本发明专利技术是一种准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器，包括光源、环形器、起偏器、相位调制器、保偏延时光纤、测量光路、补偿光路、光电二极管、信号处理及光源驱动电路和信号输出与控制接口。起偏器与相位调制器之间的保偏光纤偏振轴以45°对轴熔接，测量光路的铌酸锂直波导传感单元与补偿光路的补偿光纤以90°对轴耦合。参与干涉的两正交偏振模式往返两次通过光路时发生模式互换，且经过相同的光程，构成光纤传导和波导传感的准互易反射式光路。本发明专利技术利用铌酸锂晶体的泡克尔斯电光效应对光相位进行调制，实现电场/电压测量，具有较高的灵敏度和测量精度，能有效地分离出被测电压的交直流分量，减少光路空间，易于大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学传感
，具体涉及一种准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器。
技术介绍
电力系统是国民经济的命脉，电场传感器和电压传感器是电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量设备之一，其准确度和可靠性与电力系统的安全、可靠、经济运行密切相关。随着电力生产、电力传输系统容量的增加，电网运行电压等级也越来越高,在监测、控制及保护等方面的数字化、智能化和网络化要求不断提高，传统的电磁式电场传感器和电压传感器由于其固有缺陷已不能满足电力系统的发展需求。数字式光学电场传感器和光学电压传感器以其优越的性能以及明显的经济和社会效益，对于保证日益庞大和复杂的电力系统安全可靠运行，并提高其智能化程度具有深远的意义。目前，电力系统中广泛应用的电压传感器为电磁式传感器和电容分压式传感器。随着我国电网运行电压等级的提高，传统的由铁芯组成的电磁式电压传感器所存在的磁饱和、铁磁共振等问题逐渐被暴露出来。因此，在中、高压电力系统中，传统的电磁式传感器已逐步被具有防铁磁谐振、性价比高等优点的电容分压式传感器所取代，但电容分压式传感器暂态响应较差，电容与非线性补偿电感、变压器电感串联，设备本身有发生铁磁谐振的可能，会威胁设备安全可靠的运行。另外，电磁式传感器和电容分压式传感器同时存在响应速度低，频带窄，有燃烧和爆炸危险，模拟信号输出，后续信号处理复杂等问题。近年来随着光学技术的迅速发展，基于光纤传感技术的光学电场传感器和电压传感器迅速发展起来，其能够有效克服传统电磁式传感器和电容分压式传感器所固有的缺陷，具有绝缘性好，频带宽，响应快，无铁芯，不存在磁饱和，无铁磁谐振，没有因充油而潜在的易燃、易爆等危险，数字量输出等优点。目前的光学电压传感器根据其敏感元件可以分为块状晶体型光学电压传感器和集成光学型电压传感器。块状晶体型光学电压传感器以块状电光晶体作为敏感元件测量电压，其精度高，但光路结构复杂，不易安装，体积较大，不易大规模生产。集成光学型电压传感器的敏感单元是由刻蚀技术制成的光波导，所以这种电压传感器的灵敏度较高，光路简单，体积小，但其温度稳定性较差，受直流偏置影响较大，且波导半波电压较低，无法测量几百千伏的高压。目前，关于集成光学型电压传感器的研究早已在国内外展开研究，但是主要集中在马赫_曾德尔(Mach-Zehnder)干涉型光学电压传感器(文献:B.Culshaw, J.Dakin.光纤传感器.李少慧，宁雅农.武汉:华中理工大学出版社，1997:5-10)。此类传感器的测量原理是马赫-曾德尔干涉仪，敏感元件是钛扩散铌酸锂(LiNbO3)衬底的光波导，敏感电场原理为晶体的泡克尔斯效应。波导中铌酸锂晶体切向为X切Y传型。当被测电压加在传感器的电极上时，加在马赫-曾德尔干涉仪两臂上的电场方向相反，当光通过波导时，每臂上均发生泡克尔斯电光效应，产生大小相等且方向相反的相移，因此，可通过相移差来推知被测电压的大小。虽然马赫-曾德尔型集成光学电压传感器体积小，重量轻，结构简单，制作方便，具有诸多优点，但是由于X切Y传铌酸锂电场传感器电光系数和偏置对温度十分敏感，所以此类光学电压传感器的温度稳定性很差，不能工作在全温环境下，难以在电力系统中得以应用。此前，有日本学者(文献:0gawa0., Sowa T., Ichizono S.A guided-waveoptical electric field sensor with improved temperature stability.Journal ofLightwave Technology, 1999，17 (5):823-830.)提出过一种应用直波导作为敏感头的集成光学电场传感器。如图2所此光学电场传感器的电场敏感兀件为Y切Z传TE (横电波)与TM (横磁波)模干涉式钛扩散铌酸锂基直波导，波导中只有一条光通路，敏感电场原理为晶体的泡克尔斯(Pockels)电光效应。现有Y切铌酸锂直波导型光学电场传感器虽然温度稳定性较马赫-曾德尔型有很大提高，但是其测量电场结果与波导的TE与TM模固有偏置有很大的相关性，波导TE与TM模固有偏置同样受温度影响，因此它的电场敏感系数同样受温度影响，因此此种电场传感器在实际测量中不能够准确有效的分离出交变的电场或电压，限制了其应用。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有光学电场传感器和电压传感器存在的光路结构复杂、体积大、不易大规模生产、温度稳定性差以及固有偏置受温度影响等问题，提高电压测量的灵敏度及稳定性，提供了一种准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器。本专利技术的准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器，包括:光源、环形器、起偏器、相位调制器、保偏延时光纤、测量光路、补偿光路、光电二极管、信号处理及光源驱动电路和信号输出与控制接口 ；其中，测量光路包括法拉第旋光器、测量光路光纤和铌酸锂直波导传感单元；补偿光路包括补偿光纤和反射镜；在实际测量中，测量光路与补偿光路置于被测电场中。光源发出的偏振光经环形器到达起偏器，经起偏器后变为线偏振光；起偏器与相位调制器之间的保偏光纤偏振轴以45°对轴熔接或起偏器的保偏光纤偏振轴以45°直接与相位调制器对轴耦合，线偏振光均分为具有两个正交偏振模式的光信号，经相位调制器对光信号的相位进行调制后，光信号的两正交偏振模式分别沿保偏延时光纤的快慢轴传输后进入法拉第旋光器，经法拉第旋光器，光信号的两正交偏振模式分别旋转45°，再经测量光路光纤入射到铌酸锂直波导传感单元，经铌酸锂直波导传感单元后入射到补偿光纤，铌酸锂直波导传感单元与补偿光纤偏振轴以90°对轴耦合，光信号沿补偿光纤传输后由反射镜反射回来，反射回来的光信号再次通过铌酸锂直波导传感单元，经测量光路光纤再次经过法拉第旋光器，光信号的两正交偏振模式同时再次旋转45° ,光信号的两正交偏振模式发射互换，互换之后光信号的两正交偏振模式依次经保偏延时光纤和相位调制器后，在起偏器处发生干涉，生成的干涉信号通过环形器传输到光电二极管进行光电转换，转换的电信号输入信号处理及光源驱动电路；信号处理及光源驱动电路对输入的电信号进行处理，由信号输出与控制接口输出与电场大小有关的信号。起偏器与相位调制器之间、相位调制器与保偏延时光纤之间以及保偏延时光纤与测量光路之间，所采用的光纤为保偏光纤，保偏延时光纤、测量光路光纤和补偿光纤也为保偏光纤。本专利技术的光波导交变电场/电压传感器的优点与积极效果在于:(I)利用铌酸锂晶体的泡克尔斯电光效应作为敏感电场的原理，可实现较高的灵敏度和测量精度；(2)使用光波导器件作为敏感单元而非块状晶体，大大减少了光路空间，便于运输和安装，易于大规模生产；(3)光波导使用Y切Z传的铌酸锂晶体基底代替常用的X切Y传基底，大大提高了波导的温度稳定性；(4)采用准互易反射式测量结构，提高了电场/电压测量的精度，显著提高传感器对温度、振动等环境因素的抗干扰能力；(5)应用光纤陀螺的全数字闭环信号处理方法，具有动态范围大，线性度好等优点，能够方便的提取信号的交直流分量，使电场/电压测量与波导偏置无关。附图说明图1是马赫-曾德尔型集成光学电压传感器测量原理图；图2是现有直波导集成光学电场传感器测量原理图；图3是本专利技术的电压敏感元件波导结构示意4本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种准互易数字闭环铌酸锂光波导交变电场/电压传感器，其特征在于，包括：光源、环形器、起偏器、相位调制器、保偏延时光纤、测量光路、补偿光路、光电二极管、信号处理及光源驱动电路和信号输出与控制接口；其中，测量光路包括法拉第旋光器、测量光路光纤和铌酸锂直波导传感单元；补偿光路包括补偿光纤和反射镜；在实际测量中，测量光路与补偿光路置于被测电场中；光源发出的偏振光经环形器到达起偏器，经起偏器后变为线偏振光；起偏器和相位调制器之间的保偏光纤偏振轴以45°对轴熔接或起偏器的保偏光纤偏振轴以45°直接与相位调制器对轴耦合，之后线偏振光均分为具有两个正交偏振模式的光信号，经相位调制器对光信号的相位进行调制后，光信号的两正交偏振模式分别沿保偏延时光纤的快慢轴传输后进入法拉第旋光器，经法拉第旋光器，光信号的两正交偏振模式分别旋转45°，再经测量光路光纤入射到铌酸锂直波导传感单元，经铌酸锂直波导传感单元后入射到补偿光纤，铌酸锂直波导传感单元与补偿光纤偏振轴以90°对轴耦合，光信号沿补偿光纤传输后由反射镜反射回来，反射回来的光信号再次通过铌酸锂直波导传感单元，经测量光路光纤再次经过法拉第旋光器，光信号的两正交偏振模式同时再次旋转45°，光信号的两正交偏振模式发射互换，互换之后光信号的两正交偏振模式依次经保偏延时光纤和相位调制器后，在起偏器处发生干涉，生成的干涉信号通过环形器传输到光电二极管进行光电转换，转换的电信号输入信号处理及光源驱动电路；信号处理及光源驱动电路对输入的电信号进行处理，将处理结果通过信号输出与控制接口输出；起偏器与相位调制器之间、相位调制器与保偏延时光纤之间以及保偏延时光纤与测量光路之间，所采用的光纤为保偏光纤，保偏延时光纤、测量光路光纤和补偿光纤也为保偏光纤。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨德伟，刘汐敬，于佳，姜一真，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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