[发明专利]一种基于双光路补偿的光波导电压传感器

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于双光路补偿的光波导电压传感器。

背景技术

在电力系统中，电压传感器主要用于测量和保护，传统的电压传感器分电磁感应式和电容式两种。传统的电压传感器用油绝缘，有燃烧和爆炸的危险，并且输出都无法和计算机直接相连，有容量有限、频带较窄等问题。

光学电压传感器利用光学材料的物理性质来敏感电压，利用光纤传输信号，不但电气绝缘性好，而且还具有体积小、自重轻、动态范围宽、测量精度高、抗电磁干扰能力强、响应速度快、测量频带宽、不存在磁饱和等一系列优点，在国内外受到了广泛的关注。同时，光学电压传感器可直接输出数字信号，满足微机保护和检测的要求，具有很好的发展前景。光学电压传感器还可以测量直流电压，直流电压的测量在冶炼和直流电力系统是必须的。

光学电压传感器有多种方案，目前已经实现产品化的方案是基于Pockels效应的块状晶体型方案和基于逆电压效应的双模干涉方案，瑞典的ABB公司、法国Alstom公司、加拿大NxtPhase公司（已被收购）均有不同电压等级的产品问世。目前处于试运行阶段的光学电压传感器大多基于Pockels效应，同时各国的研究及实验室产品均集中于Pockels效应型光学电压传感器，但是其需要的光学元件多，校准困难，晶体不易进行批量生产，而且运行和稳定性尚有待提高，因此世界各国在改进基于Pockels效应的光学电压传感器的同时，也在不断寻找其他更有效的办法。

除了已经实现商品化的两种方案，其他的光学电压传感器方案有：基于逆压电效应的全光纤型方案，基于特种光纤的全光纤型方案，基于Pockels效应的集成光学型方案，基本都处于研究阶段，没有产品问世。

直波导电压传感器是二十世纪七十年代中期随着集成光学技术发展起来的一种新型传感器，同时也是光通信技术迅速发展的产物。由于该类传感器有利于光路系统的集成，使得它在检测领域的应用具有其它结构传感器无法比拟的优点。直波导电压传感器主要是基于Pockels效应（晶体折射率随外加电场呈线性变化的现象称为Pockels效应），它的基本测量原理是测量电极间的空间电场分布，然后对电场经过空间积分即可得到电压值。它利用直波导的电光效应，使电场信号调制到光载波上，光强度随着被检测电场相应地变化。经过光探测器后的输出信号电流即反映了被检测的电压信号。如果采用先进的集成光学技术，使得整个检测系统变成超小型，并具有稳定、可靠、带宽大、抗电磁干扰及微扰小等特点。目前利用集成光学技术实现的以铌酸锂晶体为衬底的光学电压传感器正成为研究的热点之一。

图1为现有的典型晶体型光学电压传感器的结构。该光路采用BGO晶体，进行横向调制，其工作过程：光源发出的光经过光纤（或准直透镜）传入起偏器，将光变成线偏振光，经1／4波片后又变成圆偏振光，当光透过电光晶体时发生双折射，进入偏振分束棱镜。根据Pockels效应，在电场或电压的作用下，双折射两光波之间的相位差与被测电压成正比。经偏振分束器后，可以获得两个互补的干涉光，最后经光电转换和信号处理后即可得到被测电压。

目前，块状晶体型光学电压传感器属于该领域比较成熟的方案，它对电极无特殊要求，应用很广。实际上，由于晶体中会掺杂部分杂质，从而引起自然双折射，产生附加相位延迟，并且后者随晶体温度的变化而变化，影响传感器工作的稳定性。实际应用中，为了消除自然双折射引起的附加相位延迟，可采用双晶体法或双光路法来实现温度补偿。此外，其大多采用分立的光学器件组成，需要透镜、起偏器、检偏器等组成光学系统和复杂的透镜耦合系统。光学元件多，晶体也不易进行批量生产，同时，光学元件的对准、调整非常复杂，而且运行和稳定性尚有待提高。

现有光波导型集成光学电场/电压传感器包括M-Z型波导式和直波导式。

1.M-Z型波导式

目前，关于集成光学电压传感器的研究早已在国内外展开研究，主要集中在马赫-曾德尔干涉型光学电压传感器。马赫-曾德尔型集成光学电压传感器的敏感元件是钛扩散铌酸锂基底的光波导，铌酸锂晶体切向为X切，光通路形状为Y分支型，如图2所示，敏感电压原理为马赫-曾德尔干涉仪测量原理。

2、直波导式