光学仪器  2018, Vol. 40 Issue (1): 61-66   PDF    
基于啁啾光纤光栅的电压传感性能研究
陈思, 罗志会, 刘亚, 潘礼庆     
三峡大学 理学院, 湖北 宜昌 443002
摘要: 电压的实时测量是电力系统稳定、安全的关键。提出了一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器,利用压电陶瓷的逆压电效应带动黏贴在其上面的传感啁啾光栅发生形变,使传感啁啾光栅的波长发生漂移,通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅反射光包络的强度变化,获取被测电压的幅值和频率信息。理论分析了电压与光功率变化的关系,搭建了带温度补偿的双啁啾光栅传感系统,实验研究了传感器的静态和实时动态特性。实验结果表明,该传感器的相关系数R2为0.999 8,电压灵敏度达到0.048 mW/V,既能直接检测直流电压,也能较好地检测交流电压及其频谱信息,为在复杂环境评估电能质量提供了参考。
关键词: 光纤光栅传感器     电压检测     啁啾光纤光栅     压电陶瓷(PZT)    
Research on voltage sensing performance based on chirped fiber grating
CHEN Si, LUO Zhihui, LIU Ya, PAN Liqing     
College of Science, China Three Gorges University, Yichang 443002, China
Abstract: The real-time measurement of voltage is an important factor of stability and security of the power system.A voltage sensor based on chirped fiber grating is proposed.The fiber Bragg grating is deformed by the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramics, which cause the wavelength of chirped grating is drifted.By detecting the intensity change of the reflected envelope of the induced sensor chirped grating and the reference chirped grating, the amplitude and frequency information of the measured voltage are obtained.The relationship between voltage and optical power is analyzed theoretically.A dual chirped grating sensing system with temperature compensation is built.The static and dynamic characteristics of the sensor are studied experimentally.The experimental results show that the R2 of the sensor is 0.999 8, the voltage sensitivity reaches 0.048 mW/V, which can detect both the DC voltage and the power frequency of the voltage and its spectrum information.It provides a reference for evaluating the power quality in the complex environment.
Key words: fiber grating sensor     voltage detection     chirped fiber grating     piezoelectric ceramic transducer(PZT)    
引言

近年来综合光纤传感技术和光电子技术实现电压测量[1-8]和电流测量[9-10]的光纤传感器相继出现, 相比于传统的传感器, 光纤传感器具有可靠性高、绝缘性能好、占用空间小、重量轻、灵敏度高、不受磁场干扰等优点而被广泛应用。

现有的光纤电压传感器多采用检测波长漂移量来获取电压值, 即是将光纤光栅作为载体, 改变光纤光栅所受应力大小, 使得光栅中心波长产生偏移, 利用波长差实现电压的测量。张开玉等[11]设计了一种基于等应变梁的光纤光栅电压传感器, 通过静电力使等应变梁上的导体半球受力, 使得应变梁发生变形, 从而导致光栅中心波长发生变化, 实现电压测量。钟丽娜等[12]提出了一种基于锆钛酸铅压电陶瓷与光纤光栅相结合的电压传感器, 将光栅黏贴在压电陶瓷上, 利用压电陶瓷的逆压电效应带动光栅伸缩, 采用机械式光谱仪监测波长变化情况。Allil等[5]设计了一种用于13.8 kV级电压的光栅高压传感器, 研究了电压和光栅波长变化的关系。彭李等[13]设计了一种基于叠堆型压电陶瓷的压电驱动式光纤光栅电流传感器, 通过电流互感器将待测的大电流转换成直流低压信号并加载到压电陶瓷上, 将压电陶瓷的应变线性转换成光栅中心反射波长的位移, 即可反算出被测大电流。毕卫红等[14]将传感光纤光栅横向黏贴在压电陶瓷上, 压电陶瓷在电压的作用下产生同频伸缩, 并实现对光信号的调制, 通过测量波长的偏移量来获得被测的电压。以上这些通过检测波长漂移量来获取外界电压的方法, 设计复杂, 实时性差, 不适合现场测试, 也没有对电压的波形和频率检测做深入的研究。

本文提出一种基于啁啾光纤光栅的电压传感器, 利用压电陶瓷的逆压电效应使传感啁啾光栅的波长发生漂移, 通过检测传感啁啾光栅和参考啁啾光栅组合反射光功率的变化, 获取被测电压的幅值和频率信息。考虑实际测量过程中温度的影响, 利用参考啁啾光栅进行温度补偿, 消除环境温度的影响。与此同时, 采用直接光强检测进行信号解调, 回避了传统的波长解调方案, 简化了传感系统。

1 工作原理

光纤预拉伸固定在矩形压电陶瓷(PZT)正上面, 如图 1所示, 压电陶瓷的应变有效地传递给啁啾光纤光栅1上, 制作材料相同的啁啾光纤光栅2作为参考光栅, 与啁啾光纤光栅1处于相同的环境中, 且处于非受力状态, 只受温度的影响。

图 1 传感结构示意图 Figure 1 Diagram of the sensor structure

两个啁啾光纤光栅在应变和温度作用下, 工作波长的相对漂移量为

(1)

式中:λ1λ2分别为两啁啾光纤光栅的中心波长; Δλ1、Δλ2为对应的中心波长的漂移量; ΔT1、ΔT2为黏贴处和周围环境温度的变化量; ξ为热光系数; α为材料的膨胀系数; Pe为弹光系数, 对于石英光纤Pe=0.22; εz为光栅的轴向应变。

由于两个光栅处于相同的环境中, 在不存在温度梯度时, 两个光栅的温度变化量相等, 即ΔT1T2。当两个光栅的波长相近, 且远大于两者波长变化差Δλ时, 引入参量Δλ1λλ2。式(1)中两式相减得

(2)

在压电陶瓷上加载电压, 压电陶瓷会发生相应的轴向形变, 由压电陶瓷的机电方程[15]

(3)

式中:ΔL/L为陶瓷元件长度的相对变化量; E为施加到压电陶瓷电极的电场; dij为压电应变常数; ij分别为电场强度和机械位移方向。

压电陶瓷所加载的电场强度为

(4)

式中:U为输入电压; d为压电陶瓷的厚度。由于光纤黏附在压电陶瓷上, 则光纤产生的轴向应变为

由于光纤的轴向应变, 波长发生漂移, 两个光栅反射谱的包络发生变化, 对应的反射功率也会发生变化。设反射功率变化量相对波长变化系数为κ, 则压电陶瓷应变引起的功率变化ΔP

(5)

由式(5)可知, 两啁啾光栅的波长变化与输入电压线性相关, 且式中不含ΔT项, 即两根串联啁啾光纤光栅取其波长差的方法可自动进行温度补偿。

2 实验装置及结果分析

实验装置如图 2所示, 宽带光源(ASE)发出的光经过3端口光环形器1射入FCG1(FCG表示啁啾光纤光栅), 在FCG1处反射, 反射光经过3端口及光环形器2射入FCG2。当压电陶瓷未加载电压时, 在光谱仪上观测到两光栅的反射谱重合(如图 3虚线所示), 此时光功率计检测的反射光强最大。当给压电陶瓷一定的电压时, FCG1的光谱发生平移(如图 3实线所示), FCG2的光谱不变, 两光栅光谱的重合包络面积减小, 光功率计检测到的反射光强减小, 利用检测到的功率负增量, 来计算出压电陶瓷上加载的直流电压值。对于交流电压, 通过动态采集电压的波形, 结合快速傅里叶变换处理, 可获取电压的幅度和频率信息。

图 2 实验装置示意图 Figure 2 Experimental device

图 3 两光栅包络图 Figure 3 The envelopes of two gratings
2.1 直流电压检测分析

实验过程中, 采用直流稳压源给压电陶瓷施加电压, 光功率计检测不同电压值对应的功率变化。为了保证压电陶瓷伸长量的有效传递, 给FCG1施加预拉力。在0~80 V范围内, 改变压电陶瓷上的施加电压, 电压增加值为5 V, 测得功率与电压的关系曲线如图 4所示。

图 4 外加电压与功率的关系曲线 Figure 4 The relationship between the applied voltage and power

当电压为0 V时, 两光栅的反射谱几乎完全重合, 此时光功率最大, 随着电压的增加, 两光栅的反射谱逐渐分开, 重合面积逐步减小, 导致光功率逐渐减小。由图 4可见, 在0~80 V的范围内, 外加电压与测得的光功率具有线性关系, 采用Origin软件进行拟合后, 线性拟合的相关系数为0.999 8, 电压灵敏度为0.048 mW/V。

2.2 交流电压检测分析

采用压电陶瓷专用的驱动装置产生正弦电压信号, 通过LabVIEW采集啁啾光栅传感器电压信息。当压电陶瓷施加的正弦电压频率在60 Hz时, 改变其工作电压, 观察LabVIEW解调信号波形。对压电陶瓷分别施加50 V、60 V、70 V及80 V电压, 用LabVIEW软件从示波器中读出电压变化的波形, 如图 5所示。

图 5 不同电压交流信号时域图 Figure 5 Time domain diagram of AC signals with different voltages

图 5可知, 当压电陶瓷输入频率为60 Hz时, 输入电压越大, 输出信号峰-峰值越大, 光信号幅度与输入电压信号成正比例关系。

当施加的正弦电压信号幅值在50 V时, 改变其工作频率, 观察输出信号的波形。频率分别为30 Hz、50 Hz、70 Hz以及90 Hz时, 采用LabVIEW软件从示波器中读出啁啾光栅频率传感信息, 如图 6所示。

图 6 不同频率交流信号时域图 Figure 6 Time domain diagram of AC signals with different frequencies

图 6可知, 当压电陶瓷输入电压不变时, 采集到光信号在频率上基本与输入电压信号吻合。撤去FCG1上的压电陶瓷, FCG1预拉伸固定在载玻片上, FCG2直接固定在载玻片上, 构建初始状态。将载玻片放到恒温箱中, 通过改变恒温箱的温度改变双光栅的环境温度。图 7为光功率计检测的反射功率随温度变化曲线。实验中设定温度变化范围为0°~50°, 每10°记录一次数据。

图 7 温度对反射功率影响实验曲线 Figure 7 The effect of temperature on the reflected power

图 7可知, 反射光功率对温度不敏感, 该方法可以自动进行温度补偿。

3 结论

本文研究了一种双啁啾光纤光栅电压传感器, 在逆压电效应下, 黏贴在压电陶瓷上的啁啾光纤光栅发生轴向形变, 两光栅包络随之改变, 通过测量功率大小来反推施加在压电陶瓷上电压大小。理论分析了温度补偿型啁啾光栅传感器的检测原理, 从直流和交流两个方面开展了实验研究。证明了该传感器电压幅值和输出功率具有良好的线性关系, 经对曲线进行线性拟合, 得到其相关系数为0.999 8。该电压传感器结构简单, 操作方便, 具有较好的应用前景。

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