一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及电场传感方法
阅读说明：本技术 一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及电场传感方法 (Rotary type double-crystal compensation type optical electric field sensor and electric field sensing method ) 是由 刘君 李岩松 李志� 于 2021-08-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及电场传感方法,包括光源、光学电场传感单元、光电探测器、信号处理系统、驱动装置以及光电转速传感器。进行电场传感时,所述传感器将待测电场施加到传感单元的两个电光晶体上,光源发出的光信号经旋转的光学电场传感单元后到达光电探测器,用光电转速传感器测量传感单元的旋转速度,将光电探测器输出的电信号及光电转速传感器输出的转速分别送到信号处理系统,从而实现电场传感。(The invention discloses a rotary type double-crystal compensation type optical electric field sensor and an electric field sensing method. When electric field sensing is carried out, the sensor applies an electric field to be detected to two electro-optic crystals of the sensing unit, an optical signal sent by the light source reaches the photoelectric detector after passing through the rotating optical electric field sensing unit, the photoelectric rotating speed sensor is used for measuring the rotating speed of the sensing unit, and the electric signal output by the photoelectric detector and the rotating speed output by the photoelectric rotating speed sensor are respectively sent to the signal processing system, so that the electric field sensing is realized.)
技术领域
本发明属于光学电压传感领域，尤其涉及一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及电场传感方法。
背景技术
近年来电网运行电压等级大幅提高，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温度、漂移电荷等因素的影响。目前人们多用补偿法改善传感器的稳定性和测量精度，典型的思路有双光路法、双晶体法、参考光路法等，这些方法涉及到的光路系统皆是静止状态，因此,在直流电场或交直流混合电场作用下电光晶体势必产生电荷聚集效应，该效应使得晶体内部宏观电场微弱，从而极大影响传感器精度。
发明目的
本发明的目的即在于应对上述现有技术中所存在的问题，提出一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及电场传感方法，该方法既能克服直流电场作用下电光晶体电荷聚集效应引发的测量精度问题、又能补偿温度变化引起的传感器输出漂移。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器，包括：光源(1)、光学电场传感单元(10)、光电探测器(11)、信号处理系统(16)；其中，光学电场传感单元(10)包括依次封装在由绝缘材料制成的传感单元壳体中的第一准直器(2)、起偏器(3)、1/4波片(4)、第一电光晶体(5)、90°法拉第旋光器(6)、第二电光晶体(7)、检偏器(8)、第二准直器(9)；光电转速传感器(12)放置于光学电场传感单元(10)的一端，与所述光电探测器(11)分别连接至信号处理系统(16)，所述信号处理系统(16)包括依次连接的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)；
所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)为两块尺寸相同的电光晶体，它们的晶体材料为具有光电效应的材料。
优选地，所述晶体材料为锗酸铋或铌酸锂。
进一步地，所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)封装位置均与光路重合，但第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)的感应主轴方向相反，即第二电光晶体(7)的位置由第一电光晶体(5)以光路方向为旋转轴旋转180°得到。
进一步地，所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)的通光方向与光学传感单元(10)的通电场方向垂直。
优选地，所述滤波单元(14)为烧录有扩展卡尔曼滤波程序的DSP芯片，所述电压信号处理单元(15)为烧录有电场计算程序的DSP芯片。
进一步地，所述光学电场传感单元(10)放置在与待测电场方向垂直的平面内，所述光学电场传感单元(10)在驱动装置(17)的带动下，以光路传输方向为旋转轴旋转；所述光电转速传感器(12)用于测量光学电场传感单元的转速，并将转速信号送至信号处理系统(16)。
根据本发明的另一个方面，提供了一种应用上述所述旋转式双晶体补偿型光学电场传感器进行电场传感的方法，包括以下步骤：
步骤1：所述旋转式双晶体补偿型光学电场传感器将待测电场施加到光学电感传感单元(10)的第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)，其中，所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)均为锗酸铋晶体；
步骤2：所述光源(1)发出的光信号经过第一准直器(2)后变成平行光束，然后通过起偏器(3)后变成线性偏振光，所述1/4波片(4)将线性偏振光变成圆偏振光后，传输至第一电光晶体(5)后被分解为两束正交线性偏振光，分别沿着第一电光晶体(5)的两个感应主轴方向传播，经过旋光器(6)后两束正交线性偏振光偏振方向旋转90°，实现了两束线性偏振光的偏振面互换，然后沿着第二电光晶体(7)的两个感应主轴方向传播，最终携带有相位差δ的正交线性偏振光被传输至检偏器(8)发生干涉，并经过第二准直器(9)后进入光电探测器(11)；
步骤3：光电探测器(11)将步骤2所进入的光信号变成电信号后，作为信号处理系统(16)的输入信号，从而实现了电场传感。
进一步地，所述步骤2中，两束正交线偏振光通过第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)后产生了所述相位差δ，所述相位差δ通过式(1)求得：
其中，λ是入射光波长，n0是电光晶体的折射率，γ41是电光晶体的电光系数，E是加在电光晶体上的电场强度，l是一个电光晶体的长度，ω是传感单元(10)转动角速度，t是时间。
进一步的，步骤3中，所述信号处理系统(16)中的滤波单元(14)的滤波计算方法如式(2)所示：
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是零均值、互不相干的白噪声，w和v的协方差分别为Q和R，Q和R的取值范围为0～1；I为一个单位矩阵。
优选地，所述滤波单元(14)为烧录有扩展卡尔曼滤波程序的DSP芯片，选取状态变量为其滤波程序包括以下具体步骤：
第一步：初始化状态x0，协方差P0；
第二步：状态预测
第三步：观测预测
第四步：状态转移矩阵
第五步：观测矩阵
第六步：协方差预测
第七步：卡尔曼增益
第八步：状态更新
第九步：协方差更新
进一步地，当测量直流电场时，光学电场传感单元(10)的输出光强，即步骤2所述进入光电探测器(11)中的光强的计算如式(3)所示：
式中，Ii为输入光强，Io为输出光强，λ是入射光波长，n0是电光晶体的折射率，γ41是电光晶体的电光系数，E是直流电场强度，l是一个电光晶体的长度，ω是传感单元(10)转动角速度，t是时间，此时Xk＝[X1,X2,X3,X4]T，A为4阶单位阵；
进一步地，当测量交流电场时，光学电场传感单元(10)的输出光强，即步骤2所述进入光电探测器(11)中的光强的计算如式(4)所示：
式中，Ii为输入光强，Io为输出光强，λ是入射光波长，n0是电光晶体的折射率，γ41是电光晶体的电光系数，E是直流电场强度，l是一个电光晶体的长度，ω是传感单元(10)转动角速度，ω0为交流电场角速度，t是时间，此时Xk＝[X1,X2,X3,X4,X5,X6]T，A为6阶单位阵；H＝[H1k,H2k,H3k,H4k,H5k,H6k]；
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是待测交流电场频率。
进一步地，步骤3中，所述信号处理系统(16)中的所述电压信号处理单元(15)的计算方法如式(5)所示：
式中，E为待测电场的电场强度，KE为电压设定比例系数；对直流电场及交流电场，X4即为旋转式光学电场传感器传感头的转动频率。
附图说明
附图1为旋转式双晶体补偿型光学电场传感器及其信号处理装置示意图；
附图2为旋转式双晶体补偿型光学电场传感器机械结构示意图；
附图3为信号采集系统电路图；
附图4为滤波单元程序框图；
附图标记：1—光源；2—第一准直器；3—起偏器；4—1/4波片；5—第一电光晶体；6—旋光器；7—第二电光晶体；8—检偏器；9—第二准直器；10—光学电场传感单元；11—光电探测器；12—光电转速传感器；13—模拟信号数据采集系统；14—滤波单元；15—电压信号处理单元；16—信号处理系统；17—驱动装置；18—传感壳体；19—固定套筒；20—齿轮；21—支撑底座；22—装有光纤滑环的安装板；23—轴承。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的旋转式双晶体补偿型光学电场传感方法作进一步详细的描述。
附图1为旋转式双晶体补偿型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：光源(1)、光学电场传感单元(10)、光电探测器(11)、信号处理系统(16)；其中，光学电场传感单元(10)包括依次封装在由绝缘材料制成的传感单元壳体中的第一准直器(2)、起偏器(3)、1/4波片(4)、第一电光晶体(5)、旋光器(6)、第二电光晶体(7)、检偏器(8)、第二准直器(9)；光电转速传感器(12)放置于光学电场传感单元(10)的一端，与所述光电探测器(11)分别连接至信号处理系统(16)，所述信号处理系统(16)包括依次连接的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)。
所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)为同一块锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的两块尺寸相同的长方体结构。
所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)封装位置均与光路重合，但第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)的感应主轴方向相反，即第二电光晶体(7)的位置由第一电光晶体(5)以光路方向为旋转轴旋转180°得到。
所述第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)的通光方向与光学传感单元(10)的通电场方向垂直。
所述光学电场传感单元(10)放置在与待测电场方向垂直的平面内，传感单元(10)在驱动装置(17)的驱动下，以光路传输方向为旋转轴旋转，所述光电转速传感器(12)用于测量光学电场传感单元的转速，并将信号送至信号处理系统(16)。
所述旋转式双晶体补偿型光学电场传感方法将待测电场施加到第一锗酸铋晶体(5)和第二锗酸铋晶体(7)上；光源(1)发出的光信号经过第一准直器(2)后变成平行光束，然后通过起偏器(3)后变成线性偏振光，所述1/4波片(4)将线性偏振光变成圆偏振光后传输至第一电光晶体(5)后被分解为两束正交线性偏振光，分别沿着第一电光晶体(5)的两个感应主轴方向传播，经过旋光器(6)后两束正交线性偏振光偏振方向旋转90°，实现了两束线性偏振光的偏振面互换，然后沿着第二电光晶体(7)的两个感应主轴方向传播，最终携带有总相位差的正交线性偏振光传输至检偏器(8)发生干涉，并经过第二准直器(9)后进入光电探测器(11)，光电探测器(11)将光信号变成电信号后作为信号处理系统(16)的输入信号。
所述传感单元在电场的作用下，使正交线偏振光通过第一电光晶体(5)和第二电光晶体(7)后产生相位差δ，所述相位差δ通过下式求得：
其中，λ是入射光波长，n0是电光晶体的折射率，γ41是电光晶体的电光系数，E是加在电光晶体上的电场强度，l是一个电光晶体的长度，ω是传感单元(10)转动角速度，t是时间。
所述光电探测器(11)检测到的光强理论值可通过下式求得：
其中，Io是出射光强，Ii是入射光强，λ是入射光波长，n0是电光晶体的折射率，γ41是电光晶体的电光系数，E是加在电光晶体上的电场强度，l是一个电光晶体的长度，ω是传感单元(10)转动角速度，t是时间，k为采样间隔，Ts为采样时间；为相位；C为信号直流分量。
附图2为一种旋转式双晶体补偿型光学电场传感器机械结构示意图，如图2所示，包括传感壳体(18)、固定套筒(19)、齿轮(20)、支撑底座(21)、装有光纤滑环的安装版(22)、轴承(23)。
所述光学传感单元(10)封装在传感壳体(18)内，传感壳体(18)两端均通过装有光纤滑环的安装板(22)与固定套筒(19)连接固定，固定套筒(19)通过轴承(23)与安装底座连接。
所述固定套筒(19)外侧固定有齿轮，驱动装置(17)通过传动带动传感头的齿轮进行旋转，则旋转式双晶体补偿型光学电场传感器以一定的频率进行旋转。
附图3为信号采集系统电路图，将输入的电压模拟信号转换成数字信号，所述旋转式双晶体补偿型光学电场传感器输出的电压信号采样值为：
或
其中，A为交流分量幅值，ω是传感单元(10)转动角速度，f为转动频率，t是时间，k为采样间隔，Ts为采样时间；为相位；C为信号直流分量。
附图4为滤波单元程序框图，所述滤波单元(14)为烧录有扩展卡尔曼滤波程序的DSP芯片，选取状态变量为滤波程序具体步骤如下：
第一步：初始化状态x0，协方差P0
第二步：状态预测
第三步：观测预测
第四步：状态转移矩阵
第五步：观测矩阵
第六步：协方差预测
第七步：卡尔曼增益
第八步：状态更新
第九步：协方差更新
所述电压信号处理单元(15)为烧录有电场计算程序的DSP芯片，计算方法如下：
E＝KE(IAC/IDC)
E为待测电场的电场强度，KE为电压设定比例系数；对直流电场及交流电场，X4即为旋转式光学电场传感器传感头的转动频率；
上述的旋转式双晶体补偿型光学电场传感方法利用旋光器实现两束正交线性偏振光的偏振面互换，通过双晶体法实现消除温度变化引起附加双折射，提高了传感器的测量精度和温度稳定性。传感单元的旋转式结构可以有效地避免电光晶体在直流电场作用下的电荷聚集效应，提升传感器测量直流电场或交直流混合场的测量精度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明采用双晶体补偿法，利用90°法拉第旋光器实现两束正交线性偏振光的偏振面互换，从而实现消除温度变化引起附加双折射，提高了传感器的测量精度和温度稳定性。
2、本发明采用传感单元的旋转式结构可以有效地避免电光晶体在直流电场作用下的电荷聚集效应，提升传感器测量直流电场或交直流混合场的测量精度。
3、本发明中的信号处理系统通过滤波，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，提高了测量准确度。
4、本发明中的光学电场传感方法实现了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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。