一种交直流混合电场强度测量装置以及方法与流程

1.本发明涉及电场强度测量技术领域，尤其涉及一种交直流混合电场强度测量装置以及方法。


背景技术：

2.交流电场与直流电场对周围环境的影响机理、测量仪器、测量方法皆不相同，现有电场测量仪器难以同时实现对交直流混合强电场的准确测量。目前，对于特高压交直流混合架设输电线路的电场问题的研究仍主要依靠理论计算与计算机仿真，缺乏有效手段对输电线路走廊内的交直流混合电场强度进行实时监测，难以通过实测数据为工程建设提供指导。因此，设计并研制新型交直流混合强电场传感器，同时实现交流与直流电场强度的准确有效测量，是亟待解决的工程建设方面的实际问题。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种交直流混合电场强度测量装置以及方法，可以解决现有技术中的对交直流混合电场强度的测量精准度低的问题。
4.为实现上述目的，本发明第一方面提供一种交直流混合电场强度测量装置，所述装置包括电场调制机构、电光传感模块以及信号处理模块；
5.所述电场调制机构用于对待测交直流混合电场进行调制得到产生周期性电场信号的目标待测电场；
6.所述电光传感模块用于处理根据所述目标待测电场得到的光信号来获取所述目标待测电场强度的电压信号；
7.所述信号处理模块用于根据电压信号频率分量的电压幅值来计算待测交直流混合电场的电场强度。
8.结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述电场调制机构包括旋转屏蔽电极、下接地电极、光电码盘以及电机；所述旋转屏蔽电极位于所述下接地电极上方；电光传感模块位于所述旋转屏蔽电极与所述下接地电极之间；所述电机位于所述下接地电极的下方，所述电机通过竖直旋转轴与所述旋转屏蔽电极连接；所述光电码盘位于所述下接地电极下方。
9.结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述电光传感模块包括激光器、电光传感单元以及光电探测器；所述激光器通过单模光纤与所述电光传感单元连接；所述电光传感单元通过双模光纤与所述光电探测器连接；所述激光器用于发射调制后的待测交直流混合电场的第一激光信号；所述电光传感单元用于接收所述第一激光信号并将所述第一激光信号转化成第二激光信号输出；所述光电探测器用于输出根据第二激光信号得到的电压信号。
10.结合第一方面，在一种可能实现的方式中，所述电光传感单元包括第一准直镜、偏振分光棱镜a、四分之一波片、电光晶体、偏振分光棱镜b、第二准直镜；所述第一准直镜、偏
振分光棱镜a、四分之一波片、电光晶体、偏振分光棱镜b、第二准直镜依次呈直线连接；所述第一激光信号输入至所述第一准直镜，所述第二激光信号从所述第二准直镜输出。
11.为实现上述目的，本发明第二方面提供一种交直流混合电场强度测量方法，所述方法包括：
12.获取电光传感模块对目标待测电场强度进行测量得到的电压信号；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
13.根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
14.结合第二方面，在一种可能实现的方式中，所述所述根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，包括：通过傅里叶分析以及带通滤波从电压信号中分离提取电压信号分量；根据所述电压信号分量，得到所述目标待测电场中的交流电场的第一目标频率分量下的第一电压幅值以及所述目标待测电场中的直流电场的第二目标频率分量下的第二电压幅值。
15.结合第二方面，在一种可能实现的方式中，所述根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度，包括：根据所述第一电压幅值得到交流电场强度，以及根据所述第二电压幅值得到直流电场强度；根据所述交流电场强度、所述直流电场强度以及所述交流电场强度、所述直流电场强度与待测交直流混合电场的电场强度之间的函数关系，求得待测交直流混合电场的电场强度。
16.为实现上述目的，本发明第三方面提供一种交直流混合电场强度测量系统，所述系统包括：
17.电场波形获取模块：用于获取电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量得到的电场波形；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场的直流电场调制得到；
18.电场强度计算模块：用于根据所述电场波形获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据所述目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
19.为实现上述目的，本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
20.获取电光传感模块对目标待测电场强度进行测量得到的电压信号；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
21.根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
22.为实现上述目的，本发明第四方面提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
23.获取电光传感模块对目标待测电场强度进行测量得到的电压信号；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
24.根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
25.采用本发明实施例，具有如下有益效果：通过电场调制机构对待测交直流混合电
场进行调制，得到待测交直流混合电场能够产生周期性的电场信号的目标待测电场，有利于电光传感器检测待测交直流混合电场的电场强度。此外，基于电光效应，通过电光传感模块根据目标待测电场得到的光信号来获取目标待测电场强度的电压信号，具有响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，提高了测量的速度以及准确性。最后，从电压信号中分离提取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度，提高了计算电场强度的准确性。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.其中：
28.图1为本发明实施例中一种交直流混合电场强度测量装置的结构框图；
29.图2为本发明实施例中一种电场调制机构的结构示意图；
30.图3为本发明实施例中一种电光传感模块的结构示意图；
31.图4为本发明实施例中一种交直流混合电场强度测量方法的流程示意图；
32.图5为本发明实施例中一种获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值方法的流程示意图；
33.图6为本发明实施例中一种计算待测交直流混合电场的电场强度方法的流程示意图；
34.图7为本发明实施例中交直流混合电场强度测量系统的结构框图；
35.图8为本发明实施例中计算机设备的结构框图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本技术方案适用于交直流混合电场强度测量的场景，比如对输电线路走廊内的交直流混合电场强度进行实时监测。
38.本技术方案提供了一种交直流混合电场强度测量装置，参照图1，图1为本实施例提供的一种交直流混合电场强度测量装置的结构框图，如图1所示，该装置包括电场调制机构10、电光传感模块20以及信号处理模块30。具体地，电场调制机构10用于对待测交直流混合电场的直流电场进行调制得到产生周期性电场信号的目标待测电场。电光传感模块20用于处理根据所述目标待测电场得到的光信号来获取所述目标待测电场强度的电压信号。信号处理模块30用于根据电压信号频率分量的电压幅值来计算待测交直流混合电场的电场强度。
39.具体地，参照图2，图2为本实施例提供的一种电场调制机构的结构示意图，如图2
所示，该电场调制机构10包括旋转屏蔽电极101、下接地电极102、光电码盘103以及电机104，其中，旋转屏蔽电极101位于下接地电极102上方，电光传感模块20位于旋转屏蔽电极101与下接地电极102之间，电机104位于下接地电极102的下方，电机104通过竖直旋转轴与旋转屏蔽电极101连接，使得旋转屏蔽电极可以在电机的带动下匀速旋转，光电码盘103位于下接地电极102下方。
40.参照图3，图3为本实施例提供的一种电光传感模块的结构示意图，如图3所示，该电光传感模块20由激光器201、电光传感单元203以及光电探测器205构成。在本实施例中，电光传感模块20置于待测交直流混合电场之中，该电光传感模块20可以测量频率范围为50hz～10khz的正弦电场信号，且输出电压信号的幅值波动小于0.25db，具有良好的频率响应特性。并且，光电探测器感光面积为1mm2，可探测激光波长为900～1700nm，最大噪声500μv，频带范围达17mhz，放大增益在70db范围内可调。
41.具体地，激光器201通过单模光纤202与电光传感单元203连接，而该电光传感单元203通过双模光纤204与光电探测器205连接。在本实施例中，激光器201发射目标待测电场的第一激光信号，该第一激光信号通过单模光纤传输给电光传感单元203，电光传感单元203将第一激光信号转化成与第一激光信号的激光强度不同的第二激光信号，待第二激光信号从电光传感单元203输出后，通过双模光纤204将第二激光信号发送至光电探测器205，光电探测器205对接收的第二激光信号进行强度测量，将第二激光信号转变成电压信号输出。
42.如图3所示，电光传感模块20中的电光传感单元203由第一准直镜2031、偏振分光棱镜a2032、四分之一波片2033、电光晶体2034、偏振分光棱镜b 2035、第二准直镜2036构成，电光传感单元203由第一准直镜2031、偏振分光棱镜a2032、四分之一波片2033、电光晶体2034、偏振分光棱镜b 2035、第二准直镜2036依次呈直线连接构成。在本实施例中，第一激光信号从第一准直镜2031输入，第二激光信号从第二准直镜2036输出。在本实施例中，电光晶体选取电光系数较大的铌酸锂晶体，将酸锂晶体作为电光传感单元的核心传感元件，有效提升了电场测量的灵敏度。此外，在偏振分光棱镜a 2032与电光晶体2034之间设置一片光轴方向与电光晶体2034的光轴方向相同的四分之一波片，其作用是在o光与e光间引入90
°
的固有相位差。在本实施例中，偏振分光棱镜a2032、偏振分光棱镜b2035是基于晶体双折射特性制成的pbs0110-1550偏振分光棱镜，可作为光路中的起偏器与晶体光轴之间的角度，其角度为45
°
，以便使入射光在进入晶体前o光与e光的两个幅值相等。
43.在本实施例中，电光晶体可以置于旋转屏蔽电极下方，并且电光晶体的通光方向垂直于旋转屏蔽电极101径向。本实施例中，光电码盘103可以用于根据检测旋转屏蔽电极101的运动状态来控制其正/负电平的输出，具体地，当电光晶体被旋转屏蔽电极101遮挡时，光电码盘103输出负电平，当电光晶体被暴露时，光电码盘103输出为正电平。
44.在本实施例中，信息处理模块30分别与电场调制机构10、电光传感模块20进行通信连接，用于接收并处理来自电场调制机构10和电光传感模块20的输出信号。
45.以上介绍了本实施例提供的一种交直流混合电场强度测量装置，下面介绍基于以上装置，本实施例提供的一种交直流混合电场强度测量方法。参照图4，图4为本实施例提供的一种交直流混合电场强度测量方法的流程示意图，如图4所示，具体步骤包括：
46.步骤s101、获取电光传感模块对目标待测电场强度进行测量得到的电压信号。
47.步骤s102、根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
48.其中，目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到。
49.本技术方案是通过根据测量得到的待测交直流混合电场的直流电场强度以及待测交直流混合电场的交流电场强度来反算得到待测交直流混合电场的电场强度的，而由于在直流电场作用下，介质内部电荷漂移产生反向电场，将待测交直流混合电场的直流电场抵消，使得电光传感单元无法直接测量待测交流混合电场的直流电场信号。因此，为了测量出直流电场强度，在本实施例中，通过电场调制机构对待测交流混合电场进行调制，使其变为周期性变化的电场信号的目标待测电场来测量电场强度。具体地，旋转屏蔽电极在电机的带动下匀速旋转，电光晶体置于旋转屏蔽电极下方，电光晶体的通光方向垂直于旋转屏蔽电极径向。旋转屏蔽电极通过电机转轴和碳刷接地。当旋转屏蔽电极匀速旋转时，其下方的电光晶体将被周期性地屏蔽与暴露在待测交直流混合电场下，进而导致待测交直流混合电场作用下的电光效应强度和输出光强不断发生变化。
50.待测交直流混合电场被调制后，利用电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量。
51.具体地，首先，获取电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量得到的电场波形。即，首先，介绍步骤s101、获取电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量得到的电压信号。
52.在目标待测电场作用下，基于电光效应，电光传感模块将根据目标待测电场得到的光信号转化成电信号对电场强度进行测量。具体地，激光器201发出第一激光信号经由单模光纤202传输至电光传感单元203，并在电光传感器203与待测交直流混合电场作用下，激光强度会产生相应的变化，进而得到第二激光信号，第二激光信号再由多模光纤204传输至光电探测器205，光电探测器205对第二激光信号进行强度检测，得到目标待测电场强度的电压信号。具体地，第二激光信号中包含了目标待测电场的场强信息，光电探测器205将第二激光信号转化为电压信号(电压波形)，测量目标待测电场强度。
53.通过电光效应将电场信号转化为对应的激光信号，又将激光信号转化成对应的电压信号来进行测量电场强度，具有响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，提高了电场强度的测量速度以及测量精度。
54.待得到电压信号后，则根据该电压信号测量待测交直流混合电场的电场强度，即执行步骤s102、根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据所述目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
55.在本实施例中，获得的电压信号中含有多种频率分量的电压信号，其中各频率分量的电压幅值与待测交直流混合电场强度存在对应关系，因此，可以根据各频率分量的电压幅值反算待测交直流混合电场强度。
56.参照图5，图5为本实施例提供的一种获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值方法的流程示意图，如图5所示，具体步骤如下：
57.步骤s1021、通过傅里叶分析以及带通滤波从电压信号中分离提取电压信号分量。
58.步骤s1022、根据所述电压信号分量，得到所述目标待测电场中的交流电场的第一目标频率分量下的第一电压幅值以及所述目标待测电场中的直流电场的第二目标频率分
量下的第二电压幅值。
59.具体地，记录光电探测器205输出的电压信号并采用傅里叶分析以及带通滤波对其电压信号进行处理，分离提取其电压信号的不同频率分量的电压信号分量，根据不同频率分量的电压信号检测到不同频率分量的电压幅值。在本实施例中，将目标待测电场中的交流电场的频率分量作为第一目标频率分量，而将目标待测电场中的直流电场的频率分量作为第二目标频率分量，具体地，从获取到的不同频率分量的电压信号中分离提取出第一目标频率分量下的电压信号和第二目标频率分量的电压信号，根据电压信号得到对应的第一目标频率分量下的第一电压幅值以及第二目标频率分量下的第二电压幅值。比如说，当交流电场的目标频率分量为50hz、直流电场的目标频率分量为100hz时，则从采用带通滤波对分离提取其电场波形频率分量为50hz和100hz的电压信号，得到50hz下电压幅值和100hz下的电压幅值。
60.待得到所述目标待测电场中的交流电场的第一目标频率分量下的第一电压幅值以及所述目标待测电场中的直流电场的第二目标频率分量下的第二电压幅值后，则计算待测交直流混合电场的电场强度。参照图6，图6为本实施例提供的一种计算待测交直流混合电场的电场强度方法的流程示意图，具体步骤如下：
61.步骤s1023、根据所述第一电压幅值得到交流电场强度，以及根据所述第二电压幅值得到直流电场强度；
62.步骤s1024、根据所述交流电场强度、所述直流电场强度以及所述交流电场强度、所述直流电场强度与待测交直流混合电场的电场强度之间的函数关系，求得待测交直流混合电场的电场强度。
63.在本实施例中，根据电压幅值可以得到对应的电场强度，因此，根据第一电压幅值可以得到交流电场强度，根据第二电压幅值可以得到直流电场强度。而交流电场强度、直流电场强度与待测交直流混合电场的电场强度之间存在函数关系，已知交流电场强度、直流电场强度，即可算出待测交直流混合电场的电场强度，该函数关系具体如下：
[0064][0065]
其中，e
eq
为待测交直流混合电场作用下电光晶体上的等效电场强度；e
dc
为待测交直流混合电场的直流电场强度，e
ac
为待测交直流混合电场的交流电场强度，ω
ac
为待测交直流混合电场频率，初始相位，ω是旋转屏蔽电极的旋转角速度。
[0066]
上面介绍了本技术的方法，为了更好实施本技术的方法，接下来介绍本技术的交直流混合电场强度测量系统，参照图7，该系统70包括：
[0067]
电压信号获取模块701：用于获取电光传感模块对目标待测电场强度进行测量得到的电压信号；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
[0068]
电场强度计算模块702：用于根据所述电压信号获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
[0069]
在一种可能的设计中，上述电场强度计算模块702具体用于：通过傅里叶分析以及带通滤波从电压信号中分离提取电压信号分量；根据所述电压信号分量，得到所述目标待
测电场中的交流电场的第一目标频率分量下的第一电压幅值以及所述目标待测电场中的直流电场的第二目标频率分量下的第二电压幅值。
[0070]
在一种可能的设计中，上述电场强度计算模块702具体用于：根据所述第一电压幅值得到交流电场强度，以及根据所述第二电压幅值得到直流电场强度；根据所述交流电场强度、所述直流电场强度以及所述交流电场强度、所述直流电场强度与待测交直流混合电场的电场强度之间的函数关系，求得待测交直流混合电场的电场强度。
[0071]
上述系统中，获取电场调制机构对待测交直流混合电场进行调制得到待测交直流混合电场能够产生周期性的电场信号的目标待测电场，有利于通过电光传感器检测待测交直流混合电场的电场强度。此外，基于电光效应，通过电光传感模块根据待测交直流混合电场得到的光信号来获取目标待测电场强度的电压信号，具有响应速度快、抗电磁干扰能力强等优点，提高了测量的速度以及准确性。最后，从电压信号中分离提取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度，提高了计算电场强度的准确性。
[0072]
图8示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是终端，也可以是服务器。如图8所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现年龄识别方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行年龄识别方法。本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构的框图，并不构成对本技术方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0073]
在一个实施例中，提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0074]
获取电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量得到的电场波形；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
[0075]
根据所述电场波形获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据所述目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
[0076]
在一个实施例中，提出了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行以下步骤：
[0077]
获取电光传感模块对目标待测电场的电场强度进行测量得到的电场波形；所述目标待测电场由电场调制机构对待测交直流混合电场调制得到；
[0078]
根据所述电场波形获取目标待测电场的目标频率分量的电压幅值，根据所述目标频率分量的电压幅值计算待测交直流混合电场的电场强度。
[0079]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本技术所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编
程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(ram)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，ram以多种形式可得，诸如静态ram(sram)、动态ram(dram)、同步dram(sdram)、双数据率sdram(ddrsdram)、增强型sdram(esdram)、同步链路(synchlink)dram(sldram)、存储器总线(rambus)直接ram(rdram)、直接存储器总线动态ram(drdram)、以及存储器总线动态ram(rdram)等。
[0080]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0081]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。