РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ

(19) RU (11) 2 858 824 (13) C1 (51) МПК G01R 15/22 (2006.01)

(54) Волоконно-оптический измеритель напряжения

Изобретение относится к технике оптикоэлектронных измерений, в частности к способам и устройствам для измерения напряжения переменных электрических полей с помощью волоконно-оптических датчиков, включая датчики в волоконно-оптическом и интегральном исполнении (брэгговские структуры), у которых существует зависимость смещения по длине волны их спектральной, как правило, резонансной характеристики, в зависимости от напряжения приложенного переменного электрического поля.

Известны способы измерения параметров электрического поля, основанные на электрострикционном преобразовании изменения электрических величин в сдвиг центральной длины волны волоконной брэгговской решетки (патенты: US9977056, опубл. 22.05.2018, RU2715347, опубл. 26.02.2020).

Волоконно-оптический измеритель напряжения по патенту US9977056 основанный на применении волоконной брэгговской решетки, содержит последовательно включенные узкополосный источник лазерного излучения, устройство оптической развязки, измерительную волоконную брэгговскую решетку и фотоприемник. Центральная длина волны узкополосного источника совпадает с брэгговской длиной волны решетки или находится на ее склоне. При смещении спектрального профиля ВБР под воздействием электрического напряжения происходит изменение интегральной мощности, отраженной на фотоприемник, затем анализируется амплитуда продетектированного сигнала, по которой определяется напряжение. Недостатками данного устройства являются: необходимость жесткой термостабилизации измерительной ВБР, так как отклонение ее центральной длины волны при воздействии температуры приведет к расстройке калибровочной характеристики устройства ввиду нелинейности профиля решетки или падению мощности отраженного излучения вплоть до полной потери сигнала; низкое отношение сигнал-шум измерений, ввиду того, что на выходе фотоприемника анализируется амплитуда изменяющейся составляющей на частоте 50 Гц (при измерении сетевого напряжения), лежащая в области максимальных шумов фотоприемника.

Наиболее близким аналогом предлагаемого технического решения, выбранным в качестве прототипа, является волоконно-оптический измеритель напряжения по патенту RU2715347. Согласно этому методу, волоконно-оптический измеритель напряжения содержит источник лазерного излучения, формирователь двухчастотного зондирующего излучения, устройство оптической развязки, первый чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки, второй чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки, волоконный коммутатор и микропроцессорный блок управления и измерения напряжения, вход которого подключен к выходу фотоприемника. Сформированный сигнал, через устройство оптической развязки поступает в волоконно-оптический световод и через волоконно-оптический коммутатор поступает на размещенные в измерительной камере первый чувствительный элемент на основе ВБР, находящийся под влиянием электрического поля и второй чувствительный элемент на основе ВБР, не находящийся под влиянием электрического поля. Фотоприемник осуществляет оптоэлектронное преобразование двухчастотного оптического излучения в радиочастотный сигнал биений на разностной частоте между компонентами двухчастотного лазерного излучения, которая содержит при отражении от первого чувствительного элемента составляющую на частоте переменного электрического поля и составляющую, соответствующую изменению длины волны ВБР от температуры, а от второго чувствительного элемента только от изменения температуры. Недостатками данного устройства являются: температурная компенсация первого чувствительного элемента осуществляется путем применения второго чувствительного элемента на идентичной волоконной брэгговской решетке, периодически подключаемой для получения сигнала компенсации к схеме измерений с помощью волоконно-оптического коммутатора; несмотря на то что сама чувствительная часть датчика волоконная, формирователь двухчастотного зондирующего излучения содержит электрооптические элементы.

Техническая задача заявляемого изобретения заключается в повышении точности измерения напряжения переменного электрического поля.

Технический результат – создание волоконно-оптического измерителя напряжения с высокой точностью измерения напряжения переменного электрического поля.

Технический результат достигается тем, что в волоконно-оптический измеритель напряжения, содержащий источник лазерного излучения, выполненный как источник широкополосного лазерного излучения, первое устройство оптической развязки, первый выход которого соединен с первым волоконно-оптическим световодом, чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки, установленный в измерительной камере так, чтобы находиться под действием ненулевой составляющей напряжения измеряемого электрического поля, последовательно соединенные фотоприемник и микропроцессорный блок управления и измерения напряжения, вход которого подключен к выходу фотоприемника, первый выход – ко входу управления температурой лазера, второй выход – ко входу управления длиной волны излучения лазера, дополнительно введены многокомпонентная адресная волоконная брэгговская структура волнового типа, второе устройство оптической развязки и второй волоконно-оптический световод, при этом многокомпонентная адресная волоконная брэгговская структура волнового типа установлена в измерительной камере так, чтобы находиться под действием нулевой составляющей напряжения измеряемого электрического поля и соединена с выходом первого волоконно-оптического световода, вход второго устройства оптической развязки соединен со вторым выходом первого устройства оптической развязки, первый выход которого через второй волоконно-оптический световод соединен с чувствительным элементом на основе волоконной брэгговской решетки, а второй – со входом фотоприемника.

Устройство согласно заявляемому изобретению выполнено с использованием оптического датчика на основе волоконной брэгговской решетки (ВБР).

Принцип работы оптического измерителя с использованием ВБР заключается в следующем.

При прохождении широкополосного лазерного излучения через оптическое волокно с чувствительным элементом на ВБР определенная часть его отражается в зависимости от спектральной характеристики ВБР.

Температурное и механическое воздействие (например, электрострикция) на ВБР (растяжение или сжатие) приводит к изменению интервала между штрихами периодической структуры решетки, что влечет за собой изменение положения центральной длины волны ВБР. Растяжение ВБР приводит к увеличению центральной длины волны отраженного сигнала по сравнению с ВБР в невозмущенном состоянии, сжатие, в свою очередь, приводит к уменьшению центральной длины волны отраженного сигнала. Сам профиль отраженного сигнала не меняется, происходит лишь его сдвиг по длине волны в сторону увеличения (растяжение/нагрев) или уменьшения (сжатие/охлаждение) центральной длины волны. Величина периода ВБР в невозмущенном состоянии является главной ее характеристикой, которая задается в момент создания ВБР и является калибровочной. Абсолютная величина центральной длины волны не имеет большого значения, важным является лишь изменение центральной длины волны относительно невозмущенного состояния.

В заявляемом изобретении для повышения точности измерения электрического переменного напряжения с использованием ВБР предложено использование многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структуры волнового типа (АВБС). Каждая ВБР соединяет основную моду волокна со встречно распространяющейся основной модой на своей длине волны брэгговского резонанса. При прохождении широкополосного лазерного излучения через оптическое волокно с чувствительным элементом на АВБС определенная часть лазерного излучения проходит в зависимости от длин волн брэгговского резонанса АВБС. В итоге формируется отраженный спектр, являющийся зондирующим излучением. Сформированный отраженный спектр передается к чувствительному элементу и по изменению амплитуды результирующего отраженного излучения можно судить о величине напряжения переменного электрического поля. При этом доля отраженного лазерного излучения соответственно увеличивается или уменьшается с частотой изменения переменного электрического поля, а его амплитуда зависит от величины приложенного поля.

Также повышение точности измерений достигается за счет температурной компенсации, основанной на использовании АВБС, находящегося в зоне измерения, но измеряющей только температуру, поскольку он установлен так, что переменное электрическое поле на него не действует. Температурное воздействие на АВБС приводит к изменению интервала между штрихами периодической структуры решеток, что влечет за собой изменение положения центральных длин волн ВБР относительно длины волны излучения лазера. Растяжение АВБС приводит к увеличению длин волн брэгговского резонанса по сравнению с АВБС в невозмущенном состоянии, сжатие, в свою очередь, приводит к уменьшению длин волн брэгговского резонанса. Сам профиль спектра АВБС не меняется, происходит лишь его сдвиг по длине волны в сторону увеличения или уменьшения длин волн брэгговского резонанса. Вследствие температурного воздействия, при равных значениях температурной чувствительности АВБС и чувствительного элемента на ВБР, амплитуда результирующего отраженного излучения останется неизменной, так как температурный сдвиг длин волн брэгговского резонанса АВБС будет равен температурному сдвигу чувствительного элемента на ВБР. Анализ сигнала производится в микропроцессорном блоке управления и измерения напряжения на частотах биений между компонентами зондирующего излучения, лежащих в радиочастотном диапазоне, с нулевой составляющей сигнала на частоте 50 Гц, поскольку он установлен так, что на него не действует переменное напряжение электрического поля, например, ортогонально его силовым линиям.

Осуществление изобретения

Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг.1.

На фиг.2 и фиг.3 представлены графики, иллюстрирующие ситуационное взаимное расположение ВБР и АВБС.

Волоконно-оптический измеритель напряжения (фиг.1) содержит источник широкополосного лазерного излучения 1, первое устройство оптической развязки 2, первый выход которого соединен с первым волоконно-оптическим световодом 3, выход которого соединен с многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структурой волнового типа 4, установленной в измерительной камере 8 так, чтобы находиться под воздействием нулевой составляющей электрического поля, а второй – со входом второго устройства оптической развязки 5, первый выход которого соединен со вторым волоконно-оптическим световодом 6, выход которого соединен с чувствительным элементом на основе волоконной брэгговской решетки 7, установленным в измерительной камере 8 так, чтобы находиться под действием ненулевой составляющей напряжения измеряемого электрического поля, а второй – с входом фотоприемника 9, выход которого соединен с микропроцессорным блоком управления и измерения напряжения 10, первый выход которого соединен к входу управления температурой лазера 1, а второй выход – к входу управления длиной волны излучения лазера 1.

Исключение влияния колебаний температуры на показания достигается за счет присутствия в составе волоконно-оптического измерителя напряжения многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структуры волнового типа 4, предназначенного для формирования отраженного спектра, являющимся зондирующим излучением и температурной компенсации, и не подверженного влиянию электрического поля. Это обеспечено за счет размещения многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структуры волнового типа 4 параллельно обкладкам. Амплитуда результирующего отраженного излучения остается неизменной, так как температурный сдвиг длин волн брэгговского резонанса многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структуры волнового типа 4, при равных значениях температурной чувствительности многокомпонентной адресной волоконной брэгговской структуры волнового типа 4 и чувствительного элемента на основе волоконной брэгговской решетки 7, равен температурному сдвигу чувствительного элемента на основе волоконной брэгговской решетки 7.

Устройства оптической развязки 2 и 5 можут быть выполнены по схемам оптического циркулятора или сплиттера.

Канал детектирования оптического излучения содержит последовательно соединенные фотоприемник 9 и микропроцессорный блок управления и измерения напряжения 10 для определения параметров переменного напряжения электрического поля.

Устройство работает следующим образом:

Для измерения электрических величин, источник широкополосного лазерного излучения 1 формирует широкополосное оптическое излучение, поступающее на вход первого устройства оптической развязки 2, с первого выхода первого устройства оптической развязки 2 через первый волоконно-оптический световод 3 излучение поступает на размещенную в измерительной камере 8 многокомпонентную адресную волоконную брэгговскую структуру волнового типа 4, не находящуюся под влиянием электрического поля, но подверженную температурному воздействию, формируя тем самым отраженный спектр, который через второй выход первого устройства оптической развязки 2 поступает на вход второго устройства оптической развязки 5, с первого выхода второго устройства оптической развязки 5 через второй волоконно-оптический световод 6 излучение поступает на размещенную в измерительной камере 8 чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки 7, находящийся под влиянием электрического поля и подверженный температуре. Результирующий отраженный спектр через второй выход второго устройства оптической развязки 5 поступает на фотоприемник 9, который осуществляет оптоэлектронное преобразование оптического излучения в радиочастотный сигнал. По полученным значениям и заложенным в микропроцессорном блоке управления и измерения напряжения 10 калибровочным зависимостям амплитуд биений от напряжения переменного электрического поля однозначно определяется величина приложенного напряжения переменного электрического поля.

На фиг.2 изображено взаимодействие АВБС с ВБР: без воздействия электрической величины (E=0) и находящейся под воздействием электрической величины (E>>0). Пунктирными линиями обозначены спектры отраженных результирующих сигналов.

На фиг.3 изображено взаимодействие АВБС с ВБР: без воздействия температуры (Δt=0) и находящейся под температурным воздействием (Δt>0). Пунктирными линиями обозначены спектры отраженных результирующих сигналов.

Устройство может быть использовано как для измерения переменных электрических величин, так и постоянных.

Таким образом, заявляемое решение позволяет повысить точность измерения напряжения переменного электрического поля за счет того, что за счет применения источника широкополосного лазерного излучения и адресной волоконной брэгговской структуры отпадает нужда в коммутации по времени и применении электрооптических элементов.

Формула изобретения

Волоконно-оптический измеритель напряжения, содержащий источник лазерного излучения, первое устройство оптической развязки, первый выход которого соединен с первым волоконно-оптическим световодом, чувствительный элемент на основе волоконной брэгговской решетки, установленный в измерительной камере так, чтобы находиться под действием ненулевой составляющей напряжения измеряемого электрического поля, последовательно соединенные фотоприемник и микропроцессорный блок управления и измерения напряжения, вход которого подключен к выходу фотоприемника, первый выход - к входу управления температурой лазера, второй выход - к входу управления длиной волны излучения лазера, отличающийся тем, что лазерный излучатель выполнен как источник широкополосного лазерного излучения и соединен со входом первого устройства оптической развязки, введены многокомпонентная адресная волоконная брэгговская структура волнового типа, второе устройство оптической развязки и второй волоконно-оптический световод, при этом многокомпонентная адресная волоконная брэгговская структура волнового типа установлена в измерительной камере так, чтобы находиться под действием нулевой составляющей напряжения измеряемого электрического поля, и соединена с выходом первого волоконно-оптического световода, вход второго устройства оптической развязки соединен со вторым выходом первого устройства оптической развязки, первый выход которого через второй волоконно-оптический световод соединен с чувствительным элементом на основе волоконной брэгговской решетки, а второй - со входом фотоприемника.