基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光電式交直流電壓傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 長(zhǎng)期以來(lái)，電力系統(tǒng)中計(jì)量和保護(hù)設(shè)備所需的一次側(cè)電壓信號(hào)主要由傳統(tǒng)的互感 器（主要包括電磁式電壓互感器和電容分壓式電壓互感器）提供。雖然傳統(tǒng)互感器在很 長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)滿足了電力系統(tǒng)發(fā)展的要求，然而隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，發(fā)電和輸變電 容量的不斷增加，電網(wǎng)電壓等級(jí)的不斷提高，傳統(tǒng)的電磁式互感器已經(jīng)越來(lái)越難以滿足現(xiàn) 代電力系統(tǒng)的發(fā)展要求了，它存在很多缺點(diǎn)：1)絕緣難度大，體積笨重，隨著電壓等級(jí)的提 升，其結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，造價(jià)隨電壓等級(jí)呈指數(shù)關(guān)系上升；2)動(dòng)態(tài)范圍小，響應(yīng)頻帶窄；3)由 于電壓互感器存在鐵芯，故可能導(dǎo)致鐵磁諧振，影響設(shè)備安全；4)信號(hào)的傳輸過(guò)程中也會(huì) 受到電磁干擾的影響，從而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確；5)易燃易爆，存在安全隱患。
[0003]某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性，物質(zhì)的折射率因 外加電場(chǎng)而發(fā)生變化的現(xiàn)象為電光效應(yīng).電光效應(yīng)包括泡克耳斯（Pockels)效應(yīng)和克爾 (Kerr)效應(yīng)。
[0004]隨著先進(jìn)的光學(xué)技術(shù)和材料及通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，近些年已經(jīng)有許多新課題開(kāi) 始著手對(duì)新型無(wú)源光纖電壓傳感器進(jìn)行研究，這類光纖電壓傳感器具有測(cè)量精度高，響應(yīng) 頻帶寬，抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但由于各種加工技術(shù)和材料技術(shù)的限制，將其作用于實(shí) 際高壓電網(wǎng)中過(guò)電壓的直接測(cè)量實(shí)現(xiàn)難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳 感器，不受環(huán)境溫度變化影響，測(cè)量精度高，信號(hào)傳輸簡(jiǎn)便，安全性高，在測(cè)量點(diǎn)不需要電源 供應(yīng)，光纖信號(hào)傳輸過(guò)程中不受電磁干擾。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0007]基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，包括激光源、傳感器組件、傳輸光 纖、光電探測(cè)器和后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)；所述傳感器組件包括沿光路依次設(shè)置的激光準(zhǔn)直器 I、起偏器、1/4波片、晶體、檢偏器和激光準(zhǔn)直器II，所述晶體為Pockels效應(yīng)晶體；所述激 光源輸出激光光束，通過(guò)傳輸光纖親合至激光準(zhǔn)直器I的輸入端，所述激光準(zhǔn)直器II輸出 端通過(guò)傳輸光纖耦合至光電探測(cè)器的輸入端；所述晶體為長(zhǎng)方體，以長(zhǎng)度方向?yàn)橥ü夥较颍?晶體與通光方向垂直的上表面和下表面鍍有作為檢測(cè)電極的金屬層；用于加載待測(cè)電壓， 電壓方向與通光方向垂直；所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)獲得待測(cè)電 壓。
[0008]進(jìn)一步，起偏器起偏方向與鈮酸鋰晶體通光方向呈45°夾角，檢偏器方向與起偏 器垂直，1/4波片波片的光軸方向與鈮酸鋰晶體通光方向平行。
[0009]進(jìn)一步，所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)由下式獲得待測(cè)電壓V:
[0010]
[0011] 上式中，A為激光源輸出激光波長(zhǎng)，n。為激光在鈮酸鋰晶體中的尋常光折射率，r22 為鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)，1為晶體沿通光方向的長(zhǎng)度，d為晶體沿電壓施加方向的厚度，I 為輸出激光光強(qiáng)，I。為輸入激光光強(qiáng)。
[0012] 進(jìn)一步，所述Pockels效應(yīng)晶體為銀酸鋰晶體。
[0013] 進(jìn)一步，所述起偏器為偏振分光棱鏡。
[0014] 本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 1.通過(guò)光電轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)交直流電壓測(cè)量，具有響應(yīng)頻帶寬、測(cè)量精度高的特點(diǎn)。
[0016] 2.采用光纖進(jìn)行信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸系統(tǒng)的光電隔離。
[0017] 3.通過(guò)優(yōu)化傳感器探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用電光系數(shù)較大且靈敏度較高的鈮酸鋰 晶體作為敏感，使得傳感器可以尺寸非常小。
[0018] 4.基于Pockels效應(yīng)，利用鈮酸鋰晶體Z向通光，X向加電壓研制而成，具有受環(huán) 境溫度影響極小，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。
[0019] 5.尺寸小，便于攜帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于安裝拆卸，在測(cè)量點(diǎn)不需要電源供應(yīng)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1示出了基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021] 圖2示出了傳感器組件中部分光路的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方 式作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0023] 參見(jiàn)圖1、2,本實(shí)施例的基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，包括激光 源7、傳感器組件、傳輸光纖、光電探測(cè)器8和后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)9 ;所述傳感器組件包括沿 光路依次設(shè)置并封裝在一起的激光準(zhǔn)直器I1、起偏器2、1/4波片3、晶體4、檢偏器5和激 光準(zhǔn)直器II6,所述晶體4為鈮酸鋰晶體；所述激光源7輸出激光光束，通過(guò)傳輸光纖耦合 至激光準(zhǔn)直器I1的輸入端，所述激光準(zhǔn)直器II6輸出端通過(guò)傳輸光纖耦合至光電探測(cè)器 8的輸入端；所述晶體3為Pockels效應(yīng)晶體，優(yōu)選為鈮酸鋰晶體，所述晶體3為長(zhǎng)方體， 以長(zhǎng)度方向?yàn)橥ü夥较颍w與通光方向垂直的上表面和下表面鍍有作為檢測(cè)電極的金屬 層，用于加載待測(cè)電壓，電壓方向與通光方向垂直；以通光方向?yàn)閆軸，則外施電壓方向?yàn)閄 軸；沿Z軸方向通光的優(yōu)點(diǎn)在于不存在自然雙折射，溫度對(duì)其影響很?。凰龊蠹?jí)信號(hào)處理 系統(tǒng)通過(guò)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)獲得待測(cè)電壓。
[0024] 起偏器起偏方向與Z軸方向呈45°夾角，檢偏器方向與起偏器垂直，1/4波片光軸 方向與晶體通光方向平行。
[0025] 所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)由下式獲得待測(cè)電壓V:
[0026]
[0027] 上式中，X為激光源輸出激光波長(zhǎng)，nci為激光在鈮酸鋰晶體中的尋常光折射率，r22 為鈮酸鋰晶體的電光系數(shù)，1為晶體沿通光方向的長(zhǎng)度，d為晶體沿電壓施加方向的厚度，I 為輸出激光光強(qiáng)，I。為輸入激光光強(qiáng)。
[0028] 最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技 術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本 發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于化Ckels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其特征在于：包括激光源、傳感器組 件、傳輸光纖、光電探測(cè)器和后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)；所述傳感器組件包括沿光路依次設(shè)置的激 光準(zhǔn)直器I、起偏器、1/4波片、晶體、檢偏器和激光準(zhǔn)直器II，所述晶體為化Ckels效應(yīng)晶 體；所述激光源輸出激光光束，通過(guò)傳輸光纖禪合至激光準(zhǔn)直器I的輸入端，所述激光準(zhǔn)直 器II輸出端通過(guò)傳輸光纖禪合至光電探測(cè)器的輸入端；所述晶體為長(zhǎng)方體，W長(zhǎng)度方向?yàn)?通光方向，晶體與通光方向平行的上表面和下表面鍛有作為檢測(cè)電極的金屬層；用于加載 待測(cè)電壓，電壓方向與通光方向垂直；所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)光電探測(cè)器輸出的信號(hào) 獲得待測(cè)電壓。2. 如權(quán)利要求1所述的基于化Ckels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其特征在于： 起偏器起偏方向與妮酸裡晶體通光方向呈45°夾角，檢偏器方向與起偏器垂直，1/4波片 的光軸方向與妮酸裡晶體通光方向平行。3. 如權(quán)利要求2所述的基于化Ckels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其特征在于： 所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)由下式獲得待測(cè)電壓V:上式中，A為激光源輸出激光波長(zhǎng)，n。為激光在妮酸裡晶體中的尋常光折射率，r22為 妮酸裡晶體的電光系數(shù)，1為晶體沿通光方向的長(zhǎng)度，d為晶體沿電壓施加方向的厚度，I為 輸出激光光強(qiáng)，I。為輸入激光光強(qiáng)。4. 如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的基于化Ckels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其 特征在于：所述化Ckels效應(yīng)晶體為妮酸裡晶體。5. 如權(quán)利要求4所述的基于化ckels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其特征在于： 所述起偏器為偏振分光棱鏡。
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種基于Pockels效應(yīng)的光電式交直流電壓傳感器，其不受環(huán)境溫度變化影響，測(cè)量精度高，信號(hào)傳輸簡(jiǎn)便，安全性高，在測(cè)量點(diǎn)不需要電源供應(yīng)，光纖信號(hào)傳輸過(guò)程中不受電磁干擾；包括激光源、傳感器組件、傳輸光纖、光電探測(cè)器和后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)；所述傳感器組件包括沿光路依次設(shè)置的激光準(zhǔn)直器Ⅰ、起偏器、1/4波片、晶體、檢偏器和激光準(zhǔn)直器Ⅱ；所述晶體為長(zhǎng)方體，以長(zhǎng)度方向?yàn)橥ü夥较颍w與通光方向垂直的上表面和下表面鍍有作為檢測(cè)電極的金屬層；用于加載待測(cè)電壓，電壓方向與通光方向垂直；所述后級(jí)信號(hào)處理系統(tǒng)通過(guò)光電探測(cè)器輸出的信號(hào)獲得待測(cè)電壓。
【IPC分類】G01R19/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105203828
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510603594
【發(fā)明人】楊慶, 韓睿, 孫尚鵬, 司馬文霞, 袁濤, 劉通, 何彥宵
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年9月21日