CN103226162B - 一种基于双光路补偿的光波导电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，属于光电技术领域。本发明的光波导电压传感器包括顺次采用全保偏光纤连接的光源、起偏器、直波导和偏振分束器，还包括光电探测器和信号处理单元。所述的直波导的固有相位差为π/2或者π/2的奇数倍，省略了1/4λ波片。本发明的传感部分由直波导制成，直波导可直接耦合进光纤，解决了块状晶体型光学电压传感器的诸多缺点，具有体积小，重量轻，结构简单，制作方便等诸多优点。全部器件采用光纤连接，省略了调整复杂的分立光学器件的麻烦，光路简单易实现，大大减少了光路空间，便于运输和安装，易于大规模生产。

Description

一种基于双光路补偿的光波导电压传感器

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

此前，有日本学者提出一种应用直波导作为敏感头的集成光学电场传感器（参考文献[1]：Osamu Ogawa，Tomohiro Sowa，Shinichi Ichizono.A guide-wave optical electric field sensor withimproved temperature stability.Lithtwave technology.1999.），如图3所示，其采用单光路结构，此种传感器应用的是Y切Z传钛扩散铌酸锂直波导，敏感电场原理为晶体的泡克尔斯电光效应。

虽然马赫-曾德尔型集成光学电场/电压传感器体积小，重量轻，结构简单，制作方便，具有诸多优点，但是由于铌酸锂晶体X切方向对温度十分敏感，所以此类光学电场/电压传感器的温度稳定性很差，不能工作在全温环境下，难以在电力系统中得以应用。

现有的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，但是通过单光路的测量电场结果与波导的偏置有很大的相关性，在实际测量中不能够准确有效的分离出交变的电场或电压。并且其变比与到达光探测器的光信号功率大小有关，而到达光探测器的光信号功率大小与光路稳定性有关。

以上两种光学电压传感器有如下缺点：

第一，块状晶体型光学电压传感器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，光路结构复杂，不易安装，体积较大，不易大规模生产，并且温度稳定性有待提高。

第二，目前的集成光学电压传感器大多为马赫-曾德尔型，基底为X切铌酸锂晶体，此种传感头受温度影响很大，不能应用在全温环境下。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供了一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，所述的光波导电压传感器包括顺次采用全保偏光纤连接的光源、起偏器、直波导和偏振分束器，还包括光电探测器和信号处理单元。所述的直波导的固有相位差为π/2或者π/2的奇数倍。

所述的光波导电压传感器可以实现温度补偿所需的温度测量和电场测量，具体光路如下：

首先光源产生的入射光经过起偏器变为线偏振光；起偏器通过保偏光纤与直波导连接，保偏光纤的快慢轴与直波导的TE、TM模偏振方向成45°对准，进入直波导的线偏振光被分解成两束振幅相等的正交偏振光；直波导输出端TE、TM模偏振方向与偏振分束器尾纤的快慢轴成45°对准；直波导的输出光通过偏振分束器，获得两个互补的干涉光；这两束干涉光分别顺次通过光电探测器和信号处理单元得到待测电场E和直波导固有相位差的偏置；直波导固有相位差的偏置是一个与温度相关的量，写为一个与传感头温度相关的函数，对传感器进行温度补偿。

本发明的优点在于：

第一，传感部分由直波导制成，直波导可直接耦合进光纤，解决了块状晶体型光学电压传感器的诸多缺点，具有体积小，重量轻，结构简单，制作方便等诸多优点。全部器件采用光纤连接，省略了调整复杂的分立光学器件的麻烦，光路简单易实现，大大减少了光路空间，便于运输和安装，易于大规模生产；

第二，本发明中电压敏感元件为Y切Z传钛扩散铌酸锂基底直波导，Y切Z传钛扩散铌酸锂基底直波导利用的是电光系数r₂₂，它的温度系数比常用的X切Y传基底直波导利用的电光系数r₃₃小，并且是BGO晶体电光系数的近1/3，因此Y切Z传钛扩散铌酸锂基底直波导具有比X切Y传基底直波导和BGO晶体更好的温度稳定性。

第三，直波导的固有相位差直接调整到π/2或者π/2的奇数倍，省略了1/4λ波片。由于波片温度稳定性较差，因此省略波片有利于提高系统的温度稳定性。输出采用双光路结构，对该电压传感器的温度稳定性也有一定的补偿作用。

附图说明

图1为现有技术中晶体型光学电压传感器光路原理图；

图2为现有技术中马赫-增德尔型波导原理图；

图3为现有技术中直波导集成光学电场传感器结构示意图；

图4为直波导型原理图；

图5为直波导电压传感器系统光路图。

图中：

1-光源；2-光纤；3-起偏器；4-直波导；5-偏振分束器；6-光电探测器；7-信号处理单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，利用双光路温度补偿原理，提高电压传感器的温度稳定性。所述的双光路温度补偿的原理是指电压传感器输出两路电场矢量互相垂直的线偏振光，分别用两路光纤传输，由两个光电探测器实现光电转换，然后对两路信号分别进行运算处理，从而消除温度的影响。因此，采用双光路设计后，在一定程度上提高了电压传感器的温度稳定性。

本发明提供的基于双光路补偿的光波导电压传感器的光路系统设计如图5，选用器件包括顺次连接的光源1、起偏器3、直波导4和偏振分束器5，上述器件全部采用保偏光纤2连接；所述电压传感器还包括光电探测器6和信号处理单元7。

所述光源1选择半导体激光器LD，功率大，单色性好，相干长度长，保证光程差不超过相干长度。起偏器3选用集成光学起偏器，光源1与起偏器3之间用保偏光纤2连接。所述直波导4的结构如图4所示，输入保偏光纤与输出保偏光纤分别与直波导的快慢轴呈45°对准，直波导4的固有相位差需要调整到π/2或者π/2的奇数倍。偏振分束器5采用带尾纤结构的，实现整个光路的连接。

所述的基于双光路补偿的光波导电压传感器的光路原理为：光源1产生的具有特定波长的入射光经过起偏器3变为线偏振光；起偏器3通过保偏光纤2与直波导4连接，保偏光纤2的快慢轴与直波导4的TE、TM模偏振方向成45°对准，进入直波导4的线偏振光被分解成两束振幅相等的正交偏振光；受电场影响，直波导4中传播的TE、TM模的相速发生不同的变化，直波导4输出光变成椭圆偏振态；直波导4输出端TE、TM模偏振方向与偏振分束器5尾纤的快慢轴成45°对准。直波导4的输出光通过偏振分束器5，可以获得两个互补的干涉光；这两束干涉光分别顺次通过光电探测器6和信号处理单元7可得到待测电场E和直波导4固有相位差的偏置直波导4固有相位差的偏置是一个与温度相关的量，可以写为一个与传感头温度相关的函数，便于对传感器进行温度补偿。

光学电压传感器的基本测量原理是测量电极间的空间电场分布，本发明中应用的是Pockels效应，首先对电场进行测量，经过对电场空间积分得到电压值，测量的电压包括50Hz和60Hz的电信号等低频信号。

光路系统的输出由光电探测器6实现光电变换，光电探测器6将接收到的光信号变成电信号，进入信号处理单元7。根据Pockels效应，光电探测器6的输出信号由公式（1）和公式（2）给出：

其中，P₀是进入直波导4的总光强，E是待测电场，E_π是两束相互垂直的线偏振光在直波导4中传播时产生π的相位差时的电场（或平均电场），即是Pockels效应产生的相位延迟，是直波导4的固有相位差，K_A和K_B表示信号a与信号b的传播与转换的损耗系数，信号a与信号b分别对应两个光电探测器6的输出信号。E_π与电压传感器灵敏有一定的关系，它取决于很多物理和几何因素，例如光波长、晶体的电光系数和折射率，以及很多其他的因素，在直波导4制作完成后，可以通过测量得到。是由已设计好的直波导4决定的，等于π/2，或者π/2的奇数倍，在实际实验中，会由于直波导4的制作偏差或者外界条件的变化而产生偏移。

因此，我们可以把光电探测器6的输出信号等效为：

其中（k是奇数），即为直波导4固有相位差的偏移或偏置。

设K＝K_A/K_B，对公式（3）和公式（4）进行整理后可得：

其中，K、、E_π的值都可以通过直接或间接测量得到（参考文献[2]：Farnoosh Rahmatian，Nicolas A.F.Jaeger.High accuracy optical electric field and voltage sensors.2002.），则E的值就可以计算出来。如果能准确的测量上述变量，就可以得到精度较高的直波导电压传感器。

实际应用中，由于生产工艺等因素的影响，直波导内部有生产加工等过程留下的残余应力，这些残余应力会在直波导内引起线性双折射。另外，环境的变化会使直波导受到来自外部的应力作用，这些应力作用在晶体内部引起应力双折射。上述双折射在直波导内随机分布，且随直波导的温度而变化，使电压传感器在使用过程中受温度的影响较大，稳定性不好。为了解决这个问题，系统采用双光路补偿法。由于相对于工频变化的待测电压，可以认为由温度、压力等引起的直波导内的相位变化是一直流分量。根据公式（3），的计算消除了直流分量的影响，可见，最终结果消除了随温度变化的干扰双折射的影响。

本发明实施例中只指出了各器件和光纤的基本种类。各器件包括但不限于型号、大小、形状不同但功能相同的器件；光路部分应用的保偏光纤包括但不限于各型号以及拍长长度不同的具有保偏效果的光纤。例如，熊猫光纤、领结光纤等。

Claims (3)

1.一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，其特征在于：所述的光波导电压传感器包括如下器件：光源、起偏器、直波导和偏振分束器，上述器件之间采用全光纤连接；所述的光波导电压传感器还包括光电探测器和信号处理单元；

所述的光波导电压传感器对电场进行测量，具体为：

光电探测器将接收到的光信号变成电信号，进入信号处理单元，根据Pockels效应，光电探测器的输出信号由公式(1)和公式(2)给出：

其中，P₀是进入直波导的总光强，E是待测电场，E_π是两束相互垂直的线偏振光在直波导中传播时产生π的相位差时的电场，即是Pockels效应产生的相位延迟，是直波导的固有相位差，K_A和K_B表示信号a与信号b的传播与转换的损耗系数，信号a与信号b分别对应两个光电探测器的输出信号；考虑到会产生偏移，因此，把光电探测器的输出信号等效为：

其中k是奇数，即为直波导固有相位差的偏移或偏置；

设K＝K_A/K_B，对公式(3)和公式(4)进行整理后得：

得到电场E的值。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，其特征在于：所述的直波导的固有相位差为π/2或者π/2的奇数倍。

3.根据权利要求1所述的一种基于双光路补偿的光波导电压传感器，其特征在于：所述的光波导电压传感器的光路为：

首先光源产生的入射光经过起偏器变为线偏振光；起偏器通过保偏光纤与直波导连接，保偏光纤的快慢轴与直波导的TE、TM模偏振方向成45°对准，进入直波导的线偏振光被分解成两束振幅相等的正交偏振光；直波导输出端TE、TM模偏振方向与偏振分束器尾纤的快慢轴成45°对准；直波导的输出光通过偏振分束器，获得两个互补的干涉光；这两束干涉光分别顺次通过光电探测器和信号处理单元得到待测电场E和直波导固有相位差的偏置