[發明專利]旋轉式光學電場傳感器及其測定電場方法

有效

• 申請號: 201810380481.1
• 申請日: 2018-04-25
• 公開（公告）號: CN108693413B
• 公開（公告）日: 2023-09-19
• 發明（設計）人: 李巖松;劉君
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G01R29/12
• 分類號: G01R29/12
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

1.一種旋轉式光學電場傳感器測量電場及電壓的方法，其特征在于，旋轉式光學電場傳感器包括沿光路傳輸方向依次連接的激光二極管驅動器(1)、激光二極管(2)、光學電場傳感頭(10)、光電探測器(11)；其中，光學電場傳感頭(10)包括依次封裝在由絕緣材料制成的傳感頭殼體中的第一準直器(3)、起偏器(4)、四分之一波片(5)、電光傳感晶體(6)、檢偏器(7)、第二準直器(8)；光電轉速傳感器(9)放置于光學電場傳感頭(10)的一端，與所述旋轉式光學電場傳感器分別連接至信號處理系統(15)，所述信號處理系統(15)包括依次連接的模擬信號數據采集系統(12)、濾波單元(13)、電壓信號處理單元(14)；

所述光學電場傳感頭(10)放置在與待測電場方向垂直的平面內，光學電場傳感頭(10)在電動機(28)的帶動下，以光路傳輸方向為旋轉軸旋轉；

旋轉式光學電場傳感器測量電場及電壓的方法包括以下步驟：

1)旋轉式光學電場傳感器通過金屬感應極板感應待測電場強度，并將其施加到電光傳感晶體(6)兩側蒸發的金屬層上；

2)激光二極管驅動器(1)以恒定電流或恒定功率模式工作，驅動激光二極管(2)輸出高穩定的直流光強，光信號經過旋轉的光學電場傳感頭(10)后到達光電探測器(11)；

3)光電探測器(11)將輸入的光信號轉換為電信號后送到信號處理系統(15)；光電轉速傳感器(9)通過反射原理測量旋轉式傳感頭(10)的轉速，并將測量的信號輸入信號處理系統(15)，

4)模擬信號數據采集系統(12)接收從光電探測器(11)和光電轉速傳感器(9)傳輸的模擬信號，并轉換為數字信號傳送給濾波單元(13)；

5)濾波單元(13)濾除信號中的隨機噪聲，并將信號傳遞到電壓信號處理單元(14)，分離出交流分量和直流分量，得到調制量及電場強度；

濾波單元(13)依據擴展卡爾曼濾波算法濾除信號中的隨機噪聲，具體方法如下：

式中，Z_k為模擬信號數據采集系統輸出的數據；h_k(X)為觀測函數，H_k為參數矩陣；A為狀態轉移矩陣；為每次循環計算之前的狀態量，為每次循環計算之后的狀態量；w和v分別為零均值、互不相干的白噪聲，Q和R分別為w和v的協方差，Q和R的取值范圍為0～1；I為一個單位矩陣；

當測量直流電場時：

X_k＝[X₁,X₂,X₃,X₄]^T

A為4階單位陣

當測量交流電場時：

X_k＝[X₁,X₂,X₃,X₄,X₅,X₆]^T

H＝[H_1k,H_2k,H_3k,H_4k,H_5k,H_6k]

A為6階單位陣

其中，H_1k＝cos(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_2k＝sin(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_3k＝1，H_4k＝2πkT_s(-X_1kH_1k+X_2kH_2k-X_5kH_5k+X_6kH_6k)；H_5k＝cos(2πkT_s(f₀+X_4k))，H_6k＝sin(2πkT_s(f₀+X_4k))；

式中，k為模擬信號數據采集系統的采樣時間，T_s為采樣間隔；f₀為待測交流電場頻率。

2.根據權利要求1所述的一種旋轉式光學電場傳感器測量電場及電壓的方法，其特征在于，電壓信號處理單元(14)計算電場強度的方法為：

I_DC＝X₃

E＝K_E(I_AC/I_DC)

式中，E為待測電場的電場強度，K_E為電壓設定比例系數；X₄為旋轉式光學電場傳感器傳感頭的轉動頻率。