CN203606417U - 基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元及电压互感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元及电压互感器，包括45°法拉第旋光器、反射镜、金属电极以及两个结构相同的电光晶体I和电光晶体II，电光晶体I的一个通光面与电光晶体II的一个通光面相连接，电光晶体I另一通光面连接有45°法拉第旋光器，电光晶体II的另一通光面设有反射镜；电光晶体I上、下端面分别安装有金属电极。该传感单元及其电压互感器利用两块电光晶体实现光路补偿，抵消了由于自然双折射和温度变化引起的相位差，提高了测量的稳定性和精确度。此外，还利用法拉第旋光器实现了两束正交线偏振光的模式互换，形成互易型反射式光路，提高光路的抗干扰能力。
Description
技术领域
本实用新型属于一种光学电压互感器领域，尤其涉及一种用于光学电压互感器的双晶体光学电压传感单元及包含这种传感单元的光学电压互感器。
背景技术
光学电压互感器是一种利用光信号感应电压并经过信号处理得到输出电压的互感器。相比传统的电磁感应式和电容式电压互感器有许多无法比拟的优点，已经成为电压互感器领域研究的热点，是电压互感器未来的发展趋势。其中电压传感单元是实现光电感应的关键部分。基于普克尔（Pockels）效应横向调制型光学电压传感单元因其结构简单是最为常见的传感单元结构。然而横向调制运用中存在着自然双折射作用，由于自然双折射受温度影响严重，所以对相位差的稳定性影响很大，成为影响横向调制运用的重要原因。
实用新型内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本实用新型的目的之一在于提出一种用于提高测量稳定性和精确度的基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元。
本实用新型是通过如下技术方案实现的：
一种基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元，包括45°法拉第旋光器、反射镜、金属电极以及两个结构相同的电光晶体I和电光晶体II，所述电光晶体I的一个通光面与电光晶体II的一个通光面相连接，所述电光晶体I另一通光面连接有45°法拉第旋光器，所述电光晶体II的另一通光面设有反射镜；所述电光晶体I上、下端面安装有金属电极。
进一步地，所述电光晶体I和电光晶体II为锗酸铋晶体(Bi4Ge3O12)沿感应主轴方向进行定向切割而成的长方体结构，对所述电光晶体I和电光晶体II的通光方向相同。
本实用新型的另一目的在于提出一种基于普克尔效应的双晶体光学电压互感器，该互感器包括如上所述的传感单元，还包括与传感单元通过保偏光纤连接的光路单元；
所述光路单元包括依次连接的光源、环形器、Y波导调制器和偏振光分束器，所述环形器还通过光电探测器与数字信号处理器连接；
从所述光源发出的光经过环形器进入Y波导调制器，将光分成两束线偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入偏振光分束器，将两束线偏振光调整成正交线偏振光后通过保偏光纤传至传感单元；经过传感单元返回的正交线偏振光携带有待测电压信息，再次经过偏振光分束器后进入Y波导调制器中发生干涉，经过干涉的干涉光强信号经过环形器后，由光电探测器转换为电信号并送入数字信号处理器进行处理，所述数字信号处理器为Y波导调制器提供反馈信号以实现闭环控制并输出数字信号。
本实用新型的有益效果在于：
1、该传感单元及其互感器利用两块电光晶体实现光路补偿，抵消了由于自然双折射和温度变化引起的相位差，提高了测量的稳定性和精确度。
2、该传感单元及其互感器利用法拉第旋光器实现了两束正交线偏振光的模式互换，形成互易型反射式光路，提高光路的抗干扰能力。
3、该传感单元及其互感器所用光学元件体积小、重量轻，整体结构简单，且不受电磁干扰，对被测电场扰动小。
附图说明
图1为基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元的结构示意图；
图2为电光晶体I和电光晶体II的结构示意图；
图3为基于普克尔效应的双晶体光学电压互感器的结构示意图；
其中，1-传感单元，101-45°法拉第旋光器，102-电光晶体I，103-电光晶体II，104-金属电极，105-反射镜；
2-保偏光纤，3-光源，4-环形器，5-Y波导调制器，6-偏振光分束器（下称PBS），7-光电探测器，8-数字信号处理器。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元及其互感器作进一步详细的描述。
如图1所示，本例的双晶体光学电压传感单元1包括45°法拉第旋光器101（即与法拉第旋光器相连的保偏光纤2的快慢轴与电光晶体I的感应主轴X、Y轴成45°对轴）、反射镜105、金属电极104以及两个结构相同的电光晶体I102和电光晶体II103。45°法拉第旋光器101的一个通光面连接有用于引入线偏振光的保偏光纤2、其另一通光面与电光晶体I102的一个通光面连接，电光晶体I102的另一通光面与电光晶体II103的一个通光面连接，电光晶体II的另一通光面贴有反射镜105；如图2所示，电光晶体I102和电光晶体II103均为锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的长方体结构，两个电光晶体的性能参数相同，所处工作环境和温度相同，切割方向和尺寸也相同，但两个电光晶体的排列方向相互旋转90°，切割方式均为：电场方向垂直于BGO晶体的（001）面，通光方向与电场方向垂直时，两个感应主轴方向分别平行于光入射端面的两个边长方向，如图2所示，电光晶体I102与（001）面平行的两个端面分别粘贴有金属电极104，两个电光晶体的通光方向相同。
如图3所示，本例中基于普克尔效应的双晶体光学电压互感器包括如上所述的传感单元1，还包括与传感单元1通过保偏光纤2连接的光路单元；该光路单元包括依次连接的光源3、环形器4、Y波导调制器5和PBS6，以及连接环形器4和Y波导调制器5的另一支路上的光电探测器7与数字信号处理器8连接。
该双晶体光学电压互感器的工作原理为：
从光源3发出的光经过环形器4进入Y波导调制器5，将光分成两束线偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入PBS6，将两束线偏振光调整成正交线偏振光后通过保偏光纤2传至传感单元1；正交线偏振光沿保偏光纤2进入45°法拉第旋光镜101，偏振方向转过45°，之后进入电光晶体I102，振动方向分别平行于两个感应主轴方向，再经过电光晶体II103后，正交线偏振光的偏振方向旋转90°，即电光晶体I102中的o光变成了e光，电光晶体I中的e光变成了o光。经由反射镜105反射回来的正交线偏振光依次经过电光晶体II103、电光晶体I102后又变回原来的o光和e光。由于两块晶体的尺寸和温度环境相同，由自然双折射和温度变化引起的相位差相互抵消。因此，从电光晶体I102出射的两束线偏振光再次经过45°法拉第旋光器101后，旋转方向又旋转45°，与原入射光相比，旋转了90°，及原来沿保偏光纤快轴传播的光沿慢轴传播，原来沿保偏光纤慢轴传播的光沿快轴传播，实现了模式互换。返回的光只携带了由电光晶体I的电光效应引起的相位差
其中，λ是入射光波长，l是光传播方向上晶体的长度，d是外加电场方向上晶体的厚度，n0是晶体的折射率，γ41是晶体的电光系数，U是加在晶体上的电压。且由于来回两次经过电光晶体I，电光效应加倍。
经过传感单元1返回的正交线偏振光携带有待测电压信息，再次经过PBS6后进入Y波导调制器5中发生干涉，经过干涉的干涉光强信号经过环形器4后，由光电探测器7转换为电信号并送入数字信号处理器8进行处理，数字信号处理器为Y波导调制器提供反馈信号以实现闭环控制并输出数字信号。
本实用新型的传感单元及互感器采用横向调制，利用电光晶体在外电场作用下的电光效应感应电场信号，并利用45°法拉第旋光器实现两束正交线偏振光的模式互换，从而形成了一种互易型反射式光路结构，两块BGO晶体通过一定的连接方式实现了o、e光的互换，可以相互抵消由BGO晶体本身引入的自然双折射以及环境因素引入的无用的相位差。返回的两束光只携带了电光晶体对它们的相位调制信息。这种光学电压传感单元的光学组件少、结构简单、体积小、重量轻；由绝缘材料组成，绝缘性能好；双晶体结构消除了晶体自然双折射和温度变化引入的相位差的影响；此外，互易型反射式光路还可以大大提高长光路传输过程中的抗干扰能力。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (3)
1.一种基于普克尔效应的双晶体光学电压传感单元，其特征在于：该传感单元包括45°法拉第旋光器、反射镜、金属电极以及两个结构相同的电光晶体I和电光晶体II，所述电光晶体I的一个通光面与电光晶体II的一个通光面相连接，所述电光晶体I另一通光面连接有45°法拉第旋光器，所述电光晶体II的另一通光面设有反射镜；所述电光晶体I上、下端面分别安装有金属电极。
2.如权利要求1所述的双晶体光学电压传感单元，其特征在于：所述电光晶体I和电光晶体II为锗酸铋晶体沿感应主轴方向进行定向切割而成的长方体结构，对所述电光晶体I和电光晶体II的通光方向相同。
3.一种基于普克尔效应的双晶体光学电压互感器，其特征在于：该互感器包括如权利要求1或2所述的传感单元，还包括与传感单元通过保偏光纤连接的光路单元，所述光路单元包括依次连接的光源、环形器、Y波导调制器和偏振光分束器，所述环形器还通过光电探测器与数字信号处理器连接；
从所述光源发出的光经过环形器进入Y波导调制器，将光分成两束线偏振光，其中一束旋转90°后与另一束一同进入偏振光分束器，将两束线偏振光调整成正交线偏振光通过保偏光纤传至传感单元；经过传感单元返回的正交线偏振光携带有待测电压信息，再次经过偏振光分束器后进入Y波导调制器中发生干涉，经过干涉的干涉光强信号经过环形器后，由光电探测器转换为电信号并送入数字信号处理器，所述数字信号处理器为Y波导调制器提供反馈信号以实现闭环控制并输出数字信号。
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