CN109521248A - 基于s波片实现的电压测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于S波片实现的电压测量方法，属于电力系统电压测量技术领域。由光源、起偏器、电光晶体、四分之一波片、S波片、检偏器和PSD位移传感器组成。光源出射的光经过起偏器得到线偏振光，在待测电场的作用下，经过电光晶体和四分之一波片，线偏振光偏振面发生旋转，旋转的角度正比于电场的大小，出射线偏振光通过S波片和检偏器，将偏振面的旋转转换为条形光斑暗纹的水平移动；通过PSD位移传感器检测暗纹的位移量，得到偏振面旋转角度的大小，从而实现电压的测量。这一测量模式与光强无关，实现了电光相位延迟的线性测量，且测量范围不受电光晶体半波电压的限制。

Description

基于S波片实现的电压测量方法
技术领域
本发明涉及电力系统电压测量技术领域，特别涉及一种基于S波片实现的电压测量方法，基于S波片实现对电光相位延迟的线性测量。
背景技术
随着电力系统向高电压等级和大容量的不断发展，传统电压互感器因自身传感机理的缺陷，逐渐暴露出体积大、绝缘难度大、线性范围小、无数字接口等问题，难以适应电力系统智能化发展的要求。光学电压互感器指利用光学材料特定的物理效应敏感电压，并通过光纤传输信号的电压互感器。与传统电压互感器相比，光学互感器具有以下优势：(1)无铁磁谐振、磁饱和等问题。(2)绝缘简单可靠。(3)具有良好的抗干扰能力。(4)体积小、重量轻、经济性好。
虽然光学电压互感器优势明显，但存在许多问题亟待解决，如测量范围小、受应力线双折射和温漂的影响严重等。对于基于电光晶体Pockels效应的光学电压互感器，上述问题的症结在于的局限性。由于无法实现对晶体电光相位延迟的直接测量，通常采用偏光干涉测量模式，将相位延迟转变为光强调制，通过对光强的检测实现电压测量。这种测量模式反映光功率的大小，仅能近似线性地测量有限的电光相位延迟，其稳定性与可靠性受到温漂、晶体附加相位延迟、半波电压等问题的限制，无法满足电力系统的实用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于S波片实现的电压测量方法，解决了偏光干涉测量模式存在的问题。本发明采用光源和起偏器产生线偏振光，并经过电光晶体与四分之一波片，使得线偏振光偏振面发生旋转，再经S波片和检偏器转换为具有暗纹的条形光斑，最后通过 PSD位移传感器测量光斑暗条纹的位移量，即可实现电光相位延迟角的线性测量，从而得出待测电压。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于S波片实现的电压测量方法，光源1设置在起偏器2的一侧，起偏器2的另一侧设置电光晶体3，四分之一波片4置于电光晶体3和S波片5之间；检偏器6的一侧为S波片 5，另一侧为PSD位移传感器7；所述光源1发出的光经过起偏器2得到线偏振光，并通过电光晶体3被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播产生电光相位延迟；四分之一波片4将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片4出射的线偏振光经过S波片5和检偏器6，形成具有暗纹的条形光斑；通过PSD位移传感器7检测光斑暗纹的位移量，得到线偏光偏振面旋转的角度，从而得到待测电压值。
所述的S波片5是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，是一种快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角θ正比于横坐标x，满足如下关系式：
S波片的总长度为2l，当x＝0，快轴方向平行于x轴，当x＝±l时，快轴与x轴的夹角为45度；S波片与偏振片配合，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为(-π/2, +π/2)。
本发明的有益效果在于：利用S波片将电光晶体的相位延迟转换为光斑的同步位移，并通过PSD位移传感器检测光斑信号，完成了电压的线性测量。本发明的测量模式与光强无关，通过对光斑图像的定位得到电光相位延迟角，避免了光电转换、光路损耗以及数模转换引起的误差；实现了对电光相位延迟的直接、线性测量，不受晶体半波电压的限制，并降低了温漂和附加双折射的影响。
附图说明
附图说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的结构原理图；
图2为S波片的快轴方向变化示意图；
图3为光强分布计算坐标图。
图中：1、光源；2、起偏器；3、电光晶体；4、四分之一波片；5、S波片；6、检偏器；7、PSD位移传感器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图3所示，本发明的基于S波片实现的电压测量方法，光源1设置在起偏器 2的一侧，起偏器2的另一侧设置电光晶体3，四分之一波片4置于电光晶体3和S波片5 之间；检偏器6的一侧为S波片5，另一侧为PSD位移传感器7；所述光源1发出的光经过起偏器2得到线偏振光，并通过电光晶体3被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e 光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播产生电光相位延迟；四分之一波片4将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片4出射的线偏振光经过S波片5和检偏器6，形成具有暗纹的条形光斑；通过PSD 位移传感器7检测光斑暗纹的位移量，得到线偏光偏振面旋转的角度，从而得到待测电压值。这一测量模式与光强无关，实现了电光相位延迟的线性测量，且测量范围不受晶体半波电压的限制。
参见图2及图3所示，本发明的S波片是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，其为快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角θ正比于横坐标x，如图2所示，其满足如下关系式：
S波片的总长度为2l，当x＝0，快轴方向平行于x轴，当x＝±l时，快轴与x轴的夹角为 45度；S波片与检偏器配合使用，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为(-π/2, +π/2)。
S波片的琼斯矩阵可以写为：
参见图1所示，本发明的一种基于S波片实现的电压测量方法，光源1发出的光经过起偏器2得到线偏振光，并通过电光晶体3被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播一定距离后产生电光相位延迟；四分之一波片4将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片出射的线偏振光经过S波片5和检偏器6，形成具有暗纹的条形光斑；通过PSD位移传感器7检测光斑暗纹的位移量，得到线偏光偏振面旋转的角度，从而得到待测电压。这一测量模式与光强无关，实现了电光相位延迟的线性测量，且测量范围不受晶体半波电压的限制。
设入射线偏振光的偏振方向与系统x坐标的夹角为其琼斯矢量为
经过S波片后，出射光的琼斯矢量为
经过检偏器后，出射光的琼斯矢量为
则出射光斑的强度分布可表示为
因此，当满足如下条件时，出射光强极小
由于的检测范围和波片的横坐标x受如下条件限制
设(7)式中n＝0，光斑极小值坐标x与入射光偏振角的范围满足
可见，光斑极小值的坐标与入射光偏振角满足线性关系。通过对暗纹极小值进行定位，即可以实现电光相位延迟角的测量。
如附图1所示，设起偏器的透光轴平行于x轴。偏振光的电矢量为
设电光相位延迟为δ，则电光晶体在x-y坐标系下的琼斯矩阵为
当四分之一波片的快轴和慢轴分别与xy轴平行，琼斯矩阵为
则入射偏振光经过电光晶体和1/4波片后，琼斯矢量为
由公式(13)可知，Eout为线偏振光，其偏振面与x轴的夹角满足如下关系
则
根据Pockels效应，待测电压U与电光相位延迟通过式(12)进行计算
其中λ为入射光的波长；γ41为电光系数；no为o光的折射率；d为晶体沿电场方向的厚度； L为晶体的通光长度；Vπ为晶体的半波电压。
根据式(15)和(16)，U与之间的关系为
因此，可通过PSD检测光斑的位移量，确定从而计算出待测电压。
PSD的检测原理：
本发明采用一维PSD检测光斑的位移量。PSD是一种基于横向光电效应的光电器件，对光敏面的入射光点位置敏感。设PSD两端接收的电流信号为I1和I2，则光斑的位置信息为：
其中k为缩放因子。当入射光为具有一定光强分布的图象时，X代表图像光斑的重心位置。
根据式(6)，基于S波片检偏原理的出射光斑重心表达式为
其中，2a为PSD的光敏面长度。
求解上式，得
设光敏面长度2a大于光斑长度2l，有
实施例：
实验系统以110kV电压等级为例；采用单横模LD光源，工作波长为808nm；采用LPVIS050偏振片，波长范围为550-1500nm；采用BGO(Bi4Ge3O12)电光晶体作为敏感元件，纵向调制，半波电压为42.47kV；采用WPQ05M-808四分之一波片，工作波长为 808nm；采用RPC-800S波片，波长范围为800±20nm；采用光敏面为9mm×9mm的一维 PSD，波长范围为400-1200nm。
通过电子式互感器校验仪对本发明进行对比测量，结果如表1所示，满足0.5级电子式电压互感器准确度要求。
表1基本准确度实验数据
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于S波片实现的电压测量方法，其特征在于：光源（1）设置在起偏器（2）的一侧，起偏器（2）的另一侧设置电光晶体（3），四分之一波片（4）置于电光晶体（3）和S波片（5）之间；检偏器（6）的一侧为S波片（5），另一侧为PSD位移传感器（7）；所述光源（1）发出的光经过起偏器（2）得到线偏振光，并通过电光晶体（3）被分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光；由于两束偏振光的折射率不同，o光和e光在晶体内传播产生电光相位延迟；四分之一波片（4）将电光相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转，旋转的角度正比于电场的大小；从四分之一波片（4）出射的线偏振光经过S波片（5）和检偏器（6），形成具有暗纹的条形光斑；通过PSD位移传感器（7）检测光斑暗纹的位移量，得到线偏光偏振面旋转的角度，从而得到待测电压值。
2.根据权利要求1所述的基于S波片实现的电压测量方法，其特征在于：所述的S波片（5）是利用飞秒激光在熔融石英中形成的纳米自组装结构偏振器件，是一种快轴与慢轴随空间变化的1/2波片，S波片的快轴与x轴的夹角θ正比于横坐标x，满足如下关系式：
(1)
S波片的总长度为2l，当x=0，快轴方向平行于x轴，当x = ±l时，快轴与x轴的夹角为45度；S波片与偏振片配合，检测入射偏振光的偏振方向，检测的偏振角范围为(-π/2, +π/2)。
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