一種自校正光電集成電場傳感器系統的製作方法
2023-09-18 19:53:25 1
一種自校正光電集成電場傳感器系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種自校正光電集成電場傳感器系統，屬於電場測量【技術領域】。其中的雷射源的輸出端依次通過起偏器、輸入保偏光纖與傳感器的輸入端相連，傳感器的輸出端依次通過輸出保偏光纖、偏振分束器、Y波導調製器與探測器的輸入端相連。探測器輸出的電信號經處理器產生可調直流電源模塊的控制信號及經處理器數學運算反推出待測電場信號，控制可調直流電源模塊為Y波導調製器提供電壓信號，形成閉環控制。本發明系統通過Y波導調製器的反饋控制，實現系統傳遞函數的現場標定，提高測量精度；並將系統的靜態工作點調整至π/2，使得傳感器工作在最佳狀態。
【專利說明】一種自校正光電集成電場傳感器系統
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種自校正光電集成電場傳感器系統，屬於電場測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]電場測量在諸多科學研究和工程【技術領域】具有重要意義，特別是在電力系統、電磁兼容及微波技術等領域具有廣泛的應用。
[0003]隨著集成光學技術的迅速發展，光電集成電場傳感器得到了愈來愈多的研究和應用。已有基於光電集成傳感器的電場測量系統，如申請號為:201310076620.9，發明名稱為準互易數字閉環鈮酸鋰光波導交變電場/電壓傳感器的專利申請，其鈮酸鋰直波導傳感單元上不含天線，測量靈敏度較低；且採用了光纖陀螺的全數字閉環系統，系統響應時間較長，測量電磁兼容和微波【技術領域】暫態波形較為困難，因此其應用局限於電力系統中的工頻強電場或電壓測量。申請號為:201210348311.8，發明名稱為一種基於共路幹涉的集成電場傳感器的專利申請，其結構如圖1所示，
[0004]
V = A- l + b-cos(p0 +—Tl)(I)
_ _
[0005]其中A為反映了雷射源輸出的光功率、光路損耗及探測器的光電轉換係數；b為傳感器的消光比，取決於保偏光纖與傳感器中光波導的稱合工藝；％為傳感器的靜態偏置點，取決於光波導的幾何尺寸為半波電場，取決於傳感器中鈮酸鋰晶體、天線及調製電極的幾何尺寸；E為待測電場信號，V為探測器輸出的電壓信號。
[0006]考慮到溫度、溼度等環境因素會引起A、b、％三個參數不同程度的變動，為保證測量準確，最好在測量電場信號前，對三個參數進行標定。已有技術中傳感器的標定工作需要平行板電極和較高電壓幅值(通常在IOkV以上)的電壓源等設備輔助，難以在測量現場實現，其應用範圍被限制於實M夂環境中。
[0007]另外，靜態偏置盧W對傳感器的可測範圍有重要影響，如圖2所示。當％二0或 時，傳遞函數的靜態工作點位於餘弦函數的頂部，屬於飽和區域，一方面大大降低測量
的靈敏度，另一方面是測量波形發生嚴重畸變，通過電壓信號反推電場信號出現困難；當% = #2，靜態工作點位於餘弦函數的近似線性段，測量系統具有最大的靈敏度和近似線性的輸入輸出特性。已有技術中傳感器靜態偏置點％缺乏反饋控制，一旦溫度等環境因數變化引起％變動，傳感器靜態工作點將偏離餘弦函數線性段，測量系統失去最大的靈敏度和近似線性的輸入輸出特性。
[0008]綜上所述，該已有技術主要存在兩方面缺陷:其一，傳感器標定工作難以在測量現場實現，應用範圍被限制於實驗室環境中；另一方面，傳感器的靜態偏置點％缺乏反饋控制，一旦溫度等環境因數變化引起％變動，傳感器靜態工作點將偏離餘弦函數線性段，測量系統失去最大的靈敏度和近似線性的輸入輸出傳遞函數特性。
【發明內容】
[0009]本發明的目的是提出一種自校正光電集成電場傳感器系統，利用Y波導調製器的反饋控制，實現a、b兩個參數的現場標定，實現準確測量；並將靜態偏置點調整到φ, = Ψ，使傳感器具備最佳性能。
[0010]本發明提出的自校正光電集成電場傳感器系統，包括:
[0011]雷射源，用於發出雷射；
[0012]起偏器，用於將雷射源發出的雷射轉化成線偏振光，起諞器與雷射源通過單模光纖相連；
[0013]傳感器，用於通過輸入保偏光纖接收線偏振光，輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對軸耦合，線偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式的線偏振光，在傳感器的光波導中傳播；傳感器中的天線感應Y方向待測電場信號，產生一個電位差，該電位差通過傳感器上的調製電極對光波導中傳播的光信號產生調製作用，使兩束不同偏振模式的線偏振光的傳播常數發生互補變化，兩束不同偏振模式的線偏振光在光波導的出射端產生與待測電場信號強度相對應的相位差；
[0014]偏振分束器，用於通過輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線偏振光，並使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線偏振光分離，得到兩束獨立傳播的線偏振光；
[0015]Y波導調製器，用於通過兩根保偏光纖接收兩束獨立傳播的線偏振光，並根據來自可調直流模塊的電壓調製信號校正兩束獨立傳播的線偏振光的相位差，校正相位差後的兩束線偏振光在Y波導調製器的Y分支交點處發生幹涉，得到一束幹涉後的光信號，Y波導調製器通過兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過電纜線與可調直流電源模塊相連；
[0016]探測器，用於通過單模光纖接收幹涉後的光信號，將光信號轉換成電壓信號；
[0017]處理器，用於通過電纜線接收探測器輸出的電壓信號，根據存儲的傳遞函數及其標定後的參數數學運算得到待測電場信號，同時為可調直流電源模塊提供控制信號。
[0018]可調直流電源模塊，用於通過電纜線接收處理器輸出的控制信號，根據該控制信號產生一個電壓調製信號，並將該電壓調製信號發送至Y波導調製器。
[0019]本發明提出的自校正光電集成電場傳感器系統，其優點是:在測量前，實現傳遞函數各參數的現場標定，從而實現電場信號的精確測量；通過Y波導調製器，將光電集成電場傳感器系統的靜態工作點校正至η/2，使得傳感器在最佳狀態下工作，從而大大提高了本發明的電場傳感器系統的電場測量靈敏度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為已有技術中光電集成電場測量系統的結構示意圖。
[0021]圖2為靜態工作點對電場測量系統傳遞函數的影響的原理示意圖。
[0022]圖3為本發明提出的自校正光電集成電場傳感器系統的結構示意圖。
[0023]圖1和圖3中，I是雷射源，2是起偏器，3是傳感器，4是光波導，5是天線，6是調製電極，7是鈮酸鋰(LiNbO3)晶片，8是檢偏器，9是探測器，10是偏振分束器，11是Y波導調製器，12是處理器，13是可調直流電源模塊。【具體實施方式】
[0024] 本發明提出的自校正光電集成電場傳感器系統，其結構如圖3所示，包括:
[0025]雷射源I，用於發出雷射；
[0026]起偏器2，用於將雷射源發出的雷射轉化成線偏振光，起諞器與雷射源通過單模光纖相連；
[0027]傳感器3,用於通過輸入保偏光纖接收線偏振光,輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對軸稱合，線偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式(橫電波和橫磁波兩種模式)的線偏振光，在傳感器的光波導4中傳播；傳感器中的天線感應Y方向待測電場信號，產生一個電位差，該電位差通過傳感器上的調製電極對光波導中傳播的光信號產生調製作用，使兩束不同偏振模式的線偏振光的傳播常數發生互補變化，兩束不同偏振模式的線偏振光在光波導的出射端產生與待測電場信號強度相對應的相位差；
[0028]偏振分束器10，用於通過輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線偏振光，並使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線偏振光分離，得到兩束獨立傳播的線偏振光；
[0029]Y波導調製器11，用於通過兩根保偏光纖接收兩束獨立傳播的線偏振光，並根據來自可調直流電源模塊的電壓調製信號校正兩束獨立傳播的線偏振光的相位差，校正相位差後的兩束線偏振光在Y波導調製器的Y分支交點處發生幹涉，得到一束幹涉後的光信號，Y波導調製器通過兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過電纜線與可調直流電源模塊相連；
[0030]探測器9，用於通過單模光纖接收幹涉後的光信號，將光信號轉換成電壓信號；
[0031]處理器12，用於通過電纜線接收探測器輸出的電壓信號，根據存儲的傳遞函數及其標定後的參數數學運算得到待測電場信號，同時為可調直流電源模塊提供控制信號。
[0032]可調直流電源模塊13，用於通過電纜線接收處理器輸出的控制信號，根據該控制信號產生一個電壓調製信號，並將該電壓調製信號發送至Y波導調製器。
[0033]本發明提出的自校正光電集成電場傳感器系統，其工作原理是:
[0034]雷射源發出的部分偏振光經起偏器後變為線偏振光；輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對軸稱合,則線偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式(橫電波和橫磁波兩種模式)的線偏振光，在傳感器的光波導中傳播；傳感器中的天線感應Y方向待測電場信號，產生一個電位差，該電位差通過傳感器上的調製電極對光波導中傳播的光信號產生調製作用，使兩束不同偏振模式的線偏振光的傳播常數發生互補變化，兩束不同偏振模式的線偏振光在光波導的出射端產生與待測電場信號強度相對應的相位差；輸出保偏光纖偏振軸以0°與傳感器對軸稱合,則具有一定相位差的兩正交偏振模式的線偏振光分別沿保偏光纖的快慢軸傳播；快慢軸中的兩束線偏振光經偏振分束器分束後分開在兩根保偏光纖的慢軸中傳播，後同時射入Y波導調製器的兩臂；￥波導調製器根據來自可調直流電源模塊的電壓調製信號對在Y波導兩臂傳播的兩束線偏振光的相位差進行校正，校正相位差後的兩束線偏振光在Y波導調製器的Y分支的交點處發生幹涉，生成的幹涉信號傳入光探測器進行光電轉換，轉換的電信號輸入處理器進行數學運算，處理器根據該電信號輸出可調直流電源模塊的控制信號及待測電場信號，可調直流電源模塊根據處理器輸出的控制信為Y波導調製器提供調製信號。
[0035]在使用本發明傳感器系統進行電場測量之前，首先進行測量系統本身的標定和校正，以使測量系統在最佳狀態下工作，保證測量系統的測量精確性和穩定性。
[0036]標定方法為:
[0037]設傳感器系統的傳遞函數如式2所示:
[0038]
【權利要求】
1.一種自校正光電集成電場傳感器系統，包括: 雷射源，用於發出雷射； 起偏器，用於將雷射源發出的雷射轉化成線偏振光，起諞器與雷射源通過單模光纖相連； 傳感器，用於通過輸入保偏光纖接收線偏振光，輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對軸稱合，線偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式的線偏振光，在傳感器的光波導中傳播；傳感器中的天線感應Y方向待測電場信號，產生一個電位差，該電位差通過傳感器上的調製電極對光波導中傳播的光信號產生調製作用，使兩束不同偏振模式的線偏振光的傳播常數發生互補變化，兩束不同偏振模式的線偏振光在光波導的出射端產生與待測電場信號強度相對應的相位差； 其特徵在於還包括: 偏振分束器，用於通過輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線偏振光，並使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線偏振光分離，得到兩束獨立傳播的線偏振光； Y波導調製器，用於通過兩根保偏光纖接收兩束獨立傳播的線偏振光，並根據來自可調直流電源模塊的電壓調製信號校正兩束獨立傳播的線偏振光的相位差，校正相位差後的兩束線偏振光在Y波導調製器的Y分支交點處發生幹涉，得到一束幹涉後的光信號，Y波導調製器通過兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過電纜線與可調直流電源模塊相連； 探測器，用於通過單模光纖接收幹涉後的光信號，將光信號轉換成電壓信號； 處理器，用於通過電纜線接收探測器輸出的電壓信號，根據存儲的傳遞函數及其標定後的參數數學運算得到待測電場信號，同時為可調直流電源模塊提供控制信號。 可調直流電源模塊，用於通過電纜線接收處理器輸出的控制信號，根據該控制信號產生一個電壓調製信號，並將該電壓調製信號發送至Y波導調製器。
【文檔編號】G01R29/12GK103616570SQ201310571507
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】曾嶸, 俞俊傑, 牛犇, 李嬋虓, 王博 申請人:清華大學