CN109030903A - 一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，具体为一种基于晶体双折射实现电光相位延迟角线性测量的光学电压互感器，由半透半反镜、球面镜、双折射晶体、平面镜、光阑组成检偏谐振腔光路，线偏振光进入谐振腔后，双折射晶体将其分解为切向偏振的o光和径向偏振的e光，二者的焦点在空间上分开，平面镜位于e光的焦点处，使腔内只存在稳定的e光模式；从平面镜输出光斑的暗纹方向与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，实现了对电光相位延迟角的线性测量，且测量模式与光功率无关。本发明的光学电压互感器，其测量结果与光功率的大小无关，仅与光强的分布有关。
Description
技术领域
本发明属于电力系统电压测量技术领域，涉及一种基于晶体双折射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
光学电压互感器利用光学材料的电光效应测量电压，具有传统电磁式或电容式电压互感器无法比拟的优势。随着智能电网的快速发展，光学电压互感器凭借其优越的性能将在电力系统中获得广泛应用。目前光学电压互感器多采用偏光干涉解调方法，将电光相位延迟转换为光强调制,通过检测光强的大小间接、近似线性地测量电压。这一测量方式主要存在以下问题：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；3）温漂问题。光源、光学器件，光电转换器件与电子器件的温漂直接影响出射光强的大小，导致测量误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，可以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：一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，包括由半透半反镜、平面镜、双折射晶体、光阑、球面镜组成检偏谐振腔，其中平面镜位于径向偏振e光的焦点处；线偏振光进入谐振腔后，双折射晶体将其分解为切向偏振的o光和径向偏振的e光，二者的焦点在空间上分开，由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光。从平面镜输出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，实现对电光相位延迟角的线性测量。
在本发明一实施例中，所述CCD图像传感器设于半透半反镜的反射面出光口处，以接收从平面镜输出的光斑。
在本发明一实施例中，所述双折射晶体为圆柱体，且通光面沿c轴方向切割。
在本发明一实施例中，还包括设于半透半反镜与平面镜之间的凸透镜，以将经半透半反镜出射的线偏振光聚焦进入所述谐振腔中。
在本发明一实施例中，还包括设于半透半反镜之前的扩束镜，以实现线偏振光进入谐振腔前，对线偏振光进行放大。
在本发明一实施例中，还包括依次设置的电光晶体和四分之一波片，用于实现在扩束镜对线偏振光进行放大之前，通过电光效应使得线偏振光偏振面发生旋转。
在本发明一实施例中，还包括光源和起偏器，光源发出的光束经起偏器形成线偏振光。
在本发明一实施例中，该光学电压互感器的具体工作原理为：光源发出的光束经过起偏器形成线偏振光，并进入电光晶体和四分之一波片，受电场作用线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经扩束镜放大，并通过半透半反镜，由凸透镜聚焦进入谐振腔；谐振腔内的双折射晶体将o光和e光的焦点在空间上分开，由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光。从平面镜输出光斑经过凸透镜和半透半反镜后，进入CCD图像传感器成像。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，可以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为线偏光偏振面平行于竖直方向时，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晶体双折射实现的光学电压互感器，包括由半透半反镜、平面镜、双折射晶体、光阑、球面镜组成检偏谐振腔，其中平面镜位于径向偏振e光的焦点处；线偏振光进入谐振腔后，双折射晶体将其分解为切向偏振的o光和径向偏振的e光，二者的焦点在空间上分开，由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光。从平面镜输出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，从而实现对电光相位延迟角的线性测量。
所述CCD图像传感器设于半透半反镜的反射面出光口处，以接收从平面镜输出的光斑。
所述双折射晶体为圆柱体，且通光面沿c轴方向切割。
还包括设于半透半反镜与平面镜之间的凸透镜，以将经半透半反镜出射的线偏振管聚焦进入所述谐振腔中。还包括设于半透半反镜之前的扩束镜，以实现线偏振光进入谐振腔前，对线偏振光进行放大。还包括依次设置的电光晶体和四分之一波片，用于实现在扩束镜对线偏振光进行放大之前，通过电光效应使得线偏振光偏振面发生旋转。还包括光源和起偏器，光源发出的光束经起偏器形成线偏振光。
本发明光学电压互感器的具体工作原理为：光源发出的光束经过起偏器形成线偏振光，并进入电光晶体和四分之一波片，受电场作用线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经扩束镜放大，并通过半透半反镜，由凸透镜聚焦进入谐振腔；谐振腔内的双折射晶体将o光和e光的焦点在空间上分开，由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光，并从平面镜输出光斑；光斑经过凸透镜和半透半反镜后，进入CCD图像传感器成像。
以下为本发明的具体实施过程。
本发明的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，如图1所示，光源[1]和起偏器[2]产生线偏振光，电光晶体[3]与四分之一波片[4]将待测电场大小转换为线偏光偏振面的旋转，扩束镜[5]用于光束的放大，半透半反镜[6]实现光的透射和反射。平面镜[8]、双折射晶体[9]、光阑[10]、球面镜[11]组成检偏谐振腔，其作用是将线偏振光转换为具有暗纹的圆形光斑，其中光斑暗纹的方向与线偏振光的偏振面垂直，利用CCD图像传感器检测光斑图像中暗纹的方向实现对电光相位延迟角的测量。具体实现原理如下：
光源[1]发出的光束经过起偏器[2]形成线偏振光，并进入电光晶体[3]和四分之一波片[4]，受电场作用线偏振光偏振面发生旋转。出射偏振光经扩束镜[5]放大，并通过半透半反镜[6]，由凸透镜[7]聚焦进入平面镜[8]和球面镜[11]组成的谐振腔。谐振腔内的双折射晶体[9]将o光（切向偏振光）和e光（径向偏振光）的焦点在空间上分开，平面镜[8]位于e光的焦点处，使腔内只存在稳定的径向偏振光模式，并从平面镜[8]输出光斑。光斑经过凸透镜[7]和半透半反镜[6]后，进入CCD图像传感器[12]成像。输出光斑的暗纹与偏振光的偏振面垂直。通过检测暗纹的旋转角度，可以得到线偏光的偏振面旋转角度，求得电场大小。双折射晶体[9]为圆柱形铌酸锂或钒酸钇晶体，通光面沿晶体c轴切割。
图2是线偏光偏振面平行于竖直方向时，出射光斑的示意图。
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 (8)
1.一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，包括由半透半反镜、平面镜、双折射晶体、光阑、球面镜组成检偏谐振腔，其中平面镜位于径向偏振e光的焦点处；线偏振光进入谐振腔后，双折射晶体将其分解为切向偏振的o光和径向偏振的e光，二者的焦点在空间上分开；由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光；从平面镜输出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，实现对电光相位延迟角的线性测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，所述CCD图像传感器设于半透半反镜的反射面出光口处，以接收从平面镜输出的光斑。
3.根据权利要求1所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，所述双折射晶体为圆柱体，且通光面沿c轴方向切割。
4.根据权利要求1所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，还包括设于半透半反镜与平面镜之间的凸透镜，以将经半透半反镜出射的线偏振光聚焦进入所述谐振腔中。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，还包括设于半透半反镜之前的扩束镜，以实现线偏振光进入谐振腔前，对线偏振光进行放大。
6.根据权利要求5所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，还包括依次设置的电光晶体和四分之一波片，用于实现在扩束镜对线偏振光进行放大之前，通过电光效应使得线偏振光偏振面发生旋转。
7.根据权利要求6所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，还包括光源和起偏器，光源发出的光束经起偏器形成线偏振光。
8.根据权利要求7所述的一种基于晶体双折射实现的光学电压互感器，其特征在于，该光学电压互感器的具体工作原理为：光源发出的光束经过起偏器形成线偏振光，并进入电光晶体和四分之一波片，受电场作用线偏振光偏振面发生旋转；出射的线偏振光经扩束镜放大，并通过半透半反镜，由凸透镜聚焦进入谐振腔；谐振腔内的双折射晶体将o光和e光的焦点在空间上分开，由于平面镜位于e光的焦点处，使谐振腔内只存在稳定的e光；从平面镜输出光斑经过凸透镜和半透半反镜后，进入CCD图像传感器成像。
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