RU2579541C1 - Voltage meter based on pockels effect - Google Patents
Voltage meter based on pockels effect Download PDFInfo
- Publication number
- RU2579541C1 RU2579541C1 RU2015106326/28A RU2015106326A RU2579541C1 RU 2579541 C1 RU2579541 C1 RU 2579541C1 RU 2015106326/28 A RU2015106326/28 A RU 2015106326/28A RU 2015106326 A RU2015106326 A RU 2015106326A RU 2579541 C1 RU2579541 C1 RU 2579541C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- line
- photodetectors
- fiber
- radiation
- polarization
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области электроэнергетики и может найти применение в измерительной технике высоких напряжений.The invention relates to the field of electric power and may find application in high-voltage measurement technology.
Уровень техникиState of the art
Известны оптические измерители (датчики, чувствительные элементы) напряжений, использующие эффект Поккельса [RU 2121147, RU 2539130, US 8233754, JP 4102106, ЕР 682261].Known optical meters (sensors, sensors) of stresses using the Pockels effect [RU 2121147, RU 2539130, US 8233754, JP 4102106, EP 682261].
В качестве прототипа выбран патент ЕР 682261, поскольку в нем, как и в предлагаемом решении, используется двойное прохождение (прямое и отраженное) лазерного луча через электрооптический элемент, обладающий эффектом Поккельса.Patent EP 682261 was chosen as a prototype, because it, like in the proposed solution, uses a double passage (direct and reflected) of a laser beam through an electro-optical element having the Pockels effect.
Прототип содержит измерительный модуль с двумя фотоприемниками, связанными через оптоволоконные линии с сенсором на электрооптическом (ЭО) кристалле, к торцам которого прикладывается электрическое напряжение. На одном из торцов ЭО кристалла сенсора установлено отражающее зеркало, а со стороны другого торца кристалла размещены оптические элементы, разделяющие отраженное излучение на две поляризационные моды, регистрируемые фотоприемниками измерительного модуля.The prototype contains a measuring module with two photodetectors connected via fiber optic lines with a sensor on an electro-optical (EO) crystal, to the ends of which an electric voltage is applied. A reflecting mirror is installed on one of the ends of the EO of the sensor crystal, and optical elements are placed on the other end of the crystal, which divide the reflected radiation into two polarization modes recorded by the photodetectors of the measuring module.
Недостаток прототипа - большая погрешность измерений, вызванная собственным двупреломлением в элементах оптического тракта прототипа: оптических волокнах и ЭО кристалле.The disadvantage of the prototype is a large measurement error caused by its own birefringence in the elements of the optical path of the prototype: optical fibers and EO crystal.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Технический результат изобретения - повышение точности измерений.The technical result of the invention is improving the accuracy of measurements.
Указанный недостаток устранен в предлагаемом решении, благодаря тому что в нем скомпенсированы собственные двупреломления как электрооптического элемента, так и оптоволоконной линии, связывающей сенсор с удаленным от него фотоприемником.This drawback is eliminated in the proposed solution, due to the fact that it compensates for the intrinsic birefringence of both the electro-optical element and the fiber-optic line connecting the sensor to a photodetector remote from it.
Совокупность признаков измерителя напряжения на основе эффекта Поккельса, обеспечивающая получение указанного технического результата, включает модуль обработки, связанный через оптоволоконную линию с сенсором, в состав которого входят кварцевая колонна с торцевыми электродами, 45°-й вращатель Фарадея, коллиматор и сферическое зеркало, установленные на противоположных торцах кварцевой колонны, которая состоит по меньшей мере из одной пары идентичных монокристаллических цилиндров, соосно сжатых торцами так, что их электрические оси антиколлинеарны, а одноименные оптические оси ортогональны, при этом оптоволоконная линия выполнена из волокна, сохраняющего поляризацию, а модуль обработки содержит вычислительный блок и подключенные к нему лазерный источник излучения, аналого-цифровой преобразователь с двумя фотоприемниками на входе, к которым с возможностью разделения двух поляризационных мод излучения подведена оптоволоконная линия, и выполнен с возможностью измерения интенсивностей отраженных излучений, поступающих на указанные фотоприемники, расчета по результатам этого измерения фазового набега между поляризационными модами излучения в кварцевой колонне и определения электрического напряжения, приложенного к торцевым электродам кварцевой колонны, в соответствии с рассчитанным фазовым набегом.The set of features of a voltage meter based on the Pockels effect, which provides the indicated technical result, includes a processing module connected through a fiber optic line with a sensor, which includes a quartz column with end electrodes, a 45 ° Faraday rotator, a collimator and a spherical mirror mounted on opposite ends of the quartz column, which consists of at least one pair of identical single-crystal cylinders coaxially compressed by the ends so that their electric axes a are collinear and optical axes of the same name are orthogonal, while the fiber optic line is made of polarization-preserving fiber, and the processing module contains a computing unit and a laser radiation source connected to it, an analog-to-digital converter with two photodetectors at the input, to which it is possible to separate two polarizing The radiation mode is equipped with a fiber optic line, and is configured to measure the intensities of the reflected radiation arriving at these photodetectors, and calculate tatam this measurement the phase shift between polarization modes of the radiation in the quartz column and determining the electrical voltage applied to the end of quartz column electrodes in accordance with the calculated phase shift.
Предложение имеет развитие, относящееся к частным случаям его осуществления, которое состоит в том, что измеритель может быть снабжен модулятором фазового набега, встроенным в указанную оптоволоконную линию, и оптоволоконным элементом задержки, сдвигающим отраженное излучение по фазе модуляции.The proposal has a development related to particular cases of its implementation, which consists in the fact that the meter can be equipped with a phase raid modulator built into the specified fiber optic line and a fiber optic delay element that shifts the reflected radiation along the modulation phase.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
На фиг. 1 представлена оптическая схема измерителя. На фиг. 2 - структура сенсора.In FIG. 1 shows the optical circuit of the meter. In FIG. 2 - sensor structure.
Осуществление изобретения с учетом его развитияThe implementation of the invention in view of its development
На схеме фиг. 1 показаны модуль обработки 1, связанный через оптоволоконную линию 2 с сенсором 3.In the diagram of FIG. 1 shows a processing module 1 coupled through a fiber optic line 2 to a sensor 3.
В состав сенсора 3 (фиг. 2) входят кварцевая колонна 4 с торцевыми пленочными электродами 5 и 6, сорокапятиградусный вращатель Фарадея 7 и коллиматор 8, через которые один (левый на фиг. 2) торец 9 колонны 4 сопряжен с оптоволоконной линией 2, и сферическое зеркало 10, установленное на другом торце 11 колонны 4. Колонна 4 состоит по меньшей мере из одной пары идентичных монокристаллических цилиндров 12 и 13, соосно сопряженных торцами так, что их электрические оси X антиколлинеарны, а одноименные оптические оси Y и Z ортогональны. Несмотря на небольшую ЭО постоянную кристаллический кварц выбран в качестве материала цилиндров 12 и 13 в силу распространенности, высокой электрической стойкости, химической нейтральности и подходящих физических свойств. Алюминиевое зеркало 10 формируется напылением на дальней от коллиматора 8 торцевой поверхности колонны 4. Пленочные электроды 5 и 6 приклеены на ее торцевые поверхности.The composition of the sensor 3 (Fig. 2) includes a
Линия 2 (фиг. 1) выполнена из оптического волокна, сохраняющего поляризацию. Модуль 1 содержит подключенные к программируемому вычислительному блоку 14 лазерный источник 15 излучения и два фотоприемника 16 и 17, подключенные к блоку 14 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18. Оптоволоконная линия 2 подведена к фотоприемникам 16 и 17 с разделением между ними поляризационных мод, которое выполняется с помощью циркулятора 19 и поляризационного делителя 20.Line 2 (Fig. 1) is made of polarized optical fiber. Module 1 contains a laser radiation source 15 connected to the programmable computing unit 14 and two photodetectors 16 and 17, connected to the unit 14 through an analog-to-digital converter (ADC) 18. Fiber optic line 2 is connected to the photodetectors 16 and 17 with the separation of polarization modes between them, which is performed using a circulator 19 and a polarizing divider 20.
Модуль 1 выполнен с возможностью измерения интенсивностей отраженных излучений, поступающих на фотоприемники 16 и 17, расчета по результатам этого измерения фазового набега между поляризационными модами излучения в кварцевой колонне 4 и определения соответствующего вычисленному фазовому набегу электрического напряжения, приложенного к торцевым электродам 5 и 6 кварцевой колонны 4.Module 1 is configured to measure the intensities of the reflected radiation arriving at the photodetectors 16 and 17, calculate, based on the results of this measurement, the phase shift between the polarization modes of radiation in the
Измеритель снабжен встроенным в линию 2 модулятором 21 фазового набега между поляризационными модами излучения и оптоволоконным элементом задержки 22, сдвигающим отраженное излучение по фазе модуляции.The meter is equipped with a phase-shift modulator 21 integrated in line 2 between the polarization modes of radiation and the fiber-optic delay element 22, which shifts the reflected radiation along the modulation phase.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
От источника 15 частично поляризованное излучение, ориентированное вдоль быстрой оси оптоволокна, через циркулятор 19, поддерживающий только одну поляризационную моду волокна, проходит на соответствующий выход поляризационного делителя 20. Таким образом, на выходе делителя 20 излучение линейно поляризовано.From the source 15, partially polarized radiation, oriented along the fast axis of the optical fiber, passes through the circulator 19, which supports only one polarization mode of the fiber, to the corresponding output of the polarization divider 20. Thus, the output of the divider 20 is linearly polarized.
К выходу поляризационного делителя 20 приварено оптоволокно линии 2. Оси волокон линии 2 повернуты на угол 45 градусов, что обеспечивает равномерное возбуждение в линии 2 обеих поляризационных мод ее волокна.The fiber of line 2 is welded to the output of the polarization divider 20. The axis of the fibers of line 2 is rotated by an angle of 45 degrees, which ensures uniform excitation in line 2 of both polarization modes of its fiber.
Излучение, прошедшее линию 2, направляется коллиматором 8 вдоль геометрической оси сенсора 3, которая совпадает с электрической осью X цилиндров 12 и 13. При этом оптическая ось волокна линии 2 ориентируется под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов цилиндров 12 и 13, чтобы с учетом 45-градусного поворота вращателем 7 каждая поляризационная мода излучения распространялась в плоскостях оптических осей цилиндров (оси Y одного цилиндра и параллельной ей оси Z другого цилиндра).The radiation passing through line 2 is directed by the
К торцам цилиндров 12 и 13 с помощью токопроводящих электродов 5 и 6 прикладывается измеряемое напряжение, воздействующее на кристаллы цилиндров 12 и 13 по их электрическим осям X.Using the
Принцип работы сенсора 3 основан на измерении эллиптичности поляризации светового пучка при прохождении через кристалл, обладающий линейным электрооптическим эффектом Поккельса. Цилиндры 12 и 13 выполнены из кристаллического кварца, обладающего небольшим ЭО эффектом, обеспечивающим глубину модуляции существенно меньше длины волны источника света. Чтобы исключить влияние на оптические сигналы потерь в волокне линии 2, через нее непосредственно передается состояние поляризации света, при этом измерительную информацию несет фазовый набег угла поляризации отраженного излучения, поступающего на фотодиоды 16 и 17. Антиколлинеарность электрических осей X цилиндров 12 и 13 обеспечивает компенсацию влияния обратного пьезоэффекта (изменяющего размеры кварцевых цилиндров под действием приложенного напряжения) на величину фазового набега.The principle of operation of the sensor 3 is based on measuring the ellipticity of the polarization of the light beam when passing through a crystal with a linear electro-optical Pockels effect.
Для передачи поляризованного излучения и формирования светового пучка с заданной поляризацией в линии 2 применяется оптическое волокно, сохраняющее поляризацию.An optical fiber preserving polarization is used to transmit polarized radiation and to form a light beam with a given polarization in line 2.
Для компенсации собственного статического двупреломления волокна линии 2 перед сенсором 4 установлен вращатель Фарадея 7, поворачивающий плоскость поляризации пучка на 45 градусов. Плоскость поляризации пучка вращатель 7 поворачивает на 45 градусов дважды (при прямом прохождении и после отражения зеркалом 10), в результате чего поляризационные моды при прямом и обратном прохождении волокна линии 2 меняются местами. Излучение, бегущее от модуля 1 к сенсору 3 в быстрой поляризационной моде волокна линии 2, обратно побежит в медленной моде. Таким образом, задержка между собственными поляризационными модами волокна линии 2 полностью компенсируется.To compensate for the intrinsic birefringence of fiber of line 2, a Faraday
При приложении напряжения к колонне 4 между поляризационными модами излучения появляется дополнительная задержка, которая не компенсируется при обратном прохождении отраженного зеркалом 10 излучения. Поляризация этого излучения из линейной превращается в эллиптическую, и степень эллиптичности определяется набегом фаз в кристаллах цилиндров 12 и 13, который зависит от приложенного напряжения.When voltage is applied to the
Собственное двупреломление в кристаллах цилиндров 12 и 13 приводит к аналогичной задержке между поляризационными модами и к дополнительной эллиптичности поляризации (смещению «рабочей точки» интерференционного сигнала). Общая величина фазовой задержки не должна превышать длину когерентности источника излучения, в противном случае отраженное назад излучение становится полностью деполяризованным.Own birefringence in the crystals of
Излучение, вернувшееся в приемный модуль по волокну линии 2, приваренному с поворотом 45 градусов, разделяется на поляризационные моды поляризационным делителем 20. Одна поляризационная компонента (мода) регистрируется фотоприемником 17 непосредственно на выходе поляризационного делителя 20, вторая поступает на фотоприемник 16 через циркулятор 19. Суммарная оптическая мощность излучения на обоих фотоприемниках за вычетом потерь в оптическом тракте пропорциональна интенсивности излучения источника 1.The radiation that returned to the receiving module through the fiber of line 2 welded with a 45 degree rotation is divided into polarization modes by a polarizing divider 20. One polarizing component (mode) is detected by the photodetector 17 directly at the output of the polarizing divider 20, the second enters the photodetector 16 through the circulator 19. The total optical radiation power at both photodetectors, minus losses in the optical path, is proportional to the radiation intensity of source 1.
Поскольку сенсорная пара кристаллов 12 и 13 обладает собственным двупреломлением, то полезный сигнал наблюдается на фоне постоянного фазового смещения (сдвиг «рабочей точки»). Для измерения и компенсации этого смещения используется фазовый модулятор 21, который выполнен на отрезке волокна, намотанном на цилиндр из пьезокерамики. Собственное статическое двупреломление в модуляторе 21 компенсируется вращателем Фарадея 7 аналогично компенсации собственного двупреломления в волокне линии 2. Модулятор 21 обеспечивает гармоническую высокочастотную модуляцию набега фаз между поляризационными модами, распространяющимися по волокну линии 2. За счет линии 22 задержки, встроенной в линию 2, излучение возвращается в другой фазе высокочастотной модуляции.Since the sensor pair of
Сигналы с фотоприемников 16 и 17 оцифровываются АЦП 18 и их дальнейшая цифровая обработка осуществляется в программируемом вычислительном блоке 14.The signals from the photodetectors 16 and 17 are digitized by the ADC 18 and their further digital processing is carried out in a programmable computing unit 14.
Из изложенного видно, что предложенный измеритель позволяет получить указанный технический результат за счет компенсации собственных двупреломлений как электрооптического сенсора, так и оптоволоконной линии, связывающей сенсор с удаленным от него измерительным модулем.It can be seen from the foregoing that the proposed meter allows one to obtain the indicated technical result by compensating for the intrinsic birefringence of both the electro-optical sensor and the fiber-optic line connecting the sensor with a measuring module remote from it.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015106326/28A RU2579541C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Voltage meter based on pockels effect |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015106326/28A RU2579541C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Voltage meter based on pockels effect |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2579541C1 true RU2579541C1 (en) | 2016-04-10 |
Family
ID=55793558
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015106326/28A RU2579541C1 (en) | 2015-02-25 | 2015-02-25 | Voltage meter based on pockels effect |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2579541C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2635831C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Масса" | Optical measuring voltage transformer based on electro-optical effect of pockels |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100194379A1 (en) * | 2007-09-10 | 2010-08-05 | Kiyoshi Kurosawa | Optical fiber electric current measurement apparatus and electric current measurement method |
CN203164255U (en) * | 2013-02-20 | 2013-08-28 | 国网智能电网研究院 | Pockels effect-based optical voltage sensor |
RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
RU2539130C1 (en) * | 2013-07-31 | 2015-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Fibre-optic device for measurement of electric field intensity |
-
2015
- 2015-02-25 RU RU2015106326/28A patent/RU2579541C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20100194379A1 (en) * | 2007-09-10 | 2010-08-05 | Kiyoshi Kurosawa | Optical fiber electric current measurement apparatus and electric current measurement method |
CN203164255U (en) * | 2013-02-20 | 2013-08-28 | 国网智能电网研究院 | Pockels effect-based optical voltage sensor |
RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
RU2539130C1 (en) * | 2013-07-31 | 2015-01-10 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | Fibre-optic device for measurement of electric field intensity |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2635831C1 (en) * | 2016-12-13 | 2017-11-16 | Общество с ограниченной ответственностью "Масса" | Optical measuring voltage transformer based on electro-optical effect of pockels |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3677314B2 (en) | Method and apparatus for optically determining physical quantities | |
EP2333498B1 (en) | Sagnac interferometer-type fiber-optic current sensor | |
CN105992934B (en) | Interferometric sensor | |
JP5476554B2 (en) | Electric field measuring device | |
CN105137147B (en) | Optical voltage measuring device | |
JP2619981B2 (en) | Electromagnetic field strength measuring device | |
CN106062506B (en) | Interferometric sensor | |
CN101650226A (en) | Micro phase delay measuring device for optical element based on laser feedback | |
US8730481B2 (en) | Sagnac optical ingredient-measuring apparatus with circular polarizers in parallel | |
RU2579541C1 (en) | Voltage meter based on pockels effect | |
CN106441083A (en) | Laser feedback interferometer | |
CN202547607U (en) | Common-path optical coherence tomography (OCT) interval measuring system with extra-large range | |
JP2004525361A (en) | Method for electro-optically measuring voltage in a temperature-compensated manner and apparatus for carrying out the method | |
RU2539114C1 (en) | Fibre-optic voltage meter | |
RU2539130C1 (en) | Fibre-optic device for measurement of electric field intensity | |
RU2303237C2 (en) | Interferometer device for measuring optical thickness of a transparent layer or a gap | |
JPS59166873A (en) | Optical applied voltage and electric field sensor | |
SU1737361A1 (en) | Device for measuring parameters of signal reflected from input of microwave component | |
JP3301324B2 (en) | Optical voltage / electric field sensor | |
KR860000389B1 (en) | Electric field detection apparatus | |
RU20586U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING MODULE AND PHASE OF REFLECTING RATIO | |
Sinha et al. | Acoustically scanned low-coherence interrogated simultaneous measurement of absolute strain and temperature using highly birefringent fibers | |
EP3772654A1 (en) | Optical voltage sensing device | |
JPH0237545B2 (en) | HIKARINYORUDENKAI * JIKAISOKUTEIKI | |
BR102021011076A2 (en) | OPTICAL POTENTIAL TRANSFORMER |