[发明专利]一种高灵敏的光纤光栅电压传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅电压传感器。

背景技术

目前的电压传感器，都需要加入电路，这些电子器件在强电磁干扰及高压的情况下，非常容易损坏或者影响测试数据。所以在电力部门急需一种安全可靠的测量电压的传感器，代替传统电压传感器。

压电陶瓷是人工合成的多晶体压电材料，它由无数细微的电畴组成。这些电畴实际上是自发极化的小区域，自发极化的方向完全是任意排列的，在无外电场作用时，各电畴的极化作用相互抵消，因此不具有压电效应；只有经过极化处理后才具有压电效应。即在一定的温度和强电场（例如20～30KV/cm直流电场）作用下，内部电畴自发极化方向都趋向于电场的方向，极化处理后压电陶瓷具有一定极化强度。在外电场去除后，各电畴的自发极化在一定程度上按原外电场方向取向，其内部仍存在有很强的剩余极化强度，使得压电陶瓷极化的两端就出现束缚电荷（一端为正电荷,另一端为负电荷），由于束缚电荷的作用，在压电陶瓷的电极表面就会吸附自由电荷。这些自由电荷与压电陶瓷内的束缚电荷符号相反而数值相等。 　　

当压电陶瓷受到与极化方向平行的外力作用而产生压缩变形，电畴发生偏转，内部正负束缚电荷之间的距离变小，剩余极化强度也将变小，因此，原来吸附的自由电荷，有一部分被释放而出现放电现象。当外力撤消后，压电陶瓷恢复原状，内部的正负束缚电荷之间的距离变大，极化强度也变大，电极上又吸附一部分自由电荷而出现充电现象。充、放电电荷的多少与外力的大小成比例关系，这种由机械能转变为电能的现象，称为压电陶瓷的正压电效应。同样，压电陶瓷也存在逆压电效应，即将电能转化为机械能的效应。 　　

压电陶瓷的特点是压电常数大，灵敏度高；制造工艺成熟，可通过合理配方和掺杂等人工控制来达到所要求的性能。压电陶瓷的成形工艺性也好，成本低廉，利于广泛应用。压电陶瓷按照受力和变形的形式不同可以制成各种形状的压电元件，常见的有片状和管状，管状压电元件的极化方向可以是轴向的，也可以是圆环的径向。

光纤光栅传感器是一种全光传输的传感器，通过外界温度、应变、拉力等条件的变化，引起栅格变化，进而使中心波长改变，通过测量中心波长的变化量，得到外界变化值。它有如下优点：

1）光纤光栅使用的是光信号，本质安全，使用时会比电信号的传感器有更高的安全性；

2）光纤光栅传感器可避免因电源干扰产生的错误信息；

3）在一根光缆上可以串接数十个光纤光栅传感器，在需要的部位可以密集的安装，因此在任何部位发生异常现象，都能及时传输到中控室；

4）光纤光栅传感器属于波长调制型非线性作用的光纤传感器。通过待测量调制入射光束的波长，测量反射光的波长变化进行检测。由于波长是一个绝对参数，不受总体光强水平、连接光纤及耦合器处的损耗或者光源能量的影响，因此比其他的方式更加稳定、准确。

利用压电陶瓷的逆压电效应，结合光纤光栅的安全的特点设计的光纤光栅电压传感器，是电压传感器制造中出现的新技术，其优点是可以很好的实现变电站的在线安全监测，对可能出现的故障进行提前报警。

公开号为CN102721853A的发明专利申请“基于罗氏线圈的光纤Bragg光栅电压传感器”是目前有过报道的光纤光栅电压传感器，它采用了压电陶瓷和光栅用胶粘起来，作为测试主要元件，在压电陶瓷上下两端接正负极，罗氏线圈套在导线上，利用压电陶瓷本身的微小变形带动光栅变形，进行测量。压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，该发明专利，单纯利用压电陶瓷本身的变形，进行测量，会使测试结果有很大的偏差，并且极大的限制了测试范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精确，灵敏且稳定的电压传感器，并能与现在的智能电网结合，实现远程在线安全监测电压。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种光纤光栅电压传感器，包括压电陶瓷、光纤光栅A、叉形装置和光纤光栅B，其中，压电陶瓷与叉形装置底端固定连接，光纤光栅A焊接在叉形装置顶端上，叉形装置由两条呈X形交叉放置的金属杆铰接而成，铰接位置在金属杆中点到金属杆底端的任意位置，光纤光栅A和光纤光栅B在同一光纤上，但光纤光栅B不与叉形装置接触。另外，为避免两种光纤光栅在测定时信号重叠影响测定，要求光纤光栅A和光纤光栅B的中心波长差的绝对值在5nm以上。

本发明所述的压电陶瓷，具体可选择锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）、钛酸钡压电陶瓷（BaTiO3）、铌酸铅压电陶瓷（PbNb2O3）或铌镁酸铅压电陶瓷（PMN），本发明优选铌酸铅压电陶瓷（PbNb2O3）。