一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，屬于直流電場測量【技術(shù)領(lǐng)域】。測量系統(tǒng)中，激光源的輸出端通過輸入保偏光纖與基于共路干涉的集成電場傳感器的輸入端相連，經(jīng)過電場調(diào)制的光信號由光纖傳入探測器進行光電轉(zhuǎn)化。氣源進入電磁換向閥后選通兩個氣道的氣流，輸入旋轉(zhuǎn)裝置中，帶動滾筒雙向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動電路驅(qū)動電磁閥實現(xiàn)換流。本測量系統(tǒng)，前端旋轉(zhuǎn)裝置為非金屬材料，減小了對待測場的畸變；測量系統(tǒng)中的各元器件柔性連接，增加了測量方式的靈活性；控制、驅(qū)動電路與測量系統(tǒng)充分隔離，不易受電磁干擾，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。測量系統(tǒng)可以近距離測量物體表面直流電場分布，拓寬了可測電場的范圍。
【專利說明】一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，屬于直流電場測量【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]直流電場測量在工程應(yīng)用和科學(xué)研宄領(lǐng)域需求廣泛，對電氣設(shè)備診斷，提高電能傳輸效率有重要意義。目前，關(guān)于直流電場測量方法的研宄已在國內(nèi)外廣泛開展，依照測量原理可分為光學(xué)方法和電學(xué)方法兩類。
[0003]電學(xué)測量方法主要基于電磁感應(yīng)原理，通常采用旋轉(zhuǎn)或振動感應(yīng)葉片的方法使直流電場轉(zhuǎn)換為交變電場，形成旋轉(zhuǎn)電場儀和振動電場儀。旋轉(zhuǎn)場強儀通常稱為電場磨，被廣泛應(yīng)用于直流輸電線路線下場強的測量。1983年，D.Train和R.Dube利用專門設(shè)計的靜電電壓計測量了高壓直流絕緣子串表面的場強分布。但上述電學(xué)測量方法的缺點有二:第一，所采用的場強儀均為有源器件，內(nèi)部含有電子電路，在強電場和較惡劣的測量環(huán)境下易因受到電磁干擾而失效；第二，場強儀內(nèi)部含有金屬部件，測量時均會引起場點處原場的畸變，極大地影響測量的準(zhǔn)確性。
[0004]光學(xué)測量方法主要是基于晶體的線性電光效應(yīng)。1982年，Kunihiko Hidaka和Hiroyuki Fujita利用具有線性電光效應(yīng)的銀酸鋰晶體旋轉(zhuǎn)，獲得反映被測直流場的穩(wěn)定的交變輸出，同時消除了吸附在鈮酸鋰晶體表面空間電荷的影響。但由于需要交流電機，機械傳動裝置等裝置，應(yīng)用范圍僅限制在實驗室環(huán)境中。且由于設(shè)備精密復(fù)雜，難以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提出一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，利用已有的基于共路干涉的集成電場傳感器，設(shè)計雙向氣流推進的切擊式葉片旋轉(zhuǎn)驅(qū)動式直流電場測量系統(tǒng)，以減小測量單元對待測場的畸變，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，增加測量方式的靈活性，拓寬可測電場的范圍。
[0006]本發(fā)明提出的用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，包括直流電源、信號發(fā)生器、信號驅(qū)動電路、電磁換向閥、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、交流電源、電動氣泵、激光源、旋轉(zhuǎn)裝置、電場傳感器和探測器；所述的直流電源和信號發(fā)生器分別與信號驅(qū)動電路相連；所述的交流電源通過信號線與所述的電動氣泵的輸入端相連，電動氣泵的輸出端通過輸氣管道與電磁換向閥的進氣端相連，電磁換向閥的兩個出氣端分別與第一節(jié)流閥的進氣端和第二節(jié)流閥的進氣端相連；所述的激光源通過保偏光纖與所述的電場傳感器的信號輸入端相連，電場傳感器的信號輸出端通過保偏光纖與所述的探測器相連；所述的第一節(jié)流閥的出氣端和第二節(jié)流閥的出氣端分別與旋轉(zhuǎn)裝置外壁上的左進氣口和右進氣口相連；所述的旋轉(zhuǎn)裝置由兩個滾珠軸承、套管、滾筒和多個葉片組成，所述的兩個滾珠軸承置于旋轉(zhuǎn)裝置基座兩端的軸承座上，所述的滾珠軸承、套管和滾筒依次由外到內(nèi)同軸安裝，所述的電場傳感器置于滾筒內(nèi)；所述的多個葉片分成兩組，兩組葉片分別沿圓周均布固定在滾筒的兩側(cè)。
[0007]本發(fā)明提出的用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，其優(yōu)點是:
[0008]本發(fā)明的光學(xué)測量系統(tǒng)中，其前端的旋轉(zhuǎn)裝置為非金屬材料制成，因此極大地減小了測量單元對待測電場的畸變；測量系統(tǒng)中各部件之間為柔性并電氣絕緣的輸氣管連接，增加了測量方式的靈活性，如需測量輸電線路下方任意一點的電場場強，可以方便地將裝置布置于輸電鐵塔的橫擔(dān)上。光學(xué)測量系統(tǒng)中的控制和驅(qū)動電路，可以利用輸氣管道實現(xiàn)與旋轉(zhuǎn)裝置的充分隔離，使測量系統(tǒng)不易受電磁干擾的影響，提高了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。旋轉(zhuǎn)裝置實現(xiàn)了有效的電氣絕緣以及與外部環(huán)境的隔離，可以近距離測量許多物體表面直流電場的分布，拓寬了可測電場的范圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是本發(fā)明提出的用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖2是圖1所示光學(xué)測量系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖3是圖2所示的旋轉(zhuǎn)裝置的俯視圖。
[0012]圖4是圖1所示的光學(xué)測量系統(tǒng)中信號驅(qū)動電路的電路原理圖。
[0013]圖1一圖4中，I是直流電源，2是信號發(fā)生器，3是電磁換向閥，41是第一節(jié)流閥，42是第二節(jié)流閥，5是電動氣泵，6是輸氣管道，7是保偏光纖，8是電場傳感器，9是旋轉(zhuǎn)裝置，10是探測器，11是激光源，12是交流電源，13為導(dǎo)線，14是左進氣口，15是右進氣口，16是基座，17是尼龍滾珠軸承，18是套管，19是滾筒，20是葉輪，21是軸承座，22為信號驅(qū)動電路。

【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明提出的用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，包括直流電源1、信號發(fā)生器2、信號驅(qū)動電路22、電磁換向閥3、第一節(jié)流閥41、第二節(jié)流閥42、交流電源12、電動氣泵5、激光源11、旋轉(zhuǎn)裝置9、電場傳感器8和探測器10。直流電源I和信號發(fā)生器2分別與信號驅(qū)動電路22相連。交流電源12通過信號線與電動氣泵5的輸入端相連，電動氣泵5的輸出端通過輸氣管道6與電磁換向閥3的進氣端相連，電磁換向閥3的兩個出氣端分別與第一節(jié)流閥41的進氣端和第二節(jié)流閥42的進氣端相連。激光源11通過保偏光纖7與電場傳感器8的信號輸入端相連，電場傳感器8的信號輸出端通過保偏光纖7與探測器10相連。第一節(jié)流閥41的出氣端和第二節(jié)流閥42的出氣端分別與旋轉(zhuǎn)裝置9外壁上的左進氣口 14和右進氣口 15相連，如圖2中所示。旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示，旋轉(zhuǎn)裝置由兩個滾珠軸承17、套管18、滾筒19和多個葉片20組成，兩個滾珠軸承17分別置于旋轉(zhuǎn)裝置基座16兩端的軸承座21上，滾珠軸承17、套管18和滾筒19依次由外到內(nèi)同軸安裝。電場傳感器8置于滾筒19內(nèi)。多個葉片20分成兩組，兩組葉片分別沿圓周均布固定在滾筒19的兩側(cè)。
[0015]上述光學(xué)測量系統(tǒng)的一個實施例中，信號驅(qū)動電路22的電路原理圖如圖4所示，信號驅(qū)動電路22包括直流電源1，控制信號發(fā)生器2，電阻Rl，R2，R3，放大三極管Q1，跟隨三極管Q2?？刂菩盘柊l(fā)生器2，放大三極管Ql與輸出共地連接。電阻Rl —端與控制信號發(fā)生器的輸出端相連，另一端與放大三極管Ql的基極相連。放大三極管Ql的基極與電阻Rl相連，發(fā)射極與地相連，集電極與R2，R3相連。R2 —端與直流電源相連，另一端與放大三極管Ql的集電極相連。R3—端與放大三極管Ql的集電極，另一端與跟隨三極管Q2基極相連。跟隨三極管Q2的基極與R3相連，集電極與直流電源相連，發(fā)射極與輸出相連。輸出電壓為跟隨三極管Q2集電極與地之間電壓。
[0016]以下結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明提出的光學(xué)測量系統(tǒng)的工作原理和工作過程:
[0017]經(jīng)氣泵輸出的氣流經(jīng)過電磁換向閥和第一節(jié)流閥，第二節(jié)流閥的調(diào)控，按照控制信號的規(guī)律，從左右進氣口分別噴入旋轉(zhuǎn)裝置中。旋轉(zhuǎn)裝置在左右進氣口氣流的驅(qū)動下按照控制信號的規(guī)律進行雙向旋轉(zhuǎn)。在外電場為直流電場的情況下，使傳感器感受到的電場為以旋轉(zhuǎn)頻率為頻率的交變電場。通過對交變電場幅值的測量，即可得到外界直流電場的場強值。
[0018]首先，根據(jù)控制要求，通過設(shè)置微處理器(信號發(fā)生器)，產(chǎn)生頻率、占空比可調(diào)的矩形脈沖信號。實驗表明，0.1Hz左右的矩形脈沖信號較為合適，在實際應(yīng)用中可根據(jù)需要進行調(diào)試。之后信號經(jīng)歷晶體管多級放大電路。放大電路由信號脈沖控制，輸出與負載相匹配的驅(qū)動電流，實現(xiàn)電流放大，負載保護，隔離等功能?？刂菩盘栠M入換向閥。如果控制信號為邏輯1，則換向閥建立從進氣口到第一節(jié)流閥對應(yīng)的一側(cè)出氣口的氣路。如果控制信號為邏輯0，則換向閥建立從進氣口到第二節(jié)流閥對應(yīng)的一側(cè)出氣口的氣路。出氣口的氣流流經(jīng)節(jié)流閥，流量和流速得到進一步控制。調(diào)控的原則是:由于氣流在兩側(cè)氣路中的損耗并不完全相同，通過控制節(jié)流閥，保持兩側(cè)氣路輸出氣流的對稱性，以實現(xiàn)無累積誤差的雙向旋轉(zhuǎn)。這個參數(shù)也需要根據(jù)測量要求和實際情況進行手動調(diào)試。流經(jīng)節(jié)流閥的氣體將進入旋轉(zhuǎn)裝置。旋轉(zhuǎn)裝置中，基座用于整個裝置的固定以及隔離系統(tǒng)與外部測量環(huán)境；滾珠軸承用于徑向支撐和動力傳輸，滾筒用于固定光學(xué)強電場傳感器；滾筒與尼龍滾珠軸承之間墊有套管，用以加強配合，提高傳動效率；葉片共有兩組，通過滾筒兩側(cè)的插槽插入滾筒中；相應(yīng)配有兩組氣嘴，氣嘴與基座相固連，流經(jīng)節(jié)流閥的氣流被引入旋轉(zhuǎn)裝置中。
[0019]正常工況下，按照控制信號的規(guī)律，氣流依次地從左右氣嘴中通入，對葉片產(chǎn)生順時針或逆時針的轉(zhuǎn)矩，葉片帶動套筒旋轉(zhuǎn)，四棱固膠固定于套筒內(nèi)的基于共路干涉的集成電場傳傳感器也隨之旋轉(zhuǎn)。
[0020]電場傳感器的輸入輸出通過傳導(dǎo)光纖由滾筒的雙側(cè)引出，一側(cè)通過輸入保偏光纖接收一束激光，一側(cè)輸出經(jīng)過電場調(diào)制的光信號。在電場傳感器內(nèi)部，激光源出射的激光，經(jīng)過起偏器后，形成偏振方向為45度角的線偏振光，光的電矢量方向代表其主要偏振方向。電矢量相對于晶體快慢軸，可正交分解為兩個方向相互垂直，振動幅值近似相等的分量。因此可認為入射線偏振光在晶體內(nèi)被分解成兩束沿晶體快軸和慢軸的線偏振光分量，沿直波導(dǎo)在鈮酸鋰晶體的Y軸傳播。傳感器中的天線感應(yīng)Z方向待測電場信號，產(chǎn)生一個電位差，該電位差通過傳感器上的調(diào)制電極，改變鈮酸鋰晶體快軸和慢軸的折射率，從而改變沿快軸和慢軸傳播的兩個偏振分量的相位，保偏光纖的快軸和晶體快軸成45度角，耦合于直波導(dǎo)的出射端，將帶有電場信息的光信號通入探測器中。探測器通過保偏光纖接收干涉后的光信號，將光功率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。
[0021]在滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，傳感器感受到的電場為以旋轉(zhuǎn)頻率為頻率，直流分量為幅值的交變電場。通過對交變電壓幅值的測量，可以得到交變電場場強幅度的測量值，最終得到外界直流電場的場強測量值。
[0022]本發(fā)明測量系統(tǒng)的一個實施例中，使用的電磁換向閥，由上海新益氣動有限公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號為QVT307系列24VDC兩位三通電磁閥。使用的電場傳感器為基于共路干涉的集成光學(xué)強，授權(quán)專利號為201210348311.8，由清華大學(xué)制造。使用的探測器由Agilent公司生產(chǎn)，產(chǎn)品型號為11982A LIGHTWAVE CONVERTER)，使用的套管材料采用聚四氟乙烯。
【權(quán)利要求】
1.一種用于直流電場場強測量的光學(xué)測量系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)測量系統(tǒng)包括直流電源、信號發(fā)生器、信號驅(qū)動電路、電磁換向閥、第一節(jié)流閥、第二節(jié)流閥、交流電源、電動氣泵、激光源、旋轉(zhuǎn)裝置、電場傳感器和探測器；所述的直流電源和信號發(fā)生器分別與信號驅(qū)動電路相連；所述的交流電源通過信號線與所述的電動氣泵的輸入端相連，電動氣泵的輸出端通過輸氣管道與電磁換向閥的進氣端相連，電磁換向閥的兩個出氣端分別與第一節(jié)流閥的進氣端和第二節(jié)流閥的進氣端相連；所述的激光源通過保偏光纖與所述的電場傳感器的信號輸入端相連，電場傳感器的信號輸出端通過保偏光纖與所述的探測器相連；所述的第一節(jié)流閥的出氣端和第二節(jié)流閥的出氣端分別與旋轉(zhuǎn)裝置外壁上的左進氣口和右進氣口相連；所述的旋轉(zhuǎn)裝置由兩個滾珠軸承、套管、滾筒和多個葉片組成，所述的兩個滾珠軸承置于旋轉(zhuǎn)裝置基座兩端的軸承座上，所述的滾珠軸承、套管和滾筒依次由外到內(nèi)同軸安裝，所述的電場傳感器置于滾筒內(nèi)；所述的多個葉片分成兩組，兩組葉片分別沿圓周均布固定在滾筒的兩側(cè)。
【文檔編號】G01R29/12GK104502733SQ201410830714
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月26日
【發(fā)明者】曾嶸, 崔曉帆, 俞俊杰, 汪海 申請人:清華大學(xué)