專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)中，電壓傳感器主要用于測(cè)量和保護(hù)，傳統(tǒng)的電壓傳感器分電磁感應(yīng)式和電容式兩種。傳統(tǒng)的電壓傳感器用油絕緣，有燃燒和爆炸的危險(xiǎn)，并且輸出都無(wú)法和計(jì)算機(jī)直接相連，有容量有限、頻帶較窄等問(wèn)題。光學(xué)電壓傳感器利用光學(xué)材料的物理性質(zhì)來(lái)敏感電壓，利用光纖傳輸信號(hào)，不但電氣絕緣性好，而且還具有體積小、自重輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、測(cè)量頻帶寬、不存在磁飽和等一系列優(yōu)點(diǎn) ，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注。同時(shí)，光學(xué)電壓傳感器可直接輸出數(shù)字信號(hào)，滿(mǎn)足微機(jī)保護(hù)和檢測(cè)的要求，具有很好的發(fā)展前景。光學(xué)電壓傳感器還可以測(cè)量直流電壓，直流電壓的測(cè)量在冶煉和直流電力系統(tǒng)是必須的。光學(xué)電壓傳感器有多種方案，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的方案是基于Pockels效應(yīng)的塊狀晶體型方案和基于逆電壓效應(yīng)的雙模干涉方案，瑞典的ABB公司、法國(guó)Alstom公司、力口拿大NxtPhase公司(已被收購(gòu))均有不同電壓等級(jí)的產(chǎn)品問(wèn)世。目前處于試運(yùn)行階段的光學(xué)電壓傳感器大多基于Pockels效應(yīng)，同時(shí)各國(guó)的研究及實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品均集中于Pockels效應(yīng)型光學(xué)電壓傳感器，但是其需要的光學(xué)元件多，校準(zhǔn)困難，晶體不易進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且運(yùn)行和穩(wěn)定性尚有待提高，因此世界各國(guó)在改進(jìn)基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器的同時(shí)，也在不斷尋找其他更有效的辦法。除了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的兩種方案，其他的光學(xué)電壓傳感器方案有:基于逆壓電效應(yīng)的全光纖型方案，基于特種光纖的全光纖型方案，基于Pockels效應(yīng)的集成光學(xué)型方案，基本都處于研究階段，沒(méi)有產(chǎn)品問(wèn)世。直波導(dǎo)電壓傳感器是二十世紀(jì)七十年代中期隨著集成光學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器，同時(shí)也是光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物。由于該類(lèi)傳感器有利于光路系統(tǒng)的集成，使得它在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有其它結(jié)構(gòu)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。直波導(dǎo)電壓傳感器主要是基于Pockels效應(yīng)(晶體折射率隨外加電場(chǎng)呈線(xiàn)性變化的現(xiàn)象稱(chēng)為Pockels效應(yīng))，它的基本測(cè)量原理是測(cè)量電極間的空間電場(chǎng)分布，然后對(duì)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)空間積分即可得到電壓值。它利用直波導(dǎo)的電光效應(yīng)，使電場(chǎng)信號(hào)調(diào)制到光載波上，光強(qiáng)度隨著被檢測(cè)電場(chǎng)相應(yīng)地變化。經(jīng)過(guò)光探測(cè)器后的輸出信號(hào)電流即反映了被檢測(cè)的電壓信號(hào)。如果采用先進(jìn)的集成光學(xué)技術(shù)，使得整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)變成超小型，并具有穩(wěn)定、可靠、帶寬大、抗電磁干擾及微擾小等特點(diǎn)。目前利用集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的以鈮酸鋰晶體為襯底的光學(xué)電壓傳感器正成為研究的熱點(diǎn)之一。圖1為現(xiàn)有的典型晶體型光學(xué)電壓傳感器的結(jié)構(gòu)。該光路采用BGO晶體，進(jìn)行橫向調(diào)制，其工作過(guò)程:光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖(或準(zhǔn)直透鏡)傳入起偏器，將光變成線(xiàn)偏振光，經(jīng)I / 4波片后又變成圓偏振光，當(dāng)光透過(guò)電光晶體時(shí)發(fā)生雙折射，進(jìn)入偏振分束棱鏡。根據(jù)Pockels效應(yīng)，在電場(chǎng)或電壓的作用下，雙折射兩光波之間的相位差與被測(cè)電壓成正比。經(jīng)偏振分束器后，可以獲得兩個(gè)互補(bǔ)的干涉光，最后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后即可得到被測(cè)電壓。目前，塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器屬于該領(lǐng)域比較成熟的方案，它對(duì)電極無(wú)特殊要求，應(yīng)用很廣。實(shí)際上，由于晶體中會(huì)摻雜部分雜質(zhì)，從而引起自然雙折射，產(chǎn)生附加相位延遲，并且后者隨晶體溫度的變化而變化，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用中，為了消除自然雙折射引起的附加相位延遲，可采用雙晶體法或雙光路法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外，其大多采用分立的光學(xué)器件組成，需要透鏡、起偏器、檢偏器等組成光學(xué)系統(tǒng)和復(fù)雜的透鏡耦合系統(tǒng)。光學(xué)元件多，晶體也不易進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時(shí)，光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整非常復(fù)雜，而且運(yùn)行和穩(wěn)定性尚有待提聞?，F(xiàn)有光波導(dǎo)型集成光學(xué)電場(chǎng)/電壓傳感器包括M-Z型波導(dǎo)式和直波導(dǎo)式。1.M-Z型波導(dǎo)式目前，關(guān)于集成光學(xué)電壓傳感器的研究早已在國(guó)內(nèi)外展開(kāi)研究，主要集中在馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘凸鈱W(xué)電壓傳感器。馬赫-曾德?tīng)栃图晒鈱W(xué)電壓傳感器的敏感元件是鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基底的光波導(dǎo)，鈮酸鋰晶體切向?yàn)閄切，光通路形狀為Y分支型，如圖2所示，敏感電壓原理為馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x測(cè)量原理。
2、直波導(dǎo)式此前，有日本學(xué)者提出一種應(yīng)用直波導(dǎo)作為敏感頭的集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器(參考文獻(xiàn)[I]:Osamu Ogawa, Tomohiro Sowa, Shinichi Ichizon0.A guide-waveoptical electric field sensor with improved temperature stability.Lithtwavetechnology.1999.)，如圖3所示，其采用單光路結(jié)構(gòu)，此種傳感器應(yīng)用的是Y切Z傳鈦擴(kuò)散鈮酸鋰直波導(dǎo)，敏感電場(chǎng)原理為晶體的泡克爾斯電光效應(yīng)。雖然馬赫-曾德?tīng)栃图晒鈱W(xué)電場(chǎng)/電壓傳感器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于鈮酸鋰晶體X切方向?qū)囟仁置舾?，所以此?lèi)光學(xué)電場(chǎng)/電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性很差，不能工作在全溫環(huán)境下，難以在電力系統(tǒng)中得以應(yīng)用。現(xiàn)有的Y切鈮酸鋰直波導(dǎo)型光學(xué)電場(chǎng)傳感器雖然溫度穩(wěn)定性較馬赫-曾德?tīng)栃陀泻艽筇岣?，但是通過(guò)單光路的測(cè)量電場(chǎng)結(jié)果與波導(dǎo)的偏置有很大的相關(guān)性，在實(shí)際測(cè)量中不能夠準(zhǔn)確有效的分離出交變的電場(chǎng)或電壓。并且其變比與到達(dá)光探測(cè)器的光信號(hào)功率大小有關(guān)，而到達(dá)光探測(cè)器的光信號(hào)功率大小與光路穩(wěn)定性有關(guān)。以上兩種光學(xué)電壓傳感器有如下缺點(diǎn):第一，塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器大多采用分立的光學(xué)器件組成，需要透鏡、起偏器、檢偏器等組成光學(xué)系統(tǒng)和復(fù)雜的透鏡耦合系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝，體積較大，不易大規(guī)模生產(chǎn)，并且溫度穩(wěn)定性有待提高。第二，目前的集成光學(xué)電壓傳感器大多為馬赫-曾德?tīng)栃?，基底為X切鈮酸鋰晶體，此種傳感頭受溫度影響很大，不能應(yīng)用在全溫環(huán)境下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，提供了一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，所述的光波導(dǎo)電壓傳感器包括順次采用全保偏光纖連接的光源、起偏器、直波導(dǎo)和偏振分束器，還包括光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元。所述的直波導(dǎo)的固有相位差為η/2或者π/2的奇數(shù)倍。所述的光波導(dǎo)電壓傳感器可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償所需的溫度測(cè)量和電場(chǎng)測(cè)量，具體光路如下:首先光源產(chǎn)生的入射光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光；起偏器通過(guò)保偏光纖與直波導(dǎo)連接，保偏光纖的快慢軸與直波導(dǎo)的TE、TM模偏振方向成45°對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)入直波導(dǎo)的線(xiàn)偏振光被分解成兩束振幅相等的正交偏振光；直波導(dǎo)輸出端TE、TM模偏振方向與偏振分束器尾纖的快慢軸成45°對(duì)準(zhǔn)；直波導(dǎo)的輸出光通過(guò)偏振分束器，獲得兩個(gè)互補(bǔ)的干涉光；這兩束干涉光分別順次通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元得到待測(cè)電場(chǎng)E和直波導(dǎo)固有相位差的偏置Δ% ;直波導(dǎo)固有相位差的偏置Δ只是一個(gè)與溫度相關(guān)的量，寫(xiě)為一個(gè)與傳感頭溫度相關(guān)的函數(shù)，對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:第一，傳感部分由直波導(dǎo)制成，直波導(dǎo)可直接耦合進(jìn)光纖，解決了塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器的諸多缺點(diǎn)，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。全部器件采用光纖連接，省略了調(diào)整復(fù)雜的分立 光學(xué)器件的麻煩，光路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，大大減少了光路空間，便于運(yùn)輸和安裝，易于大規(guī)模生產(chǎn)；第二，本發(fā)明中電壓敏感元件為Y切Z傳鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基底直波導(dǎo)，Y切Z傳鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基底直波導(dǎo)利用的是電光系數(shù)r22，它的溫度系數(shù)比常用的X切Y傳基底直波導(dǎo)利用的電光系數(shù)r33小，并且是BGO晶體電光系數(shù)的近1/3，因此Y切Z傳鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基底直波導(dǎo)具有比X切Y傳基底直波導(dǎo)和BGO晶體更好的溫度穩(wěn)定性。第三，直波導(dǎo)的固有相位差直接調(diào)整到π/2或者π/2的奇數(shù)倍，省略了 1/4 λ波片。由于波片溫度穩(wěn)定性較差，因此省略波片有利于提高系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性。輸出采用雙光路結(jié)構(gòu)，對(duì)該電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性也有一定的補(bǔ)償作用。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中晶體型光學(xué)電壓傳感器光路原理圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中馬赫-增德?tīng)栃筒▽?dǎo)原理圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中直波導(dǎo)集成光學(xué)電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)意圖；圖4為直波導(dǎo)型原理圖；圖5為直波導(dǎo)電壓傳感器系統(tǒng)光路圖。圖中:1-光源；2_光纖；3_起偏器；4_直波導(dǎo)；5_偏振分束器；6_光電探測(cè)器；7_信號(hào)
處理單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提供一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，利用雙光路溫度補(bǔ)償原理，提高電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性。所述的雙光路溫度補(bǔ)償?shù)脑硎侵鸽妷簜鞲衅鬏敵鰞陕冯妶?chǎng)矢量互相垂直的線(xiàn)偏振光，分別用兩路光纖傳輸，由兩個(gè)光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后對(duì)兩路信號(hào)分別進(jìn)行運(yùn)算處理，從而消除溫度的影響。因此，采用雙光路設(shè)計(jì)后，在一定程度上提高了電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性。本發(fā)明提供的基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器的光路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5，選用器件包括順次連接的光源1、起偏器3、直波導(dǎo)4和偏振分束器5，上述器件全部采用保偏光纖2連接；所述電壓傳感器還包括光電探測(cè)器6和信號(hào)處理單元7。所述光源I選擇半導(dǎo)體激光器LD，功率大，單色性好，相干長(zhǎng)度長(zhǎng)，保證光程差不超過(guò)相干長(zhǎng)度。起偏器3選用集成光學(xué)起偏器，光源I與起偏器3之間用保偏光纖2連接。所述直波導(dǎo)4的結(jié)構(gòu)如圖4所示，輸入保偏光纖與輸出保偏光纖分別與直波導(dǎo)的快慢軸呈45°對(duì)準(zhǔn)，直波導(dǎo)4的固有相位差需要調(diào)整到π/2或者π/2的奇數(shù)倍。偏振分束器5采用帶尾纖結(jié)構(gòu)的，實(shí)現(xiàn)整個(gè)光路的連接。所述的基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器的光路原理為:光源I產(chǎn)生的具有特定波長(zhǎng)的入射光經(jīng)過(guò)起偏器3變?yōu)榫€(xiàn)偏振光；起偏器3通過(guò)保偏光纖2與直波導(dǎo)4連接，保偏光纖2的快慢軸與直波導(dǎo)4的ΤΕ、ΤΜ模偏振方向成45°對(duì)準(zhǔn),進(jìn)入直波導(dǎo)4的線(xiàn)偏振光被分解成兩束振幅相等的正交 偏振光；受電場(chǎng)影響，直波導(dǎo)4中傳播的ΤΕ、ΤΜ模的相速發(fā)生不同的變化，直波導(dǎo)4輸出光變成橢圓偏振態(tài)；直波導(dǎo)4輸出端TE、TM模偏振方向與偏振分束器5尾纖的快慢軸成45°對(duì)準(zhǔn)。直波導(dǎo)4的輸出光通過(guò)偏振分束器5，可以獲得兩個(gè)互補(bǔ)的干涉光；這兩束干涉光分別順次通過(guò)光電探測(cè)器6和信號(hào)處理單元7可得到待測(cè)電場(chǎng)E和直波導(dǎo)4固有相位差的偏置Δ 〗；直波導(dǎo)4固有相位差的偏置5%是一個(gè)與溫度相關(guān)的量，可以寫(xiě)為一個(gè)與傳感頭溫度相關(guān)的函數(shù)，便于對(duì)傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光學(xué)電壓傳感器的基本測(cè)量原理是測(cè)量電極間的空間電場(chǎng)分布，本發(fā)明中應(yīng)用的是Pockels效應(yīng)，首先對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)過(guò)對(duì)電場(chǎng)空間積分得到電壓值，測(cè)量的電壓包括50Hz和60Hz的電信號(hào)等低頻信號(hào)。光路系統(tǒng)的輸出由光電探測(cè)器6實(shí)現(xiàn)光電變換，光電探測(cè)器6將接收到的光信號(hào)變成電信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理單元7。根據(jù)Pockels效應(yīng)，光電探測(cè)器6的輸出信號(hào)由公式(I)和公式(2)給出:
權(quán)利要求
1.一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，其特征在于:所述的光波導(dǎo)電壓傳感器包括如下器件:光源、起偏器、直波導(dǎo)和偏振分束器，上述器件之間采用全光纖連接；所述的光波導(dǎo)電壓傳感器還包括光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，其特征在于:所述的直波導(dǎo)的固有相位差為η/2或者π/2的奇數(shù)倍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，其特征在于:所述的光波導(dǎo)電壓傳感器的光路為: 首先光源產(chǎn)生的入射光經(jīng)過(guò)起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光；起偏器通過(guò)保偏光纖與直波導(dǎo)連接，保偏光纖的快慢軸與直波導(dǎo)的TE、TM模偏振方向成45°對(duì)準(zhǔn),進(jìn)入直波導(dǎo)的線(xiàn)偏振光被分解成兩束振幅相等的正交偏振光；直波導(dǎo)輸出端TE、TM模偏振方向與偏振分束器尾纖的快慢軸成45°對(duì)準(zhǔn)；直波導(dǎo)的輸出光通過(guò)偏振分束器，獲得兩個(gè)互補(bǔ)的干涉光；這兩束干涉光分別順次通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元得到待測(cè)電場(chǎng)E和直波導(dǎo)固有相位差的偏置△外。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，其特征在于:所述的光學(xué)電壓傳感器對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，具體為: 光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)變成電信號(hào)，進(jìn)入信號(hào)處理單元，根據(jù)Pockels效應(yīng)，光電探測(cè)器的輸出信號(hào)由公式(I)和公式(2)給出:
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器，屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的光波導(dǎo)電壓傳感器包括順次采用全保偏光纖連接的光源、起偏器、直波導(dǎo)和偏振分束器，還包括光電探測(cè)器和信號(hào)處理單元。所述的直波導(dǎo)的固有相位差為π/2或者π/2的奇數(shù)倍，省略了1/4λ波片。本發(fā)明的傳感部分由直波導(dǎo)制成，直波導(dǎo)可直接耦合進(jìn)光纖，解決了塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器的諸多缺點(diǎn)，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。全部器件采用光纖連接，省略了調(diào)整復(fù)雜的分立光學(xué)器件的麻煩，光路簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，大大減少了光路空間，便于運(yùn)輸和安裝，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G01R29/14GK103226162SQ20131009897
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者楊德偉, 姜一真, 于佳, 劉汐敬 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)