專利名稱：準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器。
背景技術(shù)：
電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)的命脈，電場傳感器和電壓傳感器是電力系統(tǒng)中進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)的基本測量設(shè)備之一，其準(zhǔn)確度和可靠性與電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行密切相關(guān)。隨著電力生產(chǎn)、電力傳輸系統(tǒng)容量的增加，電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級也越來越高,在監(jiān)測、控制及保護(hù)等方面的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化要求不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式電場傳感器和電壓傳感器由于其固有缺陷已不能滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展需求。數(shù)字式光學(xué)電場傳感器和光學(xué)電壓傳感器以其優(yōu)越的性能以及明顯的經(jīng)濟(jì)和社會效益，對于保證日益龐大和復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，并提高其智能化程度具有深遠(yuǎn)的意義。目前，電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的電壓傳感器為電磁式傳感器和電容分壓式傳感器。隨著我國電網(wǎng)運(yùn)行電壓等級的提高，傳統(tǒng)的由鐵芯組成的電磁式電壓傳感器所存在的磁飽和、鐵磁共振等問題逐漸被暴露出來。因此，在中、高壓電力系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電磁式傳感器已逐步被具有防鐵磁諧振、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)的電容分壓式傳感器所取代，但電容分壓式傳感器暫態(tài)響應(yīng)較差，電容與非線性補(bǔ)償電感、變壓器電感串聯(lián)，設(shè)備本身有發(fā)生鐵磁諧振的可能，會威脅設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。另外，電磁式傳感器和電容分壓式傳感器同時(shí)存在響應(yīng)速度低，頻帶窄，有燃燒和爆炸危險(xiǎn)，模擬信號輸出，后續(xù)信號處理復(fù)雜等問題。近年來隨著光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，基于光纖傳感技術(shù)的光學(xué)電場傳感器和電壓傳感器迅速發(fā)展起來，其能夠有效克服傳統(tǒng)電磁式傳感器和電容分壓式傳感器所固有的缺陷，具有絕緣性好，頻帶寬，響應(yīng)快，無鐵芯，不存在磁飽和，無鐵磁諧振，沒有因充油而潛在的易燃、易爆等危險(xiǎn)，數(shù)字量輸出等優(yōu)點(diǎn)。目前的光學(xué)電壓傳感器根據(jù)其敏感元件可以分為塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器和集成光學(xué)型電壓傳感器。塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器以塊狀電光晶體作為敏感元件測量電壓，其精度高，但光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝，體積較大，不易大規(guī)模生產(chǎn)。集成光學(xué)型電壓傳感器的敏感單元是由刻蝕技術(shù)制成的光波導(dǎo)，所以這種電壓傳感器的靈敏度較高，光路簡單，體積小，但其溫度穩(wěn)定性較差，受直流偏置影響較大，且波導(dǎo)半波電壓較低，無法測量幾百千伏的高壓。目前，關(guān)于集成光學(xué)型電壓傳感器的研究早已在國內(nèi)外展開研究，但是主要集中在馬赫_曾德爾(Mach-Zehnder)干涉型光學(xué)電壓傳感器(文獻(xiàn)[I]:B.Culshaw, J.Dakin.光纖傳感器.李少慧，寧雅農(nóng).武漢:華中理工大學(xué)出版社，1997:5-10)。此類傳感器的測量原理是馬赫-曾德爾干涉儀，敏感元件是鈦擴(kuò)散鈮酸鋰(LiNbO3)襯底的光波導(dǎo)，敏感電場原理為晶體的泡克爾斯效應(yīng)。波導(dǎo)中鈮酸鋰晶體切向?yàn)閄切Y傳型。當(dāng)被測電壓加在傳感器的電極上時(shí)，加在馬赫-曾德爾干涉儀兩臂上的電場方向相反，當(dāng)光通過波導(dǎo)時(shí)，每臂上均發(fā)生泡克爾斯電光效應(yīng)，產(chǎn)生大小相等且方向相反的相移，因此，可通過相移差來推知被測電壓的大小。雖然馬赫-曾德爾型集成光學(xué)電壓傳感器體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是由于X切Y傳鈮酸鋰電場傳感器電光系數(shù)和偏置對溫度十分敏感，所以此類光學(xué)電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性很差，不能工作在全溫環(huán)境下，難以在電力系統(tǒng)中得以應(yīng)用。此前，有日本學(xué)者(文獻(xiàn)[2]:0gawa0., Sowa T., Ichizono S.A guided-waveoptical electric field sensor with improved temperature stability.Journal ofLightwave Technology, 1999，17 (5):823-830.)提出過一種應(yīng)用直波導(dǎo)作為敏感頭的集成光學(xué)電場傳感器。如圖2所此光學(xué)電場傳感器的電場敏感兀件為Y切Z傳TE (橫電波)與TM (橫磁波)模干涉式鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基直波導(dǎo)，波導(dǎo)中只有一條光通路，敏感電場原理為晶體的泡克爾斯(Pockels)電光效應(yīng)?，F(xiàn)有Y切鈮酸鋰直波導(dǎo)型光學(xué)電場傳感器雖然溫度穩(wěn)定性較馬赫-曾德爾型有很大提高，但是其測量電場結(jié)果與波導(dǎo)的TE與TM模固有偏置有很大的相關(guān)性，波導(dǎo)TE與TM模固有偏置同樣受溫度影響，因此它的電場敏感系數(shù)同樣受溫度影響，因此此種電場傳感器在實(shí)際測量中不能夠準(zhǔn)確有效的分離出交變的電場或電壓，限制了其應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有光學(xué)電場傳感器和電壓傳感器存在的光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大、不易大規(guī)模生產(chǎn)、溫度穩(wěn)定性差以及固有偏置受溫度影響等問題，提高電壓測量的靈敏度及穩(wěn)定性，提供了一種準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器。本發(fā)明的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，包括:光源、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏延時(shí)光纖、測量光路、補(bǔ)償光路、光電二極管、信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路和信號輸出與控制接口 ；其中，測量光路包括法拉第旋光器、測量光路光纖和鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元；補(bǔ)償光路包括補(bǔ)償光纖和反射鏡；在實(shí)際測量中，測量光路與補(bǔ)償光路置于被測電場中。光源發(fā)出的偏振光經(jīng)環(huán)形器到達(dá)起偏器，經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光；起偏器與相位調(diào)制器之間的保偏光纖偏振軸以45°對軸熔接或起偏器的保偏光纖偏振軸以45°直接與相位調(diào)制器對軸耦合，線偏振光均分為具有兩個(gè)正交偏振模式的光信號，經(jīng)相位調(diào)制器對光信號的相位進(jìn)行調(diào)制后，光信號的兩正交偏振模式分別沿保偏延時(shí)光纖的快慢軸傳輸后進(jìn)入法拉第旋光器，經(jīng)法拉第旋光器，光信號的兩正交偏振模式分別旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)測量光路光纖入射到鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元，經(jīng)鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元后入射到補(bǔ)償光纖，鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元與補(bǔ)償光纖偏振軸以90°對軸耦合，光信號沿補(bǔ)償光纖傳輸后由反射鏡反射回來，反射回來的光信號再次通過鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元，經(jīng)測量光路光纖再次經(jīng)過法拉第旋光器，光信號的兩正交偏振模式同時(shí)再次旋轉(zhuǎn)45° ,光信號的兩正交偏振模式發(fā)射互換，互換之后光信號的兩正交偏振模式依次經(jīng)保偏延時(shí)光纖和相位調(diào)制器后，在起偏器處發(fā)生干涉，生成的干涉信號通過環(huán)形器傳輸?shù)焦怆姸O管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電信號輸入信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路；信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路對輸入的電信號進(jìn)行處理，由信號輸出與控制接口輸出與電場大小有關(guān)的信號。起偏器與相位調(diào)制器之間、相位調(diào)制器與保偏延時(shí)光纖之間以及保偏延時(shí)光纖與測量光路之間，所采用的光纖為保偏光纖，保偏延時(shí)光纖、測量光路光纖和補(bǔ)償光纖也為保偏光纖。
本發(fā)明的光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器的優(yōu)點(diǎn)與積極效果在于:(I)利用鈮酸鋰晶體的泡克爾斯電光效應(yīng)作為敏感電場的原理，可實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度和測量精度；(2)使用光波導(dǎo)器件作為敏感單元而非塊狀晶體，大大減少了光路空間，便于運(yùn)輸和安裝，易于大規(guī)模生產(chǎn)；(3)光波導(dǎo)使用Y切Z傳的鈮酸鋰晶體基底代替常用的X切Y傳基底，大大提高了波導(dǎo)的溫度穩(wěn)定性；(4)采用準(zhǔn)互易反射式測量結(jié)構(gòu)，提高了電場/電壓測量的精度，顯著提高傳感器對溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素的抗干擾能力；(5)應(yīng)用光纖陀螺的全數(shù)字閉環(huán)信號處理方法，具有動(dòng)態(tài)范圍大，線性度好等優(yōu)點(diǎn)，能夠方便的提取信號的交直流分量，使電場/電壓測量與波導(dǎo)偏置無關(guān)。


圖1是馬赫-曾德爾型集成光學(xué)電壓傳感器測量原理圖；圖2是現(xiàn)有直波導(dǎo)集成光學(xué)電場傳感器測量原理圖；圖3是本發(fā)明的電壓敏感元件波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意4是本發(fā)明的電場/電壓傳感器的整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1-光源；2_環(huán)形器；3_起偏器；4_相位調(diào)制器；5_保偏延時(shí)光纖；6_法拉第旋光器；7-測量光路光纖；8_鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元；9_補(bǔ)償光纖；10-反射鏡；11_光電二極管；12-信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路；13-信號輸出與控制接口。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。針對現(xiàn)有塊狀晶體型光學(xué)電場傳感器和電壓傳感器光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易安裝、體積大等問題，同時(shí)解決目前常見的集成光學(xué)電場傳感器和電壓傳感器溫度穩(wěn)定性差，受直流偏置影響較大等問題，本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器。本發(fā)明方法采用全數(shù)字閉環(huán)負(fù)反饋檢測，具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，較好的線性度，同時(shí)采用數(shù)字濾波技術(shù)，可有效的分離信號中的交直流信號，方便進(jìn)行溫補(bǔ)和交變電場/電壓的測量，對信號進(jìn)行高效的檢測和控制。閉環(huán)檢測方案的原理是:在方波調(diào)制的基礎(chǔ)上引入階梯波反饋，在參與干涉的兩正交線偏振光波之間引入一個(gè)與Pockels相移2 δ大小相等、方向相反的相位差，用來抵消Pockels相移，使系統(tǒng)始終工作在零相位附近，提高了系統(tǒng)的檢測靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。如圖4所示，本發(fā)明提供的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器包括如下部件:光源1、環(huán)形器2、起偏器3、相位調(diào)制器4、保偏延時(shí)光纖5、測量光路、補(bǔ)償光路、光電二極管11、信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路12、信號輸出與控制接口 13。其中，測量光路包括法拉第旋光器6、測量光路光纖7和鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8 ;補(bǔ)償光路包括補(bǔ)償光纖9和反射鏡10。在實(shí)際測量中，測量光路與補(bǔ)償光路置于被測電場中。光源I通過光纖連接環(huán)形器2 ;環(huán)形器2通過光纖連接起偏器3和光電二極管11 ；起偏器3和相位調(diào)制器4之間的保偏光纖偏振軸以45°對軸熔接或起偏器3的保偏光纖偏振軸以45°直接與相位調(diào)制器4對軸耦合；相位調(diào)制器4還通過光纖連接保偏延時(shí)光纖
5;保偏延時(shí)光纖5通過光纖依次連接測量光路和補(bǔ)償光路。具體地，保偏延時(shí)光纖5通過光纖連接測量光路的法拉第旋光器6 ;法拉第旋光器6再通過測量光路光纖7，與鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8的一端進(jìn)行耦合；鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8的另一端與補(bǔ)償光纖9偏振軸以90°對軸耦合，并通過補(bǔ)償光纖9連接反射鏡10。信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路12通過電線連接光源I為其提供驅(qū)動(dòng)電流，通過電線控制相位調(diào)制器4的調(diào)制信號，同時(shí)通過電線連接信號輸出與控制接口 13。起偏器3與相位調(diào)制器4之間，相位調(diào)制器4與保偏延時(shí)光纖5之間，保偏延時(shí)光纖5與測量光路之間，所采用的光纖必須為保偏光纖，保偏延時(shí)光纖5、測量光路光纖7和補(bǔ)償光纖9也必須為保偏光纖。鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8采用基于鈦擴(kuò)散技術(shù)的Y切Z傳鈮酸鋰基直波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)如圖3所示，以Y切Z傳鈮酸鋰為襯底，波導(dǎo)由鈦擴(kuò)散技術(shù)制作，波導(dǎo)由鈦擴(kuò)散技術(shù)制作；波導(dǎo)為一條通路的直波導(dǎo)，波導(dǎo)兩端直接和光纖進(jìn)行耦合，測量光路光纖7的偏振軸與波導(dǎo)的偏振軸對軸耦合，補(bǔ)償光纖9的偏振軸與波導(dǎo)快的偏振軸以90°對軸耦合，傳感單元直接以光纖輸出?，F(xiàn)有如圖2所示的直波導(dǎo)電場傳感器的波導(dǎo)兩側(cè)通過起偏器和檢偏器控制進(jìn)入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的光信號，其光信號在波導(dǎo)中只沿一個(gè)方向傳輸。本發(fā)明中由于反射鏡10的存在，光在波導(dǎo)中來回傳輸，同時(shí)去除了起偏器和檢偏器，整個(gè)器件直接由光纖輸出，對光路穩(wěn)定性有很大提聞。測量光路光纖7和鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8雙折射差產(chǎn)生的光程與補(bǔ)償光纖9產(chǎn)生的光程相等，以實(shí)現(xiàn)光路的互易性。保偏延時(shí)光纖5為一段長度150 300米之間的保偏光纖,作用是對光路產(chǎn)生一定的延時(shí)，構(gòu)建合理的光渡越時(shí)間，以利于后續(xù)信號處理。光源I發(fā)出的部分偏振光經(jīng)環(huán)形器2到達(dá)起偏器3，經(jīng)起偏器3后變?yōu)榫€偏振光。起偏器3和相位調(diào)制器4之間的保偏光纖偏振軸以45°對軸熔接或起偏器的保偏光纖偏振軸以45°直接與相位調(diào)制器對軸稱合,則線偏振光均分為具有兩個(gè)正交偏振模式的光信號。經(jīng)過相位調(diào)制器4對光信號的相位進(jìn)行調(diào)制后，光信號的兩正交偏振模式分別沿著保偏延時(shí)光纖5的快慢軸傳輸后進(jìn)入法拉第旋光器6。經(jīng)法拉第旋光器6,光信號的兩正交偏振模式分別旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)測量光路光纖7入射到鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8，經(jīng)鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8后入射到補(bǔ)償光纖9，因?yàn)殁壦徜囍辈▽?dǎo)傳感單元8與補(bǔ)償光纖9以90°對軸耦合，所以此時(shí)的光信號快慢軸發(fā)生互換，對測量光路光纖7中的信號進(jìn)行補(bǔ)償。最后光信號由反射鏡10反射回來，再次通過鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元8，泡克爾斯相移被加倍。返回光再次經(jīng)過法拉第旋光器6，兩正交偏振模式同時(shí)再次旋轉(zhuǎn)45°，此時(shí)的光信號的兩正交偏振模式與入射時(shí)相比，發(fā)生模式互換，互換之后光信號的兩正交偏振模式經(jīng)保偏延時(shí)光纖5、相位調(diào)制器4后在起偏器3處發(fā)生干涉，干涉信號通過環(huán)形器2傳輸?shù)焦怆姸O管11進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，之后進(jìn)入信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路12進(jìn)行信號處理，信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路12 —方面根據(jù)目前的信號狀況產(chǎn)生一個(gè)電壓加到相位調(diào)制器4上使光路中的光信號產(chǎn)生一個(gè)相移，抵消光路中兩正交偏振光產(chǎn)生的相差，另一方面輸出與兩正交偏振光相差相關(guān)的信號，通過信號輸出與控制接口 13輸出給計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備。測量光路中采用基于鈦擴(kuò)散技術(shù)的Y切Z傳鈮酸鋰基直波導(dǎo)作為電場敏感元件，利用其泡克爾斯電光效應(yīng)敏感外加電場，實(shí)現(xiàn)電場/電壓測量。補(bǔ)償光路末端通過反射鏡10形成反射式結(jié)構(gòu)，使得光信號再次通過測量光路時(shí)電光效應(yīng)被加倍，是透射式的兩倍，提高了電場/電壓測量的靈敏度。測量光路和補(bǔ)償光路中采用兩段相同的保偏光纖傳輸光信號。補(bǔ)償光路與測量光路末端鈮酸鋰直波導(dǎo)的輸出端進(jìn)行90°對軸耦合，正交偏振模式發(fā)生互換，由此可以消除傳輸光纖中由電場引起的相位誤差。由于非互易器件法拉第旋光器6的引入，使得參與干涉的兩正交偏振模式往返兩次通過后發(fā)生傳輸偏振軸互換，即正向傳輸時(shí)的X偏振模式反向傳輸時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)镮偏振模式，正向傳輸時(shí)的I偏振模式反向傳輸時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閄偏振模式。因此，整個(gè)光路中兩正交偏振模式經(jīng)過相同的光程，構(gòu)成光纖傳導(dǎo)和波導(dǎo)傳感的準(zhǔn)互易反射式光路，提高了光路結(jié)構(gòu)的抗干擾能力。整個(gè)系統(tǒng)的電路部分采用的是與光纖陀螺類似的信號處理電路。信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路12中包括電源驅(qū)動(dòng)控制模塊和信號處理電路，電源驅(qū)動(dòng)控制模塊用于控制光源I發(fā)出光信號；信號處理電路對電信號進(jìn)行濾波、放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)運(yùn)算，求解出待測電壓值，并以數(shù)字信號的形式通過信號輸出與控制接口 13發(fā)送給與之相連的計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備，此外，信號處理電路根據(jù)當(dāng)前信號狀況控制相位調(diào)制器4將光信號隨時(shí)調(diào)制到監(jiān)測的敏感位置上，使光路中的光信號產(chǎn)生一個(gè)相移，抵消光路中兩正交偏振光產(chǎn)生的相差。光源I可以采用超輻射發(fā)光二極管(SLD)或摻鉺光纖光源等。所使用的保偏光纖可以是熊貓光纖、領(lǐng)結(jié)光纖等。對于傳統(tǒng)的電磁式和電容式電壓傳感器，本發(fā)明有著很大的優(yōu)勢。由于電磁式和電容式電壓傳感器自身結(jié)構(gòu)原因，會存在磁飽和，鐵磁諧振等問題，而本發(fā)明為光學(xué)系統(tǒng)，光纖及波導(dǎo)等光器件本身是絕緣體，系統(tǒng)工作時(shí)不帶電，不受電磁影響，光能量微弱，不存在安全隱患，故傳感器可用于惡劣電磁環(huán)境下。塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器需要由透鏡、起偏器、檢偏器等組成光學(xué)系統(tǒng)和復(fù)雜的透鏡耦合系統(tǒng)，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝，體積較大，不易大規(guī)模生產(chǎn)。而本發(fā)明的傳感部分由光波導(dǎo)制成，傳感部分可直接耦合進(jìn)光纖，解決了塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器的諸多缺點(diǎn)，具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有更高的穩(wěn)定性。馬赫-曾德爾型集成光學(xué)電壓傳感器應(yīng)用的光波導(dǎo)為X切Y傳型光波導(dǎo)，此種傳感頭受溫度影響很大，不能應(yīng)用在全溫環(huán)境下。本發(fā)明中電場敏感元件為Y切Z傳型鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基直波導(dǎo)，波導(dǎo)中只有一條光通路，如圖3所示，敏感電場原理為晶體的泡克爾斯效應(yīng)。此種設(shè)計(jì)解決了常用的馬赫-曾德爾型光學(xué)電壓傳感器的溫度穩(wěn)定性差等問題，同時(shí)也對光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)作了簡化。相對現(xiàn)有的直波導(dǎo)型光學(xué)電場傳感器，本發(fā)明解決了其測量受波導(dǎo)偏置影響較大的問題。由于本發(fā)明利用的是較成熟的光纖陀螺的全數(shù)字閉環(huán)處理方法，具有動(dòng)態(tài)范圍大，線性度好等優(yōu)點(diǎn)，能方便采用數(shù)字濾波技術(shù)，濾出信號中的直流分量與交流分量。其中直流分量為波導(dǎo)的偏置，與溫度相關(guān)，可以用于測溫，溫補(bǔ)等；交流分量與交變電場/電壓相關(guān)，可以用于電場或電壓的測量。所以本發(fā)明由于應(yīng)用了全數(shù)字閉環(huán)處理方案，交變電場的測量與波導(dǎo)的固有偏置無關(guān)，解決了現(xiàn)有直波導(dǎo)型光學(xué)電場傳感器交變電場測量與波導(dǎo)固有偏置有關(guān)的問題。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，包括:光源、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏延時(shí)光纖、測量光路、補(bǔ)償光路、光電二極管、信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路和信號輸出與控制接口 ；其中，測量光路包括法拉第旋光器、測量光路光纖和鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元；補(bǔ)償光路包括補(bǔ)償光纖和反射鏡；在實(shí)際測量中，測量光路與補(bǔ)償光路置于被測電場中； 光源發(fā)出的偏振光經(jīng)環(huán)形器到達(dá)起偏器，經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€偏振光；起偏器和相位調(diào)制器之間的保偏光纖偏振軸以45°對軸熔接或起偏器的保偏光纖偏振軸以45°直接與相位調(diào)制器對軸耦合，之后線偏振光均分為具有兩個(gè)正交偏振模式的光信號，經(jīng)相位調(diào)制器對光信號的相位進(jìn)行調(diào)制后，光信號的兩正交偏振模式分別沿保偏延時(shí)光纖的快慢軸傳輸后進(jìn)入法拉第旋光器，經(jīng)法拉第旋光器，光信號的兩正交偏振模式分別旋轉(zhuǎn)45°，再經(jīng)測量光路光纖入射到鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元，經(jīng)鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元后入射到補(bǔ)償光纖，鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元與補(bǔ)償光纖偏振軸以90°對軸耦合，光信號沿補(bǔ)償光纖傳輸后由反射鏡反射回來，反射回來的光信號再次通過鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元，經(jīng)測量光路光纖再次經(jīng)過法拉第旋光器，光信號的兩正交偏振模式同時(shí)再次旋轉(zhuǎn)45° ,光信號的兩正交偏振模式發(fā)射互換，互換之后光信號的兩正交偏振模式依次經(jīng)保偏延時(shí)光纖和相位調(diào)制器后，在起偏器處發(fā)生干涉，生成的干涉信號通過環(huán)形器傳輸?shù)焦怆姸O管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電信號輸入信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路；信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路對輸入的電信號進(jìn)行處理，將處理結(jié)果通過信號輸出與控制接口輸出； 起偏器與相位調(diào)制器之間、相位調(diào)制器與保偏延時(shí)光纖之間以及保偏延時(shí)光纖與測量光路之間，所采用的光纖為保偏光纖，保偏延時(shí)光纖、測量光路光纖和補(bǔ)償光纖也為保偏光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，所述的鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元，以Y切Z傳鈮酸鋰為襯底，波導(dǎo)由鈦擴(kuò)散技術(shù)制作；波導(dǎo)為一條通路的直波導(dǎo)，波導(dǎo)兩端直接和光纖進(jìn)行耦合，測量光路光纖的偏振軸與波導(dǎo)的偏振軸對軸稱合，補(bǔ)償光纖的偏振軸與波導(dǎo)的偏振軸以90°對軸f禹合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，測量光路光纖和鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元雙折射差產(chǎn)生的光程與補(bǔ)償光纖產(chǎn)生的光程相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，所述的保偏延時(shí)光纖為一段長度150 300米的保偏光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，所述的信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路，包括用于控制光源發(fā)出光信號的電源驅(qū)動(dòng)控制模塊，以對電信號進(jìn)行處理的信號處理電路，信號處理電路對電信號進(jìn)行濾波、放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換后求解待測電壓，同時(shí)信號處理電路根據(jù)當(dāng)前信號狀況控制相位調(diào)制器將光信號隨時(shí)調(diào)制到監(jiān)測的敏感位置上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，其特征在于，所述的光源采用超輻射發(fā)光二極管或摻鉺光纖光源。
全文摘要
本發(fā)明是一種準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場/電壓傳感器，包括光源、環(huán)形器、起偏器、相位調(diào)制器、保偏延時(shí)光纖、測量光路、補(bǔ)償光路、光電二極管、信號處理及光源驅(qū)動(dòng)電路和信號輸出與控制接口。起偏器與相位調(diào)制器之間的保偏光纖偏振軸以45°對軸熔接，測量光路的鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元與補(bǔ)償光路的補(bǔ)償光纖以90°對軸耦合。參與干涉的兩正交偏振模式往返兩次通過光路時(shí)發(fā)生模式互換，且經(jīng)過相同的光程，構(gòu)成光纖傳導(dǎo)和波導(dǎo)傳感的準(zhǔn)互易反射式光路。本發(fā)明利用鈮酸鋰晶體的泡克爾斯電光效應(yīng)對光相位進(jìn)行調(diào)制，實(shí)現(xiàn)電場/電壓測量，具有較高的靈敏度和測量精度，能有效地分離出被測電壓的交直流分量，減少光路空間，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號G01R29/12GK103207318SQ201310076620
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者楊德偉, 劉汐敬, 于佳, 姜一真 申請人:北京航空航天大學(xué)