基于啁啾光纖光柵的電壓傳感性能研究

陳 思, 羅志會(huì), 劉 亞, 潘禮慶

(三峽大學(xué) 理學(xué)院, 湖北 宜昌 443002)

引 言

近年來綜合光纖傳感技術(shù)和光電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)電壓測量[1- 8]和電流測量[9- 10]的光纖傳感器相繼出現(xiàn),相比于傳統(tǒng)的傳感器,光纖傳感器具有可靠性高、絕緣性能好、占用空間小、重量輕、靈敏度高、不受磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。

現(xiàn)有的光纖電壓傳感器多采用檢測波長漂移量來獲取電壓值,即是將光纖光柵作為載體,改變光纖光柵所受應(yīng)力大小,使得光柵中心波長產(chǎn)生偏移,利用波長差實(shí)現(xiàn)電壓的測量。張開玉等[11]設(shè)計(jì)了一種基于等應(yīng)變梁的光纖光柵電壓傳感器,通過靜電力使等應(yīng)變梁上的導(dǎo)體半球受力,使得應(yīng)變梁發(fā)生變形,從而導(dǎo)致光柵中心波長發(fā)生變化,實(shí)現(xiàn)電壓測量。鐘麗娜等[12]提出了一種基于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷與光纖光柵相結(jié)合的電壓傳感器,將光柵黏貼在壓電陶瓷上,利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)帶動(dòng)光柵伸縮,采用機(jī)械式光譜儀監(jiān)測波長變化情況。Allil等[5]設(shè)計(jì)了一種用于13.8 kV級電壓的光柵高壓傳感器,研究了電壓和光柵波長變化的關(guān)系。彭李等[13]設(shè)計(jì)了一種基于疊堆型壓電陶瓷的壓電驅(qū)動(dòng)式光纖光柵電流傳感器,通過電流互感器將待測的大電流轉(zhuǎn)換成直流低壓信號(hào)并加載到壓電陶瓷上,將壓電陶瓷的應(yīng)變線性轉(zhuǎn)換成光柵中心反射波長的位移,即可反算出被測大電流。畢衛(wèi)紅等[14]將傳感光纖光柵橫向黏貼在壓電陶瓷上,壓電陶瓷在電壓的作用下產(chǎn)生同頻伸縮,并實(shí)現(xiàn)對光信號(hào)的調(diào)制,通過測量波長的偏移量來獲得被測的電壓。以上這些通過檢測波長漂移量來獲取外界電壓的方法,設(shè)計(jì)復(fù)雜,實(shí)時(shí)性差,不適合現(xiàn)場測試,也沒有對電壓的波形和頻率檢測做深入的研究。

本文提出一種基于啁啾光纖光柵的電壓傳感器,利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使傳感啁啾光柵的波長發(fā)生漂移,通過檢測傳感啁啾光柵和參考啁啾光柵組合反射光功率的變化,獲取被測電壓的幅值和頻率信息?？紤]實(shí)際測量過程中溫度的影響,利用參考啁啾光柵進(jìn)行溫度補(bǔ)償,消除環(huán)境溫度的影響。與此同時(shí),采用直接光強(qiáng)檢測進(jìn)行信號(hào)解調(diào),回避了傳統(tǒng)的波長解調(diào)方案,簡化了傳感系統(tǒng)。

1 工作原理

光纖預(yù)拉伸固定在矩形壓電陶瓷(PZT)正上面,如圖1所示,壓電陶瓷的應(yīng)變有效地傳遞給啁啾光纖光柵1上,制作材料相同的啁啾光纖光柵2作為參考光柵,與啁啾光纖光柵1處于相同的環(huán)境中,且處于非受力狀態(tài),只受溫度的影響。

兩個(gè)啁啾光纖光柵在應(yīng)變和溫度作用下,工作波長的相對漂移量為

(1)

式中:λ1、λ2分別為兩啁啾光纖光柵的中心波長;Δλ1、Δλ2為對應(yīng)的中心波長的漂移量;ΔT1、ΔT2為黏貼處和周圍環(huán)境溫度的變化量;ξ為熱光系數(shù);α為材料的膨脹系數(shù);Pe為彈光系數(shù),對于石英光纖Pe=0.22;εz為光柵的軸向應(yīng)變。

由于兩個(gè)光柵處于相同的環(huán)境中,在不存在溫度梯度時(shí),兩個(gè)光柵的溫度變化量相等,即ΔT1=ΔT2。當(dāng)兩個(gè)光柵的波長相近,且遠(yuǎn)大于兩者波長變化差Δλ時(shí),引入?yún)⒘喀う?=Δλ+Δλ2。式(1)中兩式相減得

Δλ=0.78εzλ1

(2)

在壓電陶瓷上加載電壓,壓電陶瓷會(huì)發(fā)生相應(yīng)的軸向形變,由壓電陶瓷的機(jī)電方程[15]

(3)

式中:ΔL/L為陶瓷元件長度的相對變化量;E為施加到壓電陶瓷電極的電場;dij為壓電應(yīng)變常數(shù);i和j分別為電場強(qiáng)度和機(jī)械位移方向。

壓電陶瓷所加載的電場強(qiáng)度為

(4)

由于光纖的軸向應(yīng)變,波長發(fā)生漂移,兩個(gè)光柵反射譜的包絡(luò)發(fā)生變化,對應(yīng)的反射功率也會(huì)發(fā)生變化。設(shè)反射功率變化量相對波長變化系數(shù)為κ,則壓電陶瓷應(yīng)變引起的功率變化ΔP為

(5)

由式(5)可知,兩啁啾光柵的波長變化與輸入電壓線性相關(guān),且式中不含ΔT項(xiàng),即兩根串聯(lián)啁啾光纖光柵取其波長差的方法可自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示,寬帶光源(ASE)發(fā)出的光經(jīng)過3端口光環(huán)形器1射入FCG1(FCG表示啁啾光纖光柵),在FCG1處反射,反射光經(jīng)過3端口及光環(huán)形器2射入FCG2。當(dāng)壓電陶瓷未加載電壓時(shí),在光譜儀上觀測到兩光柵的反射譜重合(如圖3虛線所示),此時(shí)光功率計(jì)檢測的反射光強(qiáng)最大。當(dāng)給壓電陶瓷一定的電壓時(shí),FCG1的光譜發(fā)生平移(如圖3實(shí)線所示),FCG2的光譜不變,兩光柵光譜的重合包絡(luò)面積減小,光功率計(jì)檢測到的反射光強(qiáng)減小,利用檢測到的功率負(fù)增量,來計(jì)算出壓電陶瓷上加載的直流電壓值。對于交流電壓,通過動(dòng)態(tài)采集電壓的波形,結(jié)合快速傅里葉變換處理,可獲取電壓的幅度和頻率信息。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Experimental device

2.1 直流電壓檢測分析

實(shí)驗(yàn)過程中,采用直流穩(wěn)壓源給壓電陶瓷施加電壓,光功率計(jì)檢測不同電壓值對應(yīng)的功率變化。為了保證壓電陶瓷伸長量的有效傳遞,給FCG1施加預(yù)拉力。在0～80 V范圍內(nèi),改變壓電陶瓷上的施加電壓,電壓增加值為5 V,測得功率與電壓的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖3 兩光柵包絡(luò)圖Fig.3 The envelopes of two gratings

圖4 外加電壓與功率的關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between the applied voltage and power

當(dāng)電壓為0 V時(shí),兩光柵的反射譜幾乎完全重合,此時(shí)光功率最大,隨著電壓的增加,兩光柵的反射譜逐漸分開,重合面積逐步減小,導(dǎo)致光功率逐漸減小。由圖4可見,在0～80 V的范圍內(nèi),外加電壓與測得的光功率具有線性關(guān)系,采用Origin軟件進(jìn)行擬合后,線性擬合的相關(guān)系數(shù)為0.999 8,電壓靈敏度為0.048 mW/V。

2.2 交流電壓檢測分析

采用壓電陶瓷專用的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生正弦電壓信號(hào),通過LabVIEW采集啁啾光柵傳感器電壓信息。當(dāng)壓電陶瓷施加的正弦電壓頻率在60 Hz時(shí),改變其工作電壓,觀察LabVIEW解調(diào)信號(hào)波形。對壓電陶瓷分別施加50 V、60 V、70 V及80 V電壓,用LabVIEW軟件從示波器中讀出電壓變化的波形,如圖5所示。

圖5 不同電壓交流信號(hào)時(shí)域圖Fig.5 Time domain diagram of AC signals with different voltages

由圖5可知,當(dāng)壓電陶瓷輸入頻率為60 Hz時(shí),輸入電壓越大,輸出信號(hào)峰-峰值越大,光信號(hào)幅度與輸入電壓信號(hào)成正比例關(guān)系。

當(dāng)施加的正弦電壓信號(hào)幅值在50 V時(shí),改變其工作頻率,觀察輸出信號(hào)的波形。頻率分別為30 Hz、50 Hz、70 Hz以及90 Hz時(shí),采用LabVIEW軟件從示波器中讀出啁啾光柵頻率傳感信息,如圖6所示。

圖6 不同頻率交流信號(hào)時(shí)域圖Fig.6 Time domain diagram of AC signals with different frequencies

由圖6可知,當(dāng)壓電陶瓷輸入電壓不變時(shí),采集到光信號(hào)在頻率上基本與輸入電壓信號(hào)吻合。撤去FCG1上的壓電陶瓷,FCG1預(yù)拉伸固定在載玻片上,FCG2直接固定在載玻片上,構(gòu)建初始狀態(tài)。將載玻片放到恒溫箱中,通過改變恒溫箱的溫度改變雙光柵的環(huán)境溫度。圖7為光功率計(jì)檢測的反射功率隨溫度變化曲線。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定溫度變化范圍為0°～50°,每10°記錄一次數(shù)據(jù)。

圖7 溫度對反射功率影響實(shí)驗(yàn)曲線Fig.7 The effect of temperature on the reflected power

由圖7可知,反射光功率對溫度不敏感,該方法可以自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3 結(jié) 論

本文研究了一種雙啁啾光纖光柵電壓傳感器,在逆壓電效應(yīng)下,黏貼在壓電陶瓷上的啁啾光纖光柵發(fā)生軸向形變,兩光柵包絡(luò)隨之改變,通過測量功率大小來反推施加在壓電陶瓷上電壓大小。理論分析了溫度補(bǔ)償型啁啾光柵傳感器的檢測原理,從直流和交流兩個(gè)方面開展了實(shí)驗(yàn)研究。證明了該傳感器電壓幅值和輸出功率具有良好的線性關(guān)系,經(jīng)對曲線進(jìn)行線性擬合,得到其相關(guān)系數(shù)為0.999 8。該電壓傳感器結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,具有較好的應(yīng)用前景。

[1] DANTE A,BACURAU R M,SPENGLER A W,et al.A temperature- independent interrogation technique for FBG sensors using monolithic multilayer piezoelectric actuators[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2016,65(11):2476-2484.

[2] RIBEIRO B A,WERNECK M M,DE NAZARé F B V,et al.A Bragg gratingtunable filter based on temperature control system to demo dulatea voltage sensor[C]∥Proceedings of the SPIE volume 9634,24th international conference on optical fibre sensors.Curitiba,Brazil:SPIE,2015,9634:963444.

[3] KUMADA A,HIDAKA K.Directly high- voltage measuring system based on pockels effect[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(3):1306-1313.

[4] FUSIEK G,NIEWCZAS P.Laboratory investigation of aninten siometricdual FBG- based hybrid voltage sensor[C]∥Proceedings of the SPIE volume 9634,24th international conference on optical fibre sensors.Curitiba,Brazil:SPIE,2015,9643:96341H.

[5] DA SILVA BARROS ALLIL R C,WERNECKM M.Optical high- voltage sensor based on fiber Bragg grating and PZT piezoelectric ceramics[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2011,60(6):2118-2125.

[6] HATTA A M,SEMENOVA Y,RAJAN G,et al.A voltagesensor based on asingle mode- multi mode- single mode fiber structure[J].Microwave and Optical Technology Letters,2010,52(8):1887-1890.

[7] LI H,CUI L Y,LIN Z L,et al.Signal detection for optical AC and DC voltage sensors based on Pockels effect[J].IEEE Sensors Journal,2013,13(6):2245-2252.

[8] CHEN X,HE S,LI D,et al.Optical fiber voltage sensor based on Michelson interferometer using phase generated carrier demodulation algorithm[J].IEEE Sensors Journal,2016,16(2):349-354.

[9] DE NAZARé F V B,WERNECK M M.Compact optomagnetic Bragg- grating- based current sensor for transmission lines[J].IEEE Sensors Journal,2015,15(1):100-109.

[10] CREMONEZI A O,FERREIRA E C,FILHO A J B,et al.A fiber Bragg grating RMS current transducer based on the magnetostriction effect using a Terfenol- D toroidal- shaped modulator[J].IEEE Sensors Journal,2013,13(2):683-690.

[11] 張開玉,趙洪,張偉超,等.基于等應(yīng)變梁的光纖光柵靜電電壓傳感器[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2015,35(3):0306003.

[12] 鐘麗娜,孫洪雷.基于壓電陶瓷的高靈敏度光纖光柵電壓傳感器[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2008,22(1):106-109.

[13] 彭李,王振,吳晟,等.疊堆型壓電陶瓷FBG電流傳感器[J].壓電與聲光,2014,36(2):210-213,216.

[14] 畢衛(wèi)紅,陳澤貴,王海寶.長周期光纖光柵電壓傳感器系統(tǒng)[J].壓電與聲光,2009,31(5):649-651.

[15] CHENG C H,LAI L H,LIU W F.Noisesens or based on afiber Bragg gratinganda piezo- electric transducer[J].Microwave and Optical TechnologyLetters,2011,53(4):958-961.