CN109839545A - 旋转式光纤电场传感器以及旋转式光学电场传感器测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转式光纤电场传感器以及基于该旋转式光纤电场传感器的直流/低频电场测量系统，所述的光纤电场传感器包括套管，套管的一端连接有光纤，入射光依次通过准直透镜、偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回；所述套管内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。本发明能消除晶体本身的缺陷、杂质以及空间电荷的不利影响，解决传统的光学电场传感器较难甚至不能用于直流/超低频电场测量的问题。

Description

旋转式光纤电场传感器以及旋转式光学电场传感器测量系统

技术领域

本发明涉及一种光纤电场传感器，尤其是涉及一种旋转式光纤电场传感器以及基于该旋转式光纤电场传感器的直流/低频电场测量系统。

背景技术

光学电场传感器基于泡克耳斯效应(Pockels effect)，即线性电光效应，其可简要描述为介质折射率的变化与外加电场成正比的现象。某些具有线性电光效应的晶体(如LiNbO₃、Bi₁₂GeO₂₀等)，偏振光在其外加电场的条件下通过时偏振态会改变，偏振态的改变量正比于外加电场强度大小，可用偏振光学检测的方法将偏振态的改变量线性转换为光强度的改变量，因而可根据光通过传感器前后强度变化检测外加电场强度。

在强电磁场环境情况下，基于激光器和探头集成的传统光学电场传感器特别是光源部件由于其构件为金属，存在对电场测量干扰和激光器本身易于损坏这两方面的问题，使得传统光学电场传感器无法实用。光纤型电场传感器将传感部件与其他部分通过光纤连接，仅传感探头工作在强电磁环境下，有效地保护激光器等测量系统中易受损部件，实用于远程电场监测。常用的光纤光学电场传感器采用透射式结构，如图1所示，包括依次连接的光源101、偏振片102、1/4波片103、电光晶体104、检偏器105和光电探测器106。

但目前光纤型直流或低频电场时存在稳定性问题，对于应用于电场传感的电光晶体，特别是铌酸锂晶体(LiNbO₃)，与其电介质特性相关的电荷弛豫时间约为7×10⁶s，理论上已足够应用于直流或超低频电压条件下长期稳定测量。

实际上，晶体的缺陷和杂质等因素能使电荷弛豫时间缩短至秒量级；此外，在空间电荷存在的环境下，电荷沿电力线移动非均匀地附着在器件上，对传感部件特别是晶体产生不利的额外电场，附加在实际的外加电场上，因而严重影响传感器的性能，使其稳定性降低，严重影响其实用。

以上两方面因素是导致传统目前的光纤微型光学电场传感器较难甚至不能应用于直流或超低频电场测量的主要原因。传统的光学电场传感的旋转方案不适合于光纤型，因为存在光纤随器件旋转被扭断无法回复的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种旋转式光纤电场传感器以及基于该旋转式光纤电场传感器的直流/低频电场测量系统，旨在消除晶体本身的缺陷、杂质以及空间电荷的不利影响，解决传统的光学电场传感器较难甚至不能用于直流/超低频电场测量的问题。

本发明采用的具体技术方案如下：

一种旋转式光纤电场传感器，包括套管，套管的一端连接有光纤，入射光依次通过准直透镜、偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回；

所述套管内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。

本发明内的电光晶体采用旋转的新型结构，主要目的在于将被测直流电场转换为低频交流电场，在交流电场作用下，电场极性的不断改变而使得晶体内部电荷以及外部空间电荷均匀附着于器件上，消除非均匀附着电荷感生电场产生的对实际被测的外加电场屏蔽的不利影响。

作为优选的，所述的内套与套管同轴布置，便于搭建直线反射式光路。

作为优选的，所述的波片为1/8波片。所述1/8波片在反射光路中相当于1/4波片的作用，其快轴与偏振片的透光轴夹角45°能实现光路的相位延迟，光路经反射后两次通过1/8波片产生90°相位延迟，从而让探头工作在线性区，实现待测电压与输出光强两个物理量之间的线性关系。

作为优选的，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。

所述电光晶体具有电光效应，常用电光晶体有磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、铌酸锂、钽酸锂等晶体，优选采用铌酸锂晶体。铌酸锂晶体发展成熟，应用广泛，具有电光系数大，半波电压低，折射率大，光学均匀性好，透明波段范围宽，透光率高，耐电压强度高，温度效应低，抗损伤能力强，物理化学性质稳定，易于加工等优点。

作为优选的，所述的动力部件包括与内套连接的介质棒以及驱动所述介质棒带动内套旋转的电动机。

本发明还提供一种旋转式光学电场传感器测量系统，包括激光器，处于外加电场内的光纤电场传感器，收集光信号的光电探测器，以及与所述光电探测器连接的处理器；所述的光纤电场传感器包括套管，套管的一端连接有光纤，入射光依次通过准直透镜、偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回；所述套管内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。

作为优选的，所述的动力部件包括与内套连接的介质棒以及驱动所述介质棒带动内套旋转的电动机。

作为优选的，所述的处理器与光电探测器间设有数据采集卡。

进一步的，所述的波片为1/8波片，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。

本发明中，反射式光纤电场高稳定性测量系统基于光纤联结结构，与传统的光学电场传感器相比，其将传感探头与光源和数据处理部分隔离，因而在强电磁环境中，可以在不损坏光源等敏感脆弱部件的情况下在直流输电网、配电设备等应用场合中进行远程电场监测；

本发明的反射式光纤电场高稳定性测量系统采用反射式结构，与透射式电场传感器相比，同等条件下电光效应作用长度增加一倍，灵敏度明显提高，结构简单紧凑，器件空间分辨率更高，更适用于在实际复杂电场环境中的测量。

附图说明

图1为透射式光纤电场传感器的结构图；图中包括光源101、偏振片102、1/4波片103、电光晶体104、检偏器105和光电探测器106。

图2为常用反射式光纤电场传感器的结构图；图中包括光纤201、准直透镜202、偏振片203、电光晶体204、1/8波片205、密封胶206、玻璃管207和反射镜208。

图3为本发明中旋转式光纤电场传感器的结构图；图中包括光纤201、准直透镜202、偏振片203、晶体204、1/8波片205、密封胶206、玻璃管207、反射镜208、介质棒209和马达210。

图4为旋转式光学电场传感器测量系统结构图；图中包括激光器401、环形器402、光电探测器403、数据采集卡404、PC405、直流电场106、探针407和马达408。

图5为旋转式光学电场传感器测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

本实施例中的旋转式光纤电场传感器，包括套管(玻璃管207)，套管的一端连接有光纤201，入射光依次通过准直透镜202、偏振片203、电光晶体204、1/8波片205后，由反射镜208反射原路返回；所述套管(玻璃管207)内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。动力部件包括与内套连接的介质棒209以及驱动所述介质棒带动内套旋转的马达210。

常用的光纤光学电场传感器采用透射式结构，如图1所示，本实施例中采用反射式结构，同等条件下电光效应作用长度增加一倍，灵敏度明显提高；结构简单紧凑，尺寸在φ1cm×10cm量级，具有较高的空间分辨率且能极大地减小传感器本身对被测电场的干扰；输出光学信号经光电转换后可直接转换为与外加电场线性对应的电信号，只需进行简单的信号滤波去噪处理，信号处理过程简单。

现有技术如图2所示，本发明方案设计的旋转式光学光纤电场传感器结构如图3所示，两种方案的工作原理均可描述为：光纤出射光经准直透镜准直通过偏振片后为线偏振光，经过外加电场作用下电光特性改变的晶体，再依次通过1/8波片和反射镜后按原光路返回，最终的信号光携带外加电场信息可进行后续的信号处理。

但在实际的应用过程中，由晶体本身缺陷、杂质导致的内部电荷和测量环境中的外部空间电荷，往往在传感元件特别是晶体表面迁移、聚集形成非均匀电场，对原本测量的外加电场存在严重干扰，图2所示的传感器往往难以甚至不能用于直流/超低频电场测量。

如图3所示，将图2中准直透镜和偏振片与后续元件分离开来，晶体、1/8波片和反射镜通过玻璃管封装组合后通过介质棒与马达联结，注意该传感器前后两部分再通过玻璃管完整封装后，后一部分可随马达机械旋转而前半部分是固定的。该电场传感器的核心部件为电光晶体，因而主要考虑旋转电光晶体。

采用如图所示的旋转式结构，介质棒带动传感器件旋转时，使施加的直流电场转换为交流电场，可以消除附加电荷对内部场扰动的影响，因为这些电荷通过旋转后均匀地附着在器件表面，而均匀附着的电荷不会在器件中产生任何电场。通过对电动机编程控制器件旋转频率20Hz或更小更高，这是因为主要考虑到如前所述电荷弛豫时间为秒量级，频率必须满足足够使任何表面电荷通过其有限的迁移率被有效地锁定的条件。

该新型旋转式光学电场传感器测量系统结构图如图4所示，图中包括激光器401、环形器402、光电探测器403、数据采集卡404、PC405、直流电场106、探针407和马达408。进行电场测试时，理想情况下，光电探测器输出信号的包络即表示外加电场。

激光器输出光经环形器后通过长光纤进入传感器探头部分，传感器探头置于直流或低频电场电磁环境中，该传感器探头基于反射式结构，携带电场信号的输出光经长光纤原路返回通过环形器进入光电探测器进行光学—电学信息转换，再经数据采集卡和电脑实现远程电场监控。该测量系统采用光纤结构实现远程电场测量，传感部件采用马达机械旋转结构，可解决直流/低频电场环境存在的电荷漂移问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，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 (10)

1.一种旋转式光纤电场传感器，包括套管，套管的一端连接有光纤，入射光依次通过准直透镜、偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回；其特征在于：

所述套管内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。

2.如权利要求1所述的旋转式光纤电场传感器，其特征在于，所述的内套与套管同轴布置。

3.如权利要求1所述的旋转式光纤电场传感器，其特征在于，所述的波片为1/8波片。

4.如权利要求1所述的旋转式光纤电场传感器，其特征在于，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。

5.如权利要求1所述的旋转式光纤电场传感器，其特征在于，所述的动力部件包括与内套连接的介质棒以及驱动所述介质棒带动内套旋转的电动机。

6.一种旋转式光学电场传感器测量系统，包括激光器，处于外加电场内的光纤电场传感器，收集光信号的光电探测器，以及与所述光电探测器连接的处理器；其特征在于：

所述的光纤电场传感器包括套管，套管的一端连接有光纤，入射光依次通过准直透镜、偏振片、电光晶体、波片后，由反射片反射原路返回；所述套管内设有活动安装的内套，所述电光晶体、波片和反射片固定在内套中，并设有驱动所述内套旋转的动力部件。

7.如权利要求6所述的旋转式光学电场传感器测量系统，其特征在于，所述的动力部件包括与内套连接的介质棒以及驱动所述介质棒带动内套旋转的电动机。

8.如权利要求6所述的旋转式光学电场传感器测量系统，其特征在于，所述的处理器与光电探测器间设有数据采集卡。

9.如权利要求6所述的旋转式光学电场传感器测量系统，其特征在于，所述的波片为1/8波片。

10.如权利要求6所述的旋转式光学电场传感器测量系统，其特征在于，所述的电光晶体为铌酸锂晶体。