CN108957089A - 一种基于组合半波片实现的光学电压互感器 - Google Patents

一种基于组合半波片实现的光学电压互感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，具体为一种基于组合半波片实现电光相位延迟角线性解调的光学电压互感器。由组合半波片、凸透镜、法布里珀罗干涉仪组成检偏系统，实现对电光相位延迟角的线性测量，测量模式与光功率无关；线偏振光进入组合半波片后，形成分段旋转线偏振光，经过法布里珀罗干涉仪后，抑制高阶模式并形成连续旋转线偏振光；旋转线偏振光可以看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加，经过起偏器后形成带有暗纹的光斑；光斑的暗纹方向与线偏振光的偏振面垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，可实现电光相位延迟角的线性测量。

Description

一种基于组合半波片实现的光学电压互感器
技术领域
本发明属于电力系统电压测量技术领域，具体涉及一种基于组合半波片实现对电光相位延迟角线性测量的光学电压互感器。
背景技术
目前，光学电压互感器的基本原理主要有Pockels效应、Kerr效应、逆压电效应和集成光学型等，其中以基于Pockels效应的光学电压互感器最为常见。Pockels效应是指电光晶体在外加电场的作用下，晶体的折射率随电场发生线性变化，使得沿某一方向通过电光晶体的线偏振光产生电光相位延迟，延迟量与外加电场成正比，因而可以通过测量电光相位延迟得到待测电压。通常认为现有的技术还不能直接测量电光相位延迟，因此借助于偏光干涉检测模式，将相位延迟转换为光强变化，通过检测光强的大小间接测量电压。这一测量模式存在以下问题：1）测量范围小。仅能近似线性地测量有限的电光相位延迟，限制了互感器的测量范围；2)光功率相关性。测量准确度易受光功率波动的影响，降低互感器可靠性和长期运行的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，可对电光相位延迟角线性地测量，测量范围不受晶体半波电压的限制，测量结果与光功率无关。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，包括由组合半波片、凸透镜、法布里珀罗干涉仪、检偏器构成的径向检偏系统；线偏振光进入组合半波片后，形成分段旋转线偏振光，经过法布里珀罗干涉仪后，抑制高阶模式并形成连续旋转线偏振光；旋转线偏振光看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加，经过检偏器后形成带有暗纹的光斑；光斑的暗纹方向与线偏振光的偏振面垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可实现电光相位延迟角的线性测量。
在本发明一实施例中，所述组合半波片由四片扇形半波片拼合而成，每个半波片为一个象限。
在本发明一实施例中，相邻半波片的快轴方向相差45度。
在本发明一实施例中，所述法布里珀罗干涉仪由两个球面凹面镜组成，形成共焦球面腔，球面凹面镜之间距离为焦距。
在本发明一实施例中，所述球面凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。
在本发明一实施例中，还包括光源、起偏器、电光晶体、四分之一波片、扩束镜、凸透镜；光源经过起偏器形成线偏振光，进入电光晶体与四分之一波片，电光效应使得线偏振光的偏振面发生旋转，且旋转角度正比于待测电场的大小；扩束镜将出射的线偏振光放大，经组合半波片线偏振光转换为分段的径向偏振光，经凸透镜聚焦后进入法布里珀罗干涉仪，转换为连续的径向偏振光；经过检偏器后，形成有暗纹的光斑，暗纹的方向与线偏光的偏振方向垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可得到线偏光的偏振面旋转角度，求得待测电场。
在本发明一实施例中，所述扩束镜内的针孔为空间滤波器。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，可对电光相位延迟角线性地测量，测量范围不受晶体半波电压的限制，测量结果与光功率无关。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为本发明组合半波片的示意图。
图3为出射光斑的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，包括由组合半波片、凸透镜、法布里珀罗干涉仪、检偏器构成的径向检偏系统；线偏振光进入组合半波片后，形成分段旋转线偏振光，经过法布里珀罗干涉仪后，抑制高阶模式并形成连续旋转线偏振光；旋转线偏振光看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加，经过检偏器后形成带有暗纹的光斑；光斑的暗纹方向与线偏振光的偏振面垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可实现电光相位延迟角的线性测量。
所述组合半波片由四片扇形半波片拼合而成，每个半波片为一个象限。相邻半波片的快轴方向相差45度。
所述法布里珀罗干涉仪由两个球面凹面镜组成，形成共焦球面腔，球面凹面镜之间距离为焦距。所述球面凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。
所述光学电压互感器还包括光源、起偏器、电光晶体、四分之一波片、扩束镜、凸透镜；光源经过起偏器形成线偏振光，进入电光晶体与四分之一波片，使得线偏振光的偏振面发生旋转，且旋转角度正比于待测电场的大小，扩束镜将出射的线偏振光放大，经组合半波片线偏振光转换为分段的径向偏振光，经凸透镜聚焦后进入法布里珀罗干涉仪，转换为连续的径向偏振光；经过检偏器后，形成有暗纹的光斑，暗纹的方向与线偏光的偏振方向垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可得到线偏光的偏振面旋转角度，求得待测电场。所述扩束镜内的针孔为空间滤波器。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明光学电压互感器的结构如图1所示，由光源[1]、起偏器[2]、电光晶体[3]、四分之一波片[4]、扩束镜[5]、组合半波片[6]、凸透镜[7]、法布里珀罗干涉仪[8]、检偏器[9]和CCD图像传感器[10]组成。组合半波片[6]、法布里珀罗干涉仪[8]、检偏器[9]组成检偏系统。组合半波片[6]由四片半波片拼合而成，四个半波片各置于四象限中的一个象限，相邻波片的快轴方向相差45度。偏振光通过组合半波片后，相邻象限的偏振方向相差90度。组合半波片[6]的作用是将线偏光变为分段的旋转偏振光。
组合半波片[6]的结构如附图2所示，由四片扇形的半波片拼接组成。相邻半波片的快轴方向相差45度。
法布里-珀罗干涉仪[8]由两个球面凹面镜组成，其球面凹面镜的直径为25.4mm,焦距为7.5mm。法布里-珀罗干涉仪采用共焦球面腔，球面镜之间距离为焦距。腔体长度通过压电陶瓷进行微调，使腔体输出TEM01和TEM10模式，合成旋转偏振光。
法布里珀罗干涉仪[8]用于将分段的旋转偏振光变为连续的旋转偏振光。法布里珀罗干涉仪的作用为一个模式选择器，其结构为共焦球面腔，但是实际的腔体距离偏离共焦距离，仅允许TEM01和TEM10模式在腔内产生，高阶模式被抑制，从而消除了旋转偏振光的不连续性。旋转偏振光可以看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加。旋转偏振光经过检偏器[9]后，产生有暗纹的光斑图像，其暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直。最后通过检测光斑图像中暗纹的方向实现对偏振旋转角度的线性测量。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，包括由组合半波片、凸透镜、法布里珀罗干涉仪、检偏器构成的径向检偏系统；线偏振光进入组合半波片后，形成分段旋转线偏振光，经过法布里珀罗干涉仪后，抑制高阶模式并形成连续旋转线偏振光；旋转线偏振光看作是径向偏振光和切向偏振光的叠加，经过检偏器后形成带有暗纹的光斑；光斑的暗纹方向与线偏振光的偏振面垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可实现电光相位延迟角的线性测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，所述组合半波片由四片扇形半波片拼合而成，每个半波片为一个象限。
3.根据权利要求2所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，相邻半波片的快轴方向相差45度。
4.根据权利要求1所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，所述法布里珀罗干涉仪由两个球面凹面镜组成，形成共焦球面腔，球面凹面镜之间距离为焦距。
5.根据权利要求4所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，所述球面凹面镜的直径为25.4mm，焦距为7.5mm。
6.根据权利要求3所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，还包括光源、起偏器、电光晶体、四分之一波片、扩束镜、凸透镜；光源经过起偏器形成线偏振光，进入电光晶体与四分之一波片，电光效应使得线偏振光的偏振面发生旋转，且旋转角度正比于待测电场的大小；扩束镜将出射的线偏振光放大，经组合半波片线偏振光转换为分段的径向偏振光，经凸透镜聚焦后进入法布里珀罗干涉仪，转换为连续的径向偏振光；经过检偏器后，形成有暗纹的光斑，暗纹的方向与线偏光的偏振方向垂直；通过CCD图像传感器检测暗纹的旋转角度，即可得到线偏光的偏振面旋转角度，求得待测电场。
7.根据权利要求6所述的一种基于组合半波片实现的光学电压互感器，其特征在于，所述扩束镜内的针孔为空间滤波器。
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