CN103197113B - 准互易反射式光学电压传感单元及其传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种准互易反射式光学电压传感单元及其传感系统，该传感单元包括传感头和两个保偏环形器，每个保偏环形器上均设有第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤；两束正交线偏振光通过第一保偏环形器的第二尾纤传输至该传感单元中，第一保偏环形器的第三尾纤与第二保偏环形器的第一尾纤进行0°角熔接形成支路I，第一保偏环形器的第一尾纤与第二保偏环形器的第三尾纤进行90°角熔接形成支路II；第二保偏环形器的第二尾纤与传感头的尾纤熔接；该传感系统包括传感单元、光路部分和电路部分。该传感单元及其系统利用两个保偏环形器实现了两束正交偏振光的模式互换，提高了光路的抗干扰能力，具有体积小、重量轻，结构简单，不受电磁干扰等优点。

Description

准互易反射式光学电压传感单元及其传感系统

技术领域

本发明属于电压互感器领域，具体涉及一种用于光学电压互感器的准互易反射式光学电压传感单元及其传感系统。

背景技术

光学电压互感器是一种利用光信号感应电压并经过信号处理得到输出电压的互感器。相比传统的电磁感应式和电容式电压互感器有许多无法比拟的优点，已经成为电压互感器领域研究的热点，是电压互感器未来的发展趋势。其中电压传感单元是实现光电感应的关键部分。目前基于普克尔（Pockels）效应的光学电压互感器的电压传感单元大都需要两路光电探测装置来接收携带了调制信息的两路光输出信号，使得整个光学电压互感器的结构较为复杂。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的之一在于提出一种抗干扰能力强、结构简单的准互易反射式光学电压传感单元。

本发明的准互易反射式光学电压传感单元是通过如下技术方案实现的：

一种准互易反射式光学电压传感单元，该传感单元包括传感头，还包括两个保偏环形器，每个保偏环形器上均设有第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤；

两束正交线偏振光通过所述第一保偏环形器的第二尾纤传输至该传感单元中，所述第一保偏环形器的第三尾纤与第二保偏环形器的第一尾纤进行0°角熔接形成支路I，所述第一保偏环形器的第一尾纤与第二保偏环形器的第三尾纤进行90°角熔接形成支路II；所述第二保偏环形器的第二尾纤与传感头的尾纤熔接。

进一步地，所述传感头包括准直器和电光晶体，所述电光晶体的光入射面上镀有增透膜、与光入射面相对的另一面上镀有反射膜，所述准直器与电光晶体镀有增透膜的一面相固接，所述准直器的光入射面上连接有传感头的尾纤；所述电光晶体的上、下端面分别安装有电极。

进一步地，所述传感头封装于屏蔽外壳中。

进一步地，两束正交线偏振光依次经过第一保偏环形器、支路I和第二保偏环形器后进入传感头，获得2φ的总相位差后从传感头输出；从传感头输出的两束正交线偏振光依次经过第二保偏环形器、支路II和第一保偏环形器后输出；在经过支路II时，使得两束正交线偏振光的偏振方向旋转90度，实现两束正交线偏振光的模式互换。

进一步地，所述传感头在电场的作用下，使两束正交线偏振光通过传感头后产生相位差φ，两束线偏振光经反射再次通过传感头后，总相位差为2φ。

所述两束线偏振光通过传感头后产生的相位差为：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{l}{d}{n_0}^3{\mathrm{\γ}}_{41}U$

其中，l是光传播方向上电光晶体的长度，d是外加电场方向上电光晶体的厚度，n₀是电光晶体的折射率，γ₄₁是电光晶体的电光系数，U是加在电光晶体上的电压。

进一步地，所述两个保偏环形器的第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤以及传感头的尾纤均采用保偏光纤。

本发明的另一目的在于提出一种准互易反射式光学电压传感系统，该传感器包括上面任一所述的传感单元，还包括置于二次机箱中的光路部分和电路部分；

从光源发出的光经过光路部分分成两束正交线偏振光、并通过保偏光纤传至传感单元；所述传感单元在电场的作用下并经过反射产生总相位差为2，并且两束线偏振光的振动方向分别旋转90°，实现其模式互换；从所述传感单元返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。

进一步地，所述光路部分包括光源、环形器、Y波导调制器和偏振光分束器，从所述光源发出的光经过环形器进入Y波导调制器，将光分成两束偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入偏振光分束器，将两束偏振光调整成两束正交线偏振光后通过保偏光纤传至传感单元；经过传感单元返回的两束正交线偏振光携带有待测电压信息，再次经过偏振光分束器后进入Y波导调制器中发生干涉，经过干涉的干涉光强信号经过环形器后，进入电路部分进行信号处理。

进一步地，所述电路部分包括：

光电转换器，用于探测光路部分发出的干涉光强信号、并将该信号转换为模拟电压信号，送至模数转换器；

模数转换器，用于将模拟电压信号转换为离散的数字量信号后送入数字信号处理单元；

数模转换器，将数字信号处理单元产生的数字阶梯波转换为模拟阶梯波；

驱动电路，驱动模拟阶梯波施加给光路部分的Y波导调制器；以及

数字信号处理单元，用于对数字量信号进行数据解调，通过积分处理后，产生阶梯波台阶高度，经过累加形成数字阶梯波，并送至数字模拟转换器转换为模拟阶梯波，经过驱动电路施加给光路部分的Y波导调制器，实现闭环控制；所述数字信号处理单元还用于产生调制方波，该调制方波经过方波驱动电路转换成模拟方波，再与模拟阶梯波进行叠加，然后施加给光路部分的Y波导调制器；所述数字信号处理单元还用于对数字量信号进行平滑滤波后，形成数字信号输出。

进一步地，所述数字信号处理单元包括数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）。

本发明的有益效果在于：

1、本发明利用两个保偏环形器实现了两束正交偏振光的模式互换，形成准互易性反射式光路，提高了光路的抗干扰能力。

2、本发明所采用的光学元件体积小、重量轻，结构简单，且不受电磁干扰，对被测电场扰动小。

附图说明

图1是本发明准互易反射式光学电压传感单元的结构原理图；

图2是本发明准互易反射式光学电压传感系统中光路部分的结构原理图；

图3是本发明准互易反射式电学电压传感系统中电路部分的结构原理图；

图中，1-第一保偏环形器，2-第二保偏环形器，3-准直器，4-电光晶体，5-增透膜，6-反射膜，7-电极，8-光源，9-环形器，10-Y波导调制器，11-偏振光分束器（以下简称PBS），12-光电转换器，13-模数转换器，14-数字信号处理单元，15-数模转换器，16-驱动电路，17-方波驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的准互易反射式光学电压传感单元及其传感系统作进一步详细的描述。

如图1所示，本例的准互易反射式光学电压传感单元包括两个保偏环形器（即第一个保偏环形器1和第二个保偏环形器2）和传感头。第一保偏环形器1上设有第一尾纤a、第二尾纤b和第三尾纤c，第一尾纤a和第二尾纤b对称连接于第一保偏环形器1的两侧，第三尾纤c连接于第一保偏环行器1的下端、并与尾纤a、b呈90°设置；同样地，第二保偏环形器2上设有第一尾纤a’、第二尾纤b’和第三尾纤c’，第一尾纤a’和第二尾纤b’对称连接于第二保偏环形器2的两侧，第三尾纤c’连接于第二保偏环行器2的下端、并与尾纤a’、b’呈90°设置；两束正交线偏振光沿第一保偏环形器1的第二尾纤b传输至该传感单元中，第一保偏环形器1的第三尾纤c与第二保偏环形器2的第一尾纤a’进行0°角熔接形成支路I，第一保偏环形器1的第一尾纤a与第二保偏环形器2的第三尾纤c’进行90°角熔接形成支路II，第二保偏环形器2的第二尾纤b’与传感头的尾纤熔接。上述传感头的尾纤以及两个保偏环形器的第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤均采用保偏光纤。

本例的光传输方向说明：当两个结构完全相同的保偏环形器相连接时，只有如图1所示的连接方式才能实现本例的传输方式及功能，即：第一保偏环形器1的第三尾纤c与第二保偏环形器2的第一尾纤a’零度熔接，第一保偏环形器1的第一尾纤a与第二保偏环形器2的第三尾纤c’90°熔接，这样就可以实现b→c→a’→b’→c’→a→b的光传输。

传感头可以采用绝缘材料制成，绝缘性能良好，其包括准直器3（可采用准直透镜）和电光晶体4，电光晶体4的前端面（即光入射面）的上镀有增透膜5、电光晶体4的后端面（即与光入射面相对的一面）上镀有反射膜6，准直器3与电光晶体4镀有增透膜的一面相固接，准直器的光入射面上连接有与第二保偏环形器2的第二尾纤进行熔接的尾纤；电光晶体4的上、下端面还分别安装有电极7。该电极用于感应电场中的电势，并采用横向调制，即施加在电光晶体4上的电场方向与光传播方向垂直。

准互易反射式光学电压传感单元的工作原理为：

从光路结构发出的两束正交线偏振光分别沿保偏光纤的X轴和Y轴传输，经过第一保偏环形器1后沿支路I进入第二保偏环形器2，之后经过传感器的准直器3进行准直扩束后进入电光晶体7；电光晶体在电场中，通过气上、下表面感应电势差。电光晶体7在电场作用下产生电光效应，使两束正交线偏振光之间引入相位差其中,l是光传播方向上晶体的长度，d是外加电场方向上晶体的厚度，n₀是晶体的折射率，γ₄₁是晶体的电光系数，U是加在晶体上的电压。两束正交线偏振光经电光晶体表面的反射膜7反射后再次经过电光晶体4，累计获得2φ的总相位差。从传感器的准直器3输出后进入第二个保偏环形器3，沿支路II传播，由于支路II中的光纤进行90°熔接，因此两束正交线偏振光在经过支路II时，各自的偏振方向旋转90°。此时，原来沿保偏光纤X轴传播的正交线偏振光变为沿保偏光纤的Y轴传播，原来沿保偏光纤Y轴传播的正交线偏振光变为沿保偏光纤的X轴传播，即实现了两束正交线偏振光的模式互换；经过模式互换的两束正交线偏振光再经过第一保偏环形器1输出，再经过光路结构，最终由光电转换器探测。由于每段尾纤的长度都不长，所以由尾纤引入的相位差很小，本例中可以忽略（即调整保偏光纤的长度使得两束正交线偏振光模式互换前后的光程差为零），这样返回的光只携带了由电光晶体的电光效应带来的相位差。

本例还提出了一种准互易反射式光学电压传感系统，该系统可以通过准互易反射式光路引入成熟的数字闭环检测技术（通过如图3所示的电路部分来实现）用于信号的检测，从而提高了传感单元和整个系统的动态范围和响应灵敏度，其具体结构详述如下：

该传感系统除了包括如上所述的传感单元，还包括置于二次机箱中的光路部分和电路部分；从光源发出的光经过光路部分分成两束正交线偏振光、并通过保偏光纤传至传感单元；传感单元在电场的作用下并经过反射产生总相位差为2，并且两束线偏振光的振动方向分别旋转90°，实现其模式互换；从传感单元返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。

如图2所示，光路部分主要由光源8、环形器9、Y波导调制器10和PBS11组成。其工作原理为：光源8发出的光经过环形器9后进入Y波导调制器10；Y波导调制器也称为集成光学相位调制器，是一种多功能器件，由一个Y型分束器和两个相位调制器组成，采用该Y波导调制器可以使光路部分的机构更紧凑，减小二次机箱体积，操作更方便；进入Y波导调制器10的光被分成两束偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入PBS11，将两束偏振光调整成两束正交线偏振光后通过保偏光纤（该保偏光纤即为第一保偏环形器1的第二尾纤b）传至传感单元；经过传感单元之后，携带了待测电压信息的两束正交线偏振光沿原光路返回，在Y波导调制器10中发生干涉，然后经过环形器进入电路部分进行信号处理。

如图3所示，电路部分主要由光电转换器12、模数转换器13、数字信号处理单元14、数模转换器15及相应驱动电路16组成。信号处理过程为：光电转换器12探测来自光路部分的携带有待测电压信息的干涉光强信号、并将该信号转换为电压信号后，传给模数转换器13将电压信号转换为离散的数字量信号，送入数字信号处理单元14，其由DSP和FPGA实现。FPGA将离散的数字量信号进行解调，并对解调结果进行积分，产生阶梯波台阶高度，再经过累加形成数字阶梯波，送至数模转换器15转换为模拟阶梯波，经过驱动电路16施加给光路部分的Y波导调制器10，实现闭环控制；FPGA还产生调制方波，通过方波驱动电路17转换成模拟方波，并将该模拟方波与上述模拟阶梯波叠加后，施加给Y波导调制器10；此外，DSP对FPGA的解调数据进行平滑滤波，由FPGA形成数字信号输出。之后，便可利用现有的测量设备通过测量两束光的输出数字信号，来间接测得待测电压信息，即电场大小。

本例的准互易反射式光学电压传感单元，采用横向调制，利用电光晶体在外电场作用下的电光效应感应电场信号，并利用两个保偏环形器实现了两束正交线偏振光的模式互换，从而形成了一种准互易反射式光路结构，出射的两束正交线偏振光只携带了电光晶体对它们的相位调制信息。这种光学电压传感单元的光学组件少、结构简单、体积小、重量轻；由绝缘材料组成，绝缘性能好；准互易反射式光路可以大大提高长光路传输过程中的抗干扰能力，还可以利用光学电流互感器中的数字闭环信号检测技术，提高了系统的动态范围和响应灵敏度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种准互易反射式光学电压传感单元，该传感单元包括传感头，其特征在于：还包括两个保偏环形器，每个保偏环形器上均设有第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤；

两束正交线偏振光通过第一保偏环形器的第二尾纤传输至该传感单元中，所述第一保偏环形器的第三尾纤与第二保偏环形器的第一尾纤进行0°角熔接形成支路I，所述第一保偏环形器的第一尾纤与第二保偏环形器的第三尾纤进行90°角熔接形成支路II；所述第二保偏环形器的第二尾纤与传感头的尾纤熔接。

2.根据权利要求1所述的准互易反射式光学电压传感单元，其特征在于：

所述传感头包括准直器和电光晶体，所述电光晶体的光入射面上镀有增透膜、与光入射面相对的另一面上镀有反射膜，所述准直器与电光晶体镀有增透膜的一面相固接，所述准直器的光入射面上连接有该传感头的尾纤；所述电光晶体的上、下端面分别安装有电极。

3.根据权利要求1或2所述的准互易反射式光学电压传感单元，其特征在于：

所述传感头封装于屏蔽外壳中。

4.根据权利要求1所述的准互易反射式光学电压传感单元，其特征在于：

两束正交线偏振光依次经过第一保偏环形器、支路I和第二保偏环形器后进入传感头，获得2φ的总相位差后从传感头输出；

从传感头输出的两束正交线偏振光依次经过第二保偏环形器、支路II和第一保偏环形器后输出；在经过支路II时，使得两束正交线偏振光的偏振方向旋转90度，实现两束正交线偏振光的模式互换。

5.根据权利要求4所述的准互易反射式光学电压传感单元，其特征在于：

所述传感头在电场的作用下，使两束正交线偏振光通过传感头后产生相位差φ，两束线偏振光经反射再次通过传感头后，总相位差为2φ，所述相位差通过下式求得：

其中，l是光传播方向上电光晶体的长度，d是外加电场方向上电光晶体的厚度，n₀是电光晶体的折射率，γ₄₁是电光晶体的电光系数，U是加在电光晶体上的电压。

6.根据权利要求1所述的准互易反射式光学电压传感单元，其特征在于：

所述两个保偏环形器的第一尾纤、第二尾纤和第三尾纤以及传感头的尾纤均采用保偏光纤。

7.一种准互易反射式光学电压传感系统，其特征在于，该传感器包括权利要求1-6任一所述的传感单元，还包括置于二次机箱中的光路部分和电路部分；

从光源发出的光经过光路部分分成两束正交线偏振光、并通过保偏光纤传至传感单元；所述传感单元在电场的作用下并经过反射产生总相位差为并且两束线偏振光的振动方向分别旋转90°，实现其模式互换；从所述传感单元返回的两束线偏振光通过保偏光纤传回至光路部分进行干涉，再由电路部分探测干涉光强信号并进行信号处理后，形成数字信号输出。

8.根据权利要求7所述的准互易反射式光学电压传感系统，其特征在于：

所述光路部分包括光源、环形器、Y波导调制器和偏振光分束器，从所述光源发出的光经过环形器进入Y波导调制器，将光分成两束偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入偏振光分束器，将两束偏振光调整成两束正交线偏振光后通过保偏光纤传至传感单元；经过传感单元返回的两束正交线偏振光携带有待测电压信息，再次经过偏振光分束器后进入Y波导调制器中发生干涉，经过干涉的干涉光强信号经过环形器后，进入电路部分进行信号处理。

9.根据权利要求7或8所述的准互易反射式光学电压传感系统，其特征在于，所述电路部分包括：

光电转换器，用于探测光路部分发出的干涉光强信号、并将该信号转换为模拟电压信号，送至模数转换器；

模数转换器，用于将模拟电压信号转换为离散的数字量信号后送入数字信号处理单元；

数模转换器，将数字信号处理单元产生的数字阶梯波转换为模拟阶梯波；

驱动电路，驱动模拟阶梯波施加给光路部分的Y波导调制器；以及

数字信号处理单元，用于对数字量信号进行数据解调，通过积分处理后，产生阶梯波台阶高度，经过累加形成数字阶梯波，并送至数字模拟转换器转换为模拟阶梯波，经过驱动电路施加给光路部分的Y波导调制器，实现闭环控制；所述数字信号处理单元还用于产生调制方波，该调制方波经过方波驱动电路转换成模拟方波，再与模拟阶梯波进行叠加，然后施加给光路部分的Y波导调制器；所述数字信号处理单元还用于对数字量信号进行平滑滤波后，形成数字信号输出。

10.根据权利要求9所述的准互易反射式光学电压传感系统，其特征在于，所述数字信号处理单元包括数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)。