CN105203828A - 基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力检测技术领域，提供了一种基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其不受环境温度变化影响，测量精度高，信号传输简便，安全性高，在测量点不需要电源供应，光纤信号传输过程中不受电磁干扰；包括激光源、传感器组件、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统；所述传感器组件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、检偏器和激光准直器Ⅱ；所述晶体为长方体，以长度方向为通光方向，晶体与通光方向垂直的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层；用于加载待测电压，电压方向与通光方向垂直；所述后级信号处理系统通过光电探测器输出的信号获得待测电压。

Description

基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器

技术领域

本发明属于电力检测技术领域，具体涉及一种光电式交直流电压传感器。

背景技术

长期以来，电力系统中计量和保护设备所需的一次侧电压信号主要由传统的互感器(主要包括电磁式电压互感器和电容分压式电压互感器)提供。虽然传统互感器在很长一段时间内满足了电力系统发展的要求，然而随着电力系统的不断发展，发电和输变电容量的不断增加，电网电压等级的不断提高，传统的电磁式互感器已经越来越难以满足现代电力系统的发展要求了，它存在很多缺点：1)绝缘难度大，体积笨重，随着电压等级的提升，其结构日趋复杂，造价随电压等级呈指数关系上升；2)动态范围小，响应频带窄；3)由于电压互感器存在铁芯，故可能导致铁磁谐振，影响设备安全；4)信号的传输过程中也会受到电磁干扰的影响，从而导致采集数据不够准确；5)易燃易爆，存在安全隐患。

某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应.电光效应包括泡克耳斯(Pockels)效应和克尔(Kerr)效应。

随着先进的光学技术和材料及通信技术的迅猛发展，近些年已经有许多新课题开始着手对新型无源光纤电压传感器进行研究，这类光纤电压传感器具有测量精度高，响应频带宽，抗电磁干扰能力强等优点，但由于各种加工技术和材料技术的限制，将其作用于实际高压电网中过电压的直接测量实现难度较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，不受环境温度变化影响，测量精度高，信号传输简便，安全性高，在测量点不需要电源供应，光纤信号传输过程中不受电磁干扰。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，包括激光源、传感器组件、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统；所述传感器组件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、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述晶体为Pockels效应晶体；所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至激光准直器Ⅰ的输入端，所述激光准直器Ⅱ输出端通过传输光纤耦合至光电探测器的输入端；所述晶体为长方体，以长度方向为通光方向，晶体与通光方向垂直的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层；用于加载待测电压，电压方向与通光方向垂直；所述后级信号处理系统通过光电探测器输出的信号获得待测电压。

进一步，起偏器起偏方向与铌酸锂晶体通光方向呈45°夹角，检偏器方向与起偏器垂直，1/4波片波片的光轴方向与铌酸锂晶体通光方向平行。

进一步，所述后级信号处理系统光电探测器输出的信号由下式获得待测电压V：

$V=\frac{\mathrm{\λ}d}{2{\mathrm{\πln}}_o^3{r}_{22}}\arcsin (1-\frac{2I}{I_o});$

上式中，λ为激光源输出激光波长，n_o为激光在铌酸锂晶体中的寻常光折射率，r₂₂为铌酸锂晶体的电光系数，l为晶体沿通光方向的长度，d为晶体沿电压施加方向的厚度，I为输出激光光强，I_o为输入激光光强。

进一步，所述Pockels效应晶体为铌酸锂晶体。

进一步，所述起偏器为偏振分光棱镜。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1.通过光电转换技术实现交直流电压测量，具有响应频带宽、测量精度高的特点。

2.采用光纤进行信号的传输，实现传输系统的光电隔离。

3.通过优化传感器探头内部结构，同时使用电光系数较大且灵敏度较高的铌酸锂晶体作为敏感，使得传感器可以尺寸非常小。

4.基于Pockels效应，利用铌酸锂晶体Z向通光，X向加电压研制而成，具有受环境温度影响极小，性能稳定的特点。

5.尺寸小，便于携带，结构简单，便于安装拆卸，在测量点不需要电源供应。

附图说明

图1示出了基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器的结构示意图；

图2示出了传感器组件中部分光路的结构示意图。

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、2，本实施例的基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，包括激光源7、传感器组件、传输光纤、光电探测器8和后级信号处理系统9；所述传感器组件包括沿光路依次设置并封装在一起的激光准直器Ⅰ1、起偏器2、1/4波片3、晶体4、检偏器5和激光准直器Ⅱ6，所述晶体4为铌酸锂晶体；所述激光源7输出激光光束，通过传输光纤耦合至激光准直器Ⅰ1的输入端，所述激光准直器Ⅱ6输出端通过传输光纤耦合至光电探测器8的输入端；所述晶体3为Pockels效应晶体，优选为铌酸锂晶体，所述晶体3为长方体，以长度方向为通光方向，晶体与通光方向垂直的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层，用于加载待测电压，电压方向与通光方向垂直；以通光方向为Z轴，则外施电压方向为X轴；沿Z轴方向通光的优点在于不存在自然双折射，温度对其影响很小；所述后级信号处理系统通过光电探测器输出的信号获得待测电压。

起偏器起偏方向与Z轴方向呈45°夹角，检偏器方向与起偏器垂直，1/4波片光轴方向与晶体通光方向平行。

所述后级信号处理系统光电探测器输出的信号由下式获得待测电压V：

$V=\frac{\mathrm{\λ}d}{2{\mathrm{\πln}}_o^3{r}_{22}}\arcsin (1-\frac{2I}{I_o});$

上式中，λ为激光源输出激光波长，n_o为激光在铌酸锂晶体中的寻常光折射率，r₂₂为铌酸锂晶体的电光系数，l为晶体沿通光方向的长度，d为晶体沿电压施加方向的厚度，I为输出激光光强，I_o为输入激光光强。

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 (5)

1.基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其特征在于：包括激光源、传感器组件、传输光纤、光电探测器和后级信号处理系统；所述传感器组件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、检偏器和激光准直器Ⅱ，所述晶体为Pockels效应晶体；所述激光源输出激光光束，通过传输光纤耦合至激光准直器Ⅰ的输入端，所述激光准直器Ⅱ输出端通过传输光纤耦合至光电探测器的输入端；所述晶体为长方体，以长度方向为通光方向，晶体与通光方向平行的上表面和下表面镀有作为检测电极的金属层；用于加载待测电压，电压方向与通光方向垂直；所述后级信号处理系统通过光电探测器输出的信号获得待测电压。

2.如权利要求1所述的基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其特征在于：起偏器起偏方向与铌酸锂晶体通光方向呈45°夹角，检偏器方向与起偏器垂直，1/4波片的光轴方向与铌酸锂晶体通光方向平行。

3.如权利要求2所述的基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其特征在于：所述后级信号处理系统光电探测器输出的信号由下式获得待测电压V：

$V=\frac{\mathrm{\λ}d}{2{\mathrm{\πln}}_o^3{r}_{22}}\arcsin (1-\frac{2I}{I_o});$

上式中，λ为激光源输出激光波长，n_o为激光在铌酸锂晶体中的寻常光折射率，r₂₂为铌酸锂晶体的电光系数，l为晶体沿通光方向的长度，d为晶体沿电压施加方向的厚度，I为输出激光光强，I_o为输入激光光强。

4.如权利要求1-3中任一项所述的基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其特征在于：所述Pockels效应晶体为铌酸锂晶体。

5.如权利要求4所述的基于Pockels效应的光电式交直流电压传感器，其特征在于：所述起偏器为偏振分光棱镜。