專利名稱：一種用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，適用于電磁環(huán)境惡劣、需 要對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸?shù)膱?chǎng)合，屬于高電壓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
與普通的信號(hào)采集測(cè)量相比，高電壓測(cè)量具有更多難點(diǎn)，這些難點(diǎn)主要表現(xiàn)在測(cè)量 點(diǎn)往往處于高電壓或強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，電磁干擾強(qiáng)烈；待測(cè)量的電壓往往具有瞬變、暫態(tài)的特 點(diǎn)；待測(cè)電壓幅值大。因此，相應(yīng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)應(yīng)滿足如下要求因?yàn)殡姶鸥蓴_強(qiáng)烈， 傳輸系統(tǒng)要求具有很好的抗電磁干擾能力，保證傳輸?shù)男盘?hào)不受外界電磁干擾的影響；因 為高電壓的因素，要求傳輸系統(tǒng)能夠提供良好可靠的絕緣，以保證后級(jí)信號(hào)處理'部分設(shè)備 安全正常工作；因?yàn)榇郎y(cè)電壓往往為瞬變量、瞬時(shí)量，要求傳輸系統(tǒng)必須具有很好的響應(yīng) 速度，具有很寬的頻率響應(yīng)范圍；為了盡量滿足戶外測(cè)量需要，解決供電能耗問題，要求 傳輸系統(tǒng)為無源系統(tǒng)。
傳統(tǒng)高壓測(cè)量領(lǐng)域，高電壓測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中1為待測(cè)的外加高電壓， 2為電壓傳感單元(電阻分壓器，電容分壓器，阻容分壓器或互感器)，3為傳輸系統(tǒng)，4 為信號(hào)接收與處理儀器。當(dāng)待測(cè)高電壓施加在電壓傳感單元2上時(shí)，高電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為低 電壓信號(hào)，該信號(hào)通過傳輸系統(tǒng)到達(dá)信號(hào)接收端，通過對(duì)于該信號(hào)的處理與分析就可以得 到待測(cè)高電壓。
傳統(tǒng)的信號(hào)傳輸系統(tǒng)主要采用雙層屏蔽電纜和匹配阻抗傳輸信號(hào)，在電纜首端內(nèi)外 屏蔽層接地，末端外層屏蔽懸浮，內(nèi)層屏蔽作為信號(hào)地線。隔離單元通常采用隔離放大 器、線性光耦或者通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電壓頻率轉(zhuǎn)換的方法。它們大多是基于電路設(shè)計(jì)的，通 過電纜與傳感單元連接，測(cè)量信號(hào)通過連接線傳輸?shù)胶蠹?jí)信號(hào)處理單元，這種結(jié)構(gòu)的傳輸 系統(tǒng)有以下幾個(gè)缺點(diǎn)。1、隔離放大器與線性光耦帶寬較窄，最寬僅幾百kHz，動(dòng)態(tài)范圍 較小，不能滿足對(duì)暫態(tài)瞬時(shí)信號(hào)的傳輸；2、由于這些器件或方法大多基于電路設(shè)計(jì)，其 在惡劣電磁環(huán)境下的工作狀態(tài)很難保證；3、采用電纜作為信號(hào)傳輸通路，無法提供高帶 寬的路徑，很難同時(shí)兼顧低頻和高頻性能，測(cè)量的頻率范圍受到很大限制，同時(shí)無法提供 良好的絕緣；4、傳輸系統(tǒng)復(fù)雜，能耗較大，在一些場(chǎng)合(如在線檢測(cè)測(cè)量)應(yīng)用困難。
因此到20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)采用分立光學(xué)器件的光纖電壓測(cè)量傳輸系統(tǒng)，組成結(jié)構(gòu) 如圖2所示。光纖抗電磁干擾能力強(qiáng)，信號(hào)傳輸帶寬高，絕緣良好。圖2中，入射激光5 經(jīng)過起偏器6之后，成為線性偏振光，輸入到電光晶體7中，外加電壓l形成電場(chǎng)通過電 光晶體對(duì)輸入激光調(diào)制，變?yōu)闄E圓偏振態(tài)，通過輸出端的檢偏器8后輸出偏振面發(fā)生變化
的偏振光9，該偏振光功率可以反映待測(cè)電壓的大小。該測(cè)量傳輸系統(tǒng)利用了晶體的電光 效應(yīng)，具有測(cè)量響應(yīng)速度快、頻帶范圍寬、光電有效隔離以及無源等優(yōu)點(diǎn)。但是由于該系
統(tǒng)是利用分立的光學(xué)器件搭建而成的，不可避免地具有以下缺點(diǎn)由于由光學(xué)器件組合而 成，不僅體積大，而且整套裝置的可移動(dòng)性非常差；由于光學(xué)系統(tǒng)需要非常高的精確度， 因此系統(tǒng)調(diào)試復(fù)雜，而且光路稍有變化則整個(gè)系統(tǒng)的特性即發(fā)生變化，系統(tǒng)地穩(wěn)定性差。 而這一缺點(diǎn)則大大限制了該系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。
綜上所述，已有的信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)不能完全滿足高電壓測(cè)量的要求。在高電壓與強(qiáng) 電磁環(huán)境領(lǐng)域，迫切需要研究開發(fā)一套具有可靠隔離、強(qiáng)抗干擾能力、高頻率響應(yīng)帶寬和 無源的信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，基于集成光電技 術(shù)，利用集成光波導(dǎo)工藝，結(jié)合電磁場(chǎng)分析仿真技術(shù)，采用光電轉(zhuǎn)換，將需要傳輸?shù)男盘?hào) 調(diào)制到光波信號(hào)上，通過光纖媒質(zhì)將信號(hào)調(diào)制器調(diào)制的信號(hào)輸出到后級(jí)，通過對(duì)光功率變 化的測(cè)量得到傳輸?shù)男盘?hào)，使本方法能夠完全適用于高電壓與強(qiáng)電磁環(huán)境測(cè)量領(lǐng)域。
本發(fā)明提出的用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，包括
(1) 一個(gè)激光光源，用于產(chǎn)生一個(gè)線偏振光束；
(2) —個(gè)信號(hào)調(diào)制器，信號(hào)調(diào)制器通過保偏光纖與激光光源相連，保偏光纖將上述 線偏振光束耦合至信號(hào)調(diào)制器，得到光功率信號(hào)；
(3) —個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器通過單模光纖與信號(hào)調(diào)制器相連，用于將上述光 功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
(4) 一個(gè)電信號(hào)檢測(cè)器，電信號(hào)檢測(cè)器通過射頻電纜與光電轉(zhuǎn)換器相連，用于對(duì)光 電轉(zhuǎn)換器輸出的上述電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
上述傳輸系統(tǒng)中的激光光源，其波長(zhǎng)穩(wěn)定度為l(T6，功率穩(wěn)定度為l(T4。 上述傳輸系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)制器，為一具有電光效應(yīng)的晶片，晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法
或質(zhì)子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的光波導(dǎo)，互相平行的兩段光波導(dǎo)中間
敷設(shè)高壓信號(hào)電極，兩側(cè)敷設(shè)地電極。
上述傳輸系統(tǒng)中的晶片，可以為鈮酸鋰晶片、硅酸鉍晶片、鍺酸鉍晶片或磷酸氧釹鉀
晶片中的任何一種。
本發(fā)明提出的用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，可以滿足模擬信號(hào)與數(shù)字信 號(hào)的隔離傳輸，具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)
1、 本傳輸系統(tǒng)中所用的信號(hào)調(diào)制器可以進(jìn)行多種物理量的調(diào)制，而不局限在電壓； 對(duì)電壓信號(hào)的測(cè)量幾乎無失真，因而可以用于測(cè)量電壓信號(hào)的頻率、相位等信息。
2、 本傳輸系統(tǒng)中采用光纖作為信號(hào)傳輸媒質(zhì)，光電電磁測(cè)量設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生輻射干擾，
同時(shí)惡劣的電磁環(huán)境也不會(huì)干擾光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)。
3、 本傳輸系統(tǒng)中采用光信號(hào)通信，'可以使系統(tǒng)中的測(cè)量部分與數(shù)據(jù)輸出部分實(shí)現(xiàn)隔 離，因此有效避免傳導(dǎo)干擾，因而非常適合高電壓區(qū)域的測(cè)量。
4、 本傳輸系統(tǒng)中特別設(shè)計(jì)的光電集成信號(hào)調(diào)制器的響應(yīng)速度快、靈敏度高，大大提
高了測(cè)量頻率范圍和響應(yīng)速度；采用光纖進(jìn)行信號(hào)傳遞可以保證較寬帶寬——從直流到
GHz信號(hào)的傳輸。
5、 本傳輸系統(tǒng)通過光纖實(shí)現(xiàn)能量注入，信號(hào)調(diào)制器無需電源注入就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的 調(diào)制、隔離與傳輸，即無源信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)。


圖1為傳統(tǒng)的高壓測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為已有的基于分離光學(xué)器件的光纖電壓測(cè)量傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為本發(fā)明提出的用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明傳輸系統(tǒng)中所用的光電集成的信號(hào)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)圖。 圖1 圖4中，l是待測(cè)的外加電壓，2是電壓傳感單元，3是傳輸系統(tǒng)，4'是信號(hào)接 收與處理儀器，5是入射激光，6是起偏器，7是電光晶體，8是檢偏器，9是輸出的偏振 面發(fā)生變化的偏振光，IO是激光光源，ll是保偏光纖，12是光電集成的信號(hào)調(diào)制器，13 是單模光纖，14是光電轉(zhuǎn)換器，15是射頻電纜，16是電信號(hào)檢測(cè)器，17是光波導(dǎo)，18 是高壓信號(hào)電極，19是地電極，20是具有電光效應(yīng)的晶片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特征如圖3所示，包 括 一個(gè)激光光源10，用于產(chǎn)生一個(gè)線偏振光束； 一個(gè)光電集成信號(hào)調(diào)制器12，通過保 偏光纖11與激光光源10相連，保偏光纖11將線偏振光束耦合至光電集成信號(hào)調(diào)制器12; 一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器14，通過單模光纖13與光電集成調(diào)制器12相連，用于將經(jīng)過調(diào)制器調(diào) 制得到的光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)； 一個(gè)電信號(hào)檢測(cè)器16，通過射頻電纜15與光電轉(zhuǎn) 換器相連，用于對(duì)光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
上述傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)調(diào)制器的晶片，為鈮酸鋰(LiNb03)晶片、硅酸鉍(Bi12Si02。)、 鍺酸鉍(Bi4Ge3012)和磷酸氧鈦鉀晶體(KTP)中的任何一種。
本發(fā)明傳輸系統(tǒng)中的光電集成信號(hào)調(diào)制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，為一具有電光效應(yīng)的 晶片20，晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成兩端Y形分叉、中間互相平行的 光波導(dǎo)17，互相平行的兩段光波導(dǎo)中間敷設(shè)火電極18，在光波導(dǎo)外側(cè)敷設(shè)地電極19,需 要傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)施加在高壓信號(hào)電極18與地電極19之間，形成電場(chǎng)。
上述傳輸系統(tǒng)中，激光光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定度應(yīng)該為10—6，功率穩(wěn)定度應(yīng)該為l(T4。
本發(fā)明專利的工作原理為激光源輸出一個(gè)線偏振光束，通過保偏光纖(PMF)耦合 至信號(hào)調(diào)制器，該偏振光經(jīng)傳輸信號(hào)所形成的電場(chǎng)，通過信號(hào)調(diào)制器調(diào)制，輸出的激光通
過單模光纖(SMF)傳送至光電轉(zhuǎn)換器弁完成光功率到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過對(duì)電壓信號(hào) 的檢測(cè)可得到傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)。
利用鈦金屬擴(kuò)散或質(zhì)子交換方法制作的光電集成信號(hào)調(diào)制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其工 作原理是光線經(jīng)由單模波導(dǎo)輸入到調(diào)制器，輸入端的Y分叉將光束分配成兩個(gè)功率相等 的光束，在兩個(gè)非對(duì)稱的條形波導(dǎo)中的光波，沿y軸方向分別傳輸以后，兩個(gè)支路有一定 的相位差，當(dāng)電極之間不存在電壓信號(hào)的作用時(shí)，兩條分支光波導(dǎo)中傳播的光束存在著固 有相位差cl)0;當(dāng)沿z軸方向施加傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)，在電極之間形成沿z方向的均勻電場(chǎng)， 作用于分支光波導(dǎo)。由于Pockels效應(yīng)，在兩個(gè)分支波導(dǎo)中傳輸?shù)墓馐黾恿讼嘁芻l)。由 于兩條光路中的光波再合成時(shí)發(fā)生了干涉，在相移cj)較小的條件下，激光的輸出功率與傳 輸?shù)碾妷盒盘?hào)成正比關(guān)系。因此，只要測(cè)量得到光功率，就可以得到傳輸?shù)碾妷盒盘?hào)值。 本發(fā)明的傳輸系統(tǒng)中，首先要制作相應(yīng)的激光光源。激光光源由半導(dǎo)體激光器 (LD)模組和激光管控制電路構(gòu)成，提供傳輸系統(tǒng)所需的高穩(wěn)定度光源。光源的平 均輸出光功率必須穩(wěn)定(波長(zhǎng)穩(wěn)定度為10—6，功率穩(wěn)定度10—4)，另外需要一個(gè)功 率控制電路(APC)來抵消老化效應(yīng)對(duì)輸出功率的影響。為確保激光源的安全工作， 在控制電路中還設(shè)置過流保護(hù)環(huán)節(jié)，使其控制偏置電流超過激光器工作電流的最大 值；對(duì)制冷電流進(jìn)行限流，使其不能超過所容許的最大制冷電流。激光源帶保偏尾 纖輸出。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所用的激光源采用是Sumimoto公司生產(chǎn)的激光器 STL5411。
光電轉(zhuǎn)換器的作用是將光功率轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出，由光電二極管和前置放大電路 組成，在量程范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入光功率成正比，以轉(zhuǎn)換增益表示這一個(gè)比例關(guān)系。 本發(fā)明專利要按照以下的技術(shù)參數(shù)選擇光電轉(zhuǎn)換器，工作波長(zhǎng)1200nm 1600nra，轉(zhuǎn)換 帶寬DC llGHz，轉(zhuǎn)換增益典型值300V/W，等效功率噪聲30pW/i。本發(fā)明傳輸 系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例中，選用的光電轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為NewFocus 1592。
電信號(hào)檢測(cè)設(shè)備根據(jù)待測(cè)信號(hào)的特征可以選用相應(yīng)的示波器、頻譜儀、接收機(jī)等。完 成電信號(hào)的測(cè)量與記錄。
購(gòu)置并制作保偏與單模光纖。本發(fā)明專利在光纖兩端制作FC/UPC接口的跳線，總長(zhǎng) 度為50m，用來保持光源輸出的激光源信號(hào)在傳輸過程中的偏振狀態(tài)。主要參數(shù)跳線類 型FC/UPC，工作波長(zhǎng)1550線.插入損耗:0. lldB，最大輸入功率300mW。
本發(fā)明傳輸系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)制器，采用具有光電效應(yīng)的晶片，經(jīng)過Ti擴(kuò)散或 質(zhì)子交換形成光波導(dǎo)和電極。
權(quán)利要求
1、一種用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括(1)一個(gè)激光光源，用于產(chǎn)生一個(gè)線偏振光束；(2)一個(gè)信號(hào)調(diào)制器，信號(hào)調(diào)制器通過保偏光纖與激光光源相連，保偏光纖將上述線偏振光束耦合至信號(hào)調(diào)制器，得到光功率信號(hào)；(3)一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器通過單模光纖與信號(hào)調(diào)制器相連，用于將上述光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；(4)一個(gè)電信號(hào)檢測(cè)器，電信號(hào)檢測(cè)器通過射頻電纜與光電轉(zhuǎn)換器相連，用于對(duì)光電轉(zhuǎn)換器輸出的上述電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。
2、 如權(quán)利要求1所述的傳輸系統(tǒng)，其特征在于其中所述的激光光源的波長(zhǎng)穩(wěn)定度為io-6，功率穩(wěn)定度為io-4。
3、 如權(quán)利要求1所述的傳輸系統(tǒng)，其特征在于其中所述的信號(hào)調(diào)制器為一具有電光 效應(yīng)的晶片，晶片表面用鈦金屬擴(kuò)散法或質(zhì)子交換方法形成兩端Y形分叉、中間'互相平行 的光波導(dǎo)，互相平行的兩段光波導(dǎo)中間敷設(shè)高壓信號(hào)電極，兩側(cè)敷設(shè)地電極。
4、 如權(quán)利要求1所述的傳輸系統(tǒng)，其特征在于其中所述的晶片為鈮酸鋰晶片、硅酸 鉍晶片、鍺酸鉍晶片或磷酸氧鈦鉀晶片中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于高電壓測(cè)量的模擬信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，屬于高電壓測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生一個(gè)線偏振光束的激光光源；信號(hào)調(diào)制器，通過保偏光纖將線偏振光束耦合至信號(hào)調(diào)制器；用于將經(jīng)過信號(hào)調(diào)制器調(diào)制得到的光功率信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換器，通過單模光纖與信號(hào)調(diào)制器相連；用于對(duì)光電轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的電信號(hào)檢測(cè)器，通過射頻電纜與光電轉(zhuǎn)換器相連。本發(fā)明的光電集成信號(hào)隔離傳輸系統(tǒng)，可滿足模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的隔離傳輸；整個(gè)傳輸系統(tǒng)為無源系統(tǒng)，適用范圍廣；采用光信號(hào)通信，有效避免傳導(dǎo)干擾，適合高電壓區(qū)域的測(cè)量；本系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)制器的響應(yīng)速度快、靈敏度高，提高了測(cè)量頻率范圍和響應(yīng)速度。
文檔編號(hào)G01R15/24GK101109771SQ20071012117
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者何金良, 嶸 曾, 耿屹楠 申請(qǐng)人:清華大學(xué)