[发明专利]微组装准互易反射式光波导电场或电压传感头

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

此前，有日本学者(参考文献:Ogawa O.,Sowa T.,Ichizono S.A guided-wave optical electric field sensor with improved temperature stability.Journal of Lightwave 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元件为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。

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。

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：

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。

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。

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

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。