CN105182093A - 具有温度补偿的强电场传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高电压强电场测量技术领域，提供一种具有温度补偿的强电场传感器及其测量方法，能够消除铌酸锂晶体由于温度变化造成的工作点不稳定。其中具有温度补偿的强电场传感器，包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统；所述电场传感器包括彼此正交的起偏器与检偏器，使用两根尺寸相同的晶体Ⅰ和晶体Ⅱ，其光轴反向，两晶体之间插入一个能够使偏振光振动面旋转90°的旋光片。本发明通过波片补偿的方法，使用晶体组合的补偿方法提出了抵消自然双折射，使他们引起的相位差为零。

Description

具有温度补偿的强电场传感器及其测量方法

技术领域

本发明属于高电压强电场测量技术领域，特别涉及一种强电场传感器及其测量方法。

背景技术

高电压强电场下的测量技术一直是高压工程的重要领域。电场测量技术在电晕放电、局部放电、间隙闪络、电磁环境等问题的研究有广泛的应用需求。从实际操作出发，主要分为工频电场、操作波电场、雷电冲击电场和VFTO电场等场的测量。不难发现，高压环境电磁场测量具有以下特征：1)电场测量点多位于高电位和强场区域。要求测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分有很好的隔离；2)瞬变脉冲电磁场幅值高、变化快。要求测量系统必须具有很好的响应速度，具有很宽的频率响应范围。3)尽可能小的体积，以减小传感器对被测电磁场的影响。因此，研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积探头的电磁场测量系统是非常有意义的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有温度补偿的强电场传感器，能够消除铌酸锂晶体由于温度变化造成的工作点不稳定。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

具有温度补偿的强电场传感器，包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度；

所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ、起偏器、1/4波片、晶体Ⅰ、旋光片、晶体Ⅱ、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述激光准直器Ⅰ的光输入端通过光纤与激光源的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ的光输出端通过光纤与光电探测器的光输入端连接，所述起偏器与检偏器彼此正交，所述晶体Ⅰ和晶体Ⅱ为长方体，晶体Ⅰ和晶体Ⅱ的X方向为通光方向，Z向为被施加电场，所述起偏器起偏方向与施加电场方向(Z向)成45°角，晶体Ⅰ与晶体Ⅱ的光轴相反，所述旋光片使偏振光振动面旋转90°。

进一步，所述晶体为LiNbO₃晶体。

进一步，所述后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=400\×\left(arcsin\frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

本发明还公开一种高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)后级信号处理系统通过电压信号由下式获得电场强度：

$E=400\×\left(arcsin\frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.该电场传感器具有响应频带宽(10Hz～100MHz)、速度快，适合精确测量工频电场及瞬变电场。

2.采用光纤进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。传感器适合于处于高电位和强场区域测量的场合。

3.传感器尺寸小、敏感元件为Pockels晶体，对被测电磁场的影响很小。

4.传感器的尺寸可以做到10×10×90mm(z×y×x)，位置分辨能力强。可以完成狭小空间的空间精确定位测量。通过实验室测量工频、标准操作冲击、标准雷电冲击模拟实验。该传感器完全胜任电力系统中不同电场的测量。

5.优化后结构后的传感器消除了铌酸锂晶体由于温度变化造成的工作点不稳定，本发明中设计的强电场传感器能在-20℃～40℃之间可靠稳定工作。

附图说明

图1示出了具有温度补偿的强电场传感器的结构示意图；

图2示出了电场传感器的原理示意图；

图3示出了双晶体补偿的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

参见图1-3，具有温度补偿的强电场传感器，包括激光源11、电场传感器、传输光纤、光电探测器9和后级信号处理系统10，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器9，所述光电探测器9将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统10通过电压信号获得电场强度；

所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ1、起偏器2、1/4波片3、晶体Ⅰ4、旋光片5、晶体Ⅱ6、检偏器7和激光准直器Ⅱ8，所述激光准直器Ⅰ1的光输入端通过光纤与激光源的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ8的光输出端通过光纤与光电探测器9的光输入端连接；所述晶体为Pockels晶体，优选为LiNbO₃晶体。不同电光晶体在相同外加电场下的电光效应强弱是不同的，选择适当电光系数的LiNbO₃晶体可以在保证较大半波电场情况下极大的提高传感器感应电场的灵敏度。所述晶体Ⅰ4和晶体Ⅱ6为长方体，晶体Ⅰ4和晶体Ⅱ6的通光方向沿其长度方向，定义晶体Ⅰ4和晶体Ⅱ6的通光方向为X向，Z向为被施加电场方向，所述起偏器2起偏方向(即轴向)与电场施加方向(Z向)成45°角。所述起偏器2与检偏器7彼此正交，所述晶体Ⅰ和晶体Ⅱ的电场施加方向(Z向)与起偏器轴向成45°角，在晶体Ⅰ4之前设置有1/4波片3，使固有相位延迟φ₀≈π/2。晶体Ⅰ与晶体Ⅱ的光轴相反，所述旋光片使偏振光振动面旋转90°。

激光源发出的光通过光纤传至起偏器之后变为线偏振光，在外施电场的调制下，当光通过LiNbO₃晶体后，双折射光的相位差发生变化，通过检偏器之后，经光纤传至光电探测器(PD)探知这种相位变化引起的光强变化，并将其转化为能用示波器直接测量的电压信号。

当只使用一块晶体时，自然双折射引起的相位差如下：

$\mathrm{\δ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_o-n_e)l_x+\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3)l_x{E}_z;$

其中n_o为寻常光的的折射率，n_e为非寻常光的折射率，λ为入射光波长，l_x为晶体长度，r₃₃，r₁₃为不同方向的电光系数，E_z为传感器被施加的电场。

自然双折射影响最大的问题是：当温度变化时，n_o和n_e变化不同，自然双折射(n_o-n_e)将随着变化，两光的相位差也发生变化，使传感器的工作点移动。

本发明通过波片补偿的方法，使用晶体组合的补偿方法提出了抵消自然双折射，使他们引起的相位差为零。

本实施例中用两根尺寸相同的晶体Ⅰ4和晶体Ⅱ6，其光轴反向，两晶体之间插入一个能够使偏振光振动面旋转90°的旋光片5，如图3所示。电场沿z向，通光沿x向，经过起偏器偏振的入射光的振动方向与z轴成45°，进入晶体Ⅰ4时，分解为振幅相等的两个分量，一个是沿z轴振动的e光12，一个是沿y轴振动的o光13，在垂直入射即与光轴的夹角θ＝90°时，e光与o光的夹角α＝0。此时两光都沿x向传播，但速度不同，当无外加电场(E_z＝0时)，e光12走得快，在晶体Ⅰ4在z向振动走得快的e光12，经过旋光片5振动面旋转了90°，进入晶体Ⅱ6就变成在y向振动的o光，走得慢；同样另一束偏振光，在晶体Ⅰ4里沿y轴振动的o光13，经旋光片5进入晶体Ⅱ6变成在z轴振动的e光12。由于两块晶体的长度相等，则从晶体Ⅱ6出来后，就没有由自然双折射引起的相位差。则，在晶体Ⅰ4中的相位差δ₁为：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_o-n_e)l_1+\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3)l_1{E}_z;$

在晶体Ⅱ6中的电场方向与z轴相反，相位差δ₂为

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(n_o-n_e)l_2+\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3)l_2{E}_z;$

由于旋光片5，两相位差的叠加应当为δ₁-δ₂,

$K=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3)l_x{E}_z;$

其中：lx＝2l₁＝2l₂。

本实施例中，电场传感器的输出光强I与半波电场E_z分别为

$I=I_0{\sin }^2\[\frac{1}{2}(\frac{\mathrm{\π}}{2}+K)\]=\frac{I_0}{2}(1+\sin K)=\frac{I_0}{2}(1+sin\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3\left)l_x{E}_z\right);$

$E_{\mathrm{\π}}=\frac{\mathrm{\λ}}{(r_{33}{n}_e^3-r_{13}{n}_o^3)l_x};$

$I=\frac{I_0}{2}(1+sin\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}{E}_z);$

利用光电探测器将光强信号转换为与之成正比的电压信号输出V_out，则

$V_{out}=a+b\sin \left(\frac{\mathrm{\π}}{E_{\mathrm{\π}}}E\right)$

上式中，a是输出电压的直流分量，b为光电传感单元感应电压的比例系数，其中E_π称为半波电压，参量E为传感器待测电场强度。

所述后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=400\×\left(arcsin\frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

通过任意函数发生器及高压功率放大器加载电场测试，本发明的系统和方法，实际测量和拟合结果，两者相关系数为0.9988，由拟合计算得到半波电场为1257kV/m，传感器可以线性测量最大电场为400kV/m(线性误差小于5％)。本实施例的高压电场测量系统的测量方法，包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)后级信号处理系统通过电压信号由下式获得电场强度：

$E=400\×\left(\arcsin \frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.具有温度补偿的强电场传感器，其特征在于：包括激光源、电场传感器、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统，所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端，激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器，所述光电探测器将光强信号转换为电压信号，后级信号处理系统通过电压信号获得电场强度；

所述电场传感器包括沿光路依次设置的激光准直器Ⅰ、起偏器、1/4波片、晶体Ⅰ、旋光片、晶体Ⅱ、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述激光准直器Ⅰ的光输入端通过光纤与激光源的光输出端连接，所述激光准直器Ⅱ的光输出端通过光纤与光电探测器的光输入端连接，所述起偏器与检偏器彼此正交，所述晶体Ⅰ和晶体Ⅱ为长方体，晶体Ⅰ和晶体Ⅱ的X方向为通光方向，Z方向为被施加电场，所述起偏器起偏方向与施加电场方向成45°角，晶体Ⅰ与晶体Ⅱ的光轴相反，所述旋光片使偏振光振动面旋转90°。

2.如权利要求1所述的具有温度补偿的强电场传感器，其特征在于：所述晶体为LiNbO₃晶体。

3.如权利要求2所述的具有温度补偿的强电场传感器，其特征在于：所述后级信号处理系统通过下式获得电场强度：

$E=400\×\left(\arcsin \frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。

4.如权利要求1-3所述的高压电场测量系统的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至电场传感器的输入端；

2)激光光束在电场传感器经过电场调制，然后通过传输光纤传送至光电探测器；

3)所述光电探测器将光强信号转换为电压信号；

4)后级信号处理系统通过电压信号由下式获得电场强度：

$E=400\×\left(\arcsin \frac{V_o-895.14}{673.42}\right)-436.19(kV/m);$

上式中，V₀为光电探测器输出的电压信号值。