專利名稱：微型光學(xué)直流交流電場傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電子領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
以光學(xué)方法精確測量高電壓環(huán)境中直流電壓的技術(shù)在電力工業(yè)中越來
越重要。與現(xiàn)用的常規(guī)技術(shù)相比較，光學(xué)測量技術(shù)具有的優(yōu)點為 -抗電磁干擾能力強； -無鐵芯飽和問題； -無鐵磁諧振問題； -優(yōu)異的電氣絕緣性能； -大的帶寬； -大的動態(tài)范圍； -全動態(tài)范圍內(nèi)的高精度； -重量輕； -體積??； -安全性好； -低維修費用
-數(shù)字量輸出 -對環(huán)境友好；等
但是在常見的光學(xué)電壓互感器方案中，通常利用分立光學(xué)元件以及特定 的電極結(jié)構(gòu)和特定的絕緣裝置，并且需要使用絕緣氣體，如六氟化硫。這就 導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)顯著復(fù)雜；成本明顯增加；維護昂貴困難；并且六氟化硫?qū)Νh(huán)境 保護非常不利；而且導(dǎo)致應(yīng)用的安全性降低。
在《分布式光學(xué)電壓互感器》專利(專利號2007200005640)中所給出 的新型的分布式光學(xué)電壓互感器方案中，利用了電光晶體以及^f敖光學(xué)元件構(gòu)成的微型光學(xué)電場傳感器去傳感其所在處的電場，然后利用所測出的電場 值，通過特定方法準(zhǔn)確地求出待測電壓值。
但是由于所用電光晶體中不可避免的存在一些不完善性，如雜質(zhì)成分， 晶格結(jié)構(gòu)缺陷，局部應(yīng)力等。當(dāng)測量直流電場時，由于存在這些不完善性， 在待測電場作用下電光晶體中會產(chǎn)生游離的正負自由空間電荷，并分別向兩 個直流電極方向緩慢漂移而在晶體內(nèi)部形成附加反向電場。此反向電場將會 與待測電場疊加并抵消部分待測電場數(shù)值，造成所測出的待測直流電場數(shù)值 中的誤差。由于這些電荷來源復(fù)雜，數(shù)量難定，依賴于各個晶體生成質(zhì)量和
加工過程；行為不穩(wěn)，需要長時間后才會達到平衡；所以由此產(chǎn)生的測量誤 差很難消除，并且其數(shù)值可觀，不容忽略；這些就使得利用微型光學(xué)直流交 流電場傳感器構(gòu)成分布式光學(xué)電壓互感器來測量直流高電壓的技術(shù)難以實 現(xiàn)。
迄今為止，為了消除這種電光晶體中的電荷漂移所造成誤差而作的努 力，主要是針對待測直流電壓進行調(diào)制，使之成為間斷性加在晶體上的電壓。 這樣在沒有待測直流電壓加在晶體上的時間段內(nèi)，漂移電荷可以受到已經(jīng)生 成的附加反向電場作用而互相抵消，最終使得晶體內(nèi)部附加反向電場接近于 零，整個晶體回到電中性狀態(tài)；而在待測直流電壓又加上的時間段內(nèi)，電荷 再開始漂移，附加反向電場又開始生成。如此交替，就構(gòu)成對于待測直流電 壓的調(diào)制。適當(dāng)?shù)倪x取調(diào)制中這兩類交替時間段的長度，就可以將內(nèi)部反向 電場的影響控制在允許測量誤差范圍內(nèi)，以此方式實現(xiàn)對直流電壓的滿足要 求精度的測量。
然而在實際運行的高壓直流輸電線路中，對高達數(shù)十萬伏的待測直流電 壓進行調(diào)制是難以實現(xiàn)的，這就使得以光學(xué)方法對直流高電壓作直接測量缺 乏實際可行的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出一種可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感器， 可以將測量直流電場時所用電光晶體中因空間電荷漂移所導(dǎo)致的誤差控制 在允許范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)以光學(xué)方法對直流電場的長期穩(wěn)定可靠的精確測量。本發(fā)明主要用于測量直流電場，也可以測量交變電場及其它各類電場。
本發(fā)明與《分布式光學(xué)電壓互感器》專利(專利號2007200005640)中 所給出的方法相結(jié)合，可以精確地獲得待測直流電壓值，尤其適用于測量高 壓直流輸電線路的電壓。
本發(fā)明提出了一種可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感 器，包括寬帶光源28,光纖；輔助光源，輔助光纖，光學(xué)傳感模塊，光探測 器33和數(shù)據(jù)處理及控制模塊。所述光學(xué)傳感模塊包含電光晶體；所述光學(xué) 傳感模塊中的電光晶體光軸與檢測光束的傳播方向以及待測電場方向平行， 即電光晶體處于縱向方位；所述光學(xué)傳感模塊還包括光繼電器，即 PhotoMOS。
本發(fā)明為 一種基于線性電光效應(yīng)的可消除漂移誤差的微型光學(xué)電場傳 感器。它可以很好的降低對電光晶體中因為材料品質(zhì)，環(huán)境溫度以及光源28 光強等外界因素變化而產(chǎn)生的干擾，以滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)的精度去測量直流電 場，具有大的動態(tài)范圍，高的帶寬，穩(wěn)定的運行性能。尤其是它還可以將待 測直流電場導(dǎo)致的電光晶體中電荷漂移形成的誤差控制在測量允許范圍內(nèi)， 實現(xiàn)對直流強電場的準(zhǔn)確，穩(wěn)定，長期而且可靠的測量。
所述光學(xué)傳感模塊中采用的這些光學(xué)元件尺寸都很小，故稱其為微型光 學(xué)直流交流電場傳感器。以下簡稱為微型光學(xué)電場傳感器。
所用的晶體Bi4Ge30i2是人工雙折射電光晶體，筒記為BGO晶體，具有 立方對稱點群&附，或記作Td。其三個非零矩陣元相等r41=r52=r63。在微 型光學(xué)電場傳感器中，BGO晶體所取的方位，外加電場方向，以及光束傳 播方向這三者之間的關(guān)系取縱向方位，即
BGO晶體的光軸方向，即Z軸方向； 晶體中檢測光束的傳播方向；
外加直流電場，也就是^f寺測直流電場的方向； 這三者互相都平行，如圖1所示。
直流電場的指向與所測得電場值的符號有關(guān)。通常取BGO晶體尺寸最 長方向的光軸作為光束傳#~的方向和;f寺測電場的方向，并耳又此方向為直角坐 標(biāo)系中的Z軸方向。
由于晶體電光效應(yīng)的作用，外加直流電場即待測直流電場感生出沿Z軸傳播的兩個正交光學(xué)偏振模光束相互之間的光折射率之差，即線性雙折射
A" = "0、AC (1)
相應(yīng)的這兩個正交光學(xué)偏振模光束之間的相位差為 其中
n0 未加外電場時的BGO晶體折射率； r41 BGO晶體電光系數(shù)；
F& BGO電光晶體在z軸方向上兩個端面之間的直流電壓； 義o所用光源28在真空中的波長；
Zz BGO電光晶體在z軸方向，即檢測光束方向，也即待測直流電場方 向上的長度；
&c沿縱向外加于BGO晶體上的直流電場，即待測直流電場；
當(dāng)BGO晶體內(nèi)部沒有自由電荷生成的電場時，處于縱向方位的^:型光 學(xué)電場傳感器中沿Z軸傳播的兩個正交偏振模光束相互之間的相位差唯一 的取決于Z軸方向上距離為&的兩個端面之間的電壓在BGO晶體內(nèi)產(chǎn)生的 電場。
當(dāng)微型光學(xué)電場傳感器處于縱向方位時，微型光學(xué)電場傳感器的靈敏度 由三個因素決定Xo; no; r41。這可由BGO晶體的半波電壓即產(chǎn)生兀 相位差所對應(yīng)的電壓表示
義n
F一 =
—、
也可由BGO晶體的半波電場五，即產(chǎn)生^&相位差所對應(yīng)的電場表示
+ (4)
對處于縱向方位的微型光學(xué)電場傳感器中沿z軸傳播的兩個正交光學(xué)偏 振模之間作兀/2的相位偏置后，所對應(yīng)的光學(xué)電場傳感器的透射率T成為
(圖1):<formula>formula see original document page 8</formula>當(dāng)下列關(guān)系表示的限制條件滿足時
V《V,; 則有下列近似關(guān)系成立
<formula>formula see original document page 8</formula>i
或?qū)憺?
<formula>formula see original document page 8</formula>所以只要條件(6)滿足，上式就是縱向偏置微型光學(xué)電場傳感器的透射率 和外加電壓或外加電場關(guān)系的很好近似，表明加^c相位偏置后微型光學(xué)電場 傳感器的透射率對外加電壓或外加電場的響應(yīng)有足夠好的線性度。
而且從(5)式可見，只要條件(6)滿足后，微型光學(xué)電場傳感器上外加一 個小電場將引起透射率最大的變化。這就表明加相位偏置后微型光學(xué)電場傳 感器靈敏度最大。
微型光學(xué)電場傳感器最主要的應(yīng)用之一是測量高壓直流輸電線路的直 流電壓，即用于構(gòu)造光學(xué)直流電壓互感器。在光學(xué)直流電壓互感器系統(tǒng)中， 因為微型光學(xué)電場傳感器中所用的BGO晶體沿Z軸長度，即在直流電場方 向的線度Lz遠遠小于光學(xué)直流電壓互感器中兩直流高壓電極之間的距離L, 使得BGO晶體兩端面之間所承受的直流電壓遠小于該晶體的半波電壓 所以條件(6)總是能夠滿足。因此，BGO晶體微型光學(xué)直流交流電場傳感器 可以具有相當(dāng)大的靈敏度，很高的線性度，以及足夠高的精度，并且對應(yīng)著 相當(dāng)大的動態(tài)測量范圍。
然而在實際應(yīng)用中，因為BGO晶體不完善性的存在，使微型光學(xué)電場 傳感器所測量到的直流電場值中出現(xiàn)由于晶體中電荷漂移引起的不可忽略 的誤差。
在測量直流電場過程中，周為BGO晶體的不完善性，如雜質(zhì)成分，晶 格結(jié)構(gòu)缺陷，局部應(yīng)力的存在，所施加在電光晶體上的直流電場會在晶體中 產(chǎn)生游離的正負自由空間電荷，分別朝直流電場兩個電極的方向緩慢漂移， 并分別在兩電極方向的晶體端面逐漸積累，這就在晶體內(nèi)部緩慢建立與待測 直流電場相反的附加反向電場。這個附加反向電場將抵消一部分待測直流電場數(shù)值，造成對待測直流電場的遠超出允許范圍的測量誤差。晶體不完善性 的起源復(fù)雜，難以消除或控制，由此導(dǎo)致的誤差也就^艮難降低。
當(dāng)所測的是交流電場時，由于正負空間電荷漂移是分別各自緩慢單方向 漂移，其影響需若干秒，通常甚至達到若干分鐘才能夠積累到足夠強的附加 反向電場值，而交流電場的正負極方向通常以20毫秒的周期快速交替變化， 使得測量交流電場時這類電荷緩慢漂移的效果不會積累，不可能產(chǎn)生足夠強 的附加反向電場值，也就不會出現(xiàn)超出允許范圍的測量誤差。
實際運行條件要求;微型光學(xué)直流交流電場傳感器具有 畫優(yōu)異而可靠的電氣絕緣性能； -長期而穩(wěn)定的高精度；
-光學(xué)傳感模塊無需電源即可長期運行的能力； -很小的體積。
本發(fā)明給出的可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感器能 夠滿足上述要求。
所述可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感器中光學(xué)傳感 模塊的具體結(jié)構(gòu)為在所用BGO電光晶體的兩個通光端面加上InTiO或其 它材料制作的透明導(dǎo)電膜薄層，形成兩個透明電極，并將這兩個電極分別與 一個Photo MOS類型的光敏場效應(yīng)半導(dǎo)體固體微電子光繼電器(以下簡記為 光繼電器)兩輸出端作簡捷緊密的直接電氣聯(lián)接。
透明電極尺寸與光繼電器輸出端的導(dǎo)體部分尺寸都應(yīng)該足夠小，使得由 于這些導(dǎo)體出現(xiàn)而引起的待測電場變化遠小于允許誤差。可行的方法有使 膜層電極和光繼電器輸出端導(dǎo)體都足夠??；使兩部分的面積足夠?。皇惯@兩 個平面都垂直于高壓電極聯(lián)線。這樣可以減少對待測電場的擾動，使得引入 這兩個導(dǎo)體所造成的誤差遠小于允許誤差。
即使仍然有極少量的導(dǎo)體存在于微型光學(xué)直流交流電場傳感器晶體端 面附近，外界電場擾動會造成一些影響，但是因為這些導(dǎo)體不會隨外界溫度 的變化而變動，所以通過標(biāo)定的方法可以去除其影響。
如果因為對外界電場擾動的動態(tài)響應(yīng)而使得這些極少量導(dǎo)體的存在對 于待測電場造成不可忽略的測量誤差，則可以在這些極少量導(dǎo)體附近局部空 間以絕緣材料構(gòu)件形成具有取向性的介電屏蔽或電阻屏蔽，用于降低外界動態(tài)電場對微型電場傳感器所感受到的電場的影響。這個方法可以降低外界電 場的擾動強度，使得這些極少量導(dǎo)體造成的測量誤差減^J'J允許范圍內(nèi)。所 用屏蔽材料可以是介電型為主的，也可以是電阻型為主的。構(gòu)件的形狀可以 采用圍繞微型電場傳感器的兩端開口的管形。
處于光學(xué)直流電壓互感器高電壓區(qū)域之外的輔助光源在數(shù)據(jù)處理及控 制^t塊的協(xié)調(diào)控制下發(fā)射周期性開通和切斷的光束，通過輔助光纖傳送到光 繼電器的光束收集窗口 ，利用周期性開斷的輔助光束控制光繼電器輸出端電 路的導(dǎo)通和斷路，實現(xiàn)對外加到電光晶體上待測直流電場的調(diào)制，即在電光 晶體上周期性的施加和去除待測直流電場。
所用光繼電器兩輸出端之間在斷路狀態(tài)中的暗電阻值極高，即具有極低 的泄漏電流。這樣在光繼電器的斷路狀態(tài)中，在足夠短的時間段內(nèi)電光晶體 上待測外加電場受光繼電器的影響可以忽略，而緩慢漂移自由電荷生成的附 加反向電場造成的誤差能夠以限制斷路時間段長度的方法被限制在允許誤 差范圍內(nèi)，這樣就使光繼電器在斷路時間段內(nèi)可以測量到足夠精確的外加待 測電場。
而導(dǎo)通狀態(tài)中光繼電器兩輸出端之間則有微小而且穩(wěn)定的導(dǎo)通電阻值 和電容值，這就允許在導(dǎo)通時間段內(nèi)迅速釋放及中和電光晶體端面上所積累
的漂移電荷，從而快速消除電光晶體內(nèi)部的反向附加電場；使得在隨后的斷 路時間段開始時刻電光晶體又處于電中性狀態(tài)。
如此連續(xù)交替進行，就構(gòu)成對晶體上待測直流電場進行的測量以及隨之 對晶體內(nèi)部的反向附加電場消除的全過程。
光繼電器的輸出端負載電壓，也就是可以接通以及斷開的穩(wěn)恒負載電壓 可以達到成百上千伏特的數(shù)量級，這正接近于實際加在電光晶體兩端電壓的 數(shù)量級；光繼電器的瞬態(tài)電壓，即斷開狀態(tài)時光繼電器輸出端能夠承受的最 大瞬時電壓高于其輸出端負載電壓，使待測電壓在一定范圍內(nèi)波動時可以安 全運行；對于更高的待測直流電壓，可以將若干個光繼電器串耳關(guān)后作同步的 導(dǎo)通與切斷調(diào)制而應(yīng)用。
由于光繼電器的接通以及斷開過程非常迅速，達到毫秒級，允許對加在 晶體上待測電場的調(diào)制具有足夠高的頻率。這就使光繼電器處在導(dǎo)通和斷開 兩個過渡狀態(tài)的時間段可以取得足夠短，從而保證所測直流電場數(shù)值有足夠 的精度。光繼電器的可靠通斷次數(shù)極高，且壽命極長，這就允許系統(tǒng)長期安全連
續(xù)運行；由于采用輔助光纖輸送控制導(dǎo)通及斷路所需光束，這就使光繼電器 具有極高的電氣絕緣強度；由于使用低電壓環(huán)境中的輔助光源經(jīng)過輔助光纖 送進的光束驅(qū)動斷路及導(dǎo)通動作，因此光繼電器不需要電源；光繼電器運行 需要的功率小， 一般僅十幾到幾十毫瓦，可以通過輔助光纖傳送。
光繼電器沒有任何可動部件，也沒有觸點，并且全部用絕緣材料密封， 所以不會造成電弧放電，因此工作可靠性高，并且對外界千擾??；由于所采 用的是遠程光纖控制，不存在輸出對輸入電路的影響，所以抗電磁干擾能力 強；并且耐機械振動，耐潮濕，耐腐蝕。
光繼電器正常運行溫度區(qū)間為-55°C~+105°C,優(yōu)應(yīng)于所要求的條件； 微型光繼電器的體積與重量都很小，通常接近于所用電光晶體，這使其易于 和微型光學(xué)電場傳感器結(jié)合，并且使光繼電器對外加待測直流電場產(chǎn)生的擾 動很小。
綜合所有這些性能，使得光繼電器成為構(gòu)造消除漂移電荷的合適器件。 消除電光晶體中電荷漂移所形成誤差的機理與過程如下 在輔助光源光中斷期間，無光輸入到光繼電器。因為光繼電器無光斷開 時的暗電阻極高，電光晶體兩端面電極與光繼電器構(gòu)成的電路等價于處在斷 ^各狀態(tài)。這樣在電光晶體兩端面電極之間的電場，即所加的4寺測電場作用下， 電光晶體中會產(chǎn)生游離的正負自由空間電荷，并向兩個直流電極方向分別緩 慢漂移，導(dǎo)致電光晶體內(nèi)部的附加反向電場緩慢建立。
而當(dāng)有光輸入光繼電器時導(dǎo)通的接通電阻極低，由電光晶體兩端面電極 與光繼電器構(gòu)成的電路等價于處在接通狀態(tài)，使得在光中斷的暗周期中晶體 兩端面膜層電極處分別積累的正負漂移電荷瞬間迅速中和，結(jié)果附加反向電 場迅速消失，而晶體內(nèi)部留下的只是待測電場。
由于光繼電器的電容極小，使得晶體兩端電極與導(dǎo)通狀態(tài)光繼電器共同 構(gòu)成電路的時間常數(shù)足夠低，就可以足夠快速地消除累積電荷。在周期輔助 光源發(fā)光使光繼電器處在足夠低電阻的狀態(tài)期間，晶體兩端電極電路接通而 接近處在等電位狀態(tài)，晶體內(nèi)部電場接近為零，所以這段時間內(nèi)應(yīng)該停止微 型光學(xué)直流交流電場傳感器采集待測直流電場信號。而當(dāng)周期輔助光源停止 發(fā)光期間，晶體兩端電極與光繼電器形成的電路處在中斷狀態(tài)，待測電場全部建立在晶體兩端面電極之間的晶體內(nèi)部，附加反向電場雖然在緩慢增加但 尚不能夠造成足夠大的誤差，相當(dāng)于處在微型光學(xué)直流交流電場傳感器的正 常工作期間，所以微型光學(xué)直流交流電場傳感器應(yīng)該在這段時間內(nèi)采集待測 直流電場信號。
由于輔助光源的發(fā)光及中斷周期長短完全可以根據(jù)需要選取和控制，所 以取其周期足夠短，使得晶體內(nèi)部的漂移電荷造成的附加反向電場來不及增 大到構(gòu)成足夠大誤差的程度，就可以取消其對測量精度的影響。
晶體兩端膜層可以采用導(dǎo)電性以及通光性都;f艮好的透明電極，所以在輔 助光源光中斷期間微型光學(xué)電場傳感器正常通光，性能不受影響。
為了去除漂移電荷生成的誤差而使得微型光學(xué)電場傳感器的工作被改 變成間斷性的，但是在實際的輸電線路電壓的測量中有可能嚴(yán)格要求連續(xù) 的，不間斷的監(jiān)控。為實現(xiàn)連續(xù)無間斷的測量，可以利用兩個相同的可消除 電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感器，在其中一個處于輔助光源光 中斷狀態(tài)時，即在工作舉]直階段，另一個恰好處于輔助光源發(fā)光期間，即在 漂移電荷中和階段。這樣整體的光學(xué)電壓互感器系統(tǒng)在任意時刻總是在連續(xù) 運行，而不會有間斷。通過對輔助光源的控制，使其交替地開通一個同時切 斷另一個微型光學(xué)直流交流電場傳感器的光束就能實現(xiàn)。
為了改善測量的連續(xù)性，也可以允許兩個^f效型光學(xué)直流交流電場傳感器 有部分重疊工作耳又值的時間區(qū)段。
在測量連續(xù)性要求不太高的情況下，可以選取適當(dāng)設(shè)計參數(shù)以縮短電荷 中和時間段，延長工作采值時間段，也就是采取兩段時區(qū)不對稱的運行方式。 其優(yōu)點是僅僅用 一個微型光學(xué)電場傳感器就可以工作。
輔助光源也可以利用光源28分出一部分光強而取代，只需要對輔助光 路加入一個光開關(guān)即可。


圖1縱向偏置微型光學(xué)電場傳感器示意圖 23入射光束 24消偏器 25起偏器26光學(xué)四分之一波片 27檢偏器 圖2 第一實施例 28光源 29傳輸光纖； 32準(zhǔn)直透鏡 33光探測器 37保偏光纖
38偏振分光器，或偏振合光器
40光學(xué)相位調(diào)制器 圖3 第二實施例 圖4 第三實施例 圖5 第四實施例 圖6 第五實施例 圖7 第六實施例
41反射鏡，或反射鍍膜
42光學(xué)八分之一波片
43光學(xué)直角反射棱鏡
45非偏振分光器
具體實施方式
第一實施例
如圖2所示，寬帶光源28發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器25后，先通過一個消 偏器24,再通過光學(xué)相位調(diào)制器40時被偏振分光并調(diào)制，所輸出的兩個獨 立正交線偏振模光束在一根保偏光纖37的快慢偏振軸方位分別各自傳輸?shù)?電光晶體。
由保偏光37傳輸?shù)骄w的入射線偏光的兩個正交線偏振方向與晶體本 征偏振軸方向(x', y')對準(zhǔn)平行(即分別與晶軸成45度)，對應(yīng)的折射率 分別為n±An (8 )
其中 n: 無外電場時的電光晶體折射率；
An:由于線性電光效應(yīng)，待測電場所導(dǎo)致的兩個正交線偏纟泉光束對 應(yīng)的折射率之差，即雙折射率；
這兩個正交線偏振光束在電光晶體的輸出端被光學(xué)偏振分光器38按照 偏振態(tài)分成兩部分輸出，光學(xué)偏振分光器38的兩個偏振軸方向與晶體本征 偏振軸方向平行對齊(即與晶軸方向成45度)；對于光學(xué)偏振分光器38分 別輸出的兩個線偏振光，可以用兩根單模普通光纖分別傳輸，但更好的方法 是用兩根保偏光纖37分別傳輸?shù)礁髯詫?yīng)的光探測器33。參見圖2。
光學(xué)相位調(diào)制器40輸出方波調(diào)制的獨立正交線偏^^莫光束；兩個互相 獨立的偏振光模式之間的相位差為Ti/2;這樣就可以替代在高電壓區(qū)中光學(xué) 傳感模塊里安置的光學(xué)四分之一波片26的相位偏置功能，由此就消除了應(yīng) 用此光學(xué)四分之一波片26時因其隨環(huán)境溫度改變而變化所導(dǎo)致的相位延遲 誤差。
在完善電光晶體的理想情況下，由光學(xué)相位調(diào)制器40實現(xiàn)7i/2相位動態(tài) 偏置后，兩個光探測器33上分別接收到輸出光強對應(yīng)的信號為
<formula>formula see original document page 14</formula>
輸入到電光晶體中光強所對應(yīng)的輸出； i 2:兩個獨立的光探測器33分別對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效益及電路
其中/。: 增益系數(shù)；
<formula>formula see original document page 14</formula>
或利用半波電壓V^表示
<formula>formula see original document page 14</formula> (12)
當(dāng)電光晶體處于縱向方位時有:
<formula>formula see original document page 14</formula>(13)其中五&: 外加在晶體兩端面的待測直流電場；
寬帶光源28波長Xo以及電光晶體對應(yīng)的半波電場；
力，/2: 分別表示與光學(xué)偏振分光器38輸出的兩個正交線偏振 光對應(yīng)輸出信號；
無外加電場時，完善的BGO電光晶體中不存在雙折射；但是實際應(yīng)用 的是不完善電光晶體，因此其內(nèi)部會存在殘余雙折射，它產(chǎn)生的相位差^將 隨環(huán)境溫度變化而改變，此外所用寬帶光源28光強的波動兩者都使微型光 學(xué)電場傳感器穩(wěn)定性變差。
來自于不完善晶體內(nèi)部自由電荷在待測外電場中漂移運動產(chǎn)生的附加 反向電場造成的相位差為A;
為去除這個造成誤差的相位差，應(yīng)利用光繼電器并使其輸出端與電光晶 體兩端面電極作電聯(lián)結(jié)，并通過輔助光源和輔助光纖使光繼電器作周期性的 導(dǎo)通和切斷。
在輔助光源發(fā)光周期而使光繼電器處在導(dǎo)通狀態(tài)期間，晶體兩端電極累 積的電荷被迅速消除，晶體內(nèi)部電場為零，所以這段時間內(nèi)停止微型光學(xué)直 流交流電場傳感器采集待測直流電場信號。而當(dāng)周期輔助光源停止發(fā)光期 間，晶體兩端電極和光繼電器聯(lián)結(jié)成的電路處在中斷狀態(tài)，此時待測直流電 場全部加在兩端電極之間的電光晶體上。微型光學(xué)直流交流電場傳感器應(yīng)該 在這段時間內(nèi)采集待測直流電場信號，然后依此計算出待測電場數(shù)值。
z (14-a) ， + sinfe+H。)] (i4_b)
當(dāng)在電光晶體兩端面之間的待測電壓Vdc< 〈V^時，即Edc< 〈E^時，有 ^)=爭[1粉"。)] n《、
由于光繼電器對在電光晶體兩端面電極上電場的調(diào)制可以很好地近似
作為矩形脈沖波處理，所以調(diào)制后電光晶體兩端面電^f及上的電場成為 五=f [1 +4sin欣+ 4sin3欣+…w] (17)其中，五被光繼電器調(diào)制后的電場；
A: 矩形脈沖波電場五的傅立葉系數(shù)，也就是諧波的振幅； ca: 光繼電器調(diào)制頻率； Z : 時間；
在兩個獨立的光強檢測器上分別對應(yīng)的輸出信號為
<formula>formula see original document page 16</formula>
(18-a) (18-b)
從上述輸出信號(t), /2 (t)的交流分量與直流分量之比可以分別得
到
<formula>formula see original document page 16</formula>
將&, &展開并略去高階小量，相減后再利用低通濾波分別除去信號的 高頻分量
<formula>formula see original document page 16</formula>
當(dāng)光繼電器調(diào)制待測直流電場所生成的電場波形為足夠好的矩形時，其 中單位矩形脈沖波的基波比例系數(shù)A可以認為是已知常量，所以從s。ut的值
就可以求出待測直流電場值，而不受晶體內(nèi)部電荷漂移導(dǎo)致的附加反向電場
的影響，也不會受寬帶光源28強度波動以及晶體內(nèi)部殘余雙折射隨溫度變 化的影響。
第二實施例
如圖3所示，寬帶光源28發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器25后，先通過一個消 偏器24，再通過光學(xué)相位調(diào)制器40時被偏振，分光，并調(diào)制，所輸出兩個 獨立正交線偏振模光束在同一根保偏光纖37的快慢偏振軸方向分別各自傳輸?shù)诫姽饩w。
由保偏光纖37傳輸?shù)诫姽饩w的入射線偏光的兩個正交線偏振方向與 晶體本征偏振軸方向平行對準(zhǔn)(x', y';即分別與晶軸成45度)，對應(yīng)的折 射率分別為
n士An (21)
其中 n: 無外電場時的電光晶體折射率；
An: 由于線性電光效應(yīng)，；降測電場所導(dǎo)致的兩個正交線偏4展光 束之間對應(yīng)的折射率之差，即雙折射率；
在電光晶體的光輸出端放置檢偏器27，其通光軸與兩個晶體本征偏振軸 成45度，即與晶軸平行。與晶體本征偏振軸平行的兩個正交線偏振光束的 分量在檢偏器27通光軸方向上疊加。通過檢偏器27的線偏光隨后在保偏光 纖37偏振軸向上傳輸?shù)焦馓綔y器33轉(zhuǎn)為電信號。參見圖3。
在理想情況下，由光學(xué)相位調(diào)制器40實現(xiàn)兀/2相位動態(tài)偏置功能后，光 探測器33上接收到輸出光強對應(yīng)的信號為
(22)
其中/o: 輸入到電光晶體中光強；
光強檢測器對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效益系數(shù)；
<formula>formula see original document page 17</formula>gW為光學(xué)相位調(diào)制器40輸出的單位方波交流脈沖函數(shù)；f是時間，w 是整數(shù)，7;是方波脈沖周期；
<formula>formula see original document page 17</formula>或利用半波電壓^表示
<formula>formula see original document page 17</formula>
當(dāng)電光晶體處于縱向方位時有:
(25-a)其中五& : 外加在晶體兩端面的待測直流電場；
五「 光源28波長^以及電光晶體對應(yīng)的半波電場；
/ "i 與電光晶體輸出端檢偏器27輸出的線偏振光對應(yīng)的光探測 器33輸出信號；
無外加電場時，完善的BGO電光晶體中不存在雙折射；但是實際應(yīng)用 的是不完善電光晶體，因此其內(nèi)部會存在殘余雙折射，它產(chǎn)生的相位差^將 隨溫度變化而改變。此外所用寬帶光源28光強的波動兩個擾動因素都使微 型光學(xué)電場傳感器穩(wěn)定性變差。
來自于不完善晶體內(nèi)部自由電荷在待測外電場中漂移運動產(chǎn)生的附加 反向電場造成的相位差為A;
/ (,) = Y[l c+^。)] (26)
當(dāng)電光晶體兩端面之間的待測電壓Vdc < < V"時，即Edc < < Et時， 有sinx-x;
因為采用閉環(huán)反饋，所以光學(xué)電場傳感器總是工作在零點附近，總能夠
很好滿足此關(guān)系，因此
/(,):Y"[l + g亂+一0)] (27)
式中i ， /0， &， & ,各量與上述定義和第一實施例中定義相同。 非理想輸出情況 + & (28)
& :晶體內(nèi)部殘余雙折射
& : 光路電路噪聲 則實際輸出信號為
J一，[1—fe+^+A)]方波上半周期,
八二t["(l+A+九w 方波下半周期，
將這兩個半方波調(diào)制周期的值分別相減，相加,
洲=-1 (29-a)
洲=+1 (29-b)
再相除，得到
<formula>formula see original document page 18</formula>(30)
<formula>formula see original document page 18</formula>(31)
<formula>formula see original document page 18</formula>(32)
在信號處理過程中對多個方波調(diào)制周期中測出的/。數(shù)值作累加，即作數(shù)字積分，等效于對模擬量噪聲作低通濾波平均，由此噪聲就被衰減
& - 0 (33)
然后獲得 /。= & +命+ +& (34)
其中，殘余線性雙折射； 閉環(huán)反饋值，
外加電場經(jīng)電光效應(yīng)產(chǎn)生的相位差值，即待測信號值。 若殘余線性雙折射不可忽略，則對于交流和直流的待測電場可以分別按 照以下方法處理。
當(dāng)所測電場是交流電場時，不存在晶體中自由電荷在直流電場下的漂
移，因此也就不必有光繼電器及其附加的輔助光源等部分，即有
并且應(yīng)該用交流量/。c替代l :
/。U& (35) 此時先對(29-a)， (29-b)式的交流電場對應(yīng)信號分離交直流量，略去 高階小量，再處理
從方波調(diào)制上半周期/_=一 = 7^ = ^(1 +《) (36-a)
卜4
方波調(diào)制下半周期有/+= — = 7^ = 1(1-6) (36-b)
々DC 1 + 4
(I—+I+) /2= I (37) 獲得相位差值后，再利用(25-a)式的交流電場形式，就得到對應(yīng)的待測 交流電場數(shù)值。
因為上式中殘余線性雙折射不再出現(xiàn)，所以殘余線性雙折射隨溫度變化 所造成的誤差就被消除。
以此方法測量交流電場并不需要使用光繼電器，同時測量精度和溫度穩(wěn) 定性也有提高。
當(dāng)所測電場是直流電場時，首先應(yīng)該對所用電光晶體作充分良好的退火 處理，以便盡量去除晶體中的殘余雙折射。
如果剩下的殘余雙折射量仍然造成足夠大的誤差，則可以如同第一實施 例那樣利用光繼電器對待測電場調(diào)制的矩形脈沖波形。
但是如果矩形波形不是很完善的，其基波和直流成分的系數(shù)會改變數(shù) 值，因而引起誤差。為獲得此微型光學(xué)電場傳感器所測直流電場精確值，可以利用下文所描 述的不依賴光繼電器調(diào)制方波波形的信號處理方法。
殘余雙折射&問題的解決當(dāng)光繼電器在導(dǎo)通狀態(tài)時，測試光束給出的 輸出相位差數(shù)值對應(yīng)的是電光晶體中的零電場。所以這數(shù)值就必然對應(yīng)殘余 雙折射相位差^ 。將此數(shù)值從光繼電器在斷開狀態(tài)時所測得相位差數(shù)值中減 去，余下的就是待測直流電場對應(yīng)的相位差值。
去除殘余雙折射生成的相位差數(shù)值后，光繼電器輸出端斷開時所測得的 相位差值應(yīng)包含待測直流電場生成相位差+電荷漂移生成相位差
A= A=命+ +A (38) 其中 命是反饋位相差值； 是待測相位差值；
若取光繼電器的斷開導(dǎo)通周期足夠短，使得晶體內(nèi)部的漂移電荷造成的 附加反向電場遠小于構(gòu)成誤差的程度，就可以略去^對測量精度的影響。上 式就成為
(39)
通過閉環(huán)反饋控制使得用作反饋的相位差值命滿足
/a=0/+^ = O; (40)
則有
-命=& (41) 這正是待測相位差值&，它正比于外加4寺測電場
(42)
利用閉環(huán)反饋使得動態(tài)范圍增大，線性度得以改善。 當(dāng)待測電場為直流電場時，由數(shù)據(jù)處理及控制模塊按照上述方法求出此 微型光學(xué)電場傳感器所測直流電場精確值。 第三實施例
如圖4所示，寬帶光源28發(fā)出的光束經(jīng)過起偏器25后，通過消偏器24, 再通過光學(xué)相位調(diào)制器40時被偏振，分光，并調(diào)制，給出兩個獨立的平行 偏振模，由兩根保偏光纖37各自傳輸一個偏振模直到偏振合光器38,所構(gòu) 成的兩個獨立正交偏振模以分別平行于電光晶體本征偏振軸的方位輸入。
信號發(fā)生器給出脈沖矩形電壓信號加在光學(xué)相位調(diào)制器40上，構(gòu)成兩個獨立正交偏振模之間的方波5T/2相位延遲動態(tài)偏置。
在晶體的光束輸出端放置檢偏器27,其通光軸與兩個晶體本征偏振軸成 45度，即與晶軸平行。與晶體本征偏振軸平行的兩個正交線偏振光束的分量 在檢偏器27通光軸方向上疊加。通過檢偏器27的線偏光隨后在保偏光纖37 偏振軸向上傳輸?shù)焦馓綔y器33轉(zhuǎn)為電信號。參見圖4。
隨后采用與第二實施例相同的凝:據(jù)處理方法解出待測電場信號。
第四實施例參見圖5 。
如圖5所示，光源28發(fā)出的光經(jīng)單模普通光纖或多模普通光纖傳輸進 入起偏器25。出射的光通過光學(xué)四分之一波片26后分解為兩個相位差為Ti/2 并且偏振方向與晶體本征偏振軸向相同的兩個線偏振光束，也就是圓偏振 光，隨后入射到電光晶體中。
在電光晶體的輸出端，這兩個正交線偏振光束被光學(xué)偏振分光器38按 照偏振態(tài)分成兩部分輸出。偏振分光器38的兩個偏振軸方向與晶體本征偏 振軸方向平行對齊(即與晶軸方向成45度)；對于光學(xué)偏振分光器38分別 輸出的兩個線偏振光，可以用兩根單模普通光纖或多模普通光纖分別傳輸， 但更好的方法是用兩根保偏光纖37分別傳輸?shù)礁髯詫?yīng)的光探測器33。
兩個獨立的光探測器33分別對應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換效益系數(shù)為Rl5 R2。<formula>formula see original document page 21</formula> 當(dāng)在電光晶體兩端面之間的待測電壓Vdc< 〈V兀時，即Edc((E兀時，
有
<formula>formula see original document page 21</formula> (15)
<formula>formula see original document page 21</formula> (16)
由于光繼電器加在電光晶體兩端面電極上的電場的調(diào)制可以很好地近 似作為矩形脈沖波處理，所以調(diào)制后的電場成為<formula>formula see original document page 21</formula> (17) 其中，五被調(diào)制后的電場；A: 矩形脈沖波電場五的傅立葉系數(shù)，也就是諧波的振幅； 欣光繼電器調(diào)制頻率； Z:當(dāng)光繼電器處于斷路狀態(tài)中的時間； 在光繼電器的斷路周期中，兩個獨立的光探測器33上分別對應(yīng)的輸出 信號為
<formula>formula see original document page 22</formula>
從上述輸出信號A (t)， /2 (t)的交流分量與直流分量之比可以分別得
<formula>formula see original document page 22</formula>
將&, &展開并略去高階小量，相減后再利用低通濾波分別除去信號的 高頻分量
S。w = J(S2 -《)si諸^ = 4《 (20)
當(dāng)光繼電器調(diào)制待測直流電場所生成的電場波形為足夠好的矩形時，其
中單位矩形脈沖波的基波比例系數(shù)^可以認為是已知常量，所以從S。ut的值
就可以求出待測直流電場值，而不受晶體內(nèi)部電荷漂移導(dǎo)致的附加反向電場 的影響，也不會受寬帶光源28強度波動以及晶體內(nèi)部殘余雙折射隨溫度變 化的影響。
第五實施例
如圖6所示，寬帶光源28經(jīng)過起偏器25后輸出的一個獨立正交線偏振 模光束傳輸在保偏光纖37的快慢偏振軸之一的方位上，透射經(jīng)過偏振分光 器38之后傳輸?shù)焦鈱W(xué)八分之一波片42。從波片出射的輸入電光晶體的兩個 正交的線偏振模光束分量偏振方向都平行于波片光軸，但與電光晶體光軸成45度。線偏振模光束通過電光晶體后在其輸出端被反射鏡41反射，因此返 回并再次通過電光晶體和光學(xué)八分之一波片42。與透射輸入分量垂直的偏振 光分量在反射鏡41面上反射返回并再次通過晶體和光學(xué)八分之一波42后， 在偏振分光器38上被反射，隨后經(jīng)過光纖返回落在光探測器33上形成信號 a。參見圖6。
輸入電光晶體的兩個正交的線偏振模光束分量在鏡面上反射前后往返 兩次通過光學(xué)八分之一波42和電光晶體，兩次傳感外電場經(jīng)由電光效應(yīng)所 導(dǎo)致的相位差。這使傳感器的靈每丈度增加。既然兩次經(jīng)過波片，就必須利用 光學(xué)八分之一波42,以便形成兩個正交的線偏振模光束分量之間的兀/2相位 偏置。
落在光探測器33上的光強對應(yīng)信號為
<formula>formula see original document page 23</formula>若滿足條件:
則有:
<formula>formula see original document page 23</formula>瓦
從中可以求出待測直流電場￡&的數(shù)值。
此實施例將外加在晶體上的待測電場換成交流電場后，也可以用于測量 交流電場。
第六實施例
如圖7所示，寬帶光源28輸出的光經(jīng)過光學(xué)相位調(diào)制器40后，兩個獨 立正交線偏振模光束之間有方波兀/2相位偏置，分別在一根保偏光纖37的快 慢偏振軸方位上傳輸，通過非偏振分光器45進入到電光晶體中。也可以利 用兩根獨立的保偏光纖37,各自傳輸一個獨立正交線偏#^莫光束，在輸入晶 體之前利用偏振合光器38合成具有兩個相互正交線偏振模的光束，然后透 射通過非偏振分光器45進入到電光晶體中。兩光束的偏振軸向分別平行于晶體的本征偏振軸，即與晶軸成45度。
相位差為兀/2的這兩束線偏振光在晶體中傳播并且經(jīng)電光效應(yīng)傳感外加電 場，并在晶體另一端面反射鏡41上返回而再次通過晶體并經(jīng)電光效應(yīng)傳感 外加電場。返回光在非偏振分光器45上被反射后經(jīng)過檢偏器27進入光纖返 回并落在光探測器33上形成信號。參見圖7。
隨后采用與笫二實施例相同的數(shù)據(jù)處理方法解出待測電場。與第二實施 例相比較，有一個不同之處在這里測試光束往返兩次經(jīng)過電光晶體傳感外 加電場，因此信號中對應(yīng)的是待測電場生成的兩倍相位差。
最后應(yīng)說明的是以上實施例僅用以說明本發(fā)明，而并非限制本發(fā)明到 所描述的技術(shù)實施例；因此盡管本說明書參照上述的各個實例，對本發(fā)明進 行了詳細地說明，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明 進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和范圍的技術(shù)實施例及 其改進，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍中。
權(quán)利要求
1.一種可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)交直流電場傳感器，包括光源(28)，光纖，光學(xué)傳感模塊，光探測器(33)和數(shù)據(jù)處理及控制模塊；所述光學(xué)傳感模塊包括電光晶體；所述電光晶體光軸與檢測光束的傳播方向以及待測電場方向平行，即所述電光晶體處于縱向方位；其特征在于所述光學(xué)傳感模塊還包括輔助光源，輔助光纖，半導(dǎo)體固態(tài)光繼電器，所述電光晶體兩個通光端面各具有導(dǎo)電電極，所述導(dǎo)電電極與所述半導(dǎo)體固態(tài)光繼電器的兩輸出端分別作緊湊的電氣聯(lián)接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述導(dǎo)電 電極由在所述兩個通光端面加上透明導(dǎo)電膜薄層而形成為透明電極。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述電光 晶體是Bi4Ge3012晶體。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在電器的光束輸入窗口 ，使光繼電器輸出端電路對應(yīng)地周期性導(dǎo)通和斷開。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述光學(xué)微 型電場傳感器還可以包括起偏器(25),消偏器(24),保偏光纖(37),光學(xué)相位調(diào) 制器(40),光學(xué)準(zhǔn)直耦合器(32),偏振分光器(38)。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述光學(xué)微 型電場傳感器還可以包括起偏器(25),消偏器(24),保偏光纖(37),光學(xué)相位調(diào) 制器(40)，光學(xué)準(zhǔn)直耦合器(32),檢偏器(27)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述光學(xué)微 型電場傳感器還可以包括偏振合光器(38)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述光學(xué)微 型電場傳感器還可以包括光纖，光學(xué)準(zhǔn)直耦合器(32),起偏器(25)，光學(xué)四分之 一波片(26),偏振分光器(38)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于:所述光學(xué)微 型電場傳感器還可以包括光纖，光學(xué)準(zhǔn)直耦合器(32),起偏器(25),光學(xué)八分之 一波片(42),反射鏡(41),偏振分光器(38),直角反射棱鏡(43)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的微型光學(xué)交直流電場傳感器，其特征在于所述光 學(xué)微型電場傳感器還可以包括光纖，光學(xué)準(zhǔn)直耦合器(32),起偏器(25),消偏器 (24)，光學(xué)相位調(diào)制器(40)，保偏光纖(37),非偏振分光器(45),反射鏡(41),光 學(xué)直角反射棱鏡(43),檢偏器(27)。
全文摘要
一種可消除電荷漂移誤差的微型光學(xué)直流交流電場傳感器。可以用于以光學(xué)方法測量高壓直流輸電線路的電壓中。所述光學(xué)傳感模塊中所用電光晶體通光端面上形成的兩個透明電極與所述光繼電器兩輸出端分別作緊湊的電氣聯(lián)接。所述輔助光源在信號處理及控制模塊的協(xié)調(diào)控制下通過所述輔助光纖傳送周期性開通和切斷的光束到光繼電器的光束收集窗口，用于控制光繼電器輸出端電路的導(dǎo)通和斷路，實現(xiàn)對外加到電光晶體上待測直流電場的調(diào)制，即在電光晶體上周期性的施加和去除待測直流電場。利用此發(fā)明可以將測量直流電場時所用電光晶體中因空間電荷漂移所導(dǎo)致的誤差控制在允許范圍內(nèi)，從而實現(xiàn)以光學(xué)方法對直流電場的長期穩(wěn)定可靠的精確測量。
文檔編號G01R19/00GK101408558SQ200810211908
公開日2009年4月15日 申請日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者灣世偉 申請人:灣世偉