[实用新型]一种基于电容分压的光纤Bragg光栅电压传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于电容分压的光纤Bragg光栅电压传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

随着高压输电线路上的电压等级越来越高，电压越来越大，传统的采用电磁式电压互感器在线测量电压的方法由于存在磁饱和及铁磁谐振现象、动态范围小、绝缘安全隐患、不能数字化等一系列问题，已经不能满足要求。电容分压器是由电容器组成的分压器，为电容式电压互感器的一个组件，一次电压施加其上。电容分压器响应快，功率大，带宽宽，分压比高，性能稳定，对被测系统影响小，也因为电容分压器结构简单、绝缘性能强、造价低、无铁磁谐振、便于实现等特点成为电压互感器进行分压的首选。

本设计提出了电容分压器、精密取样电阻、叠堆型压电陶瓷和光纤Bragg光栅组合而成的测量大电压的方法，选择因瓦合金材料的电容分压器、高精度和低温度系数的精密取样电阻、由若干片压电陶瓷片物理串联组成的叠堆型压电陶瓷。

通过采用电容分压的光纤Bragg光栅电压传感器进行实时在线监测时，需要考虑光纤Bragg光栅电压传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。

发明内容

本实用新型提供了一种基于电容分压的光纤Bragg光栅电压传感器，以用于解决对电压的在线监测时光纤Bragg光栅电压传感器的结构、安装问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于电容分压的光纤Bragg光栅电压传感器，包括高压导电棒1、绝缘材料2、柔性电路板3、顶层铜模4、底层铜模5、精密电阻6、接地点7、输出导线正极8、输出导线负极9、光纤Bragg光栅11、叠堆压电陶瓷13、外接光纤14；其中柔性电路板3均匀的套接在高压导电棒1上，中间填充绝缘材料2，精密电阻6与柔性电路板的顶层铜模4和底层铜模5连接，精密电阻6的输出导线正极8、输出导线负极9连接叠堆压电陶瓷13上下的正负极端子，光纤Bragg光栅11粘接在叠堆压电陶瓷13上，并与外接光纤14相连。

所述高压导电棒1、绝缘材料2、柔性电路板3和精密电阻6构成电容分压器，精密电阻6与柔性电路板的顶层铜模4和底层铜模5连接构成并联电路。

还包括黏贴点Ⅰ10和黏贴点Ⅱ12；其中所述光纤Bragg光栅11通过叠堆压电陶瓷13平行接触面上的黏贴点Ⅰ10和黏贴点Ⅱ12固定设置在叠堆压电陶瓷13上。 

本实用新型的工作原理是：

由于逆压电效应，当叠堆压电陶瓷13上下两端加上电压时，叠堆压电陶瓷13左右两端膨胀，粘接在叠堆压电陶瓷13上的光纤Bragg光栅11发生移位，因此将叠堆压电陶瓷13的应变线性转换为光纤Bragg光栅11的中心反射波长的移位，外接光纤14与解调仪相连，利用解调仪测量光纤Bragg光栅11中心反射波长的移位值，反算出电压值，实现波长与电压的对应关系，这样就可以对电压进行实时在线监测。

测量原理是：通过电容分压器上的精密电阻6实现一次大电压转换为低电压信号并连接到叠堆型压电陶瓷正负极端子，由于叠堆压电陶瓷13具有逆压电效应会发生形变，光纤Bragg光栅11固定在叠堆压电陶瓷13的两端，这样叠堆压电陶瓷13的应变线性转换为光纤Bragg光栅11中心反射波长的移位，利用解调仪测到光纤Bragg光栅11中心波长的移位值，这样就可以反算出被测一次大电压。

本实用新型的数学模型分析如下：

光纤Bragg光栅均匀轴向应变引起的波长移位为：

                                                                  （1）

式中，为光纤Bragg光栅的中心波长，为波长移位量，P_e为有效弹光系数，为轴向应变量。

而轴向应变量可表示为如下：

                                                           （2）

式中，l为光纤Bragg光栅所在光纤的长度（即表示在压电陶瓷上两个粘接点之间的长度），Δl为光纤的轴向拉伸。

电容分压器的分压比为：

                                                      （3）

式中，K₁为电容分压器的分压比，C₁为电容分压器高压壁电容，C₂为电容分压器低压壁电容。