[發明專利]縱向調制光學電壓傳感器

有效

• 申請號: 201110318747.8
• 申請日: 2011-10-19
• 公開（公告）號: CN102426281A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 郭志忠;張國慶;于文斌;周穎;申巖;路忠峰;王貴忠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學;北京許繼電力光學技術有限公司
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 張宏威

技術領域

本發明涉及一種電壓傳感器，具體涉及一種縱向調制光學電壓傳感器。

背景技術

在電力系統中，電壓互感器是取得計量數據和對電力系統作業保護不可缺少的設備，近年來，隨著電力系統電壓等級的提高，傳統式電壓互感器的缺陷日益突顯，已無法滿足需要，而光學電壓互感器作為一種可替代的技術備受關注。光學電壓互感器體積小、重量輕、頻帶寬、動態范圍大、數字輸出、容量不受限制且便于與計算機相連，它沒有鐵磁飽和現象，不僅能測量穩態交流電壓，還可測量直流或交直流混合的暫態電壓，此外，光學電壓互感器還具有絕緣性好、抗干擾能力強、測量靈敏度好、精確度高等優點。本發明涉及的光學電壓傳感器是光學電壓互感器實現測量的核心部件，其性能直接影響互感器的性能。

光學電壓傳感器是利用電光調制晶體的Pockels效應來實現電壓測量的。Pockels效應是指在某些晶體上施加外電場時，晶體的折射率會發生變化，這種折射率變化引起的光學效應可以通過偏光干涉的方法精確地測量出來，從而達到測量電壓的目的。基于Pockels效應的光學電壓傳感器有兩種調制方式，一種為橫向調制(即光傳播方向與電場所加方向垂直)，另一種為縱向調制(即光傳播方向與電場所加方向一致)。橫向調制的光束傳播不會被電極衰減，電極材料好選擇，傳感器的結構比較簡單，因此應用廣泛，但其缺點是存在自然雙折射引起的附加相位差，這個相位差易受外界溫度變化的影響，從而降低傳感器的工作穩定性，同時，外電場的干擾和極間電場分布的不均勻也會降低傳感器的測量精度。相對而言，縱向調制的自然雙折射比橫向調制小許多，傳感器受溫度變化的影響比橫向調制要小，并且，根據兩點間電位差就是電場強度沿任意路徑的線積分的定義，縱向調制兩電極之間的電壓與電場的分布無關，外電場的干擾和極間電場分布的不均勻都不會對電壓測量造成影響，但是，由于縱向調制的通光方向與施加電壓方向一致，要求電極同時具備良好的導電性和較高的透光率，然而對大多數材料來說，這兩個要求是矛盾的，因此，透明電極的制作成為阻礙縱向調制發展的主要原因。本發明通過在電光調制晶體通光表面蒸鍍氧化銦錫透明導電薄膜(ITO)的方法解決了這一問題，該薄膜具有如下特點：導電性能好，電阻率小于10^-5Ω·m，光透過率高，可大于85％，附著力強，穩定性較好，ITO薄膜是當今研究和應用最廣泛的透明導電膜，已經發展得比較成熟，實現了商業化，容易取得，此外，本發明的結構設計合理，各光學元件按光路要求定位準確，傳感器的插入損耗值低，同時，本發明的絕緣設計滿足要求，使傳感器具備足夠的耐電強度，并留有較大裕度。

發明內容

本發明的目的是提供一種縱向調制光學電壓傳感器，它為了解決現有技術中測量精度易受外電場干擾和極間電場分布不均勻的影響以及溫度變化時傳感器工作穩定性降低的缺點。

它包括第一光纖準直器1、第二光纖準直器9、第三光纖準直器10、帶波片偏振棱鏡2、偏振分光棱鏡3、BGO晶體4、第一金屬電極5、第二金屬電極6、第一電極引線7和第二電極引線8。

按光通過的順序沿直線同軸布置著第一光纖準直器1、帶波片偏振棱鏡2、第一金屬電極5、BGO晶體4、第二金屬電極6、偏振分光棱鏡3和第二光纖準直器9，在偏振分光棱鏡3處與上述直線垂直布置著第三光纖準直器10，所述帶波片偏振棱鏡2由起偏棱鏡和四分之一波片膠合而成，其中，起偏棱鏡的透振方向與四分之一波片的快慢軸成45度夾角，所述偏振分光棱鏡3的透振方向與帶波片偏振棱鏡2中起偏棱鏡的透振方向平行或垂直，所述BGO晶體4沿(001)，(100)，(010)晶面切割，其中兩個(001)面為通光面，其上鍍有透明導電膜，透明導電膜進一步通過導電膠與第一金屬電極5和第二金屬電極6粘接，第一金屬電極5的中心位置開有第一透光孔5-1，上端焊接第一電極引線7，第二金屬電極6的中心位置開有第二透光孔6-1，上端焊接第二電極引線8，光束可以無遮擋地從第一透光孔5-1和第二透光孔6-1中穿過，同時，被測電壓通過第一電極引線7、第二電極引線8和第一金屬電極5、第二金屬電極6作用在BGO晶體4兩個通光面的透明導電膜上，使BGO晶體4處于相對均勻分布的電場中，在電場的作用下，BGO晶體4發生感應雙折射，它的兩個感應主軸沿晶體的對角線方向，同時與帶波片偏振棱鏡2中四分之一波片的快慢軸方向平行。