微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，属于光学电压传感器【技术领域】。所述电场或电压传感头在法拉第准直旋光器和Y切Z传铌酸锂直波导之间设置第一透镜，在Y切Z传铌酸锂直波导末端设置反射膜。本发明的传感头不需要使用到保偏光纤来连接；不使用两段等长补偿光纤，不用追求做到两段光纤等长，降低了传感头对工艺的要求；传感头内不存在保偏光纤，避免了光纤偏振串音、传输损耗、光纤间熔接角度随温度变化对传感器变比的影响；在制作工艺上能够将法拉第准直旋光器与铌酸理直波导之间的光程控制得更小，缩小了传感头的体积。
【专利说明】微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头
【技术领域】
[0001]本发明属于光学电压传感器【技术领域】，具体涉及一种准互易反射式光波导电场或电压传感头。
【背景技术】
[0002]电压传感器都是电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量设备，其准确度和可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。随着电网运行电压等级也越来越高，在监测、控制及保护等方面的数字化、智能化和网络化要求不断提高，传统的电磁式电压传感器由于其固有缺陷已不能满足电力系统的发展需求。数字式光学电压传感器以其优越的性能以及明显的经济和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行，并提高其智能化程度具有深远的意义。
[0003]基于光纤传感技术的电压传感器能够有效克服传统电磁式传感器和电容分压式传感器所固有的缺陷，具有绝缘性好，频带宽，响应快，无铁芯，不存在磁饱和，无铁磁谐振，没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险，具有数字量输出等优点。
[0004]目前的光学电压传感器根据其敏感元件可以分为块状晶体型光学电压传感器和集成光学型电压传感器。块状晶体型光学电压传感器以块状电光晶体作为敏感元件测量电压，其精度高，但光路结构复杂，不易安装，体积较大，不易大规模生产。集成光学型电压传感器的敏感单元是由刻蚀技术制成的光波导，马赫-曾德尔型干涉式钛扩散铌酸锂波导的电场或电压传感器具有灵敏度较高，光路简单，体积小的特点，但其受直流偏置影响较大。
[0005]光学电压传感头是整个光学电场或电压传感器的重要组成部分，其光路结构、器件特点、传输原理等都会对电场场强或者电压大小测量准确度产生极大的影响。
[0006]此前，有日本学者(参考文献:0gawa0., Sowa T., Ichizono S.A guided-waveoptical electric field sensor with improved temperature stability.Journal ofLightwave Technology, 1999，17 (5):823-830.)提出过一种应用直波导作为敏感头的集成光学电场传感器。此光学电场传感器的电场敏感兀件为Y切Z传TE (横电波)与TM (横磁波)模干涉式钛扩散铌酸锂直波导，波导中只有一条光通路，敏感电场原理为晶体的泡克尔斯(Pockels)电光效应。此种Y切铌酸锂直波导型光学电场传感器虽然温度稳定性较马赫-曾德尔型有很大提高，但是其测量电场结果与波导的TE与TM模固有偏置有很大的相关性，波导TE与TM模固有偏置同样受温度影响，它的电场敏感系数同样受温度影响，因此此种电场传感器在实际测量中很难准确有效地分离出交变电场，限制了其应用。
[0007]申请号为201310076620.9的专利申请公开了一种准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器，如图1所示，所述电场或电压传感器包括:光源、环形器、起偏器、相位调制器、保偏延时光纤、测量光路、补偿光路、光电二极管、信号处理及光源驱动电路和信号输出与控制接口 ；其中，测量光路包括法拉第旋光器、测量光路光纤和铌酸锂直波导传感单元；补偿光路包括补偿光纤和反射镜。
[0008]上述技术方案在实现的过程中，由于现有的工艺技术很难使传感头内两端保偏光纤做到绝对相等，且光纤长度不同时，系统最终发生干涉的两束光的相关性降低，当长度差达到一定值时，两偏振光的光程差超过相干长度，将不发生干涉。因此只能选用长拍长保偏光纤来作补偿光纤，这就存在三大缺点:
[0009]1、工艺技术的限制使得两段光纤长度的不等长，这将导致整个光路的互易性降低，传感头的抗干扰能力降低。
[0010]2、在传感头测量的过程中，外界条件例如温度的变化将导致传感头内补偿光纤的弯曲、扭转、熔接角度以及补偿光纤与铌酸锂直波导的耦合角度发生变化，从而光路中的寄生波列的影响改变，最终影响电场或电压测量结果的准确性。
[0011]3、该方案的传感头在制作的过程中，受耦合技术和光纤熔接技术的限制，光纤的长度不可能做得无限小，因此涉及到内部光纤的缠绕问题，提高传感头制作复杂度的同时增大了传感头的体积。
【发明内容】
[0012]本发明旨在提高光学电压互感器测量的准确性和实用性，在“准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器”的基础上，本发明对传感头部分进行了改进，解决以下问题:1、两段补偿光纤的长度受工艺影响无法做到等长；2、补偿光纤是保偏光纤，其保偏性能受温度影响并且光纤缠绕的不对称性会导致附加测量误差；3、该方案传感头体积相对较大的问题；4、本发明还能够解决传感头内保偏光纤与波导耦合部分，偏振交叉耦合随温度变化的问题。
[0013]本发明提供的电场或电压传感头包括法拉第准直旋光器和Y切Z传铌酸锂直波导，在所述法拉第准直旋光器和Y切Z传铌酸锂直波导之间设置第一透镜。在所述Y切Z传铌酸锂直波导末端设置反射膜。所述反射膜镀在Y切Z传铌酸锂直波导表面。
[0014]所述的Y切Z传铌酸锂直波导在靠近第一透镜的端面镀有增透膜，或者让该端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向。
[0015]所述反射膜可以采用反射镜和第二透镜代替，将第二透镜设置在Y切Z传铌酸锂直波导和反射镜之间。
[0016]所述的Y切Z传铌酸锂直波导在靠近第二透镜的端面镀有增透膜，或者让该端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向。
[0017]本发明的优点在于:
[0018]1、本发明的传感头使用第一透镜直接将法拉第准直旋光器出来的光耦合进Y切Z传铌酸锂直波导中，当光从铌酸锂直波导返回时又能通过第一透镜进入到法拉第准直旋光器中，不需要使用到保偏光纤来连接。
[0019]2、本发明不使用两段等长补偿光纤，不用追求做到两段光纤等长，降低了传感头对工艺的要求。
[0020]3、传感头内不存在保偏光纤,避免了光纤偏振串音、传输损耗、光纤间熔接角度随温度变化对传感器变比的影响。
[0021]4、用第一透镜将光从法拉第准直旋光器耦合进Y切Z传铌酸锂直波导，在制作工艺上能够将法拉第准直旋光器与铌酸锂直波导之间的光程控制得更小，缩小了传感头的体积。[0022]5、直接将反射膜粘贴在直波导的端面，不需要通过光纤来连接，减少了传感头部分光学器件数目，缩小了光路复杂度。
[0023]6、在Y切Z传铌酸锂直波导靠近第一透镜的端面设置增透膜或者让该端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向，抑制光路中铌酸锂直波导端面反射光的存在，减小反射光对测量结果的影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是现有技术中准互易数字闭环光波导交变电场/电压传感器的结构示意图；
[0025]图2是本发明提供的微组装准互易反射式光波导电场/电压传感头的结构示意图；
[0026]图3是本发明提供的具有增透膜的的传感头的结构示意图；
[0027]图4是本发明提供的Y切Z传铌酸锂直波导的结构示意图；
[0028]图5是本发明提供的具有第二透镜和反射镜的传感头的结构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0030]本发明提供一种微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，如图2所示，所述电场或电压传感头结构包括:法拉第准直旋光器、第一透镜、Y切Z传铌酸锂直波导和反射膜。所述传感头的设计应用目的是作为准互易数字闭环光波导交变电场/电压传感器的传感头，可用来替代图1所示的传感器的高压传感头。
[0031]在使用到微组装准互易反射式光波导电场/电压传感头的交变电场/电压传感器中，光在进入到传感头之前的传输原理与准互易闭环铌酸锂光波导电场/电压传感器的原理相同。但是对于本发明的传感头，当光沿延迟光纤进入到法拉第准直旋光器后，整个偏振面旋转45°，而后经过第一透镜耦合进Y切Z传铌酸锂直波导，在外加电场或电压的作用下，Y切Z传铌酸锂直波导的两正交模式偏振光产生泡克尔斯相移，经过反射膜后，两正交模式偏振光再次经过Y切Z传铌酸锂直波导，产生的泡克尔斯相移加倍，从Y切Z传铌酸锂直波导返回的两偏振光经第一透镜再次进入到法拉第准直旋光器中，整个偏振面沿相同旋转方向再次旋转45°，与来时旋转的45°相结合，偏振面一共旋转了 90°，从而完成保偏延迟光纤内传输光进入传感头前后的模式互换。
[0032]如图3所示，在所述的Y切Z传铌酸锂直波导靠近第一透镜的端面上，设置有增透膜，用于抑制反射光的存在。也可以将所使用的Y切Z传铌酸理直波导靠近第一透镜的端面设计为不垂直于Y切Z传铌酸理直波导的Z轴方向，如图4所示。
[0033]如图5，所述的反射膜可以采用第二透镜和反射镜代替，将第二透镜设置在Y切Z传铌酸锂直波导和反射镜之间；Y切Z传铌酸锂直波导在靠近第二透镜的端面镀有增透膜以减小波导端面的光反射。或者设计所述Y切Z传铌酸锂直波导靠近第二透镜的端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向以减小波导端面的光反射。
[0034]当所述的反射膜采用第二透镜和反射镜代替时，可以在所述Y切Z传铌酸锂直波导的两个端面同时设置增透膜，或者同时将两个端面设计为端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向。[0035]光学电场或电压传感器的基本用途是测量外界电场或电压，传感头是整个传感器的核心部件，在使用的过程中，外界电场或电压加在Y切Z传铌酸锂直波导上，Y切Z传铌酸锂直波导内的两正交模式偏振光产生泡克尔斯相移，经反射膜反射后，两正交模式偏振光再次经过Y切Z传铌酸锂直波导，泡克尔斯相移加倍，从而提高了测量灵敏度。在现有的技术方案中，光在传感头内的两段保偏光纤传输的过程中，都会产生一定的相位差，由于光纤间的熔接角度误差、光纤与波导耦合角度误差、保偏光纤内部应力随温度变化会发生改变等原因，光路中会产生寄生波列，这些寄生波列最终会影响测量结果的准确性。本发明中，光经过法拉第准直旋光器后经过第一透镜进入到Y切Z传铌酸锂直波导中，不需要保偏光纤来过度，这部分引入的相位差只受第一透镜和前后的空气影响，不涉及到光纤，因此产生的寄生波列随温度的改变变化较小，能够有效提高准互易反射式数字闭环光波导电场电压互感器的温度稳定性；将反射膜直接镀在Y切Z传铌酸锂直波导端面的设计使得光在Y切Z传铌酸锂直波导与反射膜之间不存在别的传输过程，精简了光路，减小了光路传输数学建模的复杂性、减小了测量误差的引入来源，提高了传感器测量的温度稳定性。
[0036]当光经过Y切Z传铌酸锂直波导的端面时，在透射的同时会发生光的反射。当光从第一透镜入射到Y切Z传铌酸锂直波导的端面或者光从铌酸锂直波导往第一透镜传播经过这一端面时，反射光波的存在会使得准互易反射式光学电场或电压传感器的检测结果多出几个误差项，影响测量的准确性。本发明中，可以通过在铌酸锂直波导靠近第一透镜的端面上镀有增透膜来抑制反射光的存在，或者使用光斜入射进入直波导的方式让反射光无法重新进入到光路中，能够有效地抑制反射光对检测系统造成的影响，减小测量误差。
[0037]偏振交叉耦合是光学电压传感器测量误差的一大原因，本发明中，可能产生偏振交叉耦合现象的主要因素包括法拉第准直旋光器的旋光角度误差、Y切Z传铌酸锂直波导与法拉第旋光器输出光偏振面的角度误差以及Y切Z传铌酸锂直波导内部的偏振串扰。相对于准互易数字闭环光波导交变电场/电压传感器的传感头来说，减少了光纤间熔接角度误差导致的偏振交叉耦合现象、光纤与波导耦合时对轴角度误差导致的偏振交叉耦合现象以及光纤本身由于弯曲扭转现象导致的偏振交叉耦合现象，很大程度地减小了偏振交叉耦合现象的严重性。对于整个电场/电压传感器来说，测量得到的泡克尔斯相移更准确，推算出来的电场强度或者电压值大小也更准确，从而提高了准互易数字闭环光波导交变电场/电压传感器的实用性。
[0038]光路的传输损耗是影响测量准确性的另一个因素，在本发明中，光路的损耗主要发生在法拉第准直旋光器内部，法拉第准直旋光器与Y切Z传铌酸锂直波导之间光通过第一透镜的耦合过程以及Y切Z传铌酸锂直波导内部光的传输损耗，相比于现有技术，减少了光在两段保偏光纤中的传输损耗。光的传输损耗包括光的偏振相关损耗，即不同振动方向的偏振光在光路中传输过程的传输损耗，减少了光在两段保偏光纤中传输损耗的影响也就减少了光的偏振相关损耗受保偏光纤的影响。特别是当传感头工作在室外变温的环境中时，采用本发明能够有效消除光纤受温度影响对偏振相关损耗的改变，从而切实地提高准互易数字闭环光波导电场或电压传感器的变比在变温环境下的测量稳定性。
[0039]本发明实现的是电场/电压检测功能，微组装准互易反射式光波导电场/电压传感头的大体功能是法拉第准直旋光器进行45°旋光，然后光进入到Y切Z传铌酸锂直波导中，之后光经过反射膜沿原路返回。
【权利要求】
1.微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，其特征在于:所述的电场或电压传感头包括法拉第准直旋光器和Y切Z传铌酸锂直波导，在所述法拉第准直旋光器和Y切Z传铌酸锂直波导之间设置第一透镜，在所述Y切Z传铌酸锂直波导末端设置反射膜；所述反射膜镀在Y切Z传铌酸锂直波导表面；当光沿延迟光纤进入到法拉第准直旋光器后，整个偏振面旋转45°，而后经过第一透镜耦合进Y切Z传铌酸锂直波导，在外加电场或电压的作用下，Y切Z传铌酸锂直波导的两正交模式偏振光产生泡克尔斯相移，经过反射膜后，两正交模式偏振光再次经过Y切Z传铌酸锂直波导，产生的泡克尔斯相移加倍，从Y切Z传铌酸锂直波导返回的两偏振光经第一透镜再次进入到法拉第准直旋光器中，整个偏振面沿相同旋转方向再次旋转45°，与来时旋转的45°相结合，偏振面一共旋转了 90°，从而完成保偏延迟光纤内传输光经过传感头前后的模式互换。
2.根据权利要求1所述的微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，其特征在于:所述的Y切Z传铌酸锂直波导在靠近第一透镜的端面镀有增透膜。
3.根据权利要求1所述的微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，其特征在于:所使用的Y切Z传铌酸锂直波导靠近第一透镜的端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向。
4.根据权利要求1、2或3所述的微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，其特征在于:所述反射膜采用反射镜和第二透镜代替，将第二透镜设置在Y切Z传铌酸锂直波导和反射镜之间，Y切Z传铌酸锂直波导在靠近第二透镜的端面镀有增透膜以减小波导端面的光反射。
5.根据权利要求1、2或3所述的微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头，其特征在于:所述反射膜采用反射镜和第二透镜代替，将第二透镜设置在Y切Z传铌酸锂直波导和反射镜之间，Y切Z传铌酸锂直波导靠近第二透镜的端面不垂直于Y切Z传铌酸锂直波导的Z轴方向以减小波导端面的光反射。
【文档编号】G01R15/24GK103792405SQ201410061326
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】杨德伟, 张芳杰, 甄洪旭 申请人:北京航空航天大学