CN104316748A - 基于液晶和光纤技术的电压传感器及探头 - Google Patents

基于液晶和光纤技术的电压传感器及探头 Download PDF

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Abstract

一种基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,它包括两端开口的石英管,在石英管的前端设置有金属密封盖,在金属密封盖位于石英管中的内端面上设置有金属反射镜;还包括设置于石英管后端的金属导电管,在金属导电管的一端固定有玻璃基板,玻璃基板、金属导电管和金属密封盖与石英管共同形成一个封闭的内腔,在内腔中填充液晶;在金属导电管中插入保偏光纤,保偏光纤前端面与保偏光纤轴向垂直;在位于金属导电管中的保偏光纤上设置有光纤光栅;在保偏光纤前端面和玻璃基板之间设置有偏振片。一种基于液晶和光纤技术的电压传感器,它包括光纤耦合器以及通过光纤耦合器连接在一起的偏振激光器,基于液晶和光纤技术的电压传感器探头和光电探测器。

Description

基于液晶和光纤技术的电压传感器及探头
技术领域
本申请涉及一种电压传感器,尤其涉及一种基于液晶和光纤技术的电压传感器及探头。
背景技术
信息科技与电子自动化越来越成为人类社会重点发展方向并成为了不可或缺的一部分,各类电子产品得到了广泛应用,并普及覆盖了人类活动的各个领域。对于信息科技或者电子技术而言,无论是传输还是传感,电压是最为基本的参数之一,也是最为重要的参数之一。因此测量和传输电压信号对于信息科技与电子技术是必不可少的。
传统测量电压或者传输信息是通过电子芯片来完成的,一般会通过电子电路进行电压测量、采集以及传输。然而,在一些特殊的应用场合,例如电磁场、辐射场等,传统的电子测量方法往往受到干扰非常大,特别是在远程传输时,一般不会超过几公里就必须建设中继站来补偿信号的损失。
采用光纤技术能够克服电磁干扰的困惑,在远程传输时,由于光信号衰减非常微弱,因此可以达到上百公里的传输距离,是传统电子方式远远无法企及的。
液晶,即液态晶体(Liquid Crystal,LC),是相态的一种,因为具有特殊的理化与光电特性,20世纪中叶开始被广泛应用在轻薄型的显示技术上。将液晶技术与光纤传感技术有效结合在一起是至今尚未发掘的重大潜在技术。
发明内容
本方案是将液晶技术与光纤传感技术有效结合在一起,设计完成了一种基于液晶和光纤技术的电压传感器及探头,能够实现电压的有效测量与远程传输,具有广阔的市场前景和较高的实用价值。
本方案所采用的技术措施是:一种基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是它包括两端开口的石英管,在石英管的前端设置有金属密封盖,在金属密封盖位于石英管中的内端面上设置有金属反射镜;还包括设置于石英管后端的金属导电管,在金属导电管的一端固定有玻璃基板,玻璃基板、金属导电管和金属密封盖与石英管共同形成一个封闭的内腔,在内腔中填充液晶;在金属导电管中插入保偏光纤,保偏光纤前端面与保偏光纤轴向垂直;在位于金属导电管中的保偏光纤上设置有光纤光栅;在保偏光纤前端面和玻璃基板之间设置有偏振片。
本方案的具体特点还有,在金属密封盖上设置有第二电极,在金属导电管上设置有第一电极。
光纤光栅为在保偏光纤上刻写的布拉格光栅,边模抑制比达到20dB以上。
偏振片的偏振方向与保偏光纤的偏振方向相同,保证进入到液晶的激光功率达到最大值。
偏振激光器采用了单偏振激光器,光电探测器采用了铟镓砷光电探测器。
本方案的有益效果是:光纤光栅以及垂直切断的保偏光纤插入到金属导电管内,激光通过保偏光纤传输到保偏光纤前端面,保偏光纤前端面与偏振片固定在一起,从而使得保偏光纤中的激光输出为固定方向的偏振光。偏振光穿过玻璃基板进入到液晶内,到达金属反射镜的激光被反射原路返回,经过液晶、玻璃基板与偏振片重新回到保偏光纤内。玻璃基板与金属导电管固定在一起,再与第一电极连接在一起,构成了液晶的电极之一;金属反射面通过金属密封盖与第二电极连接在一起,构成了液晶的另一电极。当电压通过第一电极与第二电极加载到液晶上时,液晶的排列状态发生改变,从而改变液晶的透光率,对在其中传输的偏振激光形成调制,根据这种调制即可计算出加载到传感器的电压大小。石英密封管一端与金属反射镜及金属密封盖封装固定在一起,另一端与金属导电管、偏振片、玻璃基板以及保偏光纤等固定封装在一起,共同构成了一个容纳了液晶的密封腔,既起到密封作用,还起到保护保偏光纤以及相关组件的作用。外部待测电压通过第一电极与第二电极加载到液晶两个端面上形成电场,电场改变液晶分子排列,从而改变其光学特性。传感系统根据液晶的光学特性的改变即可测量得出外部电压值。
本申请还提供了一种基于液晶和光纤技术的电压传感器,其特征是它包括光纤耦合器以及通过光纤耦合器连接在一起的偏振激光器,基于液晶和光纤技术的电压传感器探头和光电探测器。
基于液晶和光纤技术的电压传感器探头和光纤耦合器之间通过保偏光纤光缆连接。
本方案的有益效果是,偏振激光器发出的激光经过光纤耦合器、保偏光纤光缆到达基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,外界电压通过电极加载到传感器内部,影响和调制激光,返回的激光经过保偏光纤光缆和光纤耦合器到达光电探测器将光信号转化为电压信号,从而实现了电压信号的测量。光纤光栅用来消除光缆衰减引起的测量误差。由于光缆的弯曲等问题往往会造成到达传感器探头的光强发生变化,探头反射信号同样也会经过光缆到达光电探测器,同样会发生衰减。这种光强度上的衰减往往会被误以为加载到探头上的待测电压的变化值,从而造成不可预知的测量误差。光纤光栅被内置在传感器探头内部作为系统损耗的参考校正使用,如图7所示,控制偏振激光器发出的激光波长扫描移动到光纤光栅的中心波长处,获得最大电压Vref作为参考电压,可以得出整个光路的本身损耗,然后再将激光中心波长移动到光栅光谱以外进行待测电压测量,此时就可以将测量结果中扣除整个光路的损耗值,得出的是待测电压造成的液晶透光率的净损耗值,从而消除了测量误差。
外界电压与激光信号的关系:液晶的组成物质是一种有机化合物,也就是以碳为中心所构成的化合物。同时具有两种物质的液晶,是以分子间力量组合的,它们的特殊光学性质,又对电磁场敏感,极有实用价值。假设有三个不同的电压V1、V2、V3,V1<V2<V3,则如图3所示,当施加在液晶上的电压为V1时,由于液晶分子排列造成了进入其中并在其中传输的光强度快速衰减,因此光强沿传播路径上的光强变化如图4所示。当电压变为V2时,由于电压作用指示液晶分子排列发生变化,造成液晶的透过率变高,因此得到图6所示光强变化。当电压变为V3时,由于电压作用致使液晶分子排列进一步改变,因此在这种情况下光的透过率极高,光损耗小,从而获得图8所示光强变化曲线。综上所述,液晶的透光率与施加在两端的电场呈一定关系,由此根据光强衰减程度同样可以反算出施加电压的大小,即为该专利技术的传感机理。本专利技术中传感探头方案选用了反射镜式,因此激光在液晶内部传播路径为往返一周。入射的激光经过液晶衰减后原路返回,到达探测器进行光电探测,得到的电信号强度与施加在探头上的电压强度一一对应,从而实现电压的远程测量。本专利利用光纤结合液晶的透光率与电压的关系,实现了采用光纤进行电压远程测量,探头为无源器件,方便实用,传输距离大大超出传统的电压测量与电压信号传输的传输距离,能够达到上百公里,且不受电磁干扰。采用了光纤光栅与液晶测量电压的探头结合在一起,作为电压测量的参考,消除了光纤光缆的弯曲损耗等造成的绝对电压测量误差。
附图说明
图1为传感器探头结构图;图2为传感系统结构图;图3为电压V1下液晶分子排列示意图;图4是电压V1下液晶内光强衰减示意图;图5为电压V2下液晶分子排列示意图;图6电压V2下液晶内光强衰减示意图;图7为电压V3下液晶分子排列示意图;图8电压V3下液晶内光强衰减示意图;图9为电压与液晶内光透射率曲线图;图10为参考扫描过程信号图。
图中:1-保偏光纤,2-偏振片,3-玻璃基板,4-液晶,5-石英管,6-金属反射镜,7-金属密封盖,8-金属导电管,9-第一电极,10-第二电极,11-光纤光栅,12-偏振激光器,13-光纤耦合器,14-保偏光纤光缆,15-基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,16-电极,17-光电探测器。
具体实施方式
实施例1:
如图1所示,一种基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,它包括两端开口的石英管5,在石英管5的前端设置有金属密封盖7,在金属密封盖7位于石英管5中的内端面上设置有金属反射镜6;还包括设置于石英管5后端的金属导电管8,在金属导电管8的一端固定有玻璃基板3,玻璃基板3、金属导电管8和金属密封盖7与石英管5共同形成一个封闭的内腔,在内腔中填充液晶4;在金属导电管8中插入保偏光纤1,保偏光纤1前端面与保偏光纤1轴线垂直;在位于金属导电管8中的保偏光纤1上设置有光纤光栅11;在保偏光纤1前端面和玻璃基板3之间设置有偏振片2。在金属密封盖7上设置有第二电极10,在金属导电管8上设置有第一电极9。
光纤光栅11以及垂直切断的保偏光纤1插入到金属导电管8内,激光通过保偏光纤1传输到保偏光纤1前端面,保偏光纤1前端面与偏振片2固定在一起,从而使得保偏光纤1中的激光输出为固定方向的偏振光。偏振光穿过玻璃基板3进入到液晶4内,到达金属反射镜6的激光被反射原路返回,经过液晶4、玻璃基板3与偏振片2重新回到保偏光纤1内。玻璃基板3与金属导电管8固定在一起,再与第一电极9连接在一起,构成了液晶4的电极之一;金属反射镜6通过金属密封盖7与第二电极10连接在一起,构成了液晶4的另一电极。
将金属反射镜6与金属密封盖7固定在一起,并保持导电联通;金属密封盖7通过导线连接第二电极10。金属密封盖7与第二电极10选用铜材料制成,金属反射镜6为不锈钢镜面。金属反射镜6与金属密封盖7固定在一起后再与石英管5固定在一起,并保持密封。
将刻有光纤布拉格光栅的保偏光纤1端面切成直角,并插入到金属导电管8内,密封固定在一起。偏振片2固定在保偏光纤1前端面处,使得光纤内的光透过偏振片2发射出来。
金属导电管8靠近保偏光纤1前端面与偏振片2的一端与玻璃基板3固定连接在一起,玻璃基板3经过导电处理,能够与金属导电管8导电联通,金属导电管8选用铜管,外径尺寸与石英管5内经相等,内径尺寸与保偏光纤1直径相等。金属导电管8与第一电极9通过导线连接在一起。
金属导电管8、保偏光纤1、偏振片2、玻璃基板3固定在一起后插入到充满液晶4的石英管5内,并固定密封。玻璃基板3与金属反射镜6共同构成液晶4的两端电场。
如图3-8所示,当电压通过第一电极9与第二电极10加载到液晶4上时,液晶4的排列状态发生改变,从而改变液晶4的透光率,对在其中传输的偏振激光形成调制,根据这种调制即可计算出加载到传感器的电压大小。石英管5一端与金属反射镜6及金属密封盖7封装固定在一起,另一端与金属导电管8、偏振片2、玻璃基板3以及保偏光纤1等固定封装在一起,共同构成了一个容纳了液晶4的密封腔,既起到密封作用,还起到保护保偏光纤1以及相关组件的作用。外部待测电压通过第一电极与第二电极加载到液晶4两个端面上形成电场,电场改变液晶分子排列,从而改变其光学特性。传感系统根据液晶的光学特性的改变即可测量得出外部电压值。
实施例2:本实施例与实施例1相同之处不再赘述,不同之处是:
如图2所示,本申请还提供了一种基于液晶和光纤技术的电压传感器,它包括光纤耦合器13以及通过光纤耦合器13连接在一起的偏振激光器12,基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15和光电探测器17。基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15和光纤耦合器13之间通过保偏光纤光缆14连接。
偏振激光器12与光纤耦合器13一端口连接,输出激光通过保偏光纤光缆14到达基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15,基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15在外接电压调制下改变了激光在基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15内部的传输损耗,并将激光反射原路返回,返回激光经过光纤耦合器13进入到光电探测器17,光电探测器17进行光电转换,转换为电信号,并反算出加载到基于液晶和光纤技术的电压传感器探头15上的电压值。偏振激光中心波长扫描光纤光栅11,在光纤光栅11的中心波长处反射率接近100%反射,在光电探测器17端可以获得参考电压Vref,因此根据这个反射信号的光强度可以判断出整个光路的损耗,从而对测量值进行校正参考,消除外部干扰。
具体实施时,光纤采用了普通保偏光纤,光纤光栅11为在保偏光纤1上刻写的布拉格光栅,边模抑制比达到20dB以上。偏振片2的偏振方向与保偏光纤1的偏振方向相同,保证进入到液晶的激光功率达到最大值。偏振激光器12采用了单偏振激光器,保偏光纤1采用了熊猫保偏光纤,光电探测器17采用了常规铟镓砷光电探测器。

Claims (7)

1. 一种基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是它包括两端开口的石英管,在石英管的前端设置有金属密封盖,在金属密封盖位于石英管中的内端面上设置有金属反射镜;还包括设置于石英管后端的金属导电管,在金属导电管的一端固定有玻璃基板,玻璃基板、金属导电管和金属密封盖与石英管共同形成一个封闭的内腔,在内腔中填充液晶;在金属导电管中插入保偏光纤,保偏光纤前端面与保偏光纤轴向垂直;在位于金属导电管中的保偏光纤上设置有光纤光栅;在保偏光纤前端面和玻璃基板之间设置有偏振片。
2.根据权利要求1所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是,在金属密封盖上设置有第二电极,在金属导电管上设置有第一电极。
3.根据权利要求1所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是光纤光栅为在保偏光纤上刻写的布拉格光栅,边模抑制比达到20dB以上。
4.根据权利要求1所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是偏振片的偏振方向与保偏光纤的偏振方向相同。
5.根据权利要求1所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是偏振激光器采用了单偏振激光器,光电探测器采用了铟镓砷光电探测器。
6.一种基于液晶和光纤技术的电压传感器,其特征是它包括光纤耦合器以及通过光纤耦合器连接在一起的偏振激光器,基于液晶和光纤技术的电压传感器探头和光电探测器,所述基于液晶和光纤技术的电压传感器探头是如权利要求1所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头。
7.根据权利要求6所述的基于液晶和光纤技术的电压传感器探头,其特征是基于液晶和光纤技术的电压传感器探头和光纤耦合器之间通过保偏光纤光缆连接。
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