CN103675391A

CN103675391A - 一种径向检偏式光学电压传感器

Info

Publication number: CN103675391A
Application number: CN201210327345.9A
Authority: CN
Inventors: 徐启峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2014-03-26

Abstract

本发明涉及一种光学电压传感器，是基于晶体一次电光效应、径向检偏器解调、传像棒或传像光纤束传像和数字图像定位技术实现的。线偏振光透过电压作用下的电光晶体，其一次电光效应使线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，经径向检偏器解调后得到一个形状固定的光斑，光斑随旋转角同步旋转，由传像棒或传像光纤束将光斑传送至CMOS或CCD图像传感器对光斑定位得到实时数字电压信号。本发明适用于电力系统交直流电压的测量。

Description

一种径向检偏式光学电压传感器

技术领域

本发明涉及一种光学电压传感器，是基于晶体一次电光效应、径向检偏器解调、传像棒或传像光纤束传像和数字图像定位技术实现的。线偏振光穿过电压作用下的电光晶体，其一次电光效应使线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，经径向检偏器解调后得到一个形状固定的光斑，光斑随旋转角同步旋转，由传像棒或传像光纤束将光斑传送至CMOS或CCD图像传感器对光斑定位得到实时数字电压信号。本发明适用于电力系统交直流电压的测量。

背景技术

目前可用于高电压测量的电压互感器或传感器有电磁式，电容式、模拟光电式和有源电子式四种。

电磁式电压互感器依赖高低电位之间的电磁联结实现电压测量，随着电力系统电压等级的提高，其电气绝缘变得十分困难。考虑到安全性、可靠性、准确性、性价比等方面的要求，电磁式电压互感器不适用于110kV以上电压等级。

电容式电压互感器基于电容分压原理，简单实用、成本低。但其瞬变响应误差大，一般为5％-10％。这是原理性的缺陷，因为电容器的充放电特性必然导致时滞和剩余电压。减少电容量则容易受到外界分布电容的干扰，增加电容量则难以改善瞬变响应。另外，长期运行后其分压比发生漂移，影响到测量的准确性。

模拟光电式电压传感器已有60多年的发展历史，其大部分是基于一次电光效应实现的。基本原理是电光晶体在电压的作用下呈各向异性，使通过晶体的线偏振光发生双折射，一束线偏振光变成两束线偏振光并产生电光相位延迟，利用单向检偏器检出因电光相位延迟导致的光强变化，经光电转换得到模拟电压信号。其优点是利用光信号的传递实现了高低电位之间的电气隔离；其缺点是光强测量的方法是非线性的，受晶体半波电压的限制，测量范围小、准确度低。

有源电子式利用电容环分压器、电阻分压器或电容电阻串联电路得到小电压信号，缺点是没有实现高低电位之间的电气隔离。

发明内容

本发明提出了一种基于晶体一次电光效应、径向检偏器解调、传像棒或传像光纤束传像和数字图像定位技术实现的光学电压传感器，有横向调制和纵向调制两种实现方式，其横向调制方式如图1或图2所示，纵向调制方式如图3所示。

本发明所述的方法是将光信号从光源[1]从低电位经多模光纤[2]传送到高电位的起偏器[3]得到线偏振光，并沿与晶体感应轴垂直方向(横向调制方式)或平行方向经电极[4](纵向调制方式)进入电光晶体[5]，[4]一端接待测量的电压U、另一端接地，进入[5]的线偏振光分解为偏振方向相互正交的两束线偏振光，电压的作用使[5]的两个偏振方向的折射率不同，使在[5]内传播后出射的线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片[6]将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，经径向检偏器[7]解调，[7]为应用纳米离子束刻蚀与纳米压印技术制成的铝金属偏振透射光栅，其特点是其透振方向在360°的环形区域内沿径向均匀分布，与[7]上某一透振方向一致的线偏振光能够透过，与该透振方向垂直的线偏振光不能透过，从而在[7]上某一正负90°的区域内透过的线偏振光强度由最大递减到最小，形成一个形状固定的光斑并与旋转角同步旋转，由传像棒或传像光纤束[8]将光斑由高电位传送到低电位的CMOS或CCD图像传感器[9]，由[9]对光斑定位得到实时数字电压信号。

附图说明

图1是本发明的原理图。

图2是本发明的具体实施方式一。

图3是本发明的具体实施方式二。

图4是径向检偏器的示意图。

其中，U是待测量的电压，[1]是光源，[2]是多模光纤，[3]是起偏器，[4]是电极，[5]是电光晶体，[6]是λ/4波片，[7]是径向检偏器，[8]是传像棒或传像光纤束，[9]是CMOS或CCD图像传感器，[10]是高压导线，[11]是绝缘子。

具体实施方式一

本实施方式为横向调制方式如图2所示，光信号从光源[1]从低电位经多模光纤[2]传送到高电位的起偏器[3]得到线偏振光，并沿与晶体感应轴垂直方向进入电光晶体[5]，电极[4]的一端连接高压导线[10]，另一端接地；[5]置于[4]两端电压U形成的电场中，进入[5]的线偏振光分解为两束偏振方向相互正交的线偏振光，电压的作用使[5]的两个偏振方向的折射率不同，使在[5]内传播后出射的线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片[6]将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，经径向检偏器[7]解调后得到一个形状固定的光斑，光斑随旋转角同步旋转；由传像棒或传像光纤束[8]将光斑由高电位传送到低电位的CMOS或CCD图像传感器[9]，由[9]对光斑定位得到实时数字电压信号。其中[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]均置于[11]之中，[10]置于[11]的顶部。

具体实施方式二

本实施方式为纵向调制方式如图3所示，光信号从光源[1]经多模光纤[2]传送到起偏器[3]得到线偏振光，并沿与晶体感应轴平行方向经电极[4]进入电光晶体[5]，[4]的一端连接高压导线[10]，另一端接地；[5]置于[4]两端电压U形成的电场中，进入[5]的线偏振光分解为两束偏振方向相互正交的线偏振光，电压的作用使[5]的两个偏振方向的折射率不同，使在[5]内传播后出射的线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片[6]将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，再经径向检偏器[7]解调后得到一个形状固定的光斑，光斑随旋转角同步旋转；由传像棒或传像光纤束[8]将光斑由高电位传送到低电位的CMOS或CCD图像传感器[9]，由[9]对光斑定位得到实时数字电压信号。其中[1]，[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]，[9]均置于[11]之中，[10]置于[11]的顶部。

Claims

1.一种径向检偏式光学电压传感器，其特征是：线偏振光透过电压作用下的电光晶体时其一次电光效应使线偏振光产生电光相位延迟，经λ/4(λ为波长)波片将电光相位延迟转变为线偏振光偏振面的旋转，旋转角的大小是电压的线性函数，经径向检偏器解调后得到一个形状固定的光斑，光斑随旋转角同步旋转，由传像棒或传像光纤束将光斑传送到CMOS或CCD图像传感器对光斑定位得到实时数字电压信号。

2.根据权利要求1所述的径向检偏式光学电压传感器，其特征是：将光信号从光源经多模光纤传送到起偏器得到线偏振光，线偏振光沿着与晶体感应轴垂直方向(横向调制方式)或平行方向经电极(纵向调制方式)进入电光晶体，电极一端连接高电压、另一端接地，由晶体出射的线偏振光经λ/4波片和径向检偏器解调后得到与偏振面同步旋转的光斑。

3.根据权利要求1或2所述的径向检偏式光学电压传感器，其特征是：径向检偏器为应用纳米离子束刻蚀与纳米压印技术制成的铝金属偏振透射光栅，其透振方向在360°的环形区域内沿径向均匀分布，与径向检偏器上某一透振方向一致的线偏振光能够透过，与该透振方向垂直的线偏振光不能透过，从而在径向检偏器上某一正负90°的区域内透过的线偏振光强度由最大递减到最小，形成一个形状固定的光斑。

4.根据权利要求1或2或3所述的径向检偏式光学电压传感器，其特征是：由传像棒或传像光纤束将光斑传送到CCD或CMOS图像传感器对光斑定位得到实时数字电压信号。