CN107607799A - 一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头 - Google Patents

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齐波
高原
朱宗旺
赵晓林
张书琦
李成榕
李鹏
李金忠
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Abstract

本发明公开了属于电气测量技术领域的一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头。包括光纤准直器、光纤耦合器、全反射棱镜、光纤型偏振器组成集成式的光学器件单元。其中光纤准直器和光纤耦合器内置于电场测量探头支架内，电场测量探头通过传输光纤与激光源和检测装置相连。电场测量探头内部的光纤准直器、光纤耦合器及全反射棱镜等处是充满待测液体电介质的无气泡空间。通过集成式的光学器件单元，所述电场测量探头可以置于液体电介质内部进行电场强度的在线测量。该电场测量探头具有集成度高、灵敏度高、体积小和可以导入液体电介质内部进行电场强度在线测量的特点。

Description

一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头
技术领域
本发明属于电气测量技术领域，特别涉及一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头。
背景技术
在高压电气领域,准确测量电场强度对于电气设备的绝缘结构设计及运行状态的评估具有十分重要的意义。基于光电效应的光学测量方法，如Pockels效应法、Kerr效应法是常见的测量方法。
现有的光学测量方法中，光路的组成一般比较复杂，大多是基于分立式光学元件的测量装置。而将光学元件集成密封的现有测量装置中,普遍难以兼顾测量装置的灵敏度和体积大小。为提高电场测量灵敏度，一般选择增加光路部分的长度，使得测量装置的外形尺寸较大，限制了其在有限空间的电场测量。
例如专利《电场测量装置》(申请号201510439141.8)，涉及一种电场测量装置，该装置主要包括起偏器、波片、检偏器、准直器、耦合器、液体容纳空间、密封盖等结构。通过将光学镜片集成到密封的测量装置内部，该装置能够实现对液体电介质的测量。但是该装置的测量灵敏度受限于液体容纳空间部分的长度。为提高测量装置的灵敏度，必须增加装置中液体容纳空间部分的尺寸，这就限制了该测量装置在有限空间内的应用。此外，该测量装置各光学元件间存在空气隙，不能应用于高电场强度条件下的测量环境。
例如专利《光纤导入式电场测量系统》(申请号201520642426.7),涉及一种光纤导入式测量系统，包括光源、光学器件单元、检测装置及传输光纤等。其光学器件单元为集成式光学器件单元，包含晶体调制器、位于晶体调制器的中心的光波导、与晶体调制器的表面相连的金属电极和与金属电极相连的感应天线等。该测量装置通过高度集成和体积较小的光学器件单元，可以置于液体电介质内部进行电场的在线测量。但是该装置的测量灵敏度受晶体调制器及光波导的尺寸限制，同样难以实现小尺寸条件下的高灵敏度。
例如专利《基于电光二次效应的空间强电场测量系统》(申请号201510546001.0)，涉及一种空气中强电场快速测量系统，该测量系统所包含的Kerr传感器内部布置有起偏器、波片、Kerr细胞单元、检偏器、平行反射单元等。该专利中的测量对象侧重于空气，光路组成复杂，且未考虑平行反射单元部分由于光的反射而产生的相位偏移等，不适用于液体电介质的空间电场测量。
本发明中，借助于光纤传感技术，实现了光学元件的集成化，光路组成简单，利用全反射棱镜等效增加了光路积分长度，并分析了由全反射棱镜而产生的相位偏移，解决了测量装置在灵敏度与外形尺寸间的矛盾，具有集成度高、灵敏度高、体积小和可以导入液体电介质内部进行电场强度在线测量的特点，能够有效应用于变压器等电气设备内部。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，在电场测量探头支架2水平中心线的两侧平行布置有光纤准直器21和光纤耦合器22，其后在水平中心线上依次设置镂空槽23和棱镜槽25；光纤准直器21、光纤耦合器22内置于测量探头支架2内部，并在测量探头支架2的相应位置处设有排气孔24；全反射棱镜3置于棱镜槽25内；在电场测量探头支架2外部，设置有圆偏振保持光纤1和光纤准直器21相连，光纤型偏振器4与光纤耦合器22相连。电场测量探头通过传输光纤与激光源和光电检测装置相连。
所述光纤型偏振器4的偏振方向与电场方向成45°。
所述光纤型偏振器4为光纤型检偏器或者偏振光纤。
所述整体结构采用非金属材料,用于减小测量探头的引入对待测电场的改变。
所述全反射棱镜的材质为N-BK7型玻璃、UV熔融石英、氟化钙(CaF2)、硒化锌(ZnSe)、锗(Ge)等，由全反射棱镜引起的S光和P光的相位差可根据下式计算得到。
上式中，i1是发生全反射时的入射角，n21是发生全反射时交界面处两种介质的相对折射率。
所述测量探头支架2设有排气孔24及棱镜槽25，以保证光纤准直器21、光纤耦合器22、镂空槽23和棱镜槽25处是充满待测液体电介质的无气泡空间。
所述基于Kerr效应的集成式电场测量探头的工作原理：圆偏振态入射光经光纤准直器21的准直作用后入射至电场测量探头内，镂空槽23内是被引入的待测液体电介质，当圆偏振态光经过镂空槽23中的待测液体电介质时，在外施电场的作用下,圆偏振态激光变成椭圆偏振态,并携带有电场信息；所述椭圆偏振态激光在布置于棱镜槽25处的全反射棱镜3的作用下第二次进入外施电场区域后，经光纤耦合器22耦合至光纤型偏振器4中，光纤型偏振器4将携带有电场信息的光信号检出，并传输至与其相连的光电检测装置。所述测量探头内部利用全反射棱镜3，增加Kerr积分路径长度，提高测量探头的灵敏度；所述电场测量探头外部支架采用非金属材料，从而可以减小由于引入电场测量探头而对待测电场产生的改变，提高电场测量有效性；所述测量探头支架2设有排气孔24及棱镜槽25，以保证光纤准直器21、光纤耦合器22、镂空槽23和棱镜槽25处是充满待测液体电介质的无气泡空间。
本发明的有益效果是该电场测量探头能够把分立的光纤准直器、光纤耦合器、全反射棱镜等高度集成到一个体积小、结构紧凑的电场测量探头单元，具有很高的测量灵敏度，非常适合有限空间中的电场在线测量。
附图说明
图1为基于Kerr效应的集成式电场测量探头的示意图。
图2为光纤型偏振器与待测电场方向的角度关系示意图。
具体实施方式
本发明提供一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，下面结合实施例更加详细地说明本发明。
如图1所示，在电场测量探头支架2水平中心线的两侧平行布置有光纤准直器21和光纤耦合器22，其后在水平中心线上依次设置镂空槽23和棱镜槽25；光纤准直器21、光纤耦合器22被内置于测量探头支架2内部，并在测量探头支架2的相应位置处设有排气孔24；全反射棱镜3被布置于棱镜槽25内；在电场测量探头支架2外部，设置有圆偏振保持光纤1和光纤准直器21相连，光纤型偏振器4与光纤耦合器22相连。电场测量探头通过传输光纤与激光源和检测装置相连。电场测量探头整体结构采用非金属材料,用于减小测量探头的引入对待测电场的改变。
所述全反射棱镜用于改变激光传输方向，增加Kerr积分路径长度；其材质为N-BK7型玻璃、UV熔融石英、氟化钙(CaF2)、硒化锌(ZnSe)、锗(Ge)等，由全反射棱镜引起的S光和P光的相位差可根据下式计算得到，
上式中，i1是发生全反射时的入射角，n21是发生全反射时交界面处两种介质的相对折射率。
所述测量探头支架设有排气孔24及棱镜槽25，以保证光纤准直器21、光纤耦合器22、镂空槽23和棱镜槽25处是充满待测液体电介质的无气泡空间。
所述基于Kerr效应的集成式电场测量探头的工作原理：圆偏振态的入射光通过圆偏振保持光纤1传输至电场测量探头内部，圆偏振保持光纤1与光纤准直器21相连，圆偏振态入射光经光纤准直器21的准直作用后入射至电场测量探头内，圆偏振光经过电场区域里的镂空槽23中的待测液体电介质，在外施电场的作用下,圆偏振态激光变成椭圆偏振态,并携带有电场信息。所述椭圆偏振态激光在全反射棱镜3的作用下第二次进入外施电场区域后，经光纤耦合器22耦合至光纤型偏振器4中，光纤型偏振器4的偏振方向与电场方向成45°(如图2所示)，光纤型偏振器4可将携带有电场信息的椭圆偏振态检偏为携带有电场信息的线偏振光,并通过光纤输出。所述圆偏振保持光纤可连接出射光为圆偏振态的激光器，为保证圆偏振保持光纤经光纤准直器后输出的激光有良好的圆偏振态，经过检偏器旋转一周得到的最大光强不超过最小光强的1.2倍。所述光纤型偏振器可连接包括光电探测器在内的检测装置。所述电场测量探头配合相应的激光源和检测装置，可通过分析光强情况得到镂空槽里液体电介质的电场情况。

Claims (7)

1.一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，在电场测量探头支架(2)水平中心线的两侧平行布置有光纤准直器(21)和光纤耦合器(22)，其后在水平中心线上依次设置镂空槽(23)和棱镜槽(25)；光纤准直器(21)、光纤耦合器(22)内置于测量探头支架(2)内部，并在测量探头支架(2)的相应位置处设有排气孔(24)；全反射棱镜(3)布置于棱镜槽(25)内；在电场测量探头支架(2)外部，设置有圆偏振保持光纤(1)和光纤准直器(21)相连，光纤型偏振器(4与光纤耦合器(22)相连。
2.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述光纤型偏振器(4)的偏振方向与电场方向成45°。
3.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述光纤型偏振器(4)为光纤型检偏器或者偏振光纤。
4.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述整体结构采用非金属材料,用于减小测量探头的引入对待测电场的改变。
5.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述全反射棱镜的材质为N-BK7型玻璃、UV熔融石英、氟化钙CaF2、硒化锌ZnSe或锗Ge；由全反射棱镜引起的S光和P光的相位差根据下式计算得到，
上式中，i1是发生全反射时的入射角，n21是发生全反射时交界面处两种介质的相对折射率。
6.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述光纤准直器(21)、光纤耦合器(22)、镂空槽(23)和棱镜槽(25)处是充满待测液体电介质的无气泡空间。
7.根据权利要求1所述一种基于Kerr效应的集成式电场测量探头，其特征在于，所述测量探头支架(2)设有排气孔(24)及棱镜槽(25)，以保证光纤准直器(21)、光纤耦合器(22)、镂空槽(23)和棱镜槽(25)处是充满待测液体电介质的无气泡空间。
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