[发明专利]一种基于偏振补偿的电场测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于偏振补偿的电场测量系统，可应用于较恶劣环境中的强电场测量，属于高电压测量技术领域。

背景技术

在高电压工程及核工程等领域，会产生非常强的电场，对之进行测量的关键部件是电场传感器，应满足以下基本要求：频率范围宽，动态范围大；空间分辨率高，对原场的干扰小等。值得注意的是对强电场的测量不仅限于实验室环境，大部分应用处于户外环境，需要考虑温度、振动等环境因素的影响，要求传感器具有较高的稳定性。

光学电场传感器具有频带宽、对原场干扰小等优点，已广泛应用于电压、电场测量。已有技术中基于光学电场传感器的电场测量系统的结构示意图如图1所示。该测量系统包括测量单元101和控制单元102，分别位于强电场环境和电磁屏蔽环境（如继电保护小室）中。位于控制单元的激光源103产生线偏振光，通过保偏光纤104传输至准直透镜105，激光经准直透镜聚焦后经过起偏器106、1/4波片107传输至电场传感器108。电场传感器采用具有线性电光效应的晶体（如LiNbO₃晶体、BGO晶体等），在外界电场的作用下，晶体的折射率会发生变化，从而对在晶体中传输的激光产生偏振态调制。从电场传感器输出的椭圆偏振态信号进入偏振分束器109，偏振态信号转换为光强度信号。光强度信号经过准直透镜110聚焦后进入输出单模光纤111，传输至位于控制单元的探测器112，光强度信号转化为电压信号。检测电压信号后即可根据测量系统的传递函数反推出待测的电场信号。

静态工作点对测量系统的传递函数具有重要影响，如图2所示。当或π时，静态工作点位于传递函数的饱和区域，一方面大大降低测量的灵敏度，另一方面使测量波形产生严重畸变。当时，即传感器输出激光的偏振态为圆偏振态，静态工作点位于传递函数的线性区域，测量系统具有最大的灵敏度和线性输入输出特性。因此，对光学电场传感器的基本要求是静态工作点等于或接近π/2。

已有技术主要存在两个缺陷：一方面通过1/4波片107产生π/2的静态偏置点，1/4波片的性能受温度的影响很大，当温度变化时，将偏离π/2，严重影响了电场传感器的温度稳定性，甚至导致器件的失灵。另一方面，电光晶体具有热电、光折变等附加的物理效应，温度或光辐照等环境因素将剧烈影响电场传感器的稳定性，将电场传感器的应用范围限制于实验室环境中。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于偏振补偿的电场测量系统，通过对输入激光进行偏振态的反馈控制，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使测量系统具有最佳性能，同时消除环境因素（温度、振动等）对测量的影响，使电场传感器适用于较恶劣环境中电场的测量。

本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统，包括控制单元和测量单元；

所述的控制单元包括：

激光源，用于产生激光；

偏振控制器，用于接收来自激光源的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤传输至测量单元，偏振控制器与激光源通过输入单模光纤相连；

探测器，用于接收来自测量单元的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号，探测器与测量单元通过输出单模光纤相连；

处理器，用于接收来自探测器的两路电压信号，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数，处理器分别与探测器和偏振控制器通过同轴电缆相连；

所述的测量单元包括：

传感器，用于接收来自控制单元的激光，在没有电场作用时，传感器输出为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤与控制单元相连；

偏振分束器，用于接收传感器输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器的输入端与传感器相连，偏振分束器的输出端通过输出单模光纤与控制单元相连。

本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统，其优点是：本发明的电场测量系统通过对激光偏振态的实时补偿，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使得电场传感器具有最优的性能；测量系统中的传感器不再采用1/4波片，消除了1/4波片对传感器温度稳定性的影响，保证了电场测量系统的温度稳定性；本发明测量系统通过偏振态的实时补偿，克服了温度、振动等环境因素对电光晶体、光纤物理特性的不良影响，使电场测量系统可应用于户外较恶劣的环境中，开拓了电场测量系统的应用范围和场合。

附图说明