信号传输到静止的光电探测器11，第一滑动轴承19、第二滑动轴承22分别布置于第一光纤滑环安装板18、第二光纤滑环安装板21上，并分别用第一轴承座20、第二轴承座23固定；第一金属感应极板24和第二金属感应极板25对称布置于光学电场传感头10上，分别通过导线31与电光传感晶体上下表面蒸发的金属层相连；第一齿轮26布置于光学电场传感头10上，第二齿轮27布置于电动机铁芯30上，第一齿轮26与第二齿轮27间用传动皮带29相连；反光片33布置在第二光纤滑环安装板21上，在对应位置布置光电转速传感器9，与旋转式光学电场传感器分别连接至信号处理系统15，所述信号处理系统15包括依次连接的模拟信号数据采集系统12、滤波单元13、电压信号处理单元14，用于测量光学电场传感器的转速，并将信号传送到信号处理系统15。
第一金属感应极板24和第二金属感应极板25均为球形圆柱电极，当旋转式光学电场传感器置于待测电场时，由第一金属感应极板24和第二金属感应极板25感应待测电场强度，通过导线施加于电光传感晶体6两端。
一种旋转式光学电场传感器，包括激光二极管驱动器1、激光二极管2、传感器壳体38和光电探测器11，激光二极管驱动器1与激光二极管2相连，所述激光二极管2通过输入光纤39与光电滑环35相连，通过输出光纤40与光电探测器11相连；所述传感器壳体38内部包括依次连接的光电滑环35、光学电场传感头10、电动机28，以及光电转速传感器9，其中，光学电场传感头10包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器3、起偏器4、四分之一波片5、电光传感晶体6、检偏器7、第二准直器8；所述光电滑环35布置在光电滑环安装板36上，在光电滑环安装板36上设置第一滑动轴承19，并将光电滑环安装板36固定在光学电场传感头10的上端，光学电场传感头10的下端通过电机安装板34与电动机28相连，并在电机安装板34上布置第二滑动轴承22；第一滑动轴承19、第二滑动轴承22均沿传感器壳体38轴线布置，并固定在传感器壳体38上；金属感应极板37与地电极通过导线连接到光学电场传感头10中的电光传感晶体6上下表面蒸发的金属层；反光片33布置在电动机铁芯30上，在对应位置布置光电转速传感器9，与光电探测器11分别连接至信号处理系统15，所述信号处理系统15包括依次连接的模拟信号数据采集系统12、滤波单元13、电压信号处理单元14，用于测量光学电场传感器的转速，并将信号传送到信号处理系统15。
所述金属感应极板37为圆形平板电极，当旋转式光学电场传感器置于待测电场时，由金属感应极板37感应待测电场强度，通过导线31施加于电光传感晶体6两端。
一种旋转式光学电场传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、将光学电场传感系统32置于待测电场中，使光学电场传感头10的通光方向与待测电场方向相互垂直；
步骤2：打开激光二极管驱动器1，激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动激光二极管2输出高稳定的直流光强；
步骤3：打开光学电场传感器信号处理装置的电源，将参数A、Q、R输入到信号处理系统15中；
步骤4：打开电动机28的开关和光电转速传感器9的开关，使传感器以一定转速旋转；
步骤5：监测信号处理装置中信号处理系统15显示的电场强度。
一种旋转式光学电场传感器测量电场及电压的方法，包括以下步骤：
1)旋转式光学电场传感器通过金属感应极板感应待测电场强度，并将其施加到电光传感晶体6两侧蒸发的金属层上；
2)激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动激光二极管2输出高稳定的直流光强，光信号经过旋转的光学电场传感头10后到达光电探测器11；
3)光电探测器11将输入的光信号转换为电信号后送到信号处理系统15；光电转速传感器9通过反射原理测量旋转式传感头10的转速，并将测量的信号输入信号处理系统15，
4)模拟信号数据采集系统12接收从光电探测器11和光电转速传感器9传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给滤波单元13；
5)滤波单元13滤除信号中的随机噪声，并将信号传递到电压信号处理单元14，分离出交流分量和直流分量，得到调制量及电场强度。
滤波单元13依据扩展卡尔曼滤波算法滤除信号中的随机噪声，具体方法如下：
式中，Zk为模拟信号数据采集系统输出的数据；hk(x)为观测函数，Hk为参数矩阵；A为状态转移矩阵；为每次循环计算之前的状态量，为每次循环计算之后的状态量；w和v分别为零均值、互不相干的白噪声，Q和R分别为w和v的协方差，Q和R的取值范围为0～1；I为一个单位矩阵；
当测量直流电场时：
Xk＝[X1,X2,X3,X4]T
A为4阶单位阵
当测量交流电场时：
Xk＝[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T
H＝[H1k,H2k,H3k,H4k,H5k,H6k]
A为6阶单位阵
其中，H1k＝cos(2πkTs(f0+X4k))，H2k＝sin(2πkTs(f0+X4k))，H3k＝1，H4k＝2πkTs(-X1kH1k+X2kH2k-X5kH5k+X6kH6k)；H5k＝cos(2πkTs(f0+X4k))，H6k＝sin(2πkTs(f0+X4k))；
式中，k为模拟信号数据采集系统的采样时间，Ts为采样间隔；f0为待测交流电场频率。
电压信号处理单元14计算电场强度的方法为：
E＝KE(IAC/IDC)
式中，E为待测电场的电场强度，KE为电压设定比例系数；X4为旋转式光学电场传感器传感头的转动频率。
本发明的有益效果在于：
1、本发明在测量直流电场时，通过传感头旋转式的机械结构，使传感器输出结果中同时包含直流分量和交流分量，可利用交流分量除以直流分量的信号处理，有效提高传感器的测量精度。
2、本发明通过传感头旋转式的机械结构，能消除电荷漂移对测量精度的影响，能消除光强波动、温度变化等因素对传感器长期运行稳定性的影响。
3、本发明使用金属感应极板直接感应电场，可实现对电场和电压的非接触式测量，解决了测量装置的绝缘问题。
4、本发明中的光学电场传感器通过设置传感器壳体，增加了电磁屏蔽的作用，受外界空间电荷干扰较小。
5、本发明提出的传感器为单光路结构，减小了传感器体积，简化了制作工艺，更利于批量生产。
6、本发明的信号处理系统按照扩展卡尔曼滤波算法进行滤波以及交、直流分量分离，可对传感头的旋转频率进行准确跟踪，极大地消除了被测电压信号中的噪声和光电探测器的噪声，提高了测量的准确度。
7、本发明的扩展卡尔曼滤波算法所选取的状态方程为线性方程，消除了计算过程中的发散性，有效地保证了光学电场传感器的信号处理的准确性和实时性。
附图说明
附图1为旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图；
附图2为第一种结构的旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图；
附图3为第二种结构的旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图；
附图标记：1－激光二极管驱动器；2－激光二极管；3－第一准直器；4－起偏器；5－四分之一波片；6－电光传感晶体；7－检偏器；8－第二准直器；9－光电转速传感器；10－光学电场传感头；11－光电探测器；12－模拟信号数据采集系统；13－滤波单元；14－电压信号处理单元；15－信号处理系统；16－第一光纤滑环；17－第二光纤滑环；18－第一光纤滑环安装板；19－第一滑动轴承；20－第一轴承座；21－第二光纤滑环安装板；22－第二滑动轴承；23－第二轴承座；24－第一金属感应极板；25－第二金属感应极板；26－第一齿轮；27－第二齿轮；28－电动机；29－传动皮带；30－电动机铁芯；31－导线；32－光学电场传感系统；33－反光片；34－电机安装板；35－光电滑环；36－光电滑环安装板；37－金属感应电极；38－传感器壳体；39－输入光纤；40－输出光纤；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图，如图1所示，包括沿光路传输方向依次连接的激光二极管驱动器1、激光二极管2、光学电场传感头10、光电探测器11；其中，光学电场传感头10包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器3、起偏器4、四分之一波片5、电光传感晶体6、检偏器7、第二准直器8；光电转速传感器9放置于光学电场传感头10的一端，与所述旋转式光学电场传感器分别连接至信号处理系统15，所述信号处理系统15包括依次连接的模拟信号数据采集系统12、滤波单元13、电压信号处理单元14。
所述旋转式光学电场传感器通过金属感应极板感应待测电场强度，并将其施加到电光传感晶体6两侧蒸发的金属层上；激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率模式工作，用于驱动激光二极管2输出高稳定的直流光强，光信号经过旋转的光学电场传感头10后到达光电探测器11；光电探测器11将输入的光信号转换为电信号后送到信号处理系统15；光电转速传感器9通过反射原理测量旋转式传感头10的转速，并将测量的信号输入信号处理系统15。其中，光学电场传感头10放置在与待测电场方向垂直的平面内，传感头10在电动机28的带动下，以光路传输方向为旋转轴旋转。所述传感器的传感原理如下所述：
传感器通过金属感应极板感应待测电场强度，将其施加到光学电场传感头10中的电光传感晶体6两侧蒸发的金属层上；激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率的模式工作，驱动激光二极管2发出高稳定的直流光强，经过旋转的光学电场传感头10后到达光电探测器11；光电转速传感器9测量光学电场传感头的旋转频率，并将输出信号输送到信号处理系统15。
附图2为第一种结构的旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图，如图2所示，包括激光二极管驱动器1、激光二极管2、第一光纤滑环16、第一光纤滑环安装板18、第一滑动轴承19、第一轴承座20、光学电场传感头10、第二光纤滑环17、第二光纤滑环安装板21、第二滑动轴承22、第二轴承座23、第一金属感应极板24、第二金属感应极板25、第一齿轮26、第二齿轮27、电动机28、传动皮带29、反光片33、光电转速传感器9、光电探测器11。该传感器机械结构部分可分为转动部件、静止部件、连接部件；其中，转动部件包括第一光纤滑环安装板18、光学电场传感头10、第二光纤滑环安装板21、第一齿轮26、第二齿轮27、传动皮带29；静止部分包括第一轴承座19、第二轴承座23、电动机28，连接部件包括第一光纤滑环16、第二光纤滑环17、第一滑动轴承19、第二滑动轴承22；其中，第一光纤滑环16安装在第一光纤滑环安装板18，布置于传感头10输入端，第二光纤滑环17安装在第二光纤滑环安装板21，布置于传感头10输出端；第一滑动轴承19、第二滑动轴承22分别布置于第一光纤滑环安装板18、第二光纤滑环安装板21上，并用第一轴承座19、第二轴承座23固定；第一齿轮26布置于光学电场传感头10上，第二齿轮27布置于电动机铁芯30上，第一齿轮26与第二齿轮27间用传动皮带29相连；反光片33布置在第二光纤滑环安装板21上，在对应位置布置光电转速传感器9，用于测量光学电场传感器的转速，并将信号传送到信号处理系统15。该传感器的第一金属感应极板24和第二金属感应极板25分别对称布置于光学电场传感头10上，分别通过导线31与电光传感晶体上下表面蒸发的金属层相连；当旋转式光学电场传感器置于待测电场时，由金属感应极板感应待测电场强度，通过导线31施加于电光传感晶体两端。
附图3为第二种结构的旋转式光学电场传感器及其信号处理装置示意图，如图3所示，包括激光二极管驱动器1、带尾纤激光二极管2、光学电场传感头10、光电滑环35、电动机28、电机安装板34、第一滑动轴承19、光电滑环安装板36、第二滑动轴承22、光电探测器11、反光片33、光电转速传感器9、传感器壳体38、金属感应极板37。该传感器机械结构部分可分为转动部件、静止部件、连接部件。转动部件包括：光学电场传感头10、光电滑环安装板36、电机安装板34；静止部件包括：传感器壳体38、电动机28；连接部件为光电滑环35、第一滑动轴承19、第二滑动轴承22；激光二极管驱动器1与激光二极管2相连，所述激光二极管2通过输入光纤39与光电滑环35相连，通过输出光纤40与光电探测器11相连；所述传感器壳体38内部包括依次连接的光电滑环35、光学电场传感头10、电动机28，以及光电转速传感器9，其中，光学电场传感头10包括依次封装在由绝缘材料制成的传感头壳体中的第一准直器3、起偏器4、四分之一波片5、电光传感晶体6、检偏器7、第二准直器8，所述光电滑环35布置在光电滑环安装板36上，可同时实现静止的电、光信号同旋转的电、光信号之间的连接；在光电滑环安装板36上设置第一滑动轴承19，并将光电滑环安装板36固定在光学电场传感头10的上端，光学电场传感头10的下端通过电机安装板34与电动机28相连，并在电机安装板34上布置第二滑动轴承22；第一滑动轴承19、第二滑动轴承22均沿传感器壳体38轴线布置，并固定在传感器壳体38上；金属感应极板37与地电极通过导线连接到光学电场传感头10中的电光传感晶体6上下表面蒸发的金属层；反光片33布置在电动机铁芯30上，在对应位置布置光电转速传感器9，与光电探测器11分别连接至信号处理系统15，所述信号处理系统15包括依次连接的模拟信号数据采集系统12、滤波单元13、电压信号处理单元14，用于测量光学电场传感器的转速，并将信号传送到信号处理系统15。所述金属感应极板37为圆形平板电极，当旋转式光学电场传感器置于待测电场时，由金属感应极板37感应待测电场强度，通过导线31施加于电光传感晶体6两端。
上述三种结构的光学电场传感器具有相同的传感原理，均可通过传感头旋转式的机械结构，将待测直流信号变为交流信号输出，通过信号处理程序消除光强、温度等因素对传感器稳定性的影响，能够有效消除电荷漂移对传感器测量精度的影响。
一种旋转式光学电场传感器的使用方法，包括以下步骤：
步骤1、将光学电场传感系统32置于待测电场中，使光学电场传感头10的通光方向与待测电场方向相互垂直；
步骤2：打开激光二极管驱动器1，激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动激光二极管2输出高稳定的直流光强；
步骤3：打开光学电场传感器信号处理装置的电源，将参数A、Q、R输入到信号处理系统15中；
步骤4：打开电动机28的开关和光电转速传感器9的开关，使传感器以一定转速旋转；
步骤5：监测信号处理装置中信号处理系统15显示的电场强度。
本发明主要适用于电力系统直流电场、工频电场或电压的测量，在上述三种结构的旋转式光学电场传感器的基础上，本发明提出一种旋转式光学电场传感器测量电场及电压的方法，所述方法包括以下步骤：
1)旋转式光学电场传感器通过金属感应极板感应待测电场强度，并将其施加到电光传感晶体6两侧蒸发的金属层上；
2)激光二极管驱动器1以恒定电流或恒定功率模式工作，驱动激光二极管2输出高稳定的直流光强，光信号经过旋转的光学电场传感头10后到达光电探测器11；
3)光电探测器11将输入的光信号转换为电信号后送到信号处理系统15；光电转速传感器9通过反射原理测量旋转式传感头10的转速，并将测量的信号输入信号处理系统15，
4)模拟信号数据采集系统12接收从光电探测器11和光电转速传感器9传输的模拟信号，并转换为数字信号传送给滤波单元13；
5)滤波单元13滤除信号中的随机噪声，并将信号传递到电压信号处理单元14，分离出交流分量和直流分量，得到调制量及电场强度。
其中，滤波单元13依据扩展卡尔曼滤波算法滤除信号中的随机噪声，具体方法如下：
式中，Zk为模拟信号数据采集系统输出的数据；hk(x)为观测函数，Hk为参数矩阵；A为状态转移矩阵；为每次循环计算之前的状态量，为每次循环计算之后的状态量；w和v分别为零均值、互不相干的白噪声，Q和R分别为w和v的协方差，Q和R的取值范围为0～1；I为一个单位矩阵；
当测量直流电场时：
Xk＝[X1,X2,X3,X4]T
A为4阶单位阵
当测量交流电场时：
Xk＝[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T
H＝[H1k,H2k,H3k,H4k,H5k,H6k]
A为6阶单位阵
其中，H1k＝cos(2πkTs(f0+X4k))，H2k＝sin(2πkTs(f0+X4k))，H3k＝1，H4k＝2πkTs(-X1kH1k+X2kH2k-X5kH5k+X6kH6k)；H5k＝cos(2πkTs(f0+X4k))，H6k＝sin(2πkTs(f0+X4k))；
式中，k为模拟信号数据采集系统的采样时间，Ts为采样间隔；f0为待测交流电场频率。
电压信号处理单元14计算电场强度的方法为：
E＝KE(IAC/IDC)
式中，E为待测电场的电场强度，KE为电压设定比例系数；X4为旋转式光学电场传感器传感头的转动频率。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。