专利名称：一种基于偏振补偿的电场测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于偏振补偿的电场测量系统，可应用于较恶劣环境中的强电场测量，属于高电压测量技术领域。
背景技术：
在高电压工程及核工程等领域，会产生非常强的电场，对之进行测量的关键部件是电场传感器，应满足以下基本要求频率范围宽，动态范围大；空间分辨率高，对原场的干扰小等。值得注意的是对强电场的测量不仅限于实验室环境，大部分应用处于户外环境，需要考虑温度、振动等环境因素的影响，要求传感器具有较高的稳定性。光学电场传感器具有频带宽、对原场干扰小等优点，已广泛应用于电压、电场测量。已有技术中基于光学电场传感器的电场测量系统的结构示意图如图I所示。该测量系统包括测量单元101和控制单元102，分别位于强电场环境和电磁屏蔽环境(如继电保护小 室)中。位于控制单兀的激光源103产生线偏振光,通过保偏光纤104传输至准直透镜105,激光经准直透镜聚焦后经过起偏器106、1/4波片107传输至电场传感器108。电场传感器采用具有线性电光效应的晶体(如LiNbO3晶体、BGO晶体等)，在外界电场的作用下，晶体的折射率会发生变化，从而对在晶体中传输的激光产生偏振态调制。从电场传感器输出的椭圆偏振态信号进入偏振分束器109，偏振态信号转换为光强度信号。光强度信号经过准直透镜110聚焦后进入输出单模光纤111，传输至位于控制单元的探测器112，光强度信号转化为电压信号。检测电压信号后即可根据测量系统的传递函数反推出待测的电场信号。静态工作点卿对测量系统的传递函数具有重要影响,如图2所示。当_=0或Ji时，静态工作点位于传递函数的饱和区域，一方面大大降低测量的灵敏度，另一方面使测量波形产生严重畸变。当卿=π/2时，即传感器输出激光的偏振态为圆偏振态，静态工作点位于传递函数的线性区域，测量系统具有最大的灵敏度和线性输入输出特性。因此，对光学电场传感器的基本要求是静态工作点Po等于或接近η/2。已有技术主要存在两个缺陷一方面通过1/4波片107产生π/2的静态偏置点，1/4波片的性能受温度的影响很大，当温度变化时，Po将偏离η /2，严重影响了电场传感器的温度稳定性，甚至导致器件的失灵。另一方面，电光晶体具有热电、光折变等附加的物理效应，温度或光辐照等环境因素将剧烈影响电场传感器的稳定性，将电场传感器的应用范围限制于实验室环境中。

发明内容
本发明的目的是提出一种基于偏振补偿的电场测量系统，通过对输入激光进行偏振态的反馈控制，使传感器的静态工作点锁定为η /2，使测量系统具有最佳性能，同时消除环境因素(温度、振动等)对测量的影响，使电场传感器适用于较恶劣环境中电场的测量。本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统，包括控制单元和测量单元；所述的控制单元包括
激光源，用于产生激光；偏振控制器，用于接收来自激光源的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤传输至测量单元，偏振控制器与激光源通过输入单模光纤相连；探测器，用于接收来自测量单元的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号，探测器与测量单元通过输出单模光纤相连；处理器，用于接收来自探测器的两路电压信号，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数，处理器分别与探测器和偏振控制器通过同轴电缆相连；所述的测量单元包括传感器，用于接收来自控制单元的激光，在没有电场作用时，传感器输出为圆偏振 态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤与控制单元相连；偏振分束器，用于接收传感器输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器的输入端与传感器相连，偏振分束器的输出端通过输出单模光纤与控制单元相连。本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统，其优点是本发明的电场测量系统通过对激光偏振态的实时补偿，使传感器的静态工作点锁定为η/2，使得电场传感器具有最优的性能；测量系统中的传感器不再采用1/4波片，消除了 1/4波片对传感器温度稳定性的影响，保证了电场测量系统的温度稳定性；本发明测量系统通过偏振态的实时补偿，克服了温度、振动等环境因素对电光晶体、光纤物理特性的不良影响，使电场测量系统可应用于户外较恶劣的环境中，开拓了电场测量系统的应用范围和场合。


图I为已有技术中电场测量系统的结构示意图。图2为静态工作点对电场测量系统的传递函数的影响的原理示意图。图3为本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统的结构示意图。图4为本发明测量系统中处理器的工作流程图。图I中，101是测量单元，102是控制单元，103是激光源，104是输入保偏光纤，105是输入准直透镜，106是起偏器，107是1/4波片，108是传感器，109是偏振分束器，110是输出准直透镜，111是输出单模光纤，112是探测器。图3中，I是测量单元，2是控制单元，3是激光源，4是光纤跳线，5是偏振控制器，6是输入单模光纤，7是输入准直透镜，8是传感器，9是偏振分束器，10是输出准直透镜，11是输出单模光纤，12是探测器，13是处理器，14是同轴电缆。
具体实施例方式本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统，其结构如图3所示测量系统包括测量单元I和控制单元2 ；所述的控制单元2包括
激光源3，用于产生激光；偏振控制器5，用于接收来自激光源3的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤6传输至测量单元I，偏振控制器5与激光源3通过光纤跳线4相连；探测器12，用于接收来自测量单元I的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号Vratl和Vwt2，探测器12与测量单元I通过输出单模光纤11相连；处理器13，用于接收来自探测器12的两路电压信号Vtjutl和Vwt2，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数E，处理器13分别与探测器12和偏振控制器5通过同轴电缆14相连；所述的测量单元I包括
传感器8，通过准直透镜7接收来自控制单元2的激光，在没有电场作用时，传感器输出的为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤6与控制单兀2相连；偏振分束器9,用于接收传感器8输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光,并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器9的输入端与传感器8相连,偏振分束器9的输出端通过准直透镜10与输出单模光纤11相连。以下结合图4，详细说明本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统的工作原理处理器12接收来自探测器的两路电压信号Vratl和Vwt2，经过模数转换后变为两路数字信号Dratl和Dwt2。设置刷新时间Λ t，每经过Λ t的时间启动偏振控制器5 —次。判断传感器输出激光是否为圆偏振态。首先判断Dratl与Drat2的比值是否为1，如果不为I，则通过偏振控制器5进行反馈调节，直至DratlZUut2=I。其次微调偏振控制器5的控制信号，令Dwt=DtjutlZDwt2，微调偏振控制器之后Dtjut的变化量为Λ Dtjut,判断Λ Dout与阈值δ的关系。SADJAVrantS δ，则通过偏振控制器5进行反馈调节，直至Λ Dwt/Λ V_t〈S，即完成一次偏振补偿，此时锁定偏振控制器5，使传感器输出激光保持为圆偏振态。进行电场测量时，产生触发信号，锁定偏振控制器，同时根据两路数字信号Dratl和Dwt2计算出待测电场E。本发明提出的基于偏振补偿的电场测量系统中，激光源3可采用Sumimoto公司生产的激光器STL5411，其中心波长为1550nm。偏振控制器5可采用OZ Optics生产的偏振控制器EPC-400，其原理属于挤压光纤型，具有IOOHz的响应速度，可以用于补偿温度、振动等环境因素所引起的偏振态变化。连接测量单元和控制单元的输入光纤5及输出光纤11可采用通信用单模光纤，长度为200米，可实现测量端与控制端的电气隔离。传感器8可选用LiNbO3晶体作为电光晶体,其长度为10mm-40mm,截面为lcm2_2. 25cm2的正方形。偏振分束器的材料可选为BK7，截面尺寸与传感器的截面尺寸相同。探测单元12具有一对光电转换模块，以将光强度信号转换为电压信号，可米用Thorlabs公司的平衡光探测器Η)Β460(3。处理器13可选用德州仪器公司的C6000系列，同时实现模数转换、比较器、数字信号运算等功能。
权利要求
1.一种基于偏振补偿的电场测量系统，其特征在于，该测量系统包括控制单元和测量单元； 所述的控制单元包括 激光源，用于产生激光； 偏振控制器，用于接收来自激光源的激光，对激光进行偏振态处理，得到符合要求的椭圆偏振态激光，并将椭圆偏振态激光通过输入单模光纤传输至测量单元，偏振控制器与激光源通过输入单模光纤相连； 探测器，用于接收来自测量单元的两路光强度信号，并将两路光强度信号分别转换为两路电压信号，探测器与测量单元通过输出单模光纤相连； 处理器，用于接收来自探测器的两路电压信号，根据设定的圆偏振态激光的状态判据，对接收的电压信号进行判断，根据判断信号向偏振控制器发出控制信号，同时根据电压信号，计算得到电场参数，处理器分别与探测器和偏振控制器通过同轴电缆相连； 所述的测量单元包括 传感器，用于接收来自控制单元的激光，在没有电场作用时，传感器输出为圆偏振态激光，待测电场对圆偏振态激光进行调制，得到包含电场信息的椭圆偏振态激光，传感器通过输入单模光纤与控制单元相连； 偏振分束器，用于接收传感器输出的圆偏振态或椭圆偏振态激光，并使偏振态信号转化为两路光强度信号，偏振分束器的输入端与传感器相连，偏振分束器的输出端通过输出单模光纤与控制单元相连。
全文摘要
本发明涉及一种基于偏振补偿的电场测量系统，属于高电压测量技术领域。包括控制单元和测量单元，控制单元包括激光源、偏振控制器、探测器和处理器，测量单元包括传感器和偏振分束器。本发明的基于偏振补偿的电场测量系统，通过对激光偏振态的实时补偿，使传感器的静态工作点锁定为π/2，使得电场传感器具有最优的性能；不再采用1/4波片，保证了电场测量系统的温度稳定性；本发明测量系统通过偏振态的实时补偿，克服了温度、振动等环境因素对电光晶体、光纤物理特性的不良影响，使电场测量系统可应用于户外较恶劣的环境中，开拓了电场测量系统的应用范围和场合。
文档编号G01R29/12GK102928680SQ20121042475
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者曾嵘, 王博, 牛犇, 余占清, 何金良 申请人:清华大学