CN113687127A - 电压传感器及电压检测方法 - Google Patents
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Classifications
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- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
Abstract
本发明实施例公开一种电压传感器及电压检测方法。在一具体实施方式中，该电压传感器包括：包括光源装置、第一光纤光栅、压电装置、光电探测器和数据处理器；所述第一光纤光栅的至少部分内包层为聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜与所述压电装置固定连接；所述光源装置，用于输出设定波长的窄带光至所述第一光纤光栅；所述压电装置，用于在待检测的电压信号的作用下产生拉伸所述聚二甲基硅氧烷膜的形变，以改变所述聚二甲基硅氧烷膜的折射率，从而改变所述第一光纤光栅的中心波长；所述数据处理器，用于根据所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系，确定所述电压信号的电压值。
Description
技术领域 本发明涉及电压传感技术领域。更具体地，涉及一种电压传感器及电压检测方法。 背景技术 目前，电压传感器通过电路元器件组成，而电路元器件在强电磁干扰及高压的情况下容易损坏和影响测试。 发明内容 本发明的目的在于提供一种电压传感器及电压检测方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案： 本发明第一方面提供了一种电压传感器，包括光源装置、第一光纤光栅、压电装置、光电探测器和数据处理器；所述第一光纤光栅的至少部分内包层为聚二甲基硅氧烷膜，所述聚二甲基硅氧烷膜与所述压电装置固定连接； 所述光源装置，用于输出设定波长的窄带光至所述第一光纤光栅； 所述压电装置，用于在待检测的电压信号的作用下产生拉伸所述聚二甲基硅氧烷膜的形变，以改变所述聚二甲基硅氧烷膜的折射率，从而改变所述第一光纤光栅的中心波长； 所述数据处理器，用于根据所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系，确定所述电压信号的电压值。 可选地，所述第一光纤光栅为长周期光纤光栅。 可选地，所述压电装置为压电陶瓷。 可选地，所述光源装置包括宽带光源、隔离器、环形器和第二光纤光栅； 所述宽带光源，用于输出宽带光； 所述第二光纤光栅，用于将依次通过所述隔离器和所述环形器的所述宽带光反射为设定波长的窄带光，并通过所述环形器输出至所述第一光纤光栅。 可选地，所述第二光纤光栅为短周期光纤光栅。 可选地，所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度的取值范围为50μm-100μm。 可选地，所述聚二甲基硅氧烷膜沿所述第一光纤光栅轴向的长度的取值范围为5mm-10mm。 可选地，所述电压传感器还包括存储有包含所述光强与电压值的对应关系的查找表的存储装置。 本发明第二方面提供一种电压检测方法，包括： 利用所述光源装置输出设定波长的窄带光； 将待检测的电压信号接入所述压电装置，以使得所述压电装置在待检测的电压信号的作用下产生拉伸所述聚二甲基硅氧烷膜的形变，以改变所述聚二甲基硅氧烷膜的折射率，从而改变所述第一光纤光栅的中心波长； 利用所述数据处理器，根据所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系，确定所述电压信号的电压值。 可选地，在所述将待检测的电压信号接入所述压电装置之前，该方法还包括： 在利用所述光源装置输出设定波长的窄带光时，将多个已知电压值的电压信号分别接入所述压电装置，并记录每次接入一已知电压值的电压信号时所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强，从而获取并存储光强与电压值的对应关系。 本发明的有益效果如下： 本发明将聚二甲基硅氧烷膜与光纤传感技术相互结合，通过控制聚二甲基硅氧烷膜两端电压调整其拉伸程度，从而改变通过光纤光栅的光波的光强，实现强度调制型的光纤传感设计，具有成本低，灵敏度高，可靠性强等优点，可以实现直流、交流微电压的检测。 附图说明 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。 图1示出本发明的一个实施例的一种电压传感器结构图。 图2示出本发明的一个实施例的光波波形变化图。 图3示出本发明的一个实施例的一种电压检测方法流程图。 具体实施方式 为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。 以下，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。 在本发明实施例中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明实施例中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其它实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。 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。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。 压电陶瓷是一种常用的压电装置。压电陶瓷是人工合成的多体压电材料，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干电场的方向，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；压电陶瓷按受力和形变形式不同可以制成各种形状的压电元件，常见有片状和管状，管状压电元件的极化方向可以是轴向，也可以是圆环径向。 有鉴于此，如图1所示，本发明实施例提供了一种电压传感器100，包括光源装置110、第一光纤光栅120、压电装置130、光电探测器140和数据处理器150，由图1中的第一光纤光栅120的放大示意图可知，所述第一光纤光栅120的至少部分内包层为聚二甲基硅氧烷膜121，所述聚二甲基硅氧烷膜121与所述压电装置130固定连接； 所述光源装置110，用于输出设定波长的窄带光至所述第一光纤光栅120； 所述压电装置130，用于在待检测的电压信号的作用下产生拉伸所述聚二甲基硅氧烷膜121的形变，以改变所述聚二甲基硅氧烷膜121的折射率，从而改变所述第一光纤光栅120的中心波长，需要说明的是，中心波长改变导致光电探测器140感测的光强变化。 所述数据处理器150，用于根据所述光电探测器140感测的经所述第一光纤光栅120滤波后的所述窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系，确定所述电压信号的电压值。 本实施例中，光源装置110输出的窄带光的设定波长，为根据第一光纤光栅120的初始的中心波长λ0确定的。因为如果设定波长λ1与初始的中心波长λ0相差较多，即使存在中心波长λ0偏移的情况出现，但是由于两者之间波长差较大，也无法出现偏移后的中心波长λ0与设定波长λ1相等的现象，即λ0＝λ1，因此，光电探测器140也就无法检测到光强最小的情况，数据处理器150也就无法获得到光强最小对应的检测电压。 为避免上述情况出现，在一个具体示例中，窄带光波长λ1的数值近似于第一光纤光栅120的初始的中心波长λ0的数值。示例性的，根据第一光纤光栅120的初始的中心波长λ0设定一个与初始的λ0相差不太远的窄带光波长λ1，该窄带光波长λ1即为光源装置110输出窄带光的设定波长。在一个具体示例中，第一光纤光栅120的初始的中心波长λ0可为150nm，根据中心波长λ0设定的窄带光的设定波长λ1可在150±50nm之间选择，窄带光的带宽范围在150nm。 本实施例通过根据所述第一光纤光栅的中心波长确定光源装置输出的设定波长，能够快速且准确检测到光强变化，从而保证检测得到电压数据的检测精度。 聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种有机材料，将矩形透明的PDMS堆栈薄片与含有黑色小染料颗粒的溶液混合形成的PDMS膜与光纤光栅的常规内包层(例如二氧化硅膜)相比具有弹性模量小、形变程度大的优点，可保证电压检测的精确性和灵敏度。 本发明实施例中，如图1所示，聚二甲基硅氧烷膜(PDMS膜)121包覆在第一光纤光栅120外侧，当PDMS膜121发生形变时会导致其自身折射率的变化，不同的形变程度对应不同的折射率，PDMS膜的折射率变化导致光纤光栅的中心波长偏移，进一步确保电压检测的精确性和灵敏度。 在一种可能的实现方式中，所述第一光纤光栅120为长周期光纤光栅。 第一光纤光栅120的中心波长可称为阈值波长，例如，中心波长λ0的长周期光纤光栅作用相当于一个中心波长λ0的透射型带阻滤波器。中心波长改变会使经长周期光纤光栅滤波后的窄带光的光强改变。 示例性的，本实施例的镀PDMS膜的长周期光纤光栅的滤波原理为： 当待检测的电压信号的作用在压电装置130时，压电装置130发生形变，使得进而带动固定在一起的聚二甲基硅氧烷膜121，使得PDMS膜121发生拉伸，由于PDMS膜121作为第一光纤光栅120的外包层，当PDMS膜121发生形变时，PDMS膜121的透过率会变大，此时本来在纤芯122进行全发射传播的光波会泄露出去导致光波的强度衰减，此时，通过外接的光电探测器140就可以检测到光强的衰减程度，进而根据窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系能够推算出电压的变化情况。在一个具体示例中，本示例可以通过电压测试探头，检测电压信号。 上述过程将PDMS膜的光学特性与光纤传感技术结合进行电压信号的检测，能够实时检测电压信号的变化，还能够检测超低电压，具有检测速度快、检测精度高、应用范围广的特点。 在一种可能的实现方式中，所述聚二甲基硅氧烷膜的厚度的取值范围为50μm-100μm。 在一种可能的实现方式中，所述聚二甲基硅氧烷膜沿所述第一光纤光栅120轴向的长度的取值范围为5mm-10mm。 在一个具体示例中，对长周期光纤光栅进行加工，首先利用化学刻蚀液，例如HF酸溶液，将去除涂覆层的长周期光纤光栅的包裹纤芯122(纤芯的材质可以为具有高折射率的高纯度硅，纤芯上有光栅123)的内包层124的一部分溶解掉，溶解长度控制在5-10mm，然后清洗完后在裸露的纤芯部位镀上PDMS膜121，PDMS膜121的厚度在50-100μm。本实施例的长周期光纤光栅的制作过程简单，制作成本较低。 在一种可能的实现方式中，所述压电装置130为压电陶瓷。如图1所示，压电装置两端外接有压电测试探头160，通过压电测试探头160进行电压检测，使得压电装置130产生形变，进一步改变所述第一光纤光栅的中心波长。进一步的，本发明实施例利用压电陶瓷电学特性可以实现直流、交变微电压的检测，应用性较强。 如图1所示，压电陶瓷产生的形变是沿第一光纤光栅120的径向(即直径方向)拉伸PDMS膜，也可称为横向拉伸。 在一种可能的实现方式中，所述光源装置110包括宽带光源111、隔离器112、环形器113和第二光纤光栅114； 所述宽带光源111，用于输出宽带光；一个示例中宽谱光源111可以为LED光源。 所述第二光纤光栅114，用于将依次通过所述隔离器112和所述环形器113的所述宽带光反射为设定波长的窄带光，并通过所述环形器113输出至所述第一光纤光栅120，其中，隔离器112用于将光路中从第二光纤光栅114反射回来的窄带光隔离，避免反射光入射进光源111从而损坏光源111，环形器113用于改变光路。 在一种可能的实现方式中，所述第二光纤光栅114为短周期光纤光栅，短周期光纤光栅属于反射型带通滤波器。 由于直接制作窄带光光源比较困难，所以本发明实施例用“宽谱光源111+隔离器112+环形器113+短周期光纤光栅114”实现窄带光光源，从而降低制作难度以及降低制作成本。 本实施例采用双光纤光栅的光路结构(即短周期光纤光栅和长周期光纤光栅组合搭配)，通过检测光强变化来检测电压变化，对比其他相位、波长和偏振等调制原理的光纤电压传感器而言，具有更低的信号解调成本，更简单的结构设计优势。 在一个具体示例中，宽谱光源111发出宽带光，波形图如图2中的图a所示，宽带光经过隔离器112和环形器113先到达短周期光纤光栅114，由于短周期光纤光栅114耦合原理会反射回一束波长为λ1的窄带光，窄带光的波形图如图2中的图b所示；波长为λ1的窄带光再次经过环形器113到达长周期光纤光栅120，长周期光纤光栅120起滤波作用且本身有一个中心波长λ0(相当于一个中心波长为λ0的透射型带阻滤波器)，如图2中的图c中所示阴影面积表示透过光栅的光的光强大小，当波长为λ1的窄带光波形与中心波长为λ0的滤波波形区域交叠一部分时，交叠部分被过滤，而阴影部分光波顺利穿过长周期光纤光栅进而被光电探测器140检测到；如图2中的图d所示，当λ1＝λ0时，交叠面积达到最大，检测光强最小；如图2中的图e所示，当波长为λ1的窄带光波形与中心波长为λ0的滤波波形区域的交叠面积为零时，此时波长为λ1的窄带光波全部透过，检测光强最大。 在一种可能的实现方式中，所述电压传感器还包括存储有包含所述光强与电压值的对应关系的查找表的存储装置。光强与电压值的对应关系的查找表预先标定得到。例如，以0.1v的固定间隔由零起施加预知电压值，记录5v以内对应每一电压值的光强并存储在光强与电压值的对应关系查找表中；在使用时，示例性的，直接根据感测的光强，通过查表即可获取电压值。其中，电压范围、间距等标定参数根据电压检测的精度需求等需求设置，本发明对此不作限定。 本实施例将聚二甲基硅氧烷膜与光纤传感技术相互结合，通过控制聚二甲基硅氧烷膜两端电压调整其拉伸程度，从而改变通过光纤光栅的光波的光强，实现强度调制型的光纤传感设计，具有成本低，灵敏度高，可靠性强等优点，可以实现直流、交流微电压的检测。 本实施例提供的电压传感器，具有超低电压的检测优势，在可穿戴设备、医用心电监测平台和电学检测设备等技术领域具有非常大的开发潜力。 本发明另一个实施例提供一种电压检测方法，需要说明的是，在电压检测前，需要预先标定光强与电压值的对应关系并存储在光强与电压值的对应关系查找表中。 预先标定光强与电压值的对应关系的方法包括： 在利用所述光源装置输出设定波长的窄带光时，将多个已知电压值的电压信号分别接入所述压电装置，并记录每次接入一已知电压值的电压信号时所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强，从而获取并存储光强与电压值的对应关系。其中，光源装置输出窄带光的波长，是固定的，预先标定阶段和电压检测阶段保持一致，这样标定才有效。 例如，以0.1v的固定间隔由零起施加预知电压值，记录5v以内对应每一电压值的光强并存储在光强与电压值的对应关系查找表中；在使用时，直接根据感测的光强，通过查表即可获取电压值。 其中，电压范围、间距等标定参数根据电压检测的精度需求等需求设置，本实施例对此不作限定。 如图3所示，本实施例提供的电压检测方法包括如下步骤： S1、利用所述光源装置输出设定波长的窄带光。设定波长与预先标定中的光源装置输出窄带光的波长一致。 S2、将待检测的电压信号接入所述压电装置，以使得所述压电装置在待检测的电压信号的作用下产生拉伸所述聚二甲基硅氧烷膜的形变，以改变所述聚二甲基硅氧烷膜的折射率，从而改变所述第一光纤光栅的中心波长。 S3、利用所述数据处理器，根据所述光电探测器感测的经所述第一光纤光栅滤波后的所述窄带光的光强及预存的光强与电压值的对应关系，确定所述电压信号的电压值。 本实施例将聚二甲基硅氧烷膜与光纤传感技术相互结合，通过控制聚二甲基硅氧烷膜两端电压调整其拉伸程度，从而改变通过光纤光栅的光波的光强，实现强度调制型的光纤传感设计，具有成本低，灵敏度高，可靠性强的优点，利用压电装置的电学特性可以实现交变微电压的检测。 本实施例可应用于可穿戴设备、医学监测平台和电学检测设备等技术领域。 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。