專利名稱：一種高穩(wěn)定度的光纖電壓傳感頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及到光纖電壓傳感器，適用于電力系統(tǒng)中氣體絕緣變電站的電壓監(jiān)測(cè)及計(jì)量部門，科研單位對(duì)各種交流及脈沖電壓的測(cè)量。
傳光型光纖電壓傳感器是利用一些晶體(如石英晶體)的普克爾效應(yīng)(即一次電光效應(yīng))對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量的。附圖1是傳光型光纖電壓傳感頭的原理框圖，1－1是起偏器、1－2是石英晶體、1－3是檢偏器。在石英晶體1－2的X方向加上電壓。起偏器1－1將入射光變成線偏振光，當(dāng)與X軸方向成45°角的線偏振光進(jìn)入石英晶體1－2后，垂直分量和平行分量偏振光的位相差隨所加電壓大小而變化，光的偏振態(tài)也隨之改變，通過檢偏器1－3后的光強(qiáng)也發(fā)生變化，根據(jù)光強(qiáng)的這種變化可測(cè)得所加電壓的大小。檢偏器輸出光強(qiáng)Io與入射到晶體的光強(qiáng)Ii之比稱為透過率TT＝Io／Ii＝Sin2(πV／2Vπ)式中V為加在石英晶體上的電壓，Vπ為晶體的半波電壓，透過率T隨外加電壓V的變化曲線如附圖2中A曲線所示。
若測(cè)量交流電壓V＝VoSinωst，則T＝Sin2(π／2 (VoSinωst)/(Vπ) )透過率T隨VoSinωst的變化如附圖2B曲線所示。
為使上述這種電壓傳感器工作在線性區(qū)，通常采用光學(xué)偏置方法，即在石英晶體與檢偏器之間插入一塊由石英晶體制成的四分之一波長的位相延遲片，如附圖3所示，3－1是起偏器、3－2是石英晶體、3－3是1／4波片、3－4是檢偏器。1／4波片3－3使垂直于主平面與平行于主平面的兩偏振分量存在π／2位相差，把電壓傳感器的工作點(diǎn)從O點(diǎn)移至P點(diǎn)，透過率T隨VoSinωst的變化如附圖2的曲線C所示。這種采用石英晶體做多級(jí)位相延遲片予置π／2位相差的方法存在的不足之處是位相延遲片對(duì)溫度較敏感，例如1.973毫米厚的石英位相延遲片(在6328埃，干涉級(jí)次N＝28.25)溫度每增加1℃，位相延遲要減小1.03°，即電壓傳感器的工作點(diǎn)隨溫度的變化而變化，這不僅影響測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，嚴(yán)重時(shí)，還將影響線性測(cè)量范圍，致使傳光型電壓傳感器不能實(shí)際應(yīng)用。
本實(shí)用新型的目的是為了提高傳光型光纖電壓傳感器的測(cè)量穩(wěn)定性而設(shè)計(jì)的一種穩(wěn)定性高，便于實(shí)用的傳光型光纖電壓傳感頭。
本實(shí)用新型的技術(shù)要點(diǎn)是采用一個(gè)直角棱鏡代替1／4波片，使光經(jīng)棱鏡兩直角面反射后垂直入射面與平行入射面的兩偏振分量位相差接近π／2，起偏器和檢偏器置于電光晶體一側(cè)，而直角棱鏡置于電光晶體另一側(cè)。
本實(shí)用新型的工作原理是光通過棱鏡全反射時(shí)，垂直于入射面與平行入射面的兩個(gè)偏振分量將產(chǎn)生位相差，其位相延持如下式所示
式中δ11和δ
分別為平行分量和垂直分量的相位變化，n為兩種介質(zhì)折射率n1，n2之比值，即n＝n2／n1(n2＜n1)，θ1為光從折射率為n1的介質(zhì)進(jìn)入折射率為n2的介質(zhì)時(shí)的入射角。據(jù)上式可見，選擇合適的材料作直角棱鏡，當(dāng)光垂直入射E面時(shí)，便可使光在直角面F上反射一次所引起的位相差(δ11－δ
)接近π／4，經(jīng)棱鏡兩直角面F、S反射就可使兩偏振分量位相差接近π／2。直角棱鏡可用各向同性的玻璃材料制成，折射率與溫度變化無關(guān)，所以，本實(shí)用新型的穩(wěn)定性不受溫度影響。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是1.消除了采用晶體材料作多級(jí)位相延遲片時(shí)，溫度變化對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度及測(cè)量范圍的影響；2.縮短光路，提高了調(diào)制度，避免入射光的發(fā)散對(duì)位相延遲片的影響；3.光經(jīng)全反射直角棱鏡，兩次經(jīng)過電光晶體，可消除某些電光晶體(如石英)旋光效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響；4.減少元件簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。
附圖4是本實(shí)用新型的實(shí)施例它由起偏器4－1、石英晶體4－2、直角棱鏡4－3、檢偏器4－4組成。入射光束通過起偏器4－1起偏，產(chǎn)生振動(dòng)方向平行于石英晶體X方向的線偏振光進(jìn)入石英晶體4－2，當(dāng)石英晶體未加電壓時(shí)(即靜態(tài))，不產(chǎn)生雙折射，即光的偏振態(tài)不發(fā)生變化。將直角棱鏡4－3在垂直于入射光束的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)一角度，使入射到直角棱鏡4－3的線偏振光的振動(dòng)方向與入射面成45°，則可使平行和垂直入射面的兩偏振分量經(jīng)兩次全反射產(chǎn)生π／2位相差，從直角棱鏡4－3出射的光為圓偏振光，即實(shí)現(xiàn)了將靜態(tài)工作點(diǎn)從O點(diǎn)移至P點(diǎn)。當(dāng)石英晶體4－2在X方向加上電壓時(shí)，石英晶體4－2出射光的偏振態(tài)隨所加電壓變化，經(jīng)檢偏器4－4輸出光強(qiáng)隨偏振態(tài)不同而變化。起偏器4－1和檢偏器4－4的透振方向可取平行位置，亦可取正交位置。


附圖1是傳光型光纖電壓傳感頭的原理框圖。
1－1起偏器1－2石英晶體1－3檢偏器附圖2是石英晶體的電光特性曲線A是透射率T隨電壓V變化的曲線(靜態(tài))B是傳感器工作點(diǎn)在O點(diǎn)時(shí)，透射率T隨電壓VoSinωst變化的曲線C是傳感器工作點(diǎn)在P點(diǎn)時(shí)，透射率T隨電壓VoSinωst變化的曲線V為石英晶體的半波電壓附圖3是帶有1／4波片的傳光型光纖電壓傳感頭結(jié)構(gòu)框圖3－1起偏器3－2石英晶體3－31／4波片3－4檢偏器附圖4是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)框圖4－1起偏器4－2石英晶體
4－3直角棱鏡4－4檢偏器E光垂直入射棱鏡面F棱鏡直角面S棱鏡直角面
權(quán)利要求1.一種傳光型光纖電壓傳感頭，由起偏器、電光晶體、檢偏器構(gòu)成，其特征在于采用一個(gè)直角棱鏡，使光經(jīng)棱鏡的兩直角面反射后垂直入射面與平行入射面的兩偏振分量位相差接近π/2，所說的起偏器和檢偏器置于電光晶體一側(cè)，而直角棱鏡則置于電光晶體的另一側(cè)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及到光纖電壓傳感器，適用于電力系統(tǒng)中氣體絕緣變電站的電壓監(jiān)測(cè)及計(jì)量部門、科研單位對(duì)各種交流及脈沖電壓的測(cè)量。本實(shí)用新型采用直角棱鏡代替位相延遲片，消除了溫度對(duì)電壓傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度和測(cè)量范圍影響并簡化結(jié)構(gòu)，適于實(shí)用。
文檔編號(hào)G01R19/00GK2047386SQ89203119
公開日1989年11月8日 申請(qǐng)日期1989年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1989年3月23日
發(fā)明者姚敏玉 申請(qǐng)人:清華大學(xué)