CN109946511A - 一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统，芯片包括铌酸锂晶片，用于作为基底；Y分支光波导，用于将输入的光信号分为两部分；第一集成光波导MZI，用于和条形电极构成电压传感单元；第二集成光波导MZI，用于和分段电极、环形天线构成电流传感单元；条形电极，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导MZI中传输的光波产生调制作用；环形天线，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线上产生感应电流；分段电极，用于将环形天线上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导MZI中传输的光波产生调制作用。本发明具有集成度高、复杂程度低、稳定性高、抗干扰能力强、绝缘性能好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统，属于电功率测量技术领域。
背景技术
随着现代科技的迅速发展，越来越多的科技与工业领域需要快速、准确地测量电功率，同时对电功率测量的技术要求也越来越高。传统的电功率测量技术主要基于电子式的电压、电流互感器，但是随着电压等级的不断升高，电气电子式的电功率测量技术在电气绝缘性、抗电磁干扰、频率响应、系统体积与复杂程度等方面都表现出了相当的局限性。为此，目前对电功率测量的研究主要集中在以光纤、电光晶、光电探测等光电子器件为基础的光电子式电功率测量系统，并取得了诸多研究成果，研制出一系列以光纤电流传感器和块状晶体型电压传感器为基础的电功率测量系统。但是，采用分立的光学元件，无疑增加了测量系统结构的复杂程度和体积，同时降低了测量的稳定性和准确性。
发明内容
本发明提供了一种集成光波导电功率传感芯片，通过设计在一片铌酸锂晶片表面制作一种双平行集成光波导马赫增德尔干涉仪(Mach-Zehender Interferometer,MZI)，并在两集成光波导MZI周围设置环形天线和调制电极，形成电压传感单元和电流传感单元，通过集成光波导电功率传感芯片构建测量系统，电压传感单元和电流传感单元对载流导线上的电压和电流进行测量，在输出端采用光电探测器将光信号转为电信号，得到被测电流和电压信号，最后由信号处理单元进行处理得到被测电功率。
本发明的技术方案是：一种集成光波导电功率传感芯片，包括：
铌酸锂晶片1，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；
Y分支光波导2，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4；
第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3，用于和条形电极5一起构成电压传感单元；
第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4，用于和分段电极6以及环形天线7一起构成电流传感单元；
条形电极5，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；
环形天线7，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线7上产生感应电流；
分段电极6，用于将环形天线7上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。
所述条形电极5由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端分别作为被测电压的正极与负极输入端。
所述分段电极6成对出现，其中一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4一条直波导臂两侧的两片平行电极构成，另一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4另一条直波导臂两侧的两片平行电极构成。
所述分段电极6的对数与所用的环形天线7的匝数相等。
所述环形天线7为多匝结构，其中每一匝与对应的分段电极6的每一对相连接。
所述环形天线7为方形或圆形结构。
一种集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统，所述测量系统包括：保偏激光器8、保偏光纤9、集成光波导电功率传感芯片、单模光纤10、第一光电探测器11、第二光电探测器12和数字信号采集处理单元13；其中保偏激光器8输出光由保偏光纤9与集成光波导电功率传感芯片输入端相连接，集成光波导电功率传感芯片的电压传感单元输出光经单模光纤10与第一光电探测器11相连接，集成光波导电功率传感芯片的电流传感单元输出光经单模光纤10与第二光电探测器12相连接；第一光电探测器11与第二光电探测器12输出电信号由数字信号采集处理单元13进行采集与处理后分别获得被测电压与电流信号的有效值和相位，并进一步计算得出被测电功率。
本发明的有益效果是：
1)在一片铌酸锂晶片表面制作两个集成光波导MZI，并在其周围设置条形电极、分段电极和环形天线，实现电压和电流传感单元的单片集成，极大地提高了测量系统的集成度和稳定性，同时降低了系统结构的复杂程度。
2)利用光学传感器带宽宽的优点，发明提供的集成光波导电功率传感系统可同时测量得出被测电压、电流信号的有效值和相位，从而方便地获得视在功率、有功和无功功率。
3)本发明提供的集成光波导电功率传感芯片除电极和天线具有微小金属结构外，其余都为非金属结构，并且不需外部供电，使用光纤进行信号传输，因此测量系统具有绝缘性能好、抗干扰能力强等优点，未来在电力系统电功率测量尤其是强电流、高电压环境下的电功率测量方面具有重要应用价值。
附图说明
图1是本发明提供的一种集成光波导电功率传感芯片结构示意图；
图2是采用本发明提供的集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统示意图；
图3是采用本发明提供的集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统测量电功率的实施实例；
图中各标号为：1-铌酸锂晶片，2-Y分支光波导，3-第一集成光波导马赫增德尔干涉仪，4-第二集成光波导马赫增德尔干涉仪，5-条形电极，6-分段电极，7-环形天线，8-保偏激光器，9-保偏光纤，10-单模光纤，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-数字信号采集处理单元，14-载流导线，15-负载。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1所示，一种集成光波导电功率传感芯片，包括：
铌酸锂晶片1，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；
Y分支光波导2，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4；
第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3，用于和条形电极5一起构成电压传感单元；
第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4，用于和分段电极6以及环形天线7一起构成电流传感单元；
条形电极5，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；
环形天线7，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线7上产生感应电流；
分段电极6，用于将环形天线7上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。
进一步地，可以设置所述条形电极5由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端分别作为被测电压的正极与负极输入端。
进一步地，可以设置所述分段电极6成对出现，其中一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4一条直波导臂两侧的两片平行电极构成，另一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4另一条直波导臂两侧的两片平行电极构成。
进一步地，可以设置所述分段电极6的对数与所用的环形天线7的匝数相等。
进一步地，可以设置所述环形天线7为多匝结构，其中每一匝与对应的分段电极6的每一对相连接。
所述环形天线7为方形或圆形结构，匝数根据实际测量灵敏度确定。
如图2所示为一种集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统，所述测量系统包括：保偏激光器8、保偏光纤9、集成光波导电功率传感芯片、单模光纤10、第一光电探测器11、第二光电探测器12和数字信号采集处理单元13；其中保偏激光器8输出光由保偏光纤9与集成光波导电功率传感芯片输入端相连接，集成光波导电功率传感芯片的电压传感单元输出光经单模光纤10与第一光电探测器11相连接，集成光波导电功率传感芯片的电流传感单元输出光经单模光纤10与第二光电探测器12相连接；第一光电探测器11与第二光电探测器12输出电信号由数字信号采集处理单元13进行采集与处理后分别获得被测电压与电流信号的有效值和相位，并进一步计算得出被测电功率。
如图3所示为采用本发明提供的集成光波导电功率测量系统测量电功率的实施实例，其测量原理为：
当载流导线14上有电流i(t)时，会在负载15两端产生电压u(t)，并通过光波导电功率测量芯片上条形电极5中的两片竖直条形电极接入，进而在条形电极5中的平行条形电极之间产生感应电压，利用铌酸锂晶片1的电光效应，该感应电压将对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂中传输光波产生调制作用，即将电压u(t)加载到光波上，此时第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3输出的光功率为：
式(1)中Pout1(t)，Pin1，α1，b1，k1分别为第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的输出光功率、输入光功率、插入损耗、消光系数、固有相位差和电压调制系数。设计第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两波导臂具有四分之一的长度差，使得则(1)式可简化为：
进一步地，合理设计条形电极5的结构尺寸，使得k1u(t)<<1，则(2)式可进一步简化为：
Pout1(t)＝1/2Pin1α1{1-b1sin[k1u(t)]}≈1/2Pin1α1{1-b1[k1u(t)]} (3)
根据(3)式可知，采用第一光电探测器11进行光电转换可得输出电信号Vout1(t)为：
Vout1(t)＝1/2RPin1α1{1-b1[k1u(t)]} (4)
式(4)中R为第一光电探测器11的光电转换系数。由(4)式分析可知，使用数字信号采集处理单元13对第一光电探测器11输出的电信号进行处理即可获得被测电压信号u(t)的有效值U和相位
当载流导线14上有电流i(t)流过时，会在载流导线周围产生磁场，进一步在环形天线7上产生感应电流，从而在分段电极6之间产生感应电压，利用铌酸锂晶片1的电光效应，该感应电压将对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4的直波导臂中传输的光波产生调制作用，即将电流i(t)加载到光波上，同理，此时第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4的输出光经第二光电探测器12转换后输出电信号Vout2(t)为
Vout2(t)＝1/2RPin2α2{1-b2[k2i(t)]}(5)
式(5)中Pin2，α2，b2，k2分别为第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4的输入光功率、插入损耗、消光系数和为电流调制单元的调制系数。由(5)式分析可知，使用数字信号采集处理单元13对第二光电探测器12输出的电信号进行处理即可获得被测电流信号i(t)的有效值I和相位
进一步地，根据有功功率无功功率视在功率S＝UI此处为电压u(t)和电流i(t)的相位差，使用数字信号采集号处理单元进行计算即可获得相应的有功功率、无功功率和视在功率。
综上，本发明提供的一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统具备如下优点：
1)采用微光学和微电子的工艺技术，在一片基片表面制作集成光波导、条形电极、分段电极和环形天线，形成电压、电流传感单元的单片集成，极大地减小了电功率传感器的体积，提高了测量系统的集成度和稳定性；
2)利用晶体电光效应响应快的特点，实现对电压、电流的有效值和相位进行同时测量，在系统输出端使用光电转换和数字信号采集处理可方便地得出有功功率、无功功率和视在功率，大大降低了测量系统的复杂程度；
3)测量系统采用光波作为信号的载体，具有抗干扰能力强、绝缘性能好的优点。
因此，本发明提供的一种集成光波导电功率测量芯片及系统，未来在电功率测量领域，尤其是复杂电磁环境、大电流、高电压环境下的电功率测量方面具有广阔的的应用前景。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：包括：
铌酸锂晶片(1)，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；
Y分支光波导(2)，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)；
第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)，用于和条形电极(5)一起构成电压传感单元；
第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)，用于和分段电极(6)以及环形天线(7)一起构成电流传感单元；
条形电极(5)，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；
环形天线(7)，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线(7)上产生感应电流；
分段电极(6)，用于将环形天线(7)上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。
2.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述条形电极(5)由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端分别作为被测电压的正极与负极输入端。
3.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述分段电极(6)成对出现，其中一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)一条直波导臂两侧的两片平行电极构成，另一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)另一条直波导臂两侧的两片平行电极构成。
4.根据权利要求3所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述分段电极(6)的对数与所用的环形天线(7)的匝数相等。
5.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述环形天线(7)为多匝结构，其中每一匝与对应的分段电极(6)的每一对相连接。
6.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述环形天线(7)为方形或圆形结构。
7.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统，其特征在于：所述测量系统包括：保偏激光器(8)、保偏光纤(9)、集成光波导电功率传感芯片、单模光纤(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)和数字信号采集处理单元(13)；其中保偏激光器(8)输出光由保偏光纤(9)与集成光波导电功率传感芯片输入端相连接，集成光波导电功率传感芯片的电压传感单元输出光经单模光纤(10)与第一光电探测器(11)相连接，集成光波导电功率传感芯片的电流传感单元输出光经单模光纤(10)与第二光电探测器(12)相连接；第一光电探测器(11)与第二光电探测器(12)输出电信号由数字信号采集处理单元(13)进行采集与处理后分别获得被测电压与电流信号的有效值和相位，并进一步计算得出被测电功率。
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