CN1844941B - 一种光电集成强电场测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电集成强电场测量系统，属于高电压测量技术领域。本系统包括：用于产生一个线偏振光束的激光光源；强电场传感器，通过保偏光纤将线偏振光束耦合至强电场传感器；用于将经过强电场传感器调制得到的光功率信号转换成电压信号的光电转换器，通过单模光纤与强电场传感器相连；用于对光电转换器输出的电压信号进行检测的电信号检测器，通过射频电缆与光电转换器相连。本发明的测量系统，可满足强电场(大于100kV/m)的测量；整个测量系统中金属元件较少，对被测电场的影响很小；采用光信号通信，有效避免传导干扰，适合高电压区域的测量；本系统中的强电场传感器的响应速度快，灵敏度高，提高了测量频率范围和响应速度。

Description

一种光电集成强电场测量系统
技术领域
本发明涉及一种光电集成强电场测量系统，尤其适于电场幅值较高情况下的传感器隔离及强电场信号测量，属于高电压测量技术领域。
背景技术
在高电压或电磁脉冲环境下，会产生非常强的电场。这种强电场具有以下几个特点：测量点往往处于高电压或强场区域；待测量的电场具有瞬变、暂态的特点；待测电场空间变化大。因此，相应的测量系统应满足如下要求：测量传感器应当能够测量强电场值，而且不被损坏；因为高电压的因素，测量系统的传感器探头部分与后级信号处理部分需要有很好的隔离；因为电场为瞬变场，要求测量系统必须具有很好的响应速度，具有很宽的频率响应范围；为了尽量减小传感器对被测电场的影响以及空间精确定位测量，需要尽可能小的体积。
传统高压测量领域，采用电磁感应原理的测量系统结构如图1所示。其中1为待测的外加电场，2为基于电磁感应原理的电场传感器，3为传输电缆，4为信号接收与处理仪器。当外加电场施加在电场传感器上时，基于电磁感应原理，电场信号转换为电压信号，该信号通过传输电缆到达信号接收端，通过对于该信号的处理与分析就可以得到空间电场值。
基于电磁感应原理的强电场测量系统常采用对信号的检测基于时域平均，所以主要对信号的能量进行测量，而不适于测量信号的瞬时值，如瞬态电磁场波形、相位、频率等。而且它们大多是基于电路设计的，探头和输出装置多通过电气线路连接，测量信号通过连接线传输到输出装置，这种结构的电场测量装置有以下几个缺点。1、由于在被测区域引入包括探头、连接线、接收天线等金属设备，空间电磁场在这些设备产生的电磁感应现象将造成空间电磁场的重新分布；2、连接线、探头和输出设备组成的信号传输通路将可能成为发射源，从而对被测区域的电磁场产生干扰，测量结果将可能严重偏离真实值；3、采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带宽的路径，很难同时兼顾低频和高频性能，测量的频率范围受到很大限制；4、测试系统复杂，体积庞大，不能实现空间精确定位测量。
因此到20世纪70年代，出现采用分立光学器件的强电场测量系统，组成结构如图2所示，图2中，入射激光5经过起偏器6之后，成为线性偏振光，输入到电光晶体7中，外加电场1通过电光晶体对输入激光调制，变为椭圆偏振态，通过输出端的检偏器8后输出偏振面发生变化的偏振光9，该偏振光功率可以反映待测电场的大小。该测量系统利用了晶体的电光效应，具有测量响应速度快、频带范围宽、光电有效隔离等优点。但是由于该系统是利用分立的光学器件搭建而成的，不可避免地具有以下缺点：由于由光学器件组合而成，不仅体积大，而且整套装置的可移动性非常差；由于光学系统需要非常高的精确度，因此系统调试复杂，而且光路稍有变化则整个系统的特性即发生变化，系统地稳定性差。而这一缺点则大大限制了该系统的应用和发展。
综上所述，已有的强电场测试系统不能完全满足强电场测量的要求。在高电压与强电磁环境领域，迫切需要研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和具有小体积的强电场测量系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种光电集成的强电场测量系统，基于集成光电技术，利用集成光波导工艺，结合电磁场分析仿真技术，采用光电转换将空间电场物理量直接调制到光波信号上，通过光纤媒质将传感器得到的信号输出到后级，通过对光功率变化的测量得到待测的强电场分量，使本方法能够完全适用于高电压与强电磁环境测量领域。
本发明提出的光电集成强电场测量系统，包括：
(1)一个激光光源，用于产生一个线偏振光束；
(2)一个强电场传感器，通过保偏光纤与激光光源相连，保偏光纤将线偏振光束耦合至强电场传感器；
(3)一个光电转换器，通过单模光纤与强电场传感器相连，用于将经过强电场传感器调制得到的光功率信号转换成电压信号；
(4)一个电信号检测器，通过射频电缆与光电转换器相连，用于对光电转换器输出的电压信号进行检测。
上述测量系统中的强电场传感器为一具有电光效应的晶片，晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极和两个偶极子天线，电极与偶极子天线相连。
本发明提出的光电集成强电场测量系统，可以满足强电场(大于100kV/m)的测量，具有以下特点和优点：
1、系统中所用的强电场传感器可以进行多种物理量的测量，而不局限在电场的强度；对电场信号的测量几乎无失真，因而可以用于测量电场的频率、相位等信息。
2、本发明系统中采用光纤作为信号传输媒质，光电电磁测量设备不会对被测电场产生辐射干扰，同时空间电场也不会干扰光纤中传输的光信号，整个测量系统中金属元件较少，因此对被测电场的影响很小。
3、本测量系统中采用光信号通信，可以使系统中的测量部分与数据输出部分实现隔离，因此有效避免传导干扰，因而非常适合高电压区域的测量。
4、本测量系统中特别设计的强电场传感器的响应速度快、灵敏度高，大大提高了测量频率范围和响应速度；采用光纤进行信号传递可以保证较宽带宽——从直流到GHz信号的测量。
5、本测量系统中的强电场传感器对天线的依赖程度低，较小长度的天线即可满足需要，传感器的尺寸大大减小，位置分辨能力强。
6、本测量系统通过光纤实现能量注入，传感器无需电源注入就可以实现测量，即无源测量。
附图说明
图1为已有的基于电磁感应原理的强电场测量系统结构示意图。
图2为已有的基于分离光学器件的强电场测量系统结构示意图。
图3为本发明提出的光电集成强电场测量系统的结构示意图。
图4为本发明测量系统中所用的光电集成传感器结构图。
图1～图4中，1是待测的外加电场，2是基于电磁感应原理的电场传感器，3是传输电缆，4是信号接收与处理仪器，5是入射激光，6是起偏器，7是电光晶体，8是检偏器，9是输出的偏振面发生变化的偏振光，10是激光源，11是保偏光纤，12是强电场传感器，13是单模光纤，14是光电转换器，15是射频电缆，16是电信号检测器，17是光波导，18是电极，19是偶极子天线，20是具有电光效应的晶片。
具体实施方式
本发明提出的光电集成强电场测量系统，其结构如其特征在于该系图3所示，包括：一个激光光源10，用于产生一个线偏振光束；一个强电场传感器12，通过保偏光纤11与激光光源10相连，保偏光纤11将线偏振光束耦合至强电场传感器12；一个光电转换器14，通过单模光纤13与强电场传感器12相连，用于将经过强电场传感器调制得到的光功率信号转换成电压信号；一个电信号检测器16，通过射频电缆15与光电转换器相连，用于对光电转换器输出的电压信号进行检测。
本发明测量系统中的强电场传感器，其结构如图4所示，为一具有电光效应的晶片20，晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导17，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极18和两个偶极子天线，电极18与偶极子天线19相连。强电场传感器的晶片可以为铌酸锂(LiNbO3)晶片、硅酸铋(Bi12SiO20)、锗酸铋(Bi4Ge3O12)和磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的任何一种。
上述测量系统中，激光光源的波长稳定度应该为10-6，功率稳定度应该为10-4。
本发明专利的工作原理为：激光源输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)耦合至强电场传感器，该偏振光经外加电场，通过强电场传感器调制，输出的激光通过单模光纤(SMF)传送至光电转换器并完成光功率到电压信号的转换，通过对电压信号的检测可得到被测电场的大小。
利用钛金属扩散或质子交换方法制作的光电集成强电场传感器的结构如图4所示。其工作原理是：光线经由单模波导输入到传感器，输入端的Y分叉将光束分配成两个功率相等的光束，在两个非对称的条形波导中的光波，沿y轴方向分别传输以后，两个支路有一定的相位差，当不存在外界电场的作用时，两条分支光波导中传播的光束存在着固有相位差φ0；当沿z轴方向施加外界电场E，由于偶极子天线的作用，则在所示的电极区域形成沿z方向的均匀电场，作用于分支光波导。由于Pockels效应，在两个分支波导中传输的光束增加了相移φ。由于两条光路中的光波再合成时发生了干涉，在相移φ较小的条件下，激光的输出功率与外加电场成正比关系。因此，只要测量得到光功率，就可以得到待测强电场的值。
本发明的测量系统中，首先要制作相应的激光源。激光源由半导体激光器(LD)模组和激光管控制电路构成，提供测量系统所需的高稳定度光源。光源的平均输出光功率必须稳定(波长稳定度为10-6，功率稳定度：10-4)，另外需要一个功率控制电路(APC)来抵消老化效应对输出功率的影响。为确保激光源的安全工作，在控制电路中还设置过流保护环节，使其控制偏置电流超过激光器工作电流的最大值；对制冷电流进行限流，使其不能超过所容许的最大制冷电流。激光源带保偏尾纤输出。本发明的一个实施例中，所用的激光源采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411。
光电转换器的作用是将光功率转换成电压信号输出，由光电二极管和前置放大电路组成，在量程范围内，输出电压与输入光功率成正比，以转换增益表示这一个比例关系。本发明专利要按照以下的技术参数选择光电转换器，工作波长：1200nm～1600nm，转换带宽：DC～11GHz，转换增益典型值：300V/W，等效功率噪声：
Figure B2006100119622D00041
本发明测量系统的一个实施例中，选用的光电转换器的型号为：NewFocus 1592。
电信号检测设备根据待测信号的特征可以选用相应的示波器、频谱仪、接收机等。完成电信号的测量与记录。
购置并制作保偏与单模光纤。本发明专利在光纤两端制作FC/UPC接口的跳线，总长度为50m，用来保持光源输出的激光源信号在传输过程中的偏振状态。主要参数：跳线类型：FC/UPC，工作波长：1550nm，插入损耗：0.11dB，最大输入功率：300mW。
本发明测量系统中的强电场传感器，采用具有光电效应的晶片，经过Ti扩散或质子交换形成波导和电极生成。

Claims (3)

1.一种光电集成强电场测量系统，其特征在于该系统包括：
(1)一个激光光源，用于产生一个线偏振光束；
(2)一个强电场传感器，通过保偏光纤与激光光源相连，保偏光纤将线偏振光束耦合至强电场传感器；该传感器的特征为一具有电光效应的晶片，晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中的一段的两侧设置两个电极和两个偶极子天线，电极与偶极子天线相连。
(3)一个光电转换器，通过单模光纤与强电场传感器相连，用于将经过强电场传感器调制得到的光功率信号转换成电压信号；
(4)一个电信号检测器，通过射频电缆与光电转换器相连，用于对光电转换器输出的电压信号进行检测。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于其中所述的激光光源的波长稳定度为10-6，功率稳定度为10-4。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于其中所述的晶片为铌酸锂晶片、硅酸铋、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种。
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