CN105911324A - 一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，属于光学电压传感器领域；包括光学传输单元和Pockels相位敏感单元；两晶体中温度场、应力场的不一致性，会导致Pockels相位敏感单元的互易性退化；光学传输单元的熔接角度、对轴角度非理想对干涉光强大小及反馈相位产生影响，导致光学电压传感器测量误差的产生。通过建立光学传输单元和Pockels相位敏感单元的温度误差模型，设计了能够抵消两晶体中附加应力双折射的新型光学基座结构并提出了角度误差补偿方法，提高了光学电压传感器的测量精度及温度稳定性。

Description

一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置

技术领域

本发明属于光学电压传感器技术领域，具体涉及一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置。

背景技术

电力系统是国民经济的命脉，电力工业直接关系着国民经济的健康稳定发展。随着电力工业的发展，电力系统传输容量不断增大、电压运行等级越来越高，电网正在向着数字化、智能化、网络化的方向发展。智能电网就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。与现有电网相比，智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著特点，是电网技术发展的必然趋势。

随着光纤传感及光电技术的快速发展，光学电压传感器正逐步取代传统的电容式、电磁式电压传感器，成为电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量设备。光学电压传感器因其绝缘性能优越、频带宽、动态范围大、尺寸小、重量轻、安全可靠等一系列优点，非常适合在智能电网中的应用。然而，智能电网复杂的温变环境对光学电压传感器的测量精度和长期工作稳定性产生较大的影响，限制了它的实用化进程。

近几十年来，国内外研究学者们开展了一些研究工作以改善光学电压传感器的光学结构，进而提高其检测精度和工作稳定性。Lee采用双光路补偿的方法减小电光晶体内附加双折射误差对传感器工作性能的影响；Kumada等提出了一种带有纵轴调制串联BGO晶体的双波长激光系统进行高压测量；李长胜等应用入射光在菲涅尔菱形Bi₄Ge₃O₁₂(BGO)晶体内的两次全反射替代1/4波片产生π/2光学相位偏置。专利号为ZL201310111598.7的一篇名为《新型反射式互易性光学电压互感器及其光路设计方法》的专利中，我们介绍了一种光学电压传感器双晶体传感光路方案。所有这些研究都在一定程度上促进了光学电压传感器的发展，但温度稳定性问题依然是限制光学电压传感器在智能电网中应用的主要因素。

因此，研究电压传感器温度误差机理，提出一种能够抑制电压传感器温度误差的新型光学传感装置，以提高光学电压传感器检测精度、长期工作稳定性及抗干扰能力，对于促进其在智能电网中的应用具有重大的研究价值和深远的研究意义。

发明内容

本发明针对智能电网复杂的温变环境，会导致反射式双晶体光学电压传感器中Pockels相位敏感单元的互易性退化问题，同时为了控制温变环境导致的双晶体光学电压传感器产生的温度误差，提出了一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，用来保证并提高光学电压传感器的检测精度，保持长期工作稳定性，并促进其实用化进程。

所述光学传感装置包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分。

光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点。

Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；保偏延迟光缆末端连接法拉第旋光器，将Pockels相位敏感单元单独置于智能电网中。互易性双晶体结构包括BGO晶体A、半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块。将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面均粘结在电极上；对晶体B加电，且电场方向垂直于晶体B的(001)面，晶体A粘结的电极不加电；将两块电极固定在光学基座上。

其中，对光学电压传感器测量精度产生影响的因素包括：45°熔接点的熔接角度；半波片相位延迟角度；以及半波片对轴角度；针对各因素对光学电压传感器测量精度的影响分别进行量化；

首先，对45°熔接点的实际熔接角度θ₁影响到达光电探测器的干涉光强I_out的大小进行量化；

量化公式如下：

θ₁为45°熔接点的实际熔接角度；为两束正交线偏振光再次经过相位调制器时的调制相位；为两束正交线偏振光初次经过相位调制器时的调制相位；δ为Pockels相位延迟；E_out为输出光，表达式为：

E_out＝P_b·W_1b·M_b·W_2b·F_b·A_b·C_b·H_b·S_b·R_f·S_f·H_f·C_f·A_f·F_f·W_2f·M_f·W_1f·P_f·E_SLD

P_b为反向传输时起偏器的琼斯矩阵；W_1b为反向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；M_b为反向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W_2b为反向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；F_b为反向传输时法拉第旋光器琼斯矩阵；A_b为反向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；C_b为反向传输时晶体A的琼斯矩阵；H_b为反向传输时半波片的琼斯矩阵；S_b为反向传输时晶体B的琼斯矩阵；R_f为正向传输时反射膜的琼斯矩阵；S_f为正向传输时晶体B的琼斯矩阵；H_f为正向传输时半波片的琼斯矩阵；C_f为正向传输时晶体A的琼斯矩阵；A_f为正向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；F_f为正向传输时法拉第旋光器的琼斯矩阵；W_2f为正向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；M_f为正向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W_1f为正向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；P_f为正向传输时起偏器的琼斯矩阵；E_SLD为超辐射发光二极管SLD的琼斯矩阵。

然后，对半波片相位延迟角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；

量化公式如下：

半波片的实际相位延迟角度非理想时的干涉光强I_out大小为：

γ为半波片的实际相位延迟角度；

Pockels相位敏感单元的反馈相移为：

最后，对半波片对轴角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；

半波片对轴角度是指半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向对轴角度；

半波片的实际对轴角度θ₄非理想时的干涉光强I_out大小为：

θ₄为半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向之间的对轴角度；

Pockels相位敏感单元的反馈相移为：

半波片对轴角度非理想是影响光学电压传感器测量精度的关键因素，通过对半波片对轴角度进行补偿，减小导致的光学电压传感器测量误差；具体补偿方法如下：

(1)当半波片对轴角度小于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均小于各自的理想值，且半波片相位延迟角度大于自身的理想值；

法拉第旋光器对轴角度是指法拉第旋光器输入尾纤快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向的对轴角度；

(2)当半波片对轴角度大于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均大于各自的理想值，且半波片相位延迟角度小于自身的理想值。

温度变化使参数(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中分布不对称，导致双晶体结构的互易性退化，影响光学电压传感器温度稳定性；具体计算公式如下：

两束正交线偏振光在Pockels相位敏感单元中传播的麦克斯韦方程表示为：

▽²E+ω²μ·ε₀{[ε⁰]+[Δε_P]+[Δε_T]+[Δε_S]}·E＝0

其中，E为电场强度，ω为角频率，μ为BGO晶体的磁导率，ε₀为真空中的介电常数。当没有外界场作用于BGO晶体时，BGO晶体相对介电张量为其中ε_r为BGO晶体的相对介电常数。[Δε_P]为温变环境下的Pockels效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_T]为温变环境下的热光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_S]为温变环境下弹光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量。

根据公式E＝U/d，得到外加电压U和Pockels相位延迟δ之间的关系为：

$U=\frac{d}{2{\mathrm{\γ}}_{41}}\{2{\[\frac{4{\mathrm{\δ}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r^3{l}^2}-{(p_{11}-p_{12})}^2\·{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\]}^{1/2}-p_{44}({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z)\}$

其中，d为平行于外加电场方向BGO晶体的宽度，γ₄₁为BGO晶体的电光系数；l为沿光传播方向互易性双晶体结构的长度；p₁₁，p₁₂和p₄₄分别为BGO晶体三个弹光系数；τ_yz为作用于BGO晶体的剪切应力；(σ_y-σ_z)为作用于BGO晶体的正应力之差；σ_y为作用于BGO晶体(110)面的正应力；σ_z为作用于BGO晶体面的正应力。

当晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面同电极相接触，并固定在光学基座上时，(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中的应力分布最小，且对称性最好。

本发明的优点在于：

1、一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，能够保证晶体A和晶体B中的应力分布最小且对称性最好，进而保证Pockels相位敏感单元即使在智能电网复杂温变环境下仍具有良好的互易性，提高光学电压传感器温度稳定性。

2、一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，仿真平台中法拉第旋光器、半波片、光路熔接点以及应力等误差模型的建立，分别明确了影响光学电压传感器测量精度和温度稳定性的主要因素，并量化了光学器件的对轴误差对光学电压传感器测量精度的影响。

3、一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，通过利用角度误差补偿方法并优化加工制作工艺，减小多种光路误差源对光学电压传感器测量精度的影响。

附图说明

图1为本发明抑制电压传感器温度误差的光学传感装置结构示意图；

图2为本发明Pockels相位敏感单元不同固定方式下(σ_y-σ_z)的分布切片图；

图3为本发明不同角度误差对光学电压传感器相对测量误差的影响；

图4a为本发明光学传输单元部分结构图；

图4b为本发明Pockels相位敏感单元部分结构图；

图5为本发明测试系统干涉光强大小的光路结构图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

智能电网复杂温变环境会导致：影响光学电压传感器温度稳定性的关键参数(σ_y-σ_z)在两块BGO晶体内的分布不一致，破坏互易性双晶体结构的补偿效果，产生温度误差。通过分析关键参数对Pockels相位敏感单元互易性的影响，并进行合理的结构设计抑制这些不利影响，保证其在智能电网复杂温变环境下具有良好的互易性。

光学传输单元和Pockels相位敏感单元中各光学器件及光路熔接点不理想会导致光学电压传感器测量误差的产生，通过研究角度误差补偿方法并优化加工制作工艺，减小多处光路误差源对光学电压传感器工作性能的影响。

本发明一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，如图1所示，包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分。Pockels相位敏感单元结构独立设计，单独置于智能电网中。

光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管(SLD)，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；SLD光源为发热的有源器件，置于金属基座上便于散热；单模环形器同时连接SLD光源和光电探测器；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点；45°熔接点的实际熔接角度为θ₁；0°熔接点的实际熔接角度为θ₂；保偏延迟光缆末端连接Pockels相位敏感单元的法拉第旋光器。

Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；法拉第旋光器采用的旋转角F为45°；且同BGO晶体A之间的对轴角度为θ₃；互易性双晶体结构包括BGO晶体A、零级石英半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块。BGO晶体感生折射率主轴为x,y方向；半波片相位延迟角度为γ；半波片快/慢轴方向同晶体感生折射率主轴x,y方向间的夹角为θ₄；BGO晶体B的末端镀有反射膜，将两束正交线偏振光反射回光学传输单元，并在起偏器处发生干涉。

由于光学传输单元和Pockels相位敏感单元的光学器件温度指标以及制作工艺不理想，导致光学电压传感器的误差机理；具体为：起偏器的振幅消光系数；45°对轴熔接角度；0°熔接点熔接角度；法拉第旋光器旋光角度；法拉第旋光器输入尾纤快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x,y方向对轴角度；半波片相位延迟角度；以及半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x,y方向对轴角度等都有可能非理想且存在误差，会对光学电压传感器测量精度产生影响。温度变化情况下会导致影响光学压传感器温度稳定性的关键参数(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中分布的不对称性，导致双晶体结构的互易性退化。

综上，本发明利用麦克斯韦方程建立温度变化情况下，线偏振光在Pockels相位敏感单元中的传播模型；并建立琼斯矩阵模型描述：由于多处光路误差源所产生的光学电压传感器测量误差；综合考虑温度变化情况下电光效应、热光效应、弹光效应等对BGO晶体光学性质的影响，以及光学器件、光路熔接点非理想等因素，对线偏振光在光学传输单元和Pockels相位敏感单元中的传播建立了仿真平台，分析误差对光学电压传感器工作性能的影响。

理论分析结果揭示了：

(1)温度变化情况下，参数(σ_y-σ_z)在晶体A与晶体B中分布的不对称性是影响光学电压传感器温度稳定性的主要因素。

考虑BGO晶体介电张量的变化，应用麦克斯韦电磁场理论求解线偏振光的传播特性，建立温变环境下两束正交线偏振光在Pockels相位敏感单元内的传播模型。

两束正交线偏振光在Pockels相位敏感单元中传播的麦克斯韦方程可表示为：

▽²E+ω²μ·ε₀{[ε⁰]+[Δε_P]+[Δε_T]+[Δε_S]}·E＝0 (1)

其中，E为电场强度，ω为角频率，μ为BGO晶体的磁导率，ε₀为真空中的介电常数。当没有外界场作用于BGO晶体时，BGO晶体相对介电张量为其中ε_r为BGO晶体的相对介电常数。[Δε_P]为温变环境下的Pockels效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_T]为温变环境下的热光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_S]为温变环境下弹光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量。

此时，BGO晶体的介电张量变为将其带入(1)式，可求得

$k_{1,2}^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}}{2}\[({\mathrm{\ϵ}}_{xx}+{\mathrm{\ϵ}}_{yy})\±\sqrt{{({\mathrm{\ϵ}}_{xx}-{\mathrm{\ϵ}}_{yy})}^2+4{\mathrm{\ϵ}}_{xy}{\mathrm{\ϵ}}_{yx}}\]---\left(2\right)$

其中，k₁和k₂为光的传播常数的两个解。

综合考虑外加电场、温度场和应力场对BGO晶体光学性质的影响，可求得晶体逆介电张量的变化量Δβ为：

$\[\mathrm{\Δ}\mathrm{\β}\]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_1\\ {\mathrm{\Δ\β}}_2\\ {\mathrm{\Δ\β}}_3\\ {\mathrm{\Δ\β}}_4\\ {\mathrm{\Δ\β}}_5\\ {\mathrm{\Δ\β}}_6\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{b}_{11}\mathrm{\Δ}T+p_{11}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}-{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{12}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}+{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{12}{\mathrm{\σ}}_x\\ b_{11}\mathrm{\Δ}T+p_{12}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}-{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{11}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}+{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{12}{\mathrm{\σ}}_x\\ b_{11}\mathrm{\Δ}T+p_{12}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}-{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{12}\·(\frac{{\mathrm{\σ}}_y+{\mathrm{\σ}}_z}{2}+{\mathrm{\τ}}_{yz})+p_{11}{\mathrm{\σ}}_x\\ \frac{\sqrt{2}}{2}{p}_{44}\·({\mathrm{\τ}}_{zx}+{\mathrm{\τ}}_{xy})\\ \frac{\sqrt{2}}{2}{p}_{44}\·({\mathrm{\τ}}_{xy}-{\mathrm{\τ}}_{zx})\\ {\mathrm{\γ}}_{41}\·E+\frac{1}{2}{p}_{44}\·({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，b₁₁为BGO晶体的热光系数；ΔT为温度变化量；p₁₁，p₁₂和p₄₄分别为BGO晶体三个弹光系数；σ_y为作用于BGO晶体(110)面的正应力；σ_z为作用于BGO晶体面的正应力；(σ_y-σ_z)为作用于BGO晶体的正应力之差；σ_x为作用于BGO晶体(001)面的正应力；η_xy为作用于BGO晶体的(001)面且垂直于(110)面的剪切应力，η_yz为作用于BGO晶体的(110)面且垂直于面的剪切应力，η_zx为作用于BGO晶体的面且垂直于(001)面的剪切应力；γ₄₁为BGO晶体的电光系数；

由BGO晶体介电张量和逆介电张量之间的关系：ε₀·{[Δε_P]+[Δε_T]+[Δε_S]}＝-ε_r·Δβ·ε_r，可求得晶体介电张量的变化量。则由(2)式可得

${(k_1-k_2)}^2={\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}\[{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{xx}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{yy}})}^2+2\sqrt{\left({\mathrm{\ϵ}}_{xx}{\mathrm{\ϵ}}_{yy}\right)}\[1-\sqrt{1-\left({\mathrm{\ϵ}}_{xy}{\mathrm{\ϵ}}_{yx}\right)/{\mathrm{\ϵ}}_{xx}{\mathrm{\ϵ}}_{yy}}\]---\left(4\right)$

在BGO晶体中，存在关系ε_xy,ε_yx＜＜ε_xx＜＜ε_xx,ε_yy。故可近似认为(ε_xyε_yx)/(ε_xxε_yy)是一个无穷小量，则(4)式可简化为

${(k_1-k_2)}^2={\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}\[{(\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{xx}}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{yy}})}^2+\left({\mathrm{\ϵ}}_{xy}{\mathrm{\ϵ}}_{yx}\right)/\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{xx}{\mathrm{\ϵ}}_{yy}}\]---\left(5\right)$

此外，还有以下几式成立：Δε_xx＜＜ε_r、Δε_yy＜＜ε_r、(Δε_xx+Δε_yy)/ε_r＜＜(Δε_xyΔε_yx)²、(Δε_xxΔε_yy)/ε_r ²＜＜(Δε_xyΔε_yx)²。多次利用无穷小量的泰勒级数展开式，可得

${(k_1-k_2)}^2=\frac{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ\ϵ}}_0}{4{\mathrm{\ϵ}}_r}\[{({\mathrm{\Δ\ϵ}}_{xx}-{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{yy})}^2+4{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{xy}{\mathrm{\Δ\ϵ}}_{yx}\]---\left(6\right)$

将代入(6)式，得

${(k_1-k_2)}^2={\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r^3\[{(p_{11}-p_{12})}^2{\mathrm{\τ}}_{yz}^2+{({\mathrm{\γ}}_{41}\·E+p_{44}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z}{2})}^2\]---\left(7\right)$

由此，将E＝U/d和δ＝(k₁-k₂)·l/2代入公式(7)，可求得此时的外加电压U和Pockels相位延迟δ之间的关系：

$U=\frac{d}{2{\mathrm{\γ}}_{41}}\{2{\[\frac{4{\mathrm{\δ}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r^3{l}^2}-{(p_{11}-p_{12})}^2\·{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\]}^{1/2}-p_{44}({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z)\}---\left(8\right)$

其中，l为沿光传播方向互易性双晶体结构的长度，d为平行于外加电场方向BGO晶体的宽度。

由(8)式可知，温度变化会影响ζ_y,ζ_z,η_yz,p₁₁,p₁₂和p₄₄等参数的大小，进而导致Pockels相位敏感单元的互易性退化。由于p₁₁,p₁₂和p₄₄的量级非常小，所以由(σ_y-σ_z)所导致的弹光效应是影响光学电压传感器温度稳定性的主要因素。如图2所示，通过仿真可以得到：当晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面同电极相接触，并粘接固定在光学基座上时，(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中的分布最小，且对称性最好，能够最大程度上保证光学电压传感器的温度稳定性。

为了便于分析光学传输单元和Pockels相位敏感单元中因各光学器件不理想以及光路对轴角度误差对光学电压传感器工作性能的影响，进一步采用琼斯矩阵描述线偏振光在整个光路中的传播模型。由(8)式可得：

${\mathrm{\δ}}_1=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_0^{3}l{\{{\[2{\mathrm{\γ}}_{41}U/d+p_{44}({\mathrm{\σ}}_{y1}-{\mathrm{\σ}}_{z1})\]}^2/4+{(p_{11}-p_{12})}^2\·{\mathrm{\τ}}_{yz1}^2\}}^{1/2}---\left(9\right)$

其中，δ₁为外加电场和应力场综合作用下在晶体B中引入的相位延迟；n₀为BGO晶体的折射率。σ_y1为作用于晶体B的(110)面的正应力；σ_z1为作用于晶体B的面的正应力；τ_yz1为作用于晶体B的剪切应力。

令U＝0，求得外界应力在晶体A中引入的相位延迟为：

${\mathrm{\δ}}_2=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_0^{3}l{\[p_{44}^2{({\mathrm{\σ}}_{y2}-{\mathrm{\σ}}_{z2})}^2/4+{(p_{11}-p_{12})}^2\·{\mathrm{\τ}}_{yz2}^2\]}^{1/2}---\left(10\right)$

δ₂为外界应力在晶体A中引入的相位延迟；σ_y2为作用于晶体A(110)面的正应力；σ_z2为作用于晶体面的正应力；τ_yz2为作用于晶体A的剪切应力。

(2)起偏器和45°熔接点位于两束正交线偏振光生成之前，所以起偏器振幅消光系数非理想以及45°熔接点熔接角度非理想只会影响到达光电探测器的干涉光强大小，而不会对真实Pockels相位产生影响；

保偏光纤熔接机45°熔接的精度有限，导致两束正交线偏振光的振幅不等，最终影响到达光电探测器的干涉光强大小。

具体计算公式如下：

对45°熔接点的实际熔接角度θ₁影响到达光电探测器的干涉光强I_out的大小进行量化；

量化公式如下：

其中，θ₁为45°熔接点的实际熔接角度；为两束正交线偏振光再次经过相位调制器时的调制相位；为两束正交线偏振光初次经过相位调制器时的调制相位；δ为Pockels相位延迟；E_out为输出光，表达式为：

E_out＝P_b·W_1b·M_b·W_2b·F_b·A_b·C_b·H_b·S_b·R_f·S_f·H_f·C_f·A_f·F_f·W_2f·M_f·W_1f·P_f·E_SLD

P_b为反向传输时起偏器的琼斯矩阵；

W_1b为反向传输时45°熔接点的琼斯矩阵：考虑熔接角度误差，设θ₁为实际熔接角度；理想情况下，θ₁＝45°，

M_b为反向传输时相位调制器的琼斯矩阵；

W_2b为反向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；考虑熔接角度误差，设实际熔接角度为θ₂，理想情况下，θ₂＝0°，

F_b为反向传输时法拉第旋光器琼斯矩阵；F为法拉第旋光器采用的旋转角，理想情况下F＝45°，

A_b为反向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；理想情况下，θ₃＝45°，

C_b为反向传输时晶体A的琼斯矩阵；

H_b为反向传输时半波片的琼斯矩阵；i是虚数单位；θ₄为半波片快/慢轴方向同晶体感生折射率主轴x,y方向间的夹角；设半波片相位延迟角度为γ，理想情况下：γ＝180°，θ₄＝45°，

S_b为反向传输时晶体B的琼斯矩阵；

R_f为正向传输时反射膜的琼斯矩阵；

S_f为正向传输时晶体B的琼斯矩阵；

H_f为正向传输时半波片的琼斯矩阵：理想情况下：γ＝180°，

C_f为正向传输时晶体A的琼斯矩阵；

A_f为正向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；理想情况下，θ₃＝45°，

F_f为正向传输时法拉第旋光器的琼斯矩阵：理想情况下，F＝45°，

W_2f为正向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；考虑熔接角度误差，设0°熔接点的实际熔接角度为θ₂，理想情况下，θ₂＝0°，

M_f为正向传输时相位调制器的琼斯矩阵； 为两束正交线偏振光初次经过相位调制器时的调制相位；

W_1f为正向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；考虑熔接角度误差，理想情况下，θ₁＝45°，

P_f为正向传输时起偏器的琼斯矩阵；

E_SLD为超辐射发光二极管SLD的琼斯矩阵：E_x和E_y分别为两束正交线偏振光的振幅大小。

(3)0°熔接点、法拉第旋光角度、法拉第旋光器对轴角度、半波片相位延迟角度以及半波片对轴角度非理想情况下，会同时影响真实Pockels相位和干涉光强大小，特别是半波片对轴角度非理想是影响光学电压传感器测量精度的主要因素。

假设0°熔接点、法拉第旋光角度、法拉第旋光器对轴角度、半波片相位延迟角度以及半波片对轴角度这几个误差源中，其中一处角度误差为+0.4°，而其余几个角度误差均为+0.1°，分别验证上述几个角度误差对传感器测量精度的影响大小，如图3所示：由图可知，半波片对轴角度误差为+0.4°，而其余几个角度误差均为+0.1°时，相同电压值下导致的光学电压传感器的测量误差是最大的，所以半波片对轴角度非理想是影响光学电压传感器测量精度的主要因素。

温度变化会导致半波片的相位延迟角度发生变化，偏离理想值，最终不仅影响干涉光强大小，还会影响真实Pockels相移。

设半波片的实际相位延迟角度为γ，其余均理想，则干涉光强表达式为：

由方波调制加阶梯波反馈的闭环检测原理可知：其中 为闭环反馈相位。进一步化简(12)式可得到

其中，2δ_u为2δ和γ的函数，由于半波片的实际相位延迟角度非理想，导致反馈相位与2δ成为非线性关系。真实的闭环检测系统中，反馈相位用于抵消与2δ有关的2δ_u，使得

此时，反馈相移大小变为：

受各分立器件之间封装固化工艺水平的限制及外界温度变化影响，半波片快/慢轴方向同晶体感生折射率主轴方向之间的对轴角度难以保证严格的45°，最终影响真实Pockels相移和干涉光强大小。

设半波片的实际对轴角度为θ₄，其余均理想，则干涉光强表达式为：

此时，反馈相移大小变为：

此外，可通过0°熔接点熔接角度、法拉第旋光角度、法拉第旋光器对轴角度以及半波片相位延迟角度左偏或右偏的不同，来补偿由于半波片对轴角度非理想所导致的光学电压传感器测量误差，具体补偿方法如下：

假设上述几种角度误差均为0.2°，且半波片对轴角度小于理想值，则将下表中这几种情况的补偿效果进行对比，如表1所示：

表1

如果半波片对轴角度大于理想值，则将下表中这几种情况的补偿效果进行对比，如表2所示：

表2

可见，最好的两种补偿方法，也就是两表中第一行所列出的补偿方案为：

(1)当半波片对轴角度小于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均小于各自的理想值，且半波片相位延迟角度大于自身的理想值；

(2)当半波片对轴角度大于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均大于各自的理想值，且半波片相位延迟角度小于自身的理想值。

根据上表中的参数指标尽量补偿，干涉光强越大以及输入输出非线性越小时，所提的对轴角度补偿的效果越好。

抑制电压传感器温度误差的光学传感装置的加工制作过程为：

步骤一、分别设计光学传输单元和Pockels相位敏感单元部分的机械结构；

光学传输单元部分结构如图4a所示，整体高度为50mm，顶盖直径为100mm，底座是边长为100mm的正方形分别在四个角上去掉两条直角边均为10mm的等腰直角三角形；光纤环外缠绕有保偏延迟光缆，保偏延迟光缆、SLD以及相位调制器之间的连接关系如图1中所示；电路板和光源板组成检测电路。将发热的有源器件—SLD光源置于金属基座上便于散热，检测电路尽量远离光源以免由于散热影响其工作性能。

Pockels相位敏感单元部分结构如图4b所示，整体高度为21mm，上下各有一个直径为5mm的圆柱孔用来引出高压线，给晶体B加电。整个装置的长度为42mm，其中用来放置法拉第旋光器的圆柱体的长度为10mm，直径为6mm；在如图所示的相应位置粘结固定4块电极，其中左边两块电极不加电，右边两块电极加电。

步骤二、连接光学传输单元和Pockels相位敏感单元，实时监测干涉光强大小；

如图5所示，光源发出的光经环形器进入起偏器变为线偏振光，经45°熔接点后变为两束正交线偏振光，分别沿着法拉第旋光器输入尾纤的快(慢)轴传播，先后进入法拉第旋光器、晶体A、半波片以及晶体B，并被晶体B末端反射膜反射，最终在起偏器处发生干涉。经过环形器、检偏器到达光功率计，探测干涉光强大小。

步骤三、将晶体A和半波片置于显微镜下进行细微调整，实现半波片同晶体A的5×5mm²端面的边角平齐。干涉光强最大时，在两者之间受力点处涂上少量UV胶，在UV灯下照射约30s，将晶体A和半波片进行预固定；

步骤四、分别将晶体A(001)面和晶体B的(001)面粘结在两块电极上，并将电极固定在光学基座上。

将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面同电极相接触，晶体A和晶体B切割自同一块BGO母体的相邻位置，其感生折射率主轴方向是一致的，保证了Pockels相位敏感单元器件之间对轴精度的最优化，这种电极固定方式能保证两块BGO晶体不受电极挤压，并且可以保证(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中的分布最小且对称性最好；

步骤五、将法拉第旋光器置于三维调整架上，根据角度误差补偿方法，调整其高度、角度、俯仰以及同晶体A之间的距离等，调整过程中实时监测整个光路的干涉光强大小，干涉光强最大时进行法拉第旋光器的预固定；

步骤六、测试整个系统的消光比，判断是否达到26dB以上，如果是，涂上石英胶并烘焙8小时进行最终粘接固定；否则重新调光路；

步骤七、打断法拉第旋光器与起偏器之间的45°熔接点，将起偏器输出尾纤与相位调制器输入尾纤进行45°对轴熔接，此处熔接误差只影响干涉光强，不是电压传感器的主要误差因素；然后，将相位调制器输出尾纤同保偏延迟光缆相熔接。按照前面所提到的角度误差补偿方法调整熔接角度，监测干涉光强最大时进行熔接。

抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，抗温度敏感，可有效提高光学电压传感器的测量精度、温度稳定性及环境适应能力。

Claims (6)

1.一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述光学传感装置包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分；

Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；光学传输单元的保偏延迟光缆末端连接法拉第旋光器，将Pockels相位敏感单元单独置于智能电网中；互易性双晶体结构包括BGO晶体A、半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块；只对晶体B加电，且电场方向垂直于晶体B的(001)面；通过将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面粘结在电极上，并将电极固定在光学基座上，保证影响电压传感器温度稳定性的关键参数在两晶体中分布的对称性，有效抑制Pockels相位敏感单元的温度误差；

光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点；多处熔接角度及对轴角度误差的存在都会影响光学电压传感器的性能，通过分析角度误差对电压传感器的影响机理并提出角度误差补偿方法，根据角度误差补偿方法，调整各光学器件之间的对轴角度、熔接角度，减小角度误差对光学电压传感器测量精度的影响。

2.如权利要求1所述的一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述的保证影响电压传感器温度稳定性的关键参数在两晶体中分布的对称性，有效抑制Pockels相位敏感单元的温度误差，具体是指温度变化使参数(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中分布不对称，导致双晶体结构的互易性退化，影响光学电压传感器温度稳定性；

具体计算公式如下：

两束正交线偏振光在Pockels相位敏感单元中传播的麦克斯韦方程表示为：

${\▿}^{2}E+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\μ}\·{\mathrm{\ϵ}}_0\{\[{\mathrm{\ϵ}}^0\]+\[{\mathrm{\Δ\ϵ}}_P\]+\[{\mathrm{\Δ\ϵ}}_T\]+\[{\mathrm{\Δ\ϵ}}_S\]\}\·E=0$

其中，E为电场强度，ω为角频率，μ为BGO晶体的磁导率，ε₀为真空中的介电常数；当没有外界场作用于BGO晶体时，BGO晶体相对介电张量为其中ε_r为BGO晶体的相对介电常数；[Δε_P]为温变环境下的Pockels效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_T]为温变环境下的热光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量，[Δε_S]为温变环境下弹光效应所导致的晶体相对介电张量的变化量；

根据公式E＝U/d，得到外加电压U和Pockels相位延迟δ之间的关系为：

$U=\frac{d}{2{\mathrm{\γ}}_{41}}\{2{\[\frac{4{\mathrm{\δ}}^2}{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{\μ\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r^3{l}^2}-{(p_{11}-p_{12})}^2\·{\mathrm{\τ}}_{yz}^2\]}^{1/2}-p_{44}({\mathrm{\σ}}_y-{\mathrm{\σ}}_z)\}$

其中，d为平行于外加电场方向BGO晶体的宽度，γ₄₁为BGO晶体的电光系数；l为沿光传播方向互易性双晶体结构的长度；p₁₁，p₁₂和p₄₄分别为BGO晶体三个弹光系数；τ_yz为作用于BGO晶体的剪切应力；(σ_y-σ_z)为作用于BGO晶体的正应力之差；σ_y为作用于BGO晶体(110)面的正应力；σ_z为作用于BGO晶体面的正应力；

当晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面同电极相接触，并固定在光学基座上时，(σ_y-σ_z)在晶体A和晶体B中的应力分布最小，且对称性最好。

3.如权利要求1所述的一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，对所述光学电压传感器测量精度产生影响的因素包括：45°熔接点的熔接角度；半波片相位延迟角度；以及半波片对轴角度；针对各因素对光学电压传感器测量精度的影响分别进行量化；

所述的对45°熔接点的实际熔接角度θ₁影响到达光电探测器的干涉光强I_out的大小进行量化；

量化公式如下：

θ₁为45°熔接点的实际熔接角度；为两束正交线偏振光再次经过相位调制器时的调制相位；为两束正交线偏振光初次经过相位调制器时的调制相位；δ为Pockels相位延迟；E_out为输出光，表达式为：

E_out＝P_b·W_1b·M_b·W_2b·F_b·A_b·C_b·H_b·S_b·R_f·S_f·H_f·C_f·A_f·F_f·W_2f·M_f·W_1f·P_f·E_SLD

P_b为反向传输时起偏器的琼斯矩阵；W_1b为反向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；M_b为反向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W_2b为反向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；F_b为反向传输时法拉第旋光器琼斯矩阵；A_b为反向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；C_b为反向传输时晶体A的琼斯矩阵；H_b为反向传输时半波片的琼斯矩阵；S_b为反向传输时晶体B的琼斯矩阵；R_f为正向传输时反射膜的琼斯矩阵；S_f为正向传输时晶体B的琼斯矩阵；H_f为正向传输时半波片的琼斯矩阵；C_f为正向传输时晶体A的琼斯矩阵；A_f为正向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ₃的琼斯矩阵；F_f为正向传输时法拉第旋光器的琼斯矩阵；W_2f为正向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；M_f为正向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W_1f为正向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；P_f为正向传输时起偏器的琼斯矩阵；E_SLD为超辐射发光二极管SLD的琼斯矩阵。

4.如权利要求3所述的一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述的对半波片相位延迟角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；

量化公式如下：

半波片的实际相位延迟角度非理想时的干涉光强I_out大小为：

γ为半波片的实际相位延迟角度；

Pockels相位敏感单元的反馈相移为：

5.如权利要求3所述的一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述对半波片对轴角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；

半波片的实际对轴角度θ₄非理想时的干涉光强I_out大小为：

θ₄为半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向之间的对轴角度；

Pockels相位敏感单元的反馈相移为：

6.如权利要求3所述的一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述的角度误差补偿方法中，半波片对轴角度非理想是影响光学电压传感器测量精度的关键因素，通过对半波片对轴角度进行补偿，减小导致的光学电压传感器测量误差；

具体如下：(1)当半波片对轴角度小于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均小于各自的理想值，且半波片相位延迟角度大于自身的理想值；

(2)当半波片对轴角度大于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均大于各自的理想值，且半波片相位延迟角度小于自身的理想值。