一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器及测量方法

1.本发明属于电流或电压测量技术领域，特别是涉及一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器及测量方法。


背景技术：

2.光学电压互感器利用电光晶体线性电光效应(电压导致晶体折射率变化)，更能适应电力系统自动化、网络化、智能化、数字化的发展趋势，是互感器产业的发展方向，也是能源物联网中一次测量设备的发展方向。
3.但现有检测模式无法直接、线性地测量旋转角，而是采用偏振光光强解调模式进行间接测量。这一测量方法存在如下问题：(1)光功率相关性。光源的波动、传输损耗、光纤老化、起偏器和检偏器的角度误差、光电转换和模数转换误差等因素均直接影响测量结果。(2)半波电压的限制。现有基于偏光干涉光强检测模式的ovt，由于光强的近似线性调解原理，在满足一定准确度要求的前提下，其电光相位延迟的测量范围受到电光晶体半波电压的限制。(3)温漂问题。光源、光学器件，光电转换器件与电子器件的温漂直接影响出射光强的大小，导致测量误差。(4)低频噪声干扰输出信号。
4.为改善半波电压的限制问题，目前已有技术是介质分压法，即在晶体中加入石英玻璃或者sf6气体，由于温度改变产生的热应力会给测量带来随机误差。气体介质的稳定性不足，气体介质产生的表面电荷放电、电晕、等离子体等严重影响了测量的稳定性。采用均压环或其他方法难以提高空间电场均匀性。为了保证光路稳定，分压介质与bgo晶体之间的硬连接通常使用一些固化胶。由于热膨胀系数的影响，bgo和石英玻璃中的温度变化产生了额外的热应力双折射降解测量精度。
5.为改善电光晶体存在的温漂与热应力双折射问题，相关学者提出过不同的解决方案：1.双光路法的补偿原理是用偏振分束器两路偏振方向正交的信号光，消除包含应力双折射的直流分量，实现温度的补偿，这种方法依赖于偏振分光器的效果和信号处理电路的对称性,实际应用中,两个光电探测器难以做到完全对称,且偏振分光镜和信号处理电路也不可避免地存在温漂问题。2.双晶体法着眼于解决电光晶体自身的热应力双折射问题。其补偿原理是将第一块晶体中传播的e光和o光进入第二块晶体时经半波片的调制而位置互换，使温度变化产生的附加相位延迟相互抵消，不过双晶体法要求两块晶体的光学特性完全一致，考虑到热应力双折射的随机性和温度场的分散性与不确定性，这一要求难以满足。3.另外，还有学者提出利用faraday磁致旋光效应温度特性与bgo晶体电光系数温度特性互补的方法，尝试补偿电光效应的幅值温漂，但是这一方法忽视了faraday磁调制材料的温漂，另外，上述方法缺乏实验验证，也没有说明对相位误差的补偿效果。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器，以解决上述现有技术存在的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供了一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器，包括：电场调制模块和信号转换模块；
8.所述电场调制模块，用于将电场信号与输入光信号相耦合，得到调制后的光信号，其中，所述电场信号通过形状不规则电极产生；
9.所述信号转换模块，用于将调制后的光信号转为电信号，对所述电信号进行解调，基于解调后的电信号计算电压。
10.优选地，还包括测速模块，所述测速模块，用于测量形状不规则电极的旋转速度。
11.优选地，所述电场调制模块包括：电光晶体、形状不规则电极、电机及光信号；
12.所述电机，用于旋转形状不规则电极；
13.所述光信号，用于为所述电光晶体提供光信号；
14.所述电光晶体，基于线性电光效应将所述光信号和电场信号相耦合，得到调制后的光信号。
15.优选地，所述电场调制模块还包括偏振片；
16.所述偏振片，用于将半导体激光器发出的激光变成线偏光，并且对电光晶体双折射出来的折射光进行检偏，将检偏后的折射光传至所述信号转换模块。
17.优选地，所述电场调制模块还包括双核dsp，通过所述双核dsp对所述电机进行调控，其中，所述电机采用磁悬浮电机。
18.优选地，所述形状不规则电极包括高压电极和可旋转的地电极，通过所述高压电极和所述地电极为所述电光晶体提供电场。
19.优选地，所述信号转换模块包括：光电转换单元和电信号解调单元；
20.所述光电转换单元，用于接收所述检偏后的折射光，将含有电场信号的折射光转换为含有电场信号的电信号；
21.所述电信号解调单元，用于将电信号中含有电场信号进行滤除，得到不含电场信号的电信号，基于所述电信号计算电压。
22.另一方面，为实现上述目的，本发明提供了一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器的测量方法，包括以下步骤：
23.基于双核dsp对电机转速进行控制，得到电机转速，基于电机转速得到形状不规则电极旋转速度，基于电极旋转产生电场信号，光电晶体将电场信号与输入的光信号相耦合，得到调制后的光信号；
24.通过光功率计对调制后的光信号进行采集，基于采集结果将光信号转换成电信号；
25.根据所述形状不规则电极旋转速度设定锁相环参数，基于锁相环参数对所述电信号进行解调，基于解调后的电信号计算电压。
26.本发明的技术效果为：
27.本发明通过电机旋转形状不规则电极，能够自动调控电场角度，进而实现半波电压的提高，扩大互感器的测量范围，同时减少线双折射。
28.本发明通过电场的旋转，使旋转形状不规则电极产生的电场信号与输入光信号相耦合，能够抵消低频噪声对晶体电光效应的影响，提高测量准确度。
29.本发明将调制后的光信号转为电信号，并对所述电信号进行解调，通过解调后的
电信号能够实现电压计算。
附图说明
30.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
31.图1为本发明实施例中的光学电压传感器系统示意图；
32.图2为本发明实施例中的测量方法流程图；
33.图3为本发明实施例中的系统结构图；
34.图4为本发明实施例中的地电极与电光晶体的局部放大仿真图；
35.图5为本发明实施例中解调电路组成框图；
36.图6为本发明实施例中晶体的相位延迟与电场的关系示意图；
37.其中1-高压电极，2-电光晶体，3-第一格兰泰勒棱镜，4-led，5-第二格兰泰勒棱镜，6-地电极，7-激光，8-磁悬浮电机，9-双核dsp，10-光电转换单元，11-电信号解调单元，12-光信号接收器。
具体实施方式
38.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
39.需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
40.实施例一
41.如图1，图3所示，本实施例中提供一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器，包括：电场调制模块和信号转换模块；
42.所述电场调制模块，用于通过电机旋转形状不规则电极，将旋转形状不规则电极产生的电场信号与输入光信号相耦合，得到调制后的光信号；
43.所述信号转换模块，用于将调制后的光信号转为电信号，对所述电信号进行解调，基于解调后的电信号计算电压。
44.在一些实施例中，光学电压传感器还包括测速模块，所述测速模块，用于测量电极的旋转速度。测速模块由led 4与光信号接收器12组成，通过监测电极在一定时间内扫过的次数来确定电极转速。
45.在一些实施例中，所述电场调制模块包括：电光晶体、形状不规则电极、电机及光信号；
46.所述电机，用于旋转形状不规则电极；
47.所述形状不规则电极，基于形状不规则电极旋转产生电场信号；
48.所述光信号，用于为所述电光晶体提供光信号；
49.所述电光晶体，基于线性电光效应将所述光信号和电场信号相耦合，得到调制后的光信号。本实施例中，电光晶体的折射率会随着外加电场的变化而呈线性变化，导致沿电光晶体某一特定方向通过的线偏振光发生双折射，从而产生一个与外加电场成正比的电光
相位延迟。
50.在一些实施例中，所述电场调制模块还包括偏振片；
51.所述偏振片，用于将半导体激光器发出的激光变成线偏光，并且对电光晶体双折射出来的折射光进行检偏，将检偏后的折射光传至所述信号转换模块。
52.本实施例中，偏振片包括：起偏器和检偏器，其中通过起偏器将半导体激光器发出的激光变成线偏光，线偏光射入电光晶体，电场作用下，在电光晶体内部发生双折射，经检偏器检偏后，将检偏后的折射光传至所述信号转换模块。
53.在一些实施例中，所述电场调制模块还包括双核dsp，通过所述双核dsp对所述电机进行调控，其中，所述电机采用磁悬浮电机。
54.在一些实施例中，所述形状不规则电极包括高压电极和可旋转的地电极，通过所述高压电极和所述地电极为所述电光晶体提供电场，其中，地电极6与电光晶体2的局部放大仿真图，如图4所示。
55.本实施例中，电场调制模块的具体过程包括：将电光晶体2，置于高压电极1和旋转的地电极6之间，地电极与磁悬浮电机8相连，利用电机拖动电极旋转。电机拖动电极的转速利用双核dsp 9调控。激光7通过第一格兰泰勒棱镜3射入传感电光晶体2，此时电光晶体2正处于高频变化的电场当中，激光7穿过电光晶体2，实现光信号和高频电场的调制，调制后的光信号穿过第二格兰泰勒棱镜5，射到信号转换模块。
56.在一些实施例中，所述信号转换模块，用于将调制后的光信号转为电信号并解调成数字信号。所述信号转换模块包括：光电转换单元10和电信号解调单元11；
57.所述光电转换单元10，用于接收所述检偏后的折射光，将含有5khz的中频电场信号的折射光转换为含有5khz的中频电场信号的电信号；
58.所述电信号解调单元11，用于将电信号中5khz的中频电场信号进行滤除，得到不含电场信号的电信号，基于电信号计算电压。
59.本实施例中，具体实现原理如下：
60.根据椭圆体的折射率公式，锗酸铋晶体的相位延迟和电场e1的关系可表示为：
[0061][0062]
其中，n0为晶体的折射率；γ
41
为晶体的线性电光系数；λ为入射光波长；k为晶体的电光效应系数；d为晶体延电场方向的长度，假设电场方向与y方向的夹角为θ，则e1是与θ有关的电场矢量。通过耦合波理论计算可知，当电场方向接近光方向时，θ增大，半波电压会逐渐增大直到无求大，即电光相位延迟接近于零，如图6所示。
[0063]
本实施例中，通过形状不规则的电极旋转，能够自动调控电场角度，进而实现半波电压的提高。
[0064]
本实施例中，根据噪声分析，量化噪声、高斯白噪声、1/f噪声和正弦噪声是主要噪声源，具体分析如下：
[0065]
1)量化噪声
[0066]
量化噪声数字信号处理系统中的ad/da转换器的数字特性引起的，噪声的大小取决于数据采集系统的精度和初始采样时间的选取等，在采样速度很快的系统中，量化噪声会成为主要的噪声源。其功率谱密度s(f)＝(2πf)2q2τ，q为量化噪声的系数。
[0067]
2)高斯白噪声
[0068]
高斯白噪声包括光电探测器中固有的噪声：热噪声、散粒噪声、产生—复合噪声(g－r噪声)、温度噪声。高斯白噪声的频谱属于白噪声频谱，与频率无关，其功率谱密度s(f)＝g2，g为高斯白噪声的系数。
[0069]
3)1/f噪声
[0070]
1/f噪声又称为电流噪声或低频噪声，这种噪声的特点是噪声功率谱密度与频率成反比，1/f噪声主要出现在1khz以下的低频区，当工作频率大于1khz时，这种噪声的影响就大大减小。其功率谱密度为：
[0071][0072]
6)正弦噪声
[0073]
正弦噪声由一组特定的频率函数表示，其高频噪声可能是由于激光放电中的等离子体振荡，而低频噪声是由于环境的周期性变化引起测试平台的缓慢运动而造成的。包含单一频率的正弦噪声的psd为：s(f)＝a2[δ(f-f0) δ(f f0)]/2，a为噪声幅值，f0为噪声的固有频率。
[0074]
本实施例中，通过噪声分析，这些噪声都集中在低频区，因此，通过电场的旋转，使得光信号和电场高频信号相耦合，以此即可达到消除低频噪声对锗酸铋晶体电光效应的影响的目的。
[0075]
本实施例的技术效果：
[0076]
本实施例提供一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器，通过磁悬浮电机拖动电极旋转，将光信号同高频旋转的电场信号相耦合，使输出的光信号经过解调后，能够滤除低频信号对输出光强的影响，提高测量准确度；又能通过对电场的调制，增加电压的测量范围，改善应力双折射和光功率敏感问题。
[0077]
实施例二
[0078]
如图2所示，本实施例提供了一种基于旋转电极传感头的光学电压传感器的测量方法，包括以下步骤：
[0079]
基于双核dsp对电机转速进行控制，得到电机转速，其中电机转速达到指定值，基于电机转速得到形状不规则电极旋转速度，基于电极旋转产生电场信号，光电晶体将电场信号与输入的光信号相耦合，得到调制后的光信号；
[0080]
通过光功率计对调制后的光信号进行采集，基于采集结果将光信号转换成电信号；
[0081]
根据所述形状不规则电极旋转速度设定锁相环参数，基于锁相环参数对所述电信号进行解调，基于解调后的电信号计算电压。
[0082]
本实施例中，当电极转速设置准确时，即可消除低频噪声对电光晶体的影响。
[0083]
在一些实施例中，解调的过程为：
[0084]
锁相环通常由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成，根据压控振荡器的压控特性ωu(t)＝ω0 k0uc(t)所示，压控振荡器的振荡频率ωu取决于输入电压的幅度。当电极转速产生的电场信号的频率与锁相环的固有振荡频率ω0相等时，压控振荡器输出信
号的频率将保持ω0不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的载波信号(电场信号)uc外，还有调制信号(电信号)ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以ω0为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由锁相环组成的解调电路组成框图，如图5所示。
[0085]
相关公式有：
[0086]
f1＝a
×
sin(2πω0t)
[0087]
f2＝sin(2πω1t)
[0088]
当ω0＝ω1时，
[0089][0090]
可见，得到的信号会包含一个直流信号，以及一个高频信号。将高频信号滤出，我们会得到一个与原信号强度成正比的直流信号。因此，我们使用将信号与振荡器进行混频的方法，将信号变频到直流区间。然后，使用一个低通滤波器，将信号滤出。
[0091]
解调后的信号就是所需信号，使用者可以根据解调后的信号值进行下一步的电压或电流计算。
[0092]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。