本发明专利技术涉及电压测量领域，具体涉及一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度；本发明专利技术由计算机完成锁相数据处理，最终求解得出待测电压，进而进行存储和显示，本发明专利技术测量灵敏度和精度较高，无运动部件，成本较低，利于工业自动化集成。
【技术实现步骤摘要】
一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法
本专利技术涉及电压测量领域，更具体而言，涉及一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法。
技术介绍
电压测量不仅是电子电路测量的一个重要内容，而且是许多电参量测量的基础。尤其，电压测量在电力系统中具有十分重要的意义，以电压传感器为主的电压传感设备感知被测电压并转换成可用输出信号，在各种自动检测、控制系统中发挥着巨大的应用价值。随着越来越多新技术的发展，电压传感器也得到了长足发展，并被广泛应用。电压传感器能够自动检测电压，进而使我们对电力设备或系统的电压进行显示，并进一步进行控制，必要时采取过电压、欠电压等自动保护措施。常用的电压传感器根据其不同的工作机理和应用范围大致可以分为：电压互感器、霍尔电压传感器以及光电压传感器等几种主要类型。电压互感器与变压器类似，按照一次绕组与二次绕组的比例将输电线路上的高电压降低到可以用仪表直接测量的低电压。电压互感器是发电厂、变电所等输电和供电系统不可缺少设备。但电压互感器需要进行电气隔离，近年来，随着电力系统的发展，传统电压互感器的缺陷越来越明显；霍尔电压传感器基于霍尔效应研制，被广泛应用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域，但互换性较差，输出信号随温度变化，并且线性性差；光学电压传感器以光信号作为载波来加载并测量电压信号，该类型传感器为绝缘结构，具有抗干扰能力强，动态范围大等应用优势。但由于温度稳定性，重复性等问题，使得现有光电压传感器批量生产及商业化应用受到限制。因此，有必要开发新型光电压传装置及电压检测方法，提高光电压传感的稳定度、重复度，以及灵敏度和响应速率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种电气隔离性好、响应快速、高灵敏、大量程和高动态范围的弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及方法为达到上述目的，本专利技术提供的技术方案为：一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，包括检测光源、准直透镜、起偏器、弹光调制器、电光传感元件、检偏器、光电探测器、信号采集和数字锁相模块和计算机；所述信号采集和数字锁相模块包括FPGA(现场可编程逻辑门阵列)和AD信号采集单元，所述光电探测器通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块与控制计算机连接。进一步地，所述电光传感元件采用铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等单轴电光晶体加工制作的y切晶片。进一步地，所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度约为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。进一步地，所述电光传感元件选择以光轴z轴方向通光，消除静态双折射，避免环境温度对电压传感的影响，提高电压传感的长期工作稳定性。一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置的检测方法，包括以下步骤：S1、打开光源，准直后经45°起偏器变为线偏振光，并入射到调制快轴在0°方向上的弹光调制器，经弹光调制作用后，线偏振光的偏振状态以弹光调制器谐振频率实现调制；S2、经弹光调制的偏振光入射电光传感元件，所述电光传感元件通过导线与待测线路连接，在待测电压作用下，依据电光调制原理，电光传感元件对入射光产生相位差；S3、经弹光调制器调制后的偏振光载入电光传感元件的相位差信息，经检偏器后，光电探测器探测到含有电光相位差信息的弹光调制交流信号，交流信号的频率为弹光调制器谐振频率的倍频；S4、所述光电探测器输出的信号经AD信号采集单元采集并传入FPGA中，进行倍频信号的提取，并经USB传入控制计算机中进一步完成待测电压的解调。进一步地，所述弹光调制器的相位调制幅值为1.85rad，使得一阶J1(X0)和二阶J2(X0)贝塞尔系数较大，提高调制光信号的数据处理的信噪比。进一步地，S4中所述倍频信号的提取采用数字锁相技术。进一步地，所述FPGA给弹光调制器LC谐振高压驱动电路提供输入驱动源信号的同时，控制AD信号采集单元的采率和发送ROM中存储的参考信号序列完成数字锁相提取倍频信号，在保证信号处理高精度的同时，使系统驱动控制和数据处理便于集成化和一体化设计。进一步地，所述待测电压的解调具体步骤为：S1、完成数字锁相并提取一倍频项幅值V1f；S2、完成数字锁相并提取二倍频项幅值V2f；S3、求得电光元件由于待测电压引起的相位差：式中X0为弹光调制器的相位调制幅值，J1为1阶贝塞尔级数，J2为2阶贝塞尔级数；S4、求得传感电压：式中λ为入射光在真空中的波长，n0为电光晶体施加电场前的寻常光折射率，γ22为电光晶体的横向电光系数，Ly为电光传感元件在晶体y轴方向上的长度，Lz为电光传感元件在晶体z轴方向上的长度。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术提供了一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置及检测方法，以弹光调制技术为基础，利用弹光调制器调制频率大、纯度高和工作稳定等优势，将待测电压对电光晶体引入的相位差实现快速、高灵敏的探测，进而实现待测电压传感，探测过程无机械调节，系统稳定性好，重复度高，能够实现实时快速的电压传感；电光传感元件选用单轴电光晶体，以光轴方向通光，利用晶体的横向Pockels电光效应实现电压测量，消除了电光晶体静态双折射，提高了电压传感装置的温度稳定性；信号处理基于数字锁相放大技术实现。信号采集和数字锁相均由同一个FPGA控制完成，并且弹光调制器的LC谐振高压驱动电路的输入信号也由FPGA提供，保证了参考信号与调制基频信号同频，同源，提高了信号处理的精度；本专利技术由计算机完成锁相数据处理，最终求解得出待测电压，进而进行存储和显示，本专利技术测量灵敏度和精度较高，无运动部件，成本较低，利于工业自动化集成。附图说明图1为本专利技术提供的一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置结构示意图。图中：1为测光源、2为准直透镜、3为起偏器、4为弹光调制器、5为电光传感元件、6为偏器、7为光电探测器、8为信号采集和数字锁相模块、9为计算机。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：包括检测光源1、准直透镜2、起偏器3、弹光调制器4、电光传感元件5、检偏器6、光电探测器7、信号采集和数字锁相模块8和计算机9；所述信号采集和数字锁相模块8包括FPGA和AD信号采集单元，所述光电探测器7通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器4包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块8与控制计算机9连接。所述电光传感元件5采用单轴电光晶体。所述电光传感元件5采用y切晶片。所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度约为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。所述电光传感元件5选择以光轴z轴方向通光。在本实施例中，选择具有横向晶体Pockels电光效应的铌酸锂LiNbO3本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：包括检测光源(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、弹光调制器(4)、电光传感元件(5)、检偏器(6)、光电探测器(7)、信号采集和数字锁相模块(8)和计算机(9)；所述信号采集和数字锁相模块(8)包括FPGA和AD信号采集单元，所述光电探测器(7)通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器(4)包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块(8)与控制计算机(9)连接。
【技术特征摘要】
1.一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：包括检测光源(1)、准直透镜(2)、起偏器(3)、弹光调制器(4)、电光传感元件(5)、检偏器(6)、光电探测器(7)、信号采集和数字锁相模块(8)和计算机(9)；所述信号采集和数字锁相模块(8)包括FPGA和AD信号采集单元，所述光电探测器(7)通过AD信号采集单元与FPGA连接；所述弹光调制器(4)包括光学头和LC谐振高压驱动电路，所述光学头通过LC谐振高压驱动电路与FPGA连接；所述信号采集和数字锁相模块(8)与控制计算机(9)连接。2.根据权利要求1所述的一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：所述电光传感元件(5)采用单轴电光晶体加工制作的y切晶片。3.根据权利要求2所述的一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：所述y切晶片在y轴主平面上镀制厚度为1μm的金、银、铜或者铝薄膜做为电极，并采用导线连接到待测线路中。4.根据权利要求2所述的一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置，其特征在于：所述电光传感元件(5)选择以光轴z轴方向通光。5.一种弹光调制和电光调制联用的电压传感装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、打开光源(1)，准直后经45°起偏器(3)变为线偏振光，并入射到调制快轴在0°方向上的弹光调制器(4)；S2、经弹光调制的偏振光入射电光传感元件(5)，所述电光传感元件(5)通过导线与待测线路连接，在待测电压作用下，依据电光调制原理，电光传感元件对入射光产生相位差；S3、经弹光调制器调制后的偏振光载入电光传感...
【专利技术属性】
技术研发人员：李克武，王爽，李晓，王志斌，王黎明，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西,14
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