基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器的制造方法
【專利摘要】基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，屬于電壓傳感器測量領(lǐng)域。解決了現(xiàn)有電壓傳感器測量精度低和動態(tài)測量范圍窄的問題。它的接地電極和高壓電極鏡像相對設(shè)置，接地電極通過夾固器件與絕緣裝置固定連接，高壓電極與調(diào)節(jié)螺栓螺紋連接，調(diào)節(jié)螺栓通過夾固器件與絕緣裝置固定連接，等應(yīng)變梁通過固定塊與絕緣裝置固定連接，且等應(yīng)變梁位于接地電極和高壓電極之間，等應(yīng)變梁的兩個側(cè)面分別粘貼有1號FBG和2號FBG，且1號FBG和2號FBG鏡像對稱，1號FBG與高壓電極相對，2號FBG與接地電極相對，等應(yīng)變梁的一個側(cè)面的自由端還粘貼有導(dǎo)體半球，且導(dǎo)體半球與1號FBG位于等應(yīng)變梁的同一側(cè)。它應(yīng)用在電壓測量領(lǐng)域。
【專利說明】基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電壓傳感器測量領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002] 靜電電壓測量在高電壓的測量中起著非常重要的作用。目前高電壓測量傳統(tǒng)的使 用方法有：電阻分壓器的直流高壓測量方法、阻容分壓的交流高壓測量方法和靜電電壓表 的交直流高壓測量方法。相對于電阻分壓和阻容分壓的測量方法，在測量過程中靜電電壓 表有著極大的內(nèi)阻抗，不會影響到高壓輸入端，在高電壓測量中有著不可替代的作用。傳統(tǒng) 非接觸式靜電電壓表主要有振動電容式、旋轉(zhuǎn)葉片式、直接感應(yīng)式等幾種，振動電容式存在 工藝復(fù)雜成本較高，旋轉(zhuǎn)葉片式存在機械磨損影響測量精度，直接感應(yīng)式存在讀數(shù)無法直 接轉(zhuǎn)換成電量進入自動測試系統(tǒng)的問題，同時基于電信號輸出的測試儀器信號傳輸存在著 高壓電場下被干擾的問題。鑒于傳統(tǒng)靜電電壓表測量方法的諸多缺點，人們一直在尋求安 全可靠、性能優(yōu)越的新方法。
[0003] 國外首先興起高壓靜電測量的研究，從結(jié)構(gòu)上突破了傳統(tǒng)的靜電電壓表。較早出 現(xiàn)的有應(yīng)變計式靜電電壓表，近來有現(xiàn)場磨式直流高壓靜電計等。此類靜電電壓表都有較 好的測量范圍和測量精度，但是應(yīng)變計式電壓表制備困難，而現(xiàn)場磨式靜電計有機械旋轉(zhuǎn) 部件，涉及到壽命和可靠性問題。光學(xué)電壓測量的方法具有測量靈敏度高、抗干擾能力強等 優(yōu)點，是非常有潛能的高壓測量解決方案。現(xiàn)有報道中采用光學(xué)方法測量電壓的有以下三 類，第一類是利用瑪赫-澤德干涉儀原理設(shè)計的電場傳感器，此類傳感器可獲得較高的測 量精度，但其結(jié)構(gòu)中需要引入?yún)⒖急酃饫w，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題。第二類是使用壓電陶瓷的電 壓傳感器，此類傳感器存在電滯現(xiàn)象。第三類是利用光學(xué)晶體的逆壓電效應(yīng)設(shè)計的傳感器， 此類傳感器加工工藝復(fù)雜，光學(xué)系統(tǒng)的封裝困難。以上光學(xué)測量方法都是利用光電子技術(shù) 和光纖傳感技術(shù)來實現(xiàn)高電壓信號的測量，但是由于制備困難、受外部條件影響造成了傳 感器工作不穩(wěn)定，這者β會影響電壓測量效果，F(xiàn)BG是Fiber Bragg Grating的縮寫，即光纖 布拉格光柵。 實用新型內(nèi)容
[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有電壓傳感器測量精度低和動態(tài)測量范圍窄的問題，本發(fā)明 提供了一種基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器。
[0005] 基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，它包括導(dǎo)體半球、1號FBG、2號FBG、 固定塊、等應(yīng)變梁、高壓電極、絕緣裝置、接地電極和調(diào)節(jié)螺栓；
[0006] 接地電極和高壓電極鏡像相對設(shè)置，且接地電極和高壓電極之間的垂直距離d，d 的范圍為20mm至50mm，
[0007] 接地電極的引出端通過夾固器件與絕緣裝置固定連接，高壓電極的引出端與調(diào)節(jié) 螺栓螺紋連接，調(diào)節(jié)螺栓通過夾固器件與絕緣裝置固定連接，
[0008] 等應(yīng)變梁采用聚酯板實現(xiàn)，等應(yīng)變梁通過固定塊與絕緣裝置固定連接，且等應(yīng)變 梁位于接地電極和高壓電極之間，等應(yīng)變梁的兩個側(cè)面分別粘貼有1號FBG和2號FBG，且 1號FBG和2號FBG鏡像對稱，1號FBG與高壓電極相對，且之間留有間隙，2號FBG與接地 電極相對，且之間留有間隙，
[0009] 等應(yīng)變梁的一個側(cè)面的自由端還粘貼有導(dǎo)體半球，該導(dǎo)體半球為封閉的空心導(dǎo)體 半球，且導(dǎo)體半球與1號FBG位于等應(yīng)變梁的同一側(cè)。
[0010] 所述的等應(yīng)變梁為等腰三角形平板結(jié)構(gòu)，該等腰三角形的底邊通過固定塊與絕緣 裝置固定連接。
[0011] 所述的等應(yīng)變梁與高壓電極之間的垂直距離為25mm至40mm。
[0012] 所述的等應(yīng)變梁與接地電極之間的垂直距離為25mm至10mm。
[0013] 所述的高壓電極的放電端面覆蓋導(dǎo)體半球和1號FBG。
[0014] 所述的接地電極的放電端面覆蓋2號FBG。
[0015] 所述的d的范圍為25mm至40mm。
[0016] 所述的1號FBG和2號FBG的放電端面的直徑均為130mm。
[0017] 所述的高壓電極和接地電極結(jié)構(gòu)完全相同。
[0018] 原理分析：
[0019] 當(dāng)高壓電極和接地電極之間施加電壓U后，在高壓電極和接地電極之間形成了均 勻電場，空心導(dǎo)體半球在靜電力F的作用下，驅(qū)動等應(yīng)變梁受力產(chǎn)生變形，根據(jù)電動力學(xué)可 得該靜電力F的大小為
[0020] F=^R2E^ (公式 1)，
[0021] 其中，E。為均勻電場的強度，為空氣的介電常數(shù)，R為導(dǎo)體半球的半徑；
[0022] 高壓電極與接地電極間距為d時，公式1變形為
[0023] F = 9πε^ν ' (公式 2)， Act
[0024] FBG可看為光纖纖芯內(nèi)形成的反射鏡，對入射到光柵上的部分光波進行反射，其反 射的波長可表示為
[0025] λΒ = 2neffA (公式 3)
[0026] 式中Λ為光柵周期，n#是光柵波導(dǎo)的有效折射率，二者均是溫度和應(yīng)變的函數(shù)。 當(dāng)不考慮FBG的溫度與應(yīng)變耦合作用時，由溫度和應(yīng)變引起的FBG中心波長漂移量為
[0027] ^ = {α + ζ)ΑΤ + {\-Ρ<)ε (公式 4)
[0028] 其中，Λ Τ為溫度靈敏度系數(shù)，α和ζ分別為光纖材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù)。 ε為FBG的應(yīng)變系數(shù)，為有效彈光系數(shù)，在Si纖介質(zhì)中，約為0. 22。
[0029] 設(shè)1號FBG和2號FBG的中心波長分別為λ i和λ 2,1號FBG和2號FBG的應(yīng)變 系數(shù)分別為￡1和ε2，
[0030] 當(dāng)1號FBG和2號FBG的溫度靈敏度系數(shù)Λ Τ和應(yīng)變系數(shù)大小均一致時，設(shè)λ i = λ2= λΒ，同時，在等應(yīng)變梁在變形的過程中，有ε? = -ε2 = ε，
[0031] 根據(jù)公式4可得
[0032] δ λ = Δλ「Δλ2 = 2λΒ (l_Pe) ε (公式 5)
[0033] Λ λ i為1號FBG的中心波長漂移量、Λ λ 2為2號FBG的中心波長漂移量，
[0034] 由于FBG對溫度和應(yīng)變同時敏感，公式5可消除溫度對傳感器的影響，實現(xiàn)傳感器 的溫度自補償，
[0035] 根據(jù)彈性力學(xué)原理，等應(yīng)變梁的自由端受靜電力F作用時，應(yīng)變系數(shù)ε記為，
[0036] e = -^TrF (公式 6) Lbhr
[0037] 式中，E為楊氏模量，L為應(yīng)變梁長度，b為應(yīng)變梁固定端寬度，h為應(yīng)變梁厚度。
[0038] 將公式2和公式6代入公式5可得到
[0039] δλ = 2?π^~Ρ^Α^ a'''-U2 (公式 7) Ebfrct
[0040] 由公式7可得：當(dāng)1號FBG和2號FBG中心波長漂移量差值δ λ確定時，通過上 式可求得電壓U，即可實現(xiàn)基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器對電壓測量。
[0041] 對本實用新型所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器進行實驗，結(jié)構(gòu) 參數(shù)如表1 :
[0042] 表 1
[0043] ^ 參數(shù) 值 d/mm 20 Z/mm 160 ?/mm 36 h/mm 0.2 i^/mm 9
[0044] 實驗過程中，采用精密直流高壓電源作為對高壓電極的電壓輸入裝置，從0V開 始，通過調(diào)節(jié)器給高壓電極施加直流電壓，每增加300V記錄下施加的電壓值和對應(yīng)電壓下 1號FBG和2號FBG的輸出光譜數(shù)據(jù)，直至高壓電極開始放電現(xiàn)象，記錄下開始放電時電壓 為24600V，從而確立了基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器的最高測量電壓。
[0045] 再次實驗時，以300V的間隔增加至24000V停止施加電壓；然后，再以300V的間隔 遞減進行實驗，同時記錄實驗電壓和1號FBG及2號FBG的輸出光譜數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗施加 的電壓和測量的1號FBG及2號FBG波長值，可以得到不同電壓下1號FBG及2號FBG的 輸出光譜圖，如圖3至圖6所示。
[0046] 從圖3至圖6可以看出，隨著施加電壓的增加，1號FBG的光譜向右發(fā)生偏移，2號 FBG的光譜向左發(fā)生偏移，其偏移程度隨電壓而遞增。
[0047] 當(dāng)電壓為0V時，如圖3所示，1號FBG及2號FBG的中心波長為1549. 980nm，中心 波長漂移量差值S λ基本為〇，
[0048] 電壓為10kV時，如圖4所示，1號FBG與2號FBG的中心波長漂移量差值δ λ為 246pm，
[0049] 電壓為24kV時，如圖5所示，1號FBG與2號FBG的中心波長漂移量差值δ入最 大為 1380pm，
[0050] 如圖6所不，不同電壓時，1號FBG與2號FBG的輸出光譜。
[0051] 本發(fā)明帶來的有益效果是，本實用新型所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電 壓傳感器的靜電電壓的動態(tài)測量范圍為〇至20kV，測量精度小于3%。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052] 圖1為本實用新型所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器原理示意 圖；
[0053] 圖2為【具體實施方式】一中所述的等應(yīng)變梁與導(dǎo)體半球、1號FBG、2號FBG及固定塊 之間的位置關(guān)系示意圖；
[0054] 圖3為精密直流高壓電源輸出的電壓為0V時，1號FBG與2號FBG輸出的光譜曲 線圖，其中，曲線19為2號FBG輸出的光譜曲線，曲線18為1號FBG輸出的光譜曲線；
[0055] 圖4為精密直流高壓電源輸出的電壓為10kV時，1號FBG與2號FBG輸出的光譜 曲線圖，其中，曲線21為2號FBG輸出的光譜曲線，曲線20為1號FBG輸出的光譜曲線；
[0056] 圖5為精密直流高壓電源輸出的電壓為24kV時，1號FBG與2號FBG輸出的光譜 曲線圖，其中，曲線23為2號FBG輸出的光譜曲線，曲線22為1號FBG輸出的光譜曲線；
[0057] 圖6為精密直流高壓電源輸出不同電壓時，1號FBG與2號FBG輸出的光譜曲線 圖。

【具體實施方式】

【具體實施方式】 [0058] 一：參見圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述的基于等應(yīng)變 梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，它包括導(dǎo)體半球1、1號FBG2、2號FBG3、固定塊4、等應(yīng)變 梁5、高壓電極6、絕緣裝置7、接地電極8和調(diào)節(jié)螺栓9 ;
[0059] 接地電極8和高壓電極6鏡像相對設(shè)置，且接地電極8和高壓電極6之間的垂直 距離d，d的范圍為20mm至50mm,
[0060] 接地電極8的引出端通過夾固器件與絕緣裝置7固定連接，高壓電極6的引出端 與調(diào)節(jié)螺栓9螺紋連接，調(diào)節(jié)螺栓9通過夾固器件與絕緣裝置7固定連接，
[0061] 等應(yīng)變梁5采用聚酯板實現(xiàn)，等應(yīng)變梁5通過固定塊4與絕緣裝置7固定連接， 且等應(yīng)變梁5位于接地電極8和高壓電極6之間，等應(yīng)變梁5的兩個側(cè)面分別粘貼有1號 FBG2和2號FBG3,且1號FBG2和2號FBG3鏡像對稱，1號FBG2與高壓電極6相對，且之間 留有間隙，2號FBG3與接地電極8相對，且之間留有間隙，
[0062] 等應(yīng)變梁5的一個側(cè)面的自由端還粘貼有導(dǎo)體半球1，該導(dǎo)體半球1為封閉的空心 導(dǎo)體半球，且導(dǎo)體半球1與1號FBG2位于等應(yīng)變梁5的同一側(cè)。
[0063]

【具體實施方式】二：本實施方式與【具體實施方式】一所述的基于等應(yīng)變梁的光纖 Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的等應(yīng)變梁5為等腰三角形平板結(jié)構(gòu)，該等腰三角 形的底邊通過固定塊4與絕緣裝置7固定連接。

【具體實施方式】 [0064] 三：本實施方式與二所述的基于等應(yīng)變梁的光纖 Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的等應(yīng)變梁5與高壓電極6之間的垂直距離為 25mm 至 40mm 〇
[0065]

【具體實施方式】四：本實施方式與【具體實施方式】二所述的基于等應(yīng)變梁的光纖 Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的等應(yīng)變梁5與接地電極8之間的垂直距離為 25mm 至 40mm 〇

【具體實施方式】 [0066] 五：本實施方式與一、二、三或四所述的基于等應(yīng)變梁 的光纖Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的高壓電極6的放電端面覆蓋導(dǎo)體半球1 和1號FBG2。
[0067]

【具體實施方式】六：本實施方式與【具體實施方式】一、二、三或四所述的基于等應(yīng)變梁 的光纖Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的接地電極8的放電端面覆蓋2號FBG3。 [0068]

【具體實施方式】七：本實施方式與【具體實施方式】一所述的基于等應(yīng)變梁的光纖 Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的d的范圍為25mm至40mm。

【具體實施方式】 [0069] 八：本實施方式與一、二、三或四所述的基于等應(yīng)變梁 的光纖Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的1號FBG2和2號FBG3的放電端面的直 徑均為130mm。

【具體實施方式】 [0070] 九：本實施方式與一、二、三或四所述的基于等應(yīng)變梁 的光纖Bragg光柵電壓傳感器的區(qū)別在于，所述的高壓電極6和接地電極8結(jié)構(gòu)完全相同。
[0071] 本實用新型所述基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器的結(jié)構(gòu)不局限于上 述各實施方式所記載的具體結(jié)構(gòu)，還可以是上述各實施方式所記載的技術(shù)特征的合理組 合。
【權(quán)利要求】
1. 基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特征在于，它包括導(dǎo)體半球（1)、1號 FBG(2)、2號FBG(3)、固定塊（4)、等應(yīng)變梁（5)、高壓電極（6)、絕緣裝置（7)、接地電極（8) 和調(diào)節(jié)螺栓（9); 接地電極⑶和高壓電極（6)鏡像相對設(shè)置，且接地電極⑶和高壓電極（6)之間的 垂直距離d，d的范圍為20mm至50mm, 接地電極（8)的引出端通過夾固器件與絕緣裝置（7)固定連接，高壓電極（6)的引出 端與調(diào)節(jié)螺栓（9)螺紋連接，調(diào)節(jié)螺栓（9)通過夾固器件與絕緣裝置（7)固定連接， 等應(yīng)變梁（5)采用聚酯板實現(xiàn)，等應(yīng)變梁（5)通過固定塊（4)與絕緣裝置（7)固定連 接，且等應(yīng)變梁（5)位于接地電極（8)和高壓電極（6)之間，等應(yīng)變梁（5)的兩個側(cè)面分別 粘貼有1號FBG (2)和2號FBG (3)，且1號FBG (2)和2號FBG (3)鏡像對稱，1號FBG (2)與 高壓電極（6)相對，且之間留有間隙，2號FBG(3)與接地電極⑶相對，且之間留有間隙， 等應(yīng)變梁（5)的一個側(cè)面的自由端還粘貼有導(dǎo)體半球（1)，該導(dǎo)體半球（1)為封閉的空 心導(dǎo)體半球，且導(dǎo)體半球（1)與1號FBG (2)位于等應(yīng)變梁（5)的同一側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特征在于，所 述的等應(yīng)變梁（5)為等腰三角形平板結(jié)構(gòu)，該等腰三角形的底邊通過固定塊（4)與絕緣裝 置（7)固定連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特征在于，所 述的等應(yīng)變梁（5)與高壓電極（6)之間的垂直距離為25mm至40mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特征在于，所 述的等應(yīng)變梁（5)與接地電極（8)之間的垂直距離為25mm至40mm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特 征在于，所述的高壓電極（6)的放電端面覆蓋導(dǎo)體半球（1)和1號FBG(2)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特 征在于，所述的接地電極（8)的放電端面覆蓋2號FBG(3)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特征在于，所 述的d的范圍為25mm至40mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特 征在于，所述的1號FBG (2)和2號FBG (3)的放電端面的直徑均為130mm。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的基于等應(yīng)變梁的光纖Bragg光柵電壓傳感器，其特 征在于，所述的高壓電極（6)和接地電極（8)結(jié)構(gòu)完全相同。
【文檔編號】G01R19/00GK203909123SQ201420336980
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】張開玉, 趙洪, 楊玉強, 張偉超 申請人:哈爾濱理工大學(xué)