一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器的製作方法

2023-04-29 11:32:01 1

專利名稱：一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於光電技術領域，具體涉及一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器。
背景技術：
在電力系統中，電壓傳感器主要用於測量和保護，傳統的電壓傳感器分電磁感應式和電容式兩種。傳統的電壓傳感器用油絕緣，有燃燒和爆炸的危險，並且輸出都無法和計算機直接相連，有容量有限、頻帶較窄等問題。光學電壓傳感器利用光學材料的物理性質來敏感電壓，利用光纖傳輸信號，不但電氣絕緣性好，而且還具有體積小、自重輕、動態範圍寬、測量精度高、抗電磁幹擾能力強、響應速度快、測量頻帶寬、不存在磁飽和等一系列優點 ，在國內外受到了廣泛的關注。同時，光學電壓傳感器可直接輸出數位訊號，滿足微機保護和檢測的要求，具有很好的發展前景。光學電壓傳感器還可以測量直流電壓，直流電壓的測量在冶煉和直流電力系統是必須的。光學電壓傳感器有多種方案，目前已經實現產品化的方案是基於Pockels效應的塊狀晶體型方案和基於逆電壓效應的雙模幹涉方案，瑞典的ABB公司、法國Alstom公司、力口拿大NxtPhase公司(已被收購)均有不同電壓等級的產品問世。目前處於試運行階段的光學電壓傳感器大多基於Pockels效應，同時各國的研究及實驗室產品均集中於Pockels效應型光學電壓傳感器，但是其需要的光學元件多，校準困難，晶體不易進行批量生產，而且運行和穩定性尚有待提高，因此世界各國在改進基於Pockels效應的光學電壓傳感器的同時，也在不斷尋找其他更有效的辦法。除了已經實現商品化的兩種方案，其他的光學電壓傳感器方案有:基於逆壓電效應的全光纖型方案，基於特種光纖的全光纖型方案，基於Pockels效應的集成光學型方案，基本都處於研究階段，沒有產品問世。直波導電壓傳感器是二十世紀七十年代中期隨著集成光學技術發展起來的一種新型傳感器，同時也是光通信技術迅速發展的產物。由於該類傳感器有利於光路系統的集成，使得它在檢測領域的應用具有其它結構傳感器無法比擬的優點。直波導電壓傳感器主要是基於Pockels效應(晶體折射率隨外加電場呈線性變化的現象稱為Pockels效應)，它的基本測量原理是測量電極間的空間電場分布，然後對電場經過空間積分即可得到電壓值。它利用直波導的電光效應，使電場信號調製到光載波上，光強度隨著被檢測電場相應地變化。經過光探測器後的輸出信號電流即反映了被檢測的電壓信號。如果採用先進的集成光學技術，使得整個檢測系統變成超小型，並具有穩定、可靠、帶寬大、抗電磁幹擾及微擾小等特點。目前利用集成光學技術實現的以鈮酸鋰晶體為襯底的光學電壓傳感器正成為研究的熱點之一。圖1為現有的典型晶體型光學電壓傳感器的結構。該光路採用BGO晶體，進行橫向調製，其工作過程:光源發出的光經過光纖(或準直透鏡)傳入起偏器，將光變成線偏振光，經I / 4波片後又變成圓偏振光，當光透過電光晶體時發生雙折射，進入偏振分束稜鏡。根據Pockels效應，在電場或電壓的作用下，雙折射兩光波之間的相位差與被測電壓成正比。經偏振分束器後，可以獲得兩個互補的幹涉光，最後經光電轉換和信號處理後即可得到被測電壓。目前，塊狀晶體型光學電壓傳感器屬於該領域比較成熟的方案，它對電極無特殊要求，應用很廣。實際上，由於晶體中會摻雜部分雜質，從而引起自然雙折射，產生附加相位延遲，並且後者隨晶體溫度的變化而變化，影響傳感器工作的穩定性。實際應用中，為了消除自然雙折射引起的附加相位延遲，可採用雙晶體法或雙光路法來實現溫度補償。此外，其大多採用分立的光學器件組成，需要透鏡、起偏器、檢偏器等組成光學系統和複雜的透鏡耦合系統。光學元件多，晶體也不易進行批量生產，同時，光學元件的對準、調整非常複雜，而且運行和穩定性尚有待提聞。現有光波導型集成光學電場/電壓傳感器包括M-Z型波導式和直波導式。1.M-Z型波導式目前，關於集成光學電壓傳感器的研究早已在國內外展開研究，主要集中在馬赫-曾德爾幹涉型光學電壓傳感器。馬赫-曾德爾型集成光學電壓傳感器的敏感元件是鈦擴散鈮酸鋰基底的光波導，鈮酸鋰晶體切向為X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-曾德爾幹涉儀測量原理。
2、直波導式此前，有日本學者提出一種應用直波導作為敏感頭的集成光學電場傳感器(參考文獻[I]:Osamu Ogawa, Tomohiro Sowa, Shinichi Ichizon0.A guide-waveoptical electric field sensor with improved temperature stability.Lithtwavetechnology.1999.)，如圖3所示，其採用單光路結構，此種傳感器應用的是Y切Z傳鈦擴散鈮酸鋰直波導，敏感電場原理為晶體的泡克爾斯電光效應。雖然馬赫-曾德爾型集成光學電場/電壓傳感器體積小，重量輕，結構簡單，製作方便，具有諸多優點，但是由於鈮酸鋰晶體X切方向對溫度十分敏感，所以此類光學電場/電壓傳感器的溫度穩定性很差，不能工作在全溫環境下，難以在電力系統中得以應用。現有的Y切鈮酸鋰直波導型光學電場傳感器雖然溫度穩定性較馬赫-曾德爾型有很大提高，但是通過單光路的測量電場結果與波導的偏置有很大的相關性，在實際測量中不能夠準確有效的分離出交變的電場或電壓。並且其變比與到達光探測器的光信號功率大小有關，而到達光探測器的光信號功率大小與光路穩定性有關。以上兩種光學電壓傳感器有如下缺點:第一，塊狀晶體型光學電壓傳感器大多採用分立的光學器件組成，需要透鏡、起偏器、檢偏器等組成光學系統和複雜的透鏡耦合系統，光路結構複雜，不易安裝，體積較大，不易大規模生產，並且溫度穩定性有待提高。第二，目前的集成光學電壓傳感器大多為馬赫-曾德爾型，基底為X切鈮酸鋰晶體，此種傳感頭受溫度影響很大，不能應用在全溫環境下。

發明內容
本發明為了解決現有技術中存在的問題，提供了一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，所述的光波導電壓傳感器包括順次採用全保偏光纖連接的光源、起偏器、直波導和偏振分束器，還包括光電探測器和信號處理單元。所述的直波導的固有相位差為η/2或者π/2的奇數倍。所述的光波導電壓傳感器可以實現溫度補償所需的溫度測量和電場測量，具體光路如下:首先光源產生的入射光經過起偏器變為線偏振光；起偏器通過保偏光纖與直波導連接，保偏光纖的快慢軸與直波導的TE、TM模偏振方向成45°對準，進入直波導的線偏振光被分解成兩束振幅相等的正交偏振光；直波導輸出端TE、TM模偏振方向與偏振分束器尾纖的快慢軸成45°對準；直波導的輸出光通過偏振分束器，獲得兩個互補的幹涉光；這兩束幹涉光分別順次通過光電探測器和信號處理單元得到待測電場E和直波導固有相位差的偏置Δ% ;直波導固有相位差的偏置Δ只是一個與溫度相關的量，寫為一個與傳感頭溫度相關的函數，對傳感器進行溫度補償。本發明的優點在於:第一，傳感部分由直波導製成，直波導可直接耦合進光纖，解決了塊狀晶體型光學電壓傳感器的諸多缺點，具有體積小，重量輕，結構簡單，製作方便等諸多優點。全部器件採用光纖連接，省略了調整複雜的分立 光學器件的麻煩，光路簡單易實現，大大減少了光路空間，便於運輸和安裝，易於大規模生產；第二，本發明中電壓敏感元件為Y切Z傳鈦擴散鈮酸鋰基底直波導，Y切Z傳鈦擴散鈮酸鋰基底直波導利用的是電光係數r22，它的溫度係數比常用的X切Y傳基底直波導利用的電光係數r33小，並且是BGO晶體電光係數的近1/3，因此Y切Z傳鈦擴散鈮酸鋰基底直波導具有比X切Y傳基底直波導和BGO晶體更好的溫度穩定性。第三，直波導的固有相位差直接調整到π/2或者π/2的奇數倍，省略了 1/4 λ波片。由于波片溫度穩定性較差，因此省略波片有利於提高系統的溫度穩定性。輸出採用雙光路結構，對該電壓傳感器的溫度穩定性也有一定的補償作用。


圖1為現有技術中晶體型光學電壓傳感器光路原理圖；圖2為現有技術中馬赫-增德爾型波導原理圖；圖3為現有技術中直波導集成光學電場傳感器結構意圖；圖4為直波導型原理圖；圖5為直波導電壓傳感器系統光路圖。圖中:1-光源；2_光纖；3_起偏器；4_直波導；5_偏振分束器；6_光電探測器；7_信號
處理單元。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。本發明提供一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，利用雙光路溫度補償原理，提高電壓傳感器的溫度穩定性。所述的雙光路溫度補償的原理是指電壓傳感器輸出兩路電場矢量互相垂直的線偏振光，分別用兩路光纖傳輸，由兩個光電探測器實現光電轉換，然後對兩路信號分別進行運算處理，從而消除溫度的影響。因此，採用雙光路設計後，在一定程度上提高了電壓傳感器的溫度穩定性。本發明提供的基於雙光路補償的光波導電壓傳感器的光路系統設計如圖5，選用器件包括順次連接的光源1、起偏器3、直波導4和偏振分束器5，上述器件全部採用保偏光纖2連接；所述電壓傳感器還包括光電探測器6和信號處理單元7。所述光源I選擇半導體雷射器LD，功率大，單色性好，相干長度長，保證光程差不超過相干長度。起偏器3選用集成光學起偏器，光源I與起偏器3之間用保偏光纖2連接。所述直波導4的結構如圖4所示，輸入保偏光纖與輸出保偏光纖分別與直波導的快慢軸呈45°對準，直波導4的固有相位差需要調整到π/2或者π/2的奇數倍。偏振分束器5採用帶尾纖結構的，實現整個光路的連接。所述的基於雙光路補償的光波導電壓傳感器的光路原理為:光源I產生的具有特定波長的入射光經過起偏器3變為線偏振光；起偏器3通過保偏光纖2與直波導4連接，保偏光纖2的快慢軸與直波導4的ΤΕ、ΤΜ模偏振方向成45°對準,進入直波導4的線偏振光被分解成兩束振幅相等的正交 偏振光；受電場影響，直波導4中傳播的ΤΕ、ΤΜ模的相速發生不同的變化，直波導4輸出光變成橢圓偏振態；直波導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°對準。直波導4的輸出光通過偏振分束器5，可以獲得兩個互補的幹涉光；這兩束幹涉光分別順次通過光電探測器6和信號處理單元7可得到待測電場E和直波導4固有相位差的偏置Δ 〗；直波導4固有相位差的偏置5%是一個與溫度相關的量，可以寫為一個與傳感頭溫度相關的函數，便於對傳感器進行溫度補償。光學電壓傳感器的基本測量原理是測量電極間的空間電場分布，本發明中應用的是Pockels效應，首先對電場進行測量，經過對電場空間積分得到電壓值，測量的電壓包括50Hz和60Hz的電信號等低頻信號。光路系統的輸出由光電探測器6實現光電變換，光電探測器6將接收到的光信號變成電信號，進入信號處理單元7。根據Pockels效應，光電探測器6的輸出信號由公式(I)和公式(2)給出:
權利要求
1.一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，其特徵在於:所述的光波導電壓傳感器包括如下器件:光源、起偏器、直波導和偏振分束器，上述器件之間採用全光纖連接；所述的光波導電壓傳感器還包括光電探測器和信號處理單元。
2.根據權利要求1所述的一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，其特徵在於:所述的直波導的固有相位差為η/2或者π/2的奇數倍。
3.根據權利要求1所述的一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，其特徵在於:所述的光波導電壓傳感器的光路為: 首先光源產生的入射光經過起偏器變為線偏振光；起偏器通過保偏光纖與直波導連接，保偏光纖的快慢軸與直波導的TE、TM模偏振方向成45°對準,進入直波導的線偏振光被分解成兩束振幅相等的正交偏振光；直波導輸出端TE、TM模偏振方向與偏振分束器尾纖的快慢軸成45°對準；直波導的輸出光通過偏振分束器，獲得兩個互補的幹涉光；這兩束幹涉光分別順次通過光電探測器和信號處理單元得到待測電場E和直波導固有相位差的偏置△外。
4.根據權利要求1所述的一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，其特徵在於:所述的光學電壓傳感器對電場進行測量，具體為: 光電探測器將接收到的光信號變成電信號，進入信號處理單元，根據Pockels效應，光電探測器的輸出信號由公式(I)和公式(2)給出:
全文摘要
本發明公開了一種基於雙光路補償的光波導電壓傳感器，屬於光電技術領域。本發明的光波導電壓傳感器包括順次採用全保偏光纖連接的光源、起偏器、直波導和偏振分束器，還包括光電探測器和信號處理單元。所述的直波導的固有相位差為π/2或者π/2的奇數倍，省略了1/4λ波片。本發明的傳感部分由直波導製成，直波導可直接耦合進光纖，解決了塊狀晶體型光學電壓傳感器的諸多缺點，具有體積小，重量輕，結構簡單，製作方便等諸多優點。全部器件採用光纖連接，省略了調整複雜的分立光學器件的麻煩，光路簡單易實現，大大減少了光路空間，便於運輸和安裝，易於大規模生產。
文檔編號G01R29/14GK103226162SQ20131009897
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月26日 優先權日2013年3月26日
發明者楊德偉, 姜一真, 於佳, 劉汐敬 申請人:北京航空航天大學