一种Pockels电光探头正弦往复旋转控制方法及系统

本发明涉及高电压工程、光学电场传感和运动控制，具体涉及一种用于直流合成电场测量的pockels电光探头正弦往复旋转控制方法及系统。

背景技术：

1、直流输电线路、换流站、直流绝缘设备及交直流混合电场环境中，空间合成电场是评价电磁环境、设备绝缘状态和带电作业安全性的重要参数。直流合成电场通常由导体电压形成的标称电场与空间电荷形成的附加电场叠加而成。与交流电场相比，直流合成电场具有空间电荷积累明显、电场分布受环境影响大、长期稳定测量难度高等特点。

2、现有直流合成电场测量设备常采用场磨式电场仪。场磨式电场仪通过旋转叶片周期性屏蔽感应电极，使静电场转换为交变感应信号，从而实现直流电场测量。然而，场磨式电场仪通常包含金属壳体和接地结构，在靠近带电导体或复杂绝缘环境中容易引入电场畸变，影响被测点真实电场分布。此外，机械旋转叶片和电气感应结构也容易受到污染、潮湿、积尘和机械磨损的影响。

3、基于pockels效应（又称为泡克耳斯效应或普克尔斯效应，是一种线性电光效应）的电光电场测量方法具有绝缘性好、抗电磁干扰能力强、对被测电场扰动小、适用于高压环境等优点。pockels电光探头可利用电光晶体在外电场作用下产生的线性双折射效应，将待测电场转换为光相位或光强变化。然而，在直流或低频电场测量中，电光晶体内部电荷偏移、晶体表面电荷积累以及探头附近空间电荷分布变化会导致实际作用于电光晶体的局部电场发生畸变，从而引起输出零漂、灵敏度下降和长期稳定性变差。

4、为降低直流测量中的电荷积累影响，可使pockels电光探头或其电光敏感单元进行机械旋转，使直流电场在探头坐标系中转化为周期性变化信号，并通过交流化测量方式提取电场信息。已有方案中，探头通常采用连续旋转、普通往复旋转、步进旋转或简单正反转控制方式。然而，连续旋转可能造成光纤缠绕或需要复杂滑环结构；普通正反转控制在端点换向时容易产生刚性冲击和光学元件震颤；梯形速度规划虽然可实现加减速控制，但难以保证探头在最佳测量角位置附近具有最大通过速度；低速换向过程中还可能因静摩擦、负载扰动和控制死区导致停转或角度累积误差。

5、因此，有必要提出一种面向pockels电光探头直流合成电场测量的旋转控制方法，使探头在有限角度范围内平滑往复旋转，并使运动速度特征与电场测量需求相匹配：在最佳测量角位置附近快速通过，以提高电场调制效果和信号提取稳定性；在两端换向位置附近低速或零速换向，以降低机械冲击、光纤扭转和测量噪声。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法及系统，以解决现有pockels电光探头在直流合成电场测量过程中容易受到内部电荷偏移和外部电荷积累影响，以及传统旋转控制方式存在换向冲击、低速死区、速度峰值位置不合理、光纤扭转和测量稳定性不足的问题。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，pockels电光探头包括电光敏感单元，方法包括：

3、获取电光敏感单元在待测直流合成电场中的最佳测量角位置，并根据电光敏感单元的目标运动轨迹生成正弦往复旋转控制指令；基于正弦往复旋转控制指令控制旋转执行机构驱动电光敏感单元在第一端位与第二端位之间进行有限角度正弦往复旋转，且在最佳测量角位置附近的角速度绝对值达到最大值，在第一端位和第二端位附近的角速度绝对值小于等于预设换向速度阈值；

4、在电光敏感单元有限角度正弦往复旋转过程中，获取电光敏感单元的角位置、角速度或相位；

5、获取pockels电光探头输出的光电信号；

6、根据角位置、角速度或相位，对光电信号进行同步处理，反演得到待测直流合成电场的电场强度。

7、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，最佳测量角位置是pockels电光探头有效测量方向与待测直流合成电场方向一致或接近一致的位置，或者是经标定后输出灵敏度、信噪比或线性度最高的位置。

8、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，正弦往复旋转控制指令为角速度随转角位移变化的正弦函数，表达式为：

9、

10、其中，为pockels电光探头的角速度；为pockels电光探头相对于零角位移的转角位移；为角位移系数；为设定的最大角速度幅值；为方向标识符，pockels电光探头正转时为1，反转时为-1。

11、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，第一端位和第二端位分别为：

12、

13、其中，为第一端位，为第二端位，、为设定的角度裕度。

14、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，最佳测量角位置通过标定获取，标定方法为：在已知电场下扫描pockels电光探头的角位置，并根据输出信号幅值、灵敏度、线性度、信噪比、重复性或其组合确定最佳测量角位置。

15、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，有限角度往复正弦旋转为水平位置-水平位置往复旋转，或者为以最佳测量角位置为中心的对称摆动旋转。

16、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，同步处理包括：对光电信号的锁相放大、正交解调、相位同步采样、峰峰值提取、窗口积分、最小二乘拟合、卡尔曼滤波或其组合。

17、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，控制模块还包括死区补偿单元，死区补偿单元用于在电光敏感单元有限角度正弦往复旋转过程中，向旋转执行机构施加启动速度脉冲、启动角度裕度或最小角速度限制，以避免旋转执行机构在低速区停转。

18、根据本发明提供的一种pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，旋转执行机构为关节电机、步进电机、音圈电机、永磁同步电机、振镜式摆动机构、压电旋转机构或柔性铰链摆动机构。

19、第二方面，本发明提供一种pockels电光探头正弦往复旋转控制系统，用于实现第一方面的pockels电光探头正弦往复旋转控制方法，系统包括旋转执行机构、角位置检测模块、控制模块、光电探测模块和信号处理模块；

20、控制模块用于获取电光敏感单元在待测直流合成电场中的最佳测量角位置，并根据电光敏感单元的目标运动轨迹生成正弦往复旋转控制指令；基于正弦往复旋转控制指令控制旋转执行机构驱动电光敏感单元在第一端位与第二端位之间进行有限角度正弦往复旋转，且在最佳测量角位置附近的角速度绝对值达到最大值，在第一端位和第二端位附近的角速度绝对值小于等于预设换向速度阈值；

21、角位置检测模块用于在电光敏感单元有限角度正弦往复旋转过程中，获取电光敏感单元的角位置、角速度或相位；

22、光电探测模块用于获取pockels电光探头输出的光电信号；

23、信号处理模块用于根据角位置、角速度或相位，对光电信号进行同步处理，反演得到待测直流合成电场的电场强度。

24、与现有技术相比，本发明至少具备以下技术效果：

25、1.本发明通过控制电光敏感单元（例如通过驱动pockels电光探头，带动内部的电光敏感单元）进行有限角度正弦往复旋转，使待测直流合成电场在探头坐标系中形成周期性调制信号，有利于降低电光敏感单元（例如电光晶体）内部电荷偏移和外部电荷积累对测量结果的影响。

26、2.本发明使pockels电光探头在最佳测量角位置附近具有最大角速度，有利于提高有效测量方向附近的调制效率和信号提取稳定性。

27、3.本发明使pockels电光探头在两端换向位置附近具有最小角速度或零角速度，能够降低换向冲击、机械振动和光学元件震颤，提高长期运行可靠性。

28、4.本发明采用有限角度往复旋转方式，能够避免连续旋转导致的光纤缠绕问题，降低对滑环、旋转光纤接头等复杂结构的依赖。

29、5.本发明通过角位置反馈与光电信号同步处理，能够减少电机减速比误差、摩擦、死区、负载扰动和控制指令离散化带来的测量误差。

30、6.本发明不限定pockels电光探头的具体封装结构，可与已有pockels电光探头、已公开探头结构或不同晶体材料的电光探头配合使用，具有较强的工程适应性。