CN104316777A - 一种基于Pockels效应的电场强度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，包括沿光路依次设置的起偏器、1/4波片、Pockels晶体和检偏器；起偏器与检偏器二者偏振方向正交；还包括光源、光纤以及后处理单元；所述光纤包括入光侧光纤和出光侧光纤；后处理单元包括相互连接的光电探测仪和示波器。本发明提出了一种关于传统光学分立器件难以实用化的解决方案，将测量系统的相关元件(起/检偏器、1/4波片、Pockels晶体、光纤准直器等)胶装后形成Pockels探头。本发明解决了传统的基于分立光学器件不易控制光路且易受到外界条件干扰、系统稳定性差等诸多问题，有助于促进光学电场测量技术向实际应用方向转化，推动电场测量技术的发展。

Description

一种基于Pockels效应的电场强度测量系统

【技术领域】

本发明属于电场强度测量领域，具体涉及一种电场强度测量系统。

【背景技术】

电场强度是高压电气绝缘领域中的一个重要参量，准确地确定电场强度，对于优化高压电气设备的结构设计以及了解其周围电磁环境是十分必要的。随着计算机和数值模拟技术的发展，虽然可以通过数值计算方法来确定电场强度，但实际运行中电气设备的电磁环境条件相当复杂，仿真计算结果与实际电场分布偏差较大，因此，直接测量是确定电场强度最有效、可靠的手段。

目前，电场强度的测量方法主要有电学方法和光学方法。电学方法一般多采用球形探头法，但由于金属探头的引入会严重畸变待测电场，此法的测量精度和准确度受很大影响。相比于电学方法，光学法的优势在于：光学传感器中不含金属部分，对待测电场影响较小，可将测量失真降到最小；光信号通信可使测量装置的电场探头与电信号处理部分隔离，适合高电位区域的测量，易于实现电信号处理部分的电磁屏蔽；光学传感器响应速度快、灵敏度高等。

虽然基于光学的测量方法具有很大优势，但是由于光路设计和加工工艺要求较高，因此基于光学的测量方法发展一直较为缓慢。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种基于Pockels效应的电场强度测量系统。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，包括沿光路依次设置的起偏器、1/4波片、Pockels晶体和检偏器；起偏器与检偏器二者偏振方向正交。

优选的，起偏器与检偏器均采用超宽带偏光立方体分光器。

优选的，还包括光源、光纤以及后处理单元；所述光纤包括入光侧光纤和出光侧光纤；后处理单元包括相互连接的光电探测仪和示波器；光源发出的单色光通过入光侧光纤依次经过起偏器、1/4波片、Pockels晶体、检偏器后其偏振态会发生改变，出射光经由出光侧光纤将光信息传送至光电探测器将光信号转换成电信号，经过数据采集并处理得到待测区域的电场强度。

优选的，入光侧光纤采用保偏光纤，出光侧光纤采用多模光纤。

优选的，起偏器的入光处和检偏器的出光处均设有光纤准直器。

优选的，Pockels晶体选用Bi₄Ge₃O₁₂，晶体横截面5×5mm²，通光长度l＝30mm。

优选的，光波在Pockels晶体中传播一定距离后产生的位相延迟为：其中：l为光波传播方向的Pockels晶体长度，d为沿电场方向的Pockels晶体厚度；U为外施电压；当光源输入光强为1的圆偏振光，依次通过起偏器、1/4波片、Pockels晶体、检偏器之后，透射光强T₀如下式：

$T_0=\frac{1}{4}(1+\sin \mathrm{\Γ})=\frac{1}{4}(1+\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{U_{\mathrm{\π}}}U\right))---\left(1\right)$

式中U_π为相位延迟Γ＝π时所对应的电压值，即半波电压。

优选的，入光侧光纤采用保偏光纤、出光侧光纤采用多模光纤，有利于最大限度地降低光纤所受应力的影响。

优选的，光路从保偏光纤出射(消光比大于20dB)，经由起偏器、Pockels晶体、检偏器由多模光纤准直器接受，总体损耗误差小于1.8dB，全部结构采用非金属封装，温度相关损耗小于0.3dB。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：本发明提出了一种关于传统光学分立器件难以实用化的解决方案，将测量系统的相关元件(起/检偏器、1/4波片、Pockels晶体、光纤准直器等)胶装后形成Pockels探头。本发明解决了传统的基于分立光学器件不易控制光路且易受到外界条件干扰、系统稳定性差等诸多问题，有助于促进光学电场测量技术向实际应用方向转化，推动电场测量技术的发展。

【附图说明】

图1为Pockels效应的横向调制模式示意图；

图2为透射光强与外施电压的关系示意图；

图3为本发明的Pockels传感器结构示意图；

图4为工频交流电场下的Pockels探头标定曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明基于Pockels电光效应，即光学晶体折射率的变化正比于电场强度，在外施电场的作用下，入射光束进入晶体后沿感应主轴方向分解为两个偏振方向相互正交的线偏振光。由于两主轴方向的折射率不同，光波在晶体中传播一定距离后会产生相应的相位差，从而致使其偏振态发生变化，因此，通过图1所示的方法检测该相角变化即可实现电场强度测量。

本发明一种基于Pockels效应的电场强度测量系统的Pockels探头，主要部分包括Pockels晶体4、起偏器2、检偏器5和1/4波片3；测量系统采用横向调制模式，对于本实施例中采用的Bi₄Ge₃O₁₂晶体(也可选用其他Pockels晶体，如LiNbO₃)而言，光波在晶体中传播一定距离后产生的位相延迟为：其中：l为光波传播方向的晶体长度，d为沿电场方向的晶体厚度；U为外施电压。当光源输入光强为1的圆偏振光，依次通过起偏器2、1/4波片3、Pockels晶体4、检偏器5之后，透射光强T₀如下式：

$T_0=\frac{1}{4}(1+\sin \mathrm{\Γ})=\frac{1}{4}(1+\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{U_{\mathrm{\π}}}U\right))---\left(1\right)$

式中U_π为相位延迟Γ＝π时所对应的电压值，即半波电压。透射光强(利用最大透射光强归一化)与外施电压的关系如图2所示。

通过改变晶体尺寸l/d来调整半波电压U_π可实现电场测量精度需求。此处，1/4波片3的作用是在光波的两振动分量间引入π/2的相位差，从而使电光晶体工作在光强调制曲线上最佳工作点。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而非限定。光学传感器可采用多种形式，如透射式、反射式等，本发明所述为透射式；本发明一种基于Pockels效应的电场强度测量系统还包括光源、光纤以及后处理单元，如图3所示。

单色光由半导体激光器提供，起偏器2与检偏器5均采用超宽带偏光立方体分光器(WPBS)，二者偏振方向正交，Pockels晶体选用Bi₄Ge₃O₁₂，晶体横截面5×5mm²，通光长度l＝30mm(尺寸可根据测量精度与量程进行调节)。后处理单元包括相互连接的光电探测仪和示波器；光电探测器采用Thorlabs公司的PDB150，其增益可调(10³～10⁷V/A)，最大响应率为0.52A/W，Pockels探头的入光侧光纤1采用保偏光纤，出光侧光纤6采用多模光纤进行光信息传输，起偏器2的入光处和检偏器5的出光处均设有光纤准直器7，光纤准直器7的有效工作距离为100mm。光源发出的单色光通过入光侧光纤1传输至Pockels探头，依次经过起偏器2、1/4波片3、BGO晶体4、检偏器5后其偏振态会发生改变，出射光经由多模光纤将光信息传送至光电探测器将光信号转换成电信号，经过数据采集并处理得到待测区域的电场强度。

图4所示为该测量系统在工频交流电场下的性能标定曲线，待测电场为正入射电场。对于正入射的电场，其灵敏度为52.3mV/(kV·cm^-1)，而侧入射的电场(垂直于正入射电场)其灵敏度大约为1.1mV/(kV·cm^-1)，可见侧入射电场对测量结果造成的误差大约为2％，可满足应用需求。

本文提出的基于Pockels效应的电场强度集成测量系统实现了光、电转换，通过测量光强变化得到电场强度，可最大限度的降低探头引入对待测场域的电场畸变、便于有效解决后处理部分的电磁干扰。该测量系统结构简单，实用性强，易于实现，为准确测量电场强度提供了有效途径。

Claims (9)

1.一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，包括沿光路依次设置的起偏器(2)、1/4波片(3)、Pockels晶体(4)和检偏器(5)；起偏器(2)与检偏器(5)二者偏振方向正交。

2.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，起偏器(2)与检偏器(5)均采用超宽带偏光立方体分光器。

3.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，还包括光源、光纤以及后处理单元；所述光纤包括入光侧光纤(1)和出光侧光纤(6)；后处理单元包括相互连接的光电探测仪和示波器；光源发出的单色光通过入光侧光纤(1)依次经过起偏器(2)、1/4波片(3)、Pockels晶体(4)、检偏器(5)后其偏振态会发生改变，出射光经由出光侧光纤(6)将光信息传送至光电探测器将光信号转换成电信号，经过数据采集并处理得到待测区域的电场强度。

4.根据权利要求3所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，入光侧光纤(1)采用保偏光纤，出光侧光纤(6)采用多模光纤。

5.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，起偏器(2)的入光处和检偏器(5)的出光处均设有光纤准直器(7)。

6.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，Pockels晶体(4)选用Bi₄Ge₃O₁₂，晶体横截面5×5mm²，通光长度l＝30mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，光波在Pockels晶体(4)中传播一定距离后产生的位相延迟为：其中：l为光波传播方向的Pockels晶体(4)长度，d为沿电场方向的Pockels晶体(4)厚度；U为外施电压；当光源输入光强为1的圆偏振光，依次通过起偏器(2)、1/4波片(3)、Pockels晶体(4)、检偏器(5)之后，透射光强T₀如下式：

$T_0=\frac{1}{4}(1+\sin \mathrm{\Γ})=\frac{1}{4}(1+\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{U_{\mathrm{\π}}}U\right))---\left(1\right)$

式中U_π为相位延迟Γ＝π时所对应的电压值，即半波电压。

8.根据权利要求5所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，起偏器(2)、1/4波片(3)、Pockels晶体(4)、检偏器(5)和光纤准直器(7)胶装在一起形成Pockels探头。

9.根据权利要求1所述的一种基于Pockels效应的电场强度测量系统，其特征在于，Pockels晶体(4)选用LiNbO₃。