[发明专利]一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器

说明书

本发明涉及一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器。输入耦合器、起偏器、单臂直列光路、检偏器和输出耦合器制备在以铌酸锂晶体为基体的内部，并依次按光路方向排列，输入耦合器用于将外部输入的线偏单色光转换成平行光束，并入射至起偏器，起偏器输出的光束在进入单臂直列光路时被分解为寻常光和非常光，单臂直列光路用于传输寻常光和非常光，检偏器用于对单臂直列光路输出的寻常光和非常光沿偏振方向重新形成分量，并重新组合成线偏光束，输出耦合器用于将来自检偏器的线偏光束汇聚成满足布鲁斯科角的点光源，并输出至单模光纤，探测天线连接在单臂直列光路对应的铌酸锂晶体外部。本发明避免了现有技术中双折射导致的测量误差。

技术领域

本发明涉及高电位、高场强、易触电危险区域中的电场强度检测技术领域，具体的说是一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器。

背景技术

在工业输、变、配电领域，核工业技术领域，航空航天领域，以及其他军民技术领域，出于相关系统、设备运行可靠性和人员安全防护需要，需要快速、精确的实现特定区域内电场强度分布特性的测量。由于测量对象的特殊性，要求相关测量设备具有对待测点电场分布畸变影响小、测量装置前端电气隔离彻底、测量快速准确、受外界温、湿度等环境因素影响小，长时工作特性稳定、耐电磁干扰、电晕放电干扰强的特点。

目前对电场测量而言，主要有两类解决方案：一类是采用接触型测量装置，通过前端环形、针型、或者其它形式的分压单元直接探测电信号，并将电信号转换成场强信号：另一类是采取光学方法，利用电光晶体材料的电光效应(Pockels效应或Kerr效应)，将电场强度转化为光学信号，进而实现电场的测量。

对于前一类接触型电场测量方法而言，存在的突出问题是电磁隔离不彻底，在高场强或高电位区域中，难以从根本保证设备和人员安全，有发生电击的隐患；加之前端部件几何尺寸较大，容易造成待测电场的明显畸变，并且难以通过对测量结果进行修正补偿而彻底消除畸变误差，往往存在较大的系统误差；此外，对于随时间呈快速变化的电场而言(比如放电环境或雷击波等瞬态电场)，在测量上也往往因为自身时间常数较大，反应迟滞而不能有效测量。对于后一类电场性测量方法而言，目前存在的突出问题是测量精度偏低，测量误差较大，其中电光晶体内部残余双折射和要求极高的光路加工过程是导致误差较大的主要原因。比如普遍采用的马赫曾德(MZ)型光纤型电场传感器，采用了双臂原理，要求一对光臂间保持极好的加工精度，长度上相差半个波长距离，此外，由于其测量原理，导致了晶体加工中残余双折射和固有双折射现象会对测量结果构成明显影响，使得其适用性和测量精度受到限制。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种基于单臂直列光路结构，且结构简单、几何尺寸小、电隔离彻底、无明显系统误差、反应灵敏、抗干扰能力强的的微集成型电场测量传感器，用以有效解决目前电光型电场测量传感器存在的两个技术难题：(1)传感器对电光晶体中自然双折射和残余双折射敏感，容易因此而导致误差引入；(2)传感器对加工精度要求高、容易因加工和装配过程中各类工艺误差而导致测量结果中存在系统误差。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于单臂直列光路结构的微集成型电场测量传感器，包括输入耦合器、起偏器、检偏器、输出耦合器和探测天线；所述输入耦合器、起偏器、单臂直列光路、检偏器和输出耦合器制备在以铌酸锂晶体为基体的内部，并依次按光路方向排列，所述输入耦合器用于将外部输入的线偏单色光转换成平行光束，并入射至所述起偏器，所述起偏器与所述检偏器之间流出一端距离作为单臂直列光路，所述起偏器输出的光束在进入所述单臂直列光路时被分解为寻常光和非常光，所述单臂直列光路用于传输所述寻常光和非常光，所述检偏器用于对所述寻常光和非常光沿偏振方向重新形成分量，并重新组合成线偏光束，所述输出耦合器用于将来自检偏器的线偏光束汇聚成满足布鲁斯科角的点光源，并输出至单模光纤，所述探测天线连接在所述单臂直列光路对应的铌酸锂晶体外部。

所述起偏器的偏振方向与所述铌酸锂晶体的光轴方向之间具有45°夹角。