[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310098972.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103226162A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊德偉;姜一真;于佳;劉汐敬
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01R15/24
• 分類(lèi)號(hào): G01R15/24;G01R19/32;G01R29/14
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專(zhuān)利事務(wù)所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于雙光路補(bǔ)償?shù)墓獠▽?dǎo)電壓傳感器。

背景技術(shù)

在電力系統(tǒng)中，電壓傳感器主要用于測(cè)量和保護(hù)，傳統(tǒng)的電壓傳感器分電磁感應(yīng)式和電容式兩種。傳統(tǒng)的電壓傳感器用油絕緣，有燃燒和爆炸的危險(xiǎn)，并且輸出都無(wú)法和計(jì)算機(jī)直接相連，有容量有限、頻帶較窄等問(wèn)題。

光學(xué)電壓傳感器利用光學(xué)材料的物理性質(zhì)來(lái)敏感電壓，利用光纖傳輸信號(hào)，不但電氣絕緣性好，而且還具有體積小、自重輕、動(dòng)態(tài)范圍寬、測(cè)量精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、測(cè)量頻帶寬、不存在磁飽和等一系列優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外受到了廣泛的關(guān)注。同時(shí)，光學(xué)電壓傳感器可直接輸出數(shù)字信號(hào)，滿(mǎn)足微機(jī)保護(hù)和檢測(cè)的要求，具有很好的發(fā)展前景。光學(xué)電壓傳感器還可以測(cè)量直流電壓，直流電壓的測(cè)量在冶煉和直流電力系統(tǒng)是必須的。

光學(xué)電壓傳感器有多種方案，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的方案是基于Pockels效應(yīng)的塊狀晶體型方案和基于逆電壓效應(yīng)的雙模干涉方案，瑞典的ABB公司、法國(guó)Alstom公司、加拿大NxtPhase公司（已被收購(gòu)）均有不同電壓等級(jí)的產(chǎn)品問(wèn)世。目前處于試運(yùn)行階段的光學(xué)電壓傳感器大多基于Pockels效應(yīng)，同時(shí)各國(guó)的研究及實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品均集中于Pockels效應(yīng)型光學(xué)電壓傳感器，但是其需要的光學(xué)元件多，校準(zhǔn)困難，晶體不易進(jìn)行批量生產(chǎn)，而且運(yùn)行和穩(wěn)定性尚有待提高，因此世界各國(guó)在改進(jìn)基于Pockels效應(yīng)的光學(xué)電壓傳感器的同時(shí)，也在不斷尋找其他更有效的辦法。

除了已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的兩種方案，其他的光學(xué)電壓傳感器方案有：基于逆壓電效應(yīng)的全光纖型方案，基于特種光纖的全光纖型方案，基于Pockels效應(yīng)的集成光學(xué)型方案，基本都處于研究階段，沒(méi)有產(chǎn)品問(wèn)世。

直波導(dǎo)電壓傳感器是二十世紀(jì)七十年代中期隨著集成光學(xué)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器，同時(shí)也是光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物。由于該類(lèi)傳感器有利于光路系統(tǒng)的集成，使得它在檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有其它結(jié)構(gòu)傳感器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。直波導(dǎo)電壓傳感器主要是基于Pockels效應(yīng)（晶體折射率隨外加電場(chǎng)呈線(xiàn)性變化的現(xiàn)象稱(chēng)為Pockels效應(yīng)），它的基本測(cè)量原理是測(cè)量電極間的空間電場(chǎng)分布，然后對(duì)電場(chǎng)經(jīng)過(guò)空間積分即可得到電壓值。它利用直波導(dǎo)的電光效應(yīng)，使電場(chǎng)信號(hào)調(diào)制到光載波上，光強(qiáng)度隨著被檢測(cè)電場(chǎng)相應(yīng)地變化。經(jīng)過(guò)光探測(cè)器后的輸出信號(hào)電流即反映了被檢測(cè)的電壓信號(hào)。如果采用先進(jìn)的集成光學(xué)技術(shù)，使得整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)變成超小型，并具有穩(wěn)定、可靠、帶寬大、抗電磁干擾及微擾小等特點(diǎn)。目前利用集成光學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的以鈮酸鋰晶體為襯底的光學(xué)電壓傳感器正成為研究的熱點(diǎn)之一。

圖1為現(xiàn)有的典型晶體型光學(xué)電壓傳感器的結(jié)構(gòu)。該光路采用BGO晶體，進(jìn)行橫向調(diào)制，其工作過(guò)程：光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光纖（或準(zhǔn)直透鏡）傳入起偏器，將光變成線(xiàn)偏振光，經(jīng)1／4波片后又變成圓偏振光，當(dāng)光透過(guò)電光晶體時(shí)發(fā)生雙折射，進(jìn)入偏振分束棱鏡。根據(jù)Pockels效應(yīng)，在電場(chǎng)或電壓的作用下，雙折射兩光波之間的相位差與被測(cè)電壓成正比。經(jīng)偏振分束器后，可以獲得兩個(gè)互補(bǔ)的干涉光，最后經(jīng)光電轉(zhuǎn)換和信號(hào)處理后即可得到被測(cè)電壓。

目前，塊狀晶體型光學(xué)電壓傳感器屬于該領(lǐng)域比較成熟的方案，它對(duì)電極無(wú)特殊要求，應(yīng)用很廣。實(shí)際上，由于晶體中會(huì)摻雜部分雜質(zhì)，從而引起自然雙折射，產(chǎn)生附加相位延遲，并且后者隨晶體溫度的變化而變化，影響傳感器工作的穩(wěn)定性。實(shí)際應(yīng)用中，為了消除自然雙折射引起的附加相位延遲，可采用雙晶體法或雙光路法來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。此外，其大多采用分立的光學(xué)器件組成，需要透鏡、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)。光學(xué)元件多，晶體也不易進(jìn)行批量生產(chǎn)，同時(shí)，光學(xué)元件的對(duì)準(zhǔn)、調(diào)整非常復(fù)雜，而且運(yùn)行和穩(wěn)定性尚有待提高。

現(xiàn)有光波導(dǎo)型集成光學(xué)電場(chǎng)/電壓傳感器包括M-Z型波導(dǎo)式和直波導(dǎo)式。

1.M-Z型波導(dǎo)式

目前，關(guān)于集成光學(xué)電壓傳感器的研究早已在國(guó)內(nèi)外展開(kāi)研究，主要集中在馬赫-曾德?tīng)柛缮嫘凸鈱W(xué)電壓傳感器。馬赫-曾德?tīng)栃图晒鈱W(xué)電壓傳感器的敏感元件是鈦擴(kuò)散鈮酸鋰基底的光波導(dǎo)，鈮酸鋰晶體切向?yàn)閄切，光通路形狀為Y分支型，如圖2所示，敏感電壓原理為馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x測(cè)量原理。

2、直波導(dǎo)式