[發(fā)明專利]一種基于Kerr效應(yīng)的集成式電場(chǎng)測(cè)量探頭

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710697792.6
• 申請(qǐng)日: 2017-08-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107607799A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 齊波;高原;朱宗旺;趙曉林;張書(shū)琦;李成榕;李鵬;李金忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華北電力大學(xué);中國(guó)電力科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): G01R29/12
• 分類號(hào): G01R29/12
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11246
• 代理人: 張文寶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電氣測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于Kerr效應(yīng)的集成式電場(chǎng)測(cè)量探頭。

背景技術(shù)

在高壓電氣領(lǐng)域,準(zhǔn)確測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)于電氣設(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)行狀態(tài)的評(píng)估具有十分重要的意義。基于光電效應(yīng)的光學(xué)測(cè)量方法，如Pockels效應(yīng)法、Kerr效應(yīng)法是常見(jiàn)的測(cè)量方法。

現(xiàn)有的光學(xué)測(cè)量方法中，光路的組成一般比較復(fù)雜，大多是基于分立式光學(xué)元件的測(cè)量裝置。而將光學(xué)元件集成密封的現(xiàn)有測(cè)量裝置中,普遍難以兼顧測(cè)量裝置的靈敏度和體積大小。為提高電場(chǎng)測(cè)量靈敏度，一般選擇增加光路部分的長(zhǎng)度，使得測(cè)量裝置的外形尺寸較大，限制了其在有限空間的電場(chǎng)測(cè)量。

例如專利《電場(chǎng)測(cè)量裝置》(申請(qǐng)?zhí)?01510439141.8)，涉及一種電場(chǎng)測(cè)量裝置，該裝置主要包括起偏器、波片、檢偏器、準(zhǔn)直器、耦合器、液體容納空間、密封蓋等結(jié)構(gòu)。通過(guò)將光學(xué)鏡片集成到密封的測(cè)量裝置內(nèi)部，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)液體電介質(zhì)的測(cè)量。但是該裝置的測(cè)量靈敏度受限于液體容納空間部分的長(zhǎng)度。為提高測(cè)量裝置的靈敏度，必須增加裝置中液體容納空間部分的尺寸，這就限制了該測(cè)量裝置在有限空間內(nèi)的應(yīng)用。此外，該測(cè)量裝置各光學(xué)元件間存在空氣隙，不能應(yīng)用于高電場(chǎng)強(qiáng)度條件下的測(cè)量環(huán)境。

例如專利《光纖導(dǎo)入式電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)》(申請(qǐng)?zhí)?01520642426.7),涉及一種光纖導(dǎo)入式測(cè)量系統(tǒng)，包括光源、光學(xué)器件單元、檢測(cè)裝置及傳輸光纖等。其光學(xué)器件單元為集成式光學(xué)器件單元，包含晶體調(diào)制器、位于晶體調(diào)制器的中心的光波導(dǎo)、與晶體調(diào)制器的表面相連的金屬電極和與金屬電極相連的感應(yīng)天線等。該測(cè)量裝置通過(guò)高度集成和體積較小的光學(xué)器件單元，可以置于液體電介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行電場(chǎng)的在線測(cè)量。但是該裝置的測(cè)量靈敏度受晶體調(diào)制器及光波導(dǎo)的尺寸限制，同樣難以實(shí)現(xiàn)小尺寸條件下的高靈敏度。

例如專利《基于電光二次效應(yīng)的空間強(qiáng)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)》(申請(qǐng)?zhí)?01510546001.0)，涉及一種空氣中強(qiáng)電場(chǎng)快速測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)所包含的Kerr傳感器內(nèi)部布置有起偏器、波片、Kerr細(xì)胞單元、檢偏器、平行反射單元等。該專利中的測(cè)量對(duì)象側(cè)重于空氣，光路組成復(fù)雜，且未考慮平行反射單元部分由于光的反射而產(chǎn)生的相位偏移等，不適用于液體電介質(zhì)的空間電場(chǎng)測(cè)量。

本發(fā)明中，借助于光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)元件的集成化，光路組成簡(jiǎn)單，利用全反射棱鏡等效增加了光路積分長(zhǎng)度，并分析了由全反射棱鏡而產(chǎn)生的相位偏移，解決了測(cè)量裝置在靈敏度與外形尺寸間的矛盾，具有集成度高、靈敏度高、體積小和可以導(dǎo)入液體電介質(zhì)內(nèi)部進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度在線測(cè)量的特點(diǎn)，能夠有效應(yīng)用于變壓器等電氣設(shè)備內(nèi)部。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種基于Kerr效應(yīng)的集成式電場(chǎng)測(cè)量探頭，其特征在于，在電場(chǎng)測(cè)量探頭支架2水平中心線的兩側(cè)平行布置有光纖準(zhǔn)直器21和光纖耦合器22，其后在水平中心線上依次設(shè)置鏤空槽23和棱鏡槽25；光纖準(zhǔn)直器21、光纖耦合器22內(nèi)置于測(cè)量探頭支架2內(nèi)部，并在測(cè)量探頭支架2的相應(yīng)位置處設(shè)有排氣孔24；全反射棱鏡3置于棱鏡槽25內(nèi)；在電場(chǎng)測(cè)量探頭支架2外部，設(shè)置有圓偏振保持光纖1和光纖準(zhǔn)直器21相連，光纖型偏振器4與光纖耦合器22相連。電場(chǎng)測(cè)量探頭通過(guò)傳輸光纖與激光源和光電檢測(cè)裝置相連。

所述光纖型偏振器4的偏振方向與電場(chǎng)方向成45°。

所述光纖型偏振器4為光纖型檢偏器或者偏振光纖。

所述整體結(jié)構(gòu)采用非金屬材料,用于減小測(cè)量探頭的引入對(duì)待測(cè)電場(chǎng)的改變。

所述全反射棱鏡的材質(zhì)為N-BK7型玻璃、UV熔融石英、氟化鈣(CaF₂)、硒化鋅(ZnSe)、鍺(Ge)等，由全反射棱鏡引起的S光和P光的相位差可根據(jù)下式計(jì)算得到。

上式中，i₁是發(fā)生全反射時(shí)的入射角，n₂₁是發(fā)生全反射時(shí)交界面處兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率。

所述測(cè)量探頭支架2設(shè)有排氣孔24及棱鏡槽25，以保證光纖準(zhǔn)直器21、光纖耦合器22、鏤空槽23和棱鏡槽25處是充滿待測(cè)液體電介質(zhì)的無(wú)氣泡空間。