CN104820122A - 一种光纤电压传感***及获取与电压相关相位差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤电压传感***，包括控制模块、传感模块以及隔离光缆，所述隔离光缆分别与所述控制模块、所述传感模块连接；本发明还提供了一种获取与电压相关相位差的方法。本发明是利用泡克尔斯电光效应作为光相位调制器来改善偏振计测量精度，能有效地消除外部机械振动和环境温度等时变特性对测量结果的影响，并且测量得到的电压波形不受强电磁干扰的影响，使测量的数据更精准；本发明还确保了二次低压回路及人员在一次高压回路异常情况下的安全。

Description

一种光纤电压传感***及获取与电压相关相位差的方法

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术领域，尤其涉及一种光纤电压传感***及获取与电压相关相位差的方法。

背景技术

光在传感单元中传播时，与被(待)测物理量相互作用，改变了光电场的偏振状态，从而使被测物理量的信息加载于光波之上。为了将光波上加载的物理量信息提取出来，光学***一般由相互直交的一对偏振器和它们之间夹着的传感单元组成；这样的光学***称为偏振计。

光纤作为光波的导波体，是光纤传感***的基本器件。由于它可弯拗，传播距离远，使用方便；又由于它是绝缘体，不受电磁干扰的影响，光纤传感***具有很多优越性。但是，由于光单性物理效应的作用，当光纤传导路径上的任一点，受到机械振动或环境温度变化的影响时，光纤中传导的光波在该点处的偏振态都将发生不可控制的改变，使得光纤作为双折射单元具有时变特性。

通常，光纤偏振计在偏振器对的前面和后面各有一根光纤；前面的光纤将入射光送入偏振计，后面的光纤将偏振计出射光送回。由于偏振计对入射光的偏振态非常敏感，入射光纤作为双折射单元所具有的时变特性使得光纤偏振计不可避免地具有时变特性。光源随时间的老化、光电检测器的温度特性、光源与光纤、光纤与光电检测器、光线与光纤准直器等的光耦合随外界影响的变化等所产生的时变特性使得这些传感***不能实用。

电压互感器是一种在高电压环境下测量高电压的电子设备，传统都是通过电压互感器来测量高电压的。在变电站的高电压环境下，由于导线的空气放电(电晕)，大电流冲击，隔离开关操作产生的强电弧辐射等引起的强电磁干扰，会导致互感器发出失真数据或通信错误，有时甚至会损坏电子线路，使其永久失效。电磁兼容(EMC)是它必须面临的技术问题。

由于光纤不受电磁干扰的影响，将它与电光泡克尔斯(Pockels)晶体有机结合起来所产生的无源型光纤电压传感器，为电压互感器提供了电磁兼容问题的理想解决方案。无源型是指处于高电压环境下的传感模块无需商用电压进行供电工作，传感模块是依靠纯光学原理来感应电压信息。

现有技术也有使用光弹性效应或泡克尔斯(Pockels)光电效应作为光相位调制器来改善偏振计测量精度的，但由于光线电压传感***具有时变性，使得数据的分析很复杂且测量的结果存在较大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题，在于提供一种通过光纤电压传感***获取测量值的方法，由于采用纯光学测量原理，光源处于控制模块内，且在传感模块处无需商用电源供电，测量得到的电压波形不受强电磁干扰以及光纤等***元件所产生的时变特性的影响。

本发明是这样实现的：

一种光纤电压传感***，包括控制模块、传感模块以及隔离光缆，所述隔离光缆分别与所述控制模块、所述传感模块连接。

进一步地，所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、1/4波长板；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述泡克尔斯元件、所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，其另一路光传输至所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板、所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

进一步地，所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、1/4波长板；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述泡克尔斯元件、所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板、所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

进一步地，所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第一1/4波长板、第二1/4波长板、第三分束器、第四检偏器、第五光纤准直器；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次连接至所述泡克尔斯元件、所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二1/4波长板、所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，从所述第二分束器发出的另一路光依次传输至所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，从所述第一分束器发出的另一路光传输至所述第三分束器，通过所述第三分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第一1/4波长板、所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，从所述第三分束器发出的另一路光依次传输至所述第四检偏器、所述第五光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端、所述第五光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

进一步地，所述控制模块包括光源、相位调制器、调制电压发生器、光电转换器、数模转换器、信号处理器，所述光源通过光纤的连接头C1与所述相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输出端通过光纤的连接头C2连接至所述隔离光缆中，所述调制电压发生器连接至所述相位调制器，所述隔离光缆中的隔离出射光纤均与所述光电转换器连接，所述光电转换器经由所述数模转换器连接至所述信号处理器。

进一步地，所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器为非偏振分束器。

进一步地，所述光纤为单模光纤。

一种获取与电压相关相位差的方法，所述方法需要提供上述本发明的光纤电压传感***，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1、启动所述控制模块的电源后，由所述光源发出的激光通过光纤进入所述相位调制器中，然后再进入所述隔离光缆的入射光纤中；

步骤2、所述调制电压发生器将产生一幅值恒定且具有周期性的阶梯状电压，然后将该电压的信号传输至所述相位调制器进行调制，使调制电压信号加载到光波上形成调制光；

步骤3、该调制光通过所述隔离光缆中的入射光纤传输至电场作用下的所述传感模块中，此时所述传感模块的光路中带有电压信息，然后将该调制光传输至所述隔离光缆的出射光纤中，接着传输至所述光电转换器中；

步骤4、将所述光电转换器中的光强信号转换为电信号后，由所述调制电压发生器对采样时钟脉冲进行控制，再由所述数模转换器对转换后的电信号进行采样；

步骤5、通过采样得到一组光强信息，然后由所述信号处理器对该组光强信息进行处理计算，可计算出***函数、固有函数，再由所述固有函数来构建固有函数组；

步骤6、通过该固有函数组，计算出所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ；

步骤7、通过所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ，计算出与电压成比例的电致相位差θ_V。

进一步地，所述步骤5具体如下：

步骤51、由所述隔离光缆的出射光纤发出的光强一般表达式为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){2α+cos2(ψ_P-ψ_M)β+sin2(ψ_P-ψ_M)η·cos[θ_M(t)]+sin2(ψ_P-ψ_M)ζ·sin[θ_M(t)]}，

且α＝{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)]}cos²(ψ_V-ψ_A)+{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)]}sin²(ψ_V-ψ_A)

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，ψ_P是表示起偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，θ_M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，ψ_S是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，β、η、ζ均表示固有函数；

将起偏器的透光轴方位与相位调制元件的快速轴方位的夹角设置为45度，即(ψ_P-ψ_M)＝45°，则一般表达式可进一步化减为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M(t)]+ζ·sin[θ_M(t)]}，

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，η、ζ均表示固有函数；

每一调制周期均有三种调制状态，分别为θ_M(t)＝+θ_M、θ_M(t)＝0、θ_M(t)＝-θ_M，则其采样得到的一组光强信息{I⁺，I⁰，I^-}分别为：

I⁺(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]+ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

I⁰(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，η表示固有函数；

I^-(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]-ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

步骤52、由采样得到的光强信号{I⁺，I⁰，I^-}，计算出来的***函数I_M、固有函数ζ和η分别为：

I_M＝[I⁺(t)+I^-(t)-2I⁰(t)cos(θ_M)]/tan(θ_M/2)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值；

ζ＝[I⁺(t)–I^-(t)]/I_M(t)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I_M(t)是表示***函数；

η＝{2I⁰(t)-[I⁺(t)+I^-(t)]}/{I_M(t)·tan[θ_M/2]}，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，I_M(t)是表示***函数；

其中，***函数I_M(t)由下式定义：I_M(t)＝γ(t)I_o(t)·sin[θ_M]；

固有函数ζ和η在基于所述传感模块时有：

ζ＝ζ_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+ζ_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

ζ_T＝sin2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)，ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

η＝η_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+η_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

η_T＝-sin2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)sin2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_S)，

η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)

·cos(θ_V)cos(θ_S)+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤53、将泡克尔斯元件的快速轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角设置为45度，即(ψ_V-ψ_A)＝45°，那么固有函数ζ和η分别变成：

ζ＝ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η＝η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)

-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)cos(θ_S)

+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤54、取ζ_RS＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)＝K·sin(Θ)且ζ_R4＝cos(θ_S)＝K·cos(Θ)，那么ζ_R＝K·sin(Θ+θ_V)且tan(Θ)＝ζ_RS/ζ_R4＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·tan(θ_S)；

其中，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，它是由外力，如机械振动或环境温度变化等作用在隔离光纤的路径上，经过累积形成的，具有时变特性；ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，K是光路的系数；

步骤55、传感模块的光路的构建，是相对于基本光路的固有函数ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，可构建另一路光路，使其光路的固有函数为ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，有了如下4路的固有函数组{ζ_RT、ζ_RR、ζ_RS、ζ_R4}或{η_RT、η_RR、η_RS、η_R4}：

ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RS＝K·sin(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

ζ_R4＝K·cos(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_RT＝M·sin(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RR＝M·cos(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RS＝M·sin(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_R4＝M·cos(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差。

本发明具有如下优点：本发明是利用泡克尔斯(Pockels)光电效应作为光相位调制器来改善偏振计测量精度，能有效地消除外部机械振动和环境温度等时变特性对测量结果的影响，并且测量得到的电压波形不受强电磁干扰的影响，使测量的数据更精准；本发明还确保了二次低压回路及人员在一次高压回路异常情况下的安全。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为由泡克尔斯效应产生电致相位差的示意图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为光纤传感***的基本光路组成。

图4为控制模块的结构示意图。

图5为传感模块的光路—3路结构示意图。

图6为传感模块的光路—3路结构示意图。

图7为传感模块的光路—4路结构示意图。

图8为本发明方法执行流程图。

图9为采样时钟与调制电压及各光路光强的关系图。

具体实施方式

有些材料在外力作用下，其折射率会变得具有方向性，形成双折射。因而，当偏振光透过该材料时，在相互垂直的折射率主轴方向上偏振的光成分以稍微不同的速度进行传播。透射光在相互垂直的两折射率主轴上的偏振光成分之间会产生一附加的相位差。

有些晶体在外电场E作用下，也会产生电致双折射效应。如图1所示，当偏振方向与电场方向夹有45度的光入射晶体时，光在与电场方向平行及垂直的两方向上的等幅分量将以不同的速度进行传播。透过光在这两分量之间所形成的相位差θ_V与外加电场强度E成比例，即θ_V＝P·E，此效应即为电光泡克尔斯(Pockels)效应。当光的传播方向与电场方向垂直时，称之为横向电光效应；当光的传播方向与电场方向平行时，称之为纵向电光效应。

以具有电光泡克尔斯(Pockels)效应的晶体作为基本传感元件，再配以各种偏振光学元件以及传导光波的光纤，可以组成光纤电压传感***，通过感应传感模块处的电场强度来间接地测量高电压信息，提供安全、可靠、精确的高电压测量监测手段。

以电光泡克尔斯(Pockels)效应为基本传感原理，决定了该光纤传感***的稳定性依赖于光纤传导光的偏振特性，对于光纤传导光的偏振特性变化非常灵敏。在光纤的光波传导路径上的任一点处，外施机械振动或是环境温度变化等，都将改变传导光偏振态的变化，致使这一光纤传感***不可避免地成为一时变***。

请参阅图2所示，光纤电压传感***包括置于电站控制室内的控制模块、置于被测高电压环境下的传感模块以及连接两者的隔离光缆，由于隔离光缆和传感模块均为绝缘体，可将传感模块处的一次高压回路与控制模块处的二次低压回路进行有效的光隔离绝缘，确保了二次低压回路及人员在一次高压回路异常情况下的安全；由于采用纯光学测量原理，光源处于控制模块内，且在传感模块处无需商用电源供电，测量得到的电压波形不受强电磁干扰的影响；由于电光晶体响应频带宽，它不仅可用于测量直流电压成分，也可测量电压的高次谐波成分，甚至过电压的暂态波形。这种原理制作的高电压波形测量仪，有望取代高电压实验室普遍使用的静电压表，峰值电压表及分压器等。

图3为光纤传感***的基本光路组成，该光纤传感***包括光源、起偏器P、相位调制元件M、隔离光纤S、泡克尔斯元件V、检偏器A，隔离光纤S将光纤传感***分离为两块基板，一块由起偏器P、相位调制元件M组成的调制模块，另一块由泡克尔斯元件V、检偏器A组成的传感模块，隔离光纤S可将调制模块、传感模块进行远距离空间隔离；起偏器P由其透光轴方位ψ_P来描述，相位调制元件M由其快速轴方位ψ_M和所产生的相位差或相位延迟θ_M来描述，隔离光纤S由其入射口的快速轴方位ψ_S1、光纤总体相位延迟θ_S以及出射口的快速轴方位ψ_S2来描述，泡克尔斯元件V由其快速轴方位ψ_V和所产生的相位差或相位延迟θ_V来描述，检偏器A由其透光轴方位ψ_A来描述。

如图4所示，所述控制模块包括光源、相位调制器、调制电压发生器、光电转换器、数模转换器、信号处理器，所述光源通过光纤的连接头C1与所述相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输出端通过光纤的连接头C2连接至所述隔离光缆中，所述调制电压发生器连接至所述相位调制器，所述隔离光缆中的隔离出射光纤均与所述光电转换器连接，所述光电转换器经由所述数模转换器连接至所述信号处理器，由所述信号处理器对隔离出射光纤的光强信号进行处理并计算，抽取出被测电压的信息。

如图5所示，所述传感模块包括第一光纤准直器1、第二光纤准直器2、第三光纤准直器3、第四光纤准直器4、第一分束器5、第二分束器6、泡克尔斯元件7、第一检偏器8、第二检偏器9、第三检偏器10、1/4波长板11；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器1的输入端连接，所述第一光纤准直器1的输出端将光传输至所述第一分束器5，通过所述第一分束器5将光分为两路，其中一路光依次传输至所述泡克尔斯元件7、所述第一检偏器8、所述第二光纤准直器2的输入端，其另一路光传输至所述第二分束器6，通过所述第二分束器6将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板11、所述第二检偏器9、所述第三光纤准直器3的输入端，其另一路光依次传输至所述第三检偏器10、所述第四光纤准直器4的输入端，所述第二光纤准直器2的输出端、所述第三光纤准直器3的输出端、所述第四光纤准直器4的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

如图6所示，所述传感模块包括第一光纤准直器1、第二光纤准直器2、第三光纤准直器3、第四光纤准直器4、第一分束器5、第二分束器6、泡克尔斯元件7、第一检偏器8、第二检偏器9、第三检偏器10、1/4波长板11；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器1的输入端连接，所述第一光纤准直器1的输出端将光传输至所述第一分束器5，通过所述第一分束器5将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二检偏器9、所述第三光纤准直器3的输入端，其另一路光依次传输至所述泡克尔斯元件7、所述第二分束器6，通过所述第二分束器6将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板11、所述第三检偏器10、所述第四光纤准直器4的输入端，其另一路光依次传输至所述第一检偏器8、所述第二光纤准直器2的输入端，所述第二光纤准直器2的输出端、所述第三光纤准直器3的输出端、所述第四光纤准直器4的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

如图7所示，所述传感模块包括第一光纤准直器1、第二光纤准直器2、第三光纤准直器3、第四光纤准直器4、第一分束器5、第二分束器6、泡克尔斯元件7、第一检偏器8、第二检偏器9、第三检偏器10、第一1/4波长板11、第二1/4波长板12、第三分束器13、第四检偏器14、第五光纤准直器15；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器1的输入端连接，所述第一光纤准直器1的输出端将光传输至所述第一分束器5，通过所述第一分束器5将光分为两路，其中一路光依次连接至所述泡克尔斯元件7、所述第二分束器6，通过所述第二分束器6将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二1/4波长板12、所述第三检偏器10、所述第四光纤准直器4的输入端，从所述第二分束器6发出的另一路光依次传输至所述第一检偏器8、所述第二光纤准直器2的输入端，从所述第一分束器5发出的另一路光传输至所述第三分束器13，通过所述第三分束器13将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第一1/4波长板11、所述第二检偏器9、所述第三光纤准直器3的输入端，从所述第三分束器13发出的另一路光依次传输至所述第四检偏器14、所述第五光纤准直器5的输入端，所述第二光纤准直器2的输出端、所述第三光纤准直器3的输出端、所述第四光纤准直器4的输出端、所述第五光纤准直器5的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

具体地，所述第一分束器5、所述第二分束器6、所述第三分束器13为非偏振分束器。

具体地，所述光纤为单模光纤。

请参阅图4至图7所示，光纤准直器是用来出射隔离光纤传导来的入射光，以及接收光线使其射入回送光纤；无偏振分束器NPBS，是用来将入射光线分成两束，以形成多光路光学***；泡克尔斯元件(晶体)光的双折射率随电场强度而变化。角度上的设置有，以泡克尔斯元件处的电场产生的快速轴方向为参考方向，各光路的检偏器透光轴方向设置为45度；将1/4波长板的快速轴方向设置为与电致快速轴方向同向，对相应光路引入附加π/2的相位差，使该光路与另一光路形成相位差互补。

实施例一：传感模块中的光路图以图7所示的4路结构为例，传感模块可置于被测电压所产生的电场之中，也可将被测电压分压后，再直接加于传感模块中的泡克尔斯元件上；工作流程如图8与图9所示：

一种获取与电压相关相位差的方法，所述方法需要提供上述本发明的光纤电压传感***，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1、启动所述控制模块的电源后，由所述光源发出的激光通过光纤的连接头C1进入所述相位调制器中，然后再由光纤的连接头C2进入所述隔离光缆的入射光纤中；

步骤2、所述调制电压发生器将产生一幅值恒定且具有周期性的阶梯状电压，然后将该电压的信号传输至所述相位调制器进行调制，使电压信号加载到光波上形成调制光；

步骤3、该调制光通过所述隔离光缆中的入射光纤传输至电场作用下的所述传感模块中，此时所述传感模块的光路中带有电压信息，然后将该调制光经由光纤的连接头C3传输至所述隔离光缆的出射光纤中，接着传输至所述光电转换器中；

步骤4、将所述光电转换器中的光强信号转换为电信号后，由所述调制电压发生器对采样时钟脉冲进行控制，再由所述数模转换器对转换后的电信号进行采样；

步骤5、通过采样得到一组光强信息，然后由所述信号处理器对该组光强信息进行处理计算，可计算出***函数、固有函数，再由所述固有函数来构建固有函数组；具体如下：

步骤51、由所述隔离光缆的出射光纤发出的光强一般表达式为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){2α+cos2(ψ_P-ψ_M)β+sin2(ψ_P-ψ_M)η·cos[θ_M(t)]+sin2(ψ_P-ψ_M)ζ·sin[θ_M(t)]}，

且α＝{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)

+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)]}cos²(ψ_V-ψ_A)+{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)

+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)]}sin²(ψ_V-ψ_A)

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，ψ_P是表示起偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相相位调制元件的快速轴方位，θ_M(t)是表示相相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，ψ_S是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，β、η、ζ均表示固有函数；

将起偏器的透光轴方位与相位调制元件的快速轴方位的夹角设置为45度，即(ψ_P-ψ_M)＝45°，则一般表达式可进一步化减为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M(t)]+ζ·sin[θ_M(t)]}，

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，η、ζ均表示固有函数；

每一调制周期均有三种调制状态，分别为θ_M(t)＝+θ_M、θ_M(t)＝0、θ_M(t)＝-θ_M，则其采样得到的一组光强信息{I⁺，I⁰，I^-}分别为：

I⁺(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]+ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

I⁰(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，η表示固有函数；

I^-(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]-ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

步骤52、由采样得到的光强信号{I⁺，I⁰，I^-}，计算出来的***函数I_M、固有函数ζ和η分别为：

I_M＝[I⁺(t)+I^-(t)-2I⁰(t)cos(θ_M)]/tan(θ_M/2)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值；

ζ＝[I⁺(t)–I^-(t)]/I_M(t)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I_M(t)是表示***函数；

η＝{2I⁰(t)-[I⁺(t)+I^-(t)]}/{I_M(t)·tan[θ_M/2]}，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，I_M(t)是表示***函数；

其中，***函数I_M(t)由下式定义：I_M(t)＝γ(t)I_o(t)·sin[θ_M]；

固有函数ζ和η在基于所述传感模块时有：

ζ＝ζ_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+ζ_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

ζ_T＝sin2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)，ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

η＝η_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+η_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

η_T＝-sin2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)sin2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_S)，

η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)

·cos(θ_V)cos(θ_S)+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤53、将泡克尔斯元件的快速轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角设置为45度，即(ψ_V-ψ_A)＝45°，那么固有函数ζ和η分别变成：

ζ＝ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η＝η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)

-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)cos(θ_S)

+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤54、取ζ_RS＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)＝K·sin(Θ)且ζ_R4＝cos(θ_S)＝K·cos(Θ)，那么ζ_R＝K·sin(Θ+θ_V)且tan(Θ)＝ζ_RS/ζ_R4＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·tan(θ_S)；

其中，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，它是由外力，如机械振动或环境温度变化等作用在隔离光纤的路径上，经过累积形成的，具有时变特性；ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，K是光路的系数；

步骤55、传感模块的光路的构建，是相对于基本光路的固有函数ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，可构建另一路光路，使其光路的固有函数为ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，有了如下4路的固有函数组{ζ_RT、ζ_RR、ζ_RS、ζ_R4}或{η_RT、η_RR、η_RS、η_R4}：

ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RS＝K·sin(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

ζ_R4＝K·cos(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_RT＝M·sin(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RR＝M·cos(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RS＝M·sin(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_R4＝M·cos(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差。

表1为固有函数及光路的组合与电致相位差θ_V的测量范围，具体如下表所示：

表1：

      

光路数	电致相位差θV的测量范围	固有函数ζ	固有函数η
				3路	[-π/2,π/2]	ζRT、ζRS、ζR4、	ηRT、ηRS、ηR4、
3路	[-π/2,π/2]	ζRT、ζRR、ζRS	ηRT、ηRR、ηRS
				4路	[-π,π]	ζRT、ζRR、ζRS、ζR4	ηRT、ηRR、ηRS、ηR4

步骤6、通过该固有函数组，计算出所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ；

步骤7、通过所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ，计算出与电压成比例的电致相位差θ_V。

实施例二：传感模块中的光路图以图5所示的3路结构为例，其连接结构与工作原理可参详实施例一。

实施例三：传感模块中的光路图以图6所示的3路结构为例，其连接结构与工作原理可参详实施例一。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种光纤电压传感***，其特征在于：包括控制模块、传感模块以及隔离光缆，所述隔离光缆分别与所述控制模块、所述传感模块连接。

2.如权利要求1所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、1/4波长板；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述泡克尔斯元件、所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，其另一路光传输至所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板、所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

3.如权利要求1所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、1/4波长板；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述泡克尔斯元件、所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述1/4波长板、所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，其另一路光依次传输至所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

4.如权利要求1所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述传感模块包括第一光纤准直器、第二光纤准直器、第三光纤准直器、第四光纤准直器、第一分束器、第二分束器、泡克尔斯元件、第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第一1/4波长板、第二1/4波长板、第三分束器、第四检偏器、第五光纤准直器；

所述隔离光缆中的隔离入射光纤与所述第一光纤准直器的输入端连接，所述第一光纤准直器的输出端将光传输至所述第一分束器，通过所述第一分束器将光分为两路，其中一路光依次连接至所述泡克尔斯元件、所述第二分束器，通过所述第二分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第二1/4波长板、所述第三检偏器、所述第四光纤准直器的输入端，从所述第二分束器发出的另一路光依次传输至所述第一检偏器、所述第二光纤准直器的输入端，从所述第一分束器发出的另一路光传输至所述第三分束器，通过所述第三分束器将光分为两路，其中一路光依次传输至所述第一1/4波长板、所述第二检偏器、所述第三光纤准直器的输入端，从所述第三分束器发出的另一路光依次传输至所述第四检偏器、所述第五光纤准直器的输入端，所述第二光纤准直器的输出端、所述第三光纤准直器的输出端、所述第四光纤准直器的输出端、所述第五光纤准直器的输出端均通过光纤连接至所述隔离光缆中。

5.如权利要求1所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述控制模块包括光源、相位调制器、调制电压发生器、光电转换器、数模转换器、信号处理器，所述光源通过光纤的连接头C1与所述相位调制器的输入端连接，所述相位调制器的输出端通过光纤的连接头C2连接至所述隔离光缆中，所述调制电压发生器连接至所述相位调制器，所述隔离光缆中的隔离出射光纤均与所述光电转换器连接，所述光电转换器经由所述数模转换器连接至所述信号处理器。

6.如权利要求4所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述第一分束器、所述第二分束器、所述第三分束器为非偏振分束器。

7.如权利要求5所述的一种光纤电压传感***，其特征在于：所述光纤为单模光纤。

8.一种获取与电压相关相位差的方法，其特征在于：所述方法需要提供如权利要求1所述的光纤电压传感***，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1、启动所述控制模块的电源后，由所述光源发出的激光通过光纤进入所述相位调制器中，然后再进入所述隔离光缆的入射光纤中；

步骤2、所述调制电压发生器将产生一幅值恒定且具有周期性的阶梯状电压，然后将该电压的信号传输至所述相位调制器进行调制，使调制电压信号加载到光波上形成调制光；

步骤3、该调制光通过所述隔离光缆中的入射光纤传输至电场作用下的所述传感模块中，此时所述传感模块的光路中带有被测电压信息，然后将该调制光传输至所述隔离光缆的出射光纤中，接着传输至所述光电转换器中；

步骤4、将所述光电转换器中的光强信号转换为电信号后，由所述调制电压发生器对采样时钟脉冲进行控制，再由所述数模转换器对转换后的电信号进行采样；

步骤5、通过采样得到一组光强信息，然后由所述信号处理器对该组光强信息进行处理计算，可计算出***函数、固有函数，再由所述固有函数来构建固有函数组；

步骤6、通过该固有函数组，计算出所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ；

步骤7、通过所述光纤电压传感***的总相位差(Θ+θ_V)和隔离光纤的等价相位差Θ，计算出与电压成比例的电致相位差θ_V。

9.如权利要求8所述的一种通过光纤电压传感***获取测量值的方法，其特征在于：所述步骤5具体如下：

步骤51、由所述隔离光缆的出射光纤发出的光强一般表达式为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){2α+cos2(ψ_P-ψ_M)β+sin2(ψ_P-ψ_M)η·cos[θ_M(t)]+sin2(ψ_P-ψ_M)ζ·sin[θ_M(t)]}，

且α＝{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)]}cos²(ψ_V-ψ_A)+{[cos²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)]sin²(ψ_S-ψ_V)+[cos²(ψ_P-ψ_M)sin²(ψ_M-ψ_S)+sin²(ψ_P-ψ_M)cos²(ψ_M-ψ_S)]cos²(ψ_S-ψ_V)]}sin²(ψ_V-ψ_A)

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，ψ_P是表示起偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，θ_M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，ψ_S是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，β、η、ζ均表示固有函数；

将起偏器的透光轴方位与相位调制元件的快速轴方位的夹角设置为45度，即(ψ_P-ψ_M)＝45°，则一般表达式可进一步化减为：

I(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M(t)]+ζ·sin[θ_M(t)]}，

其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M(t)是表示相位调制元件所产生的相位差或相位延迟，η、ζ均表示固有函数；

每一调制周期均有三种调制状态，分别为θ_M(t)＝+θ_M、θ_M(t)＝0、θ_M(t)＝-θ_M，则其采样得到的一组光强信息{I⁺，I⁰，I^-}分别为：

I⁺(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]+ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

I⁰(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，η表示固有函数；

I^-(t)＝(1/2)γ(t)I_o(t){1+η·cos[θ_M]-ζ·sin[θ_M]}，其中，γ(t)是各单元对光的透射率总效果，I_o(t)是光源发出的光强度，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，η、ζ均表示固有函数；

步骤52、由采样得到的光强信号{I⁺，I⁰，I^-}，计算出来的***函数I_M、固有函数ζ和η分别为：

I_M＝[I⁺(t)+I^-(t)-2I⁰(t)cos(θ_M)]/tan(θ_M/2)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值；

ζ＝[I⁺(t)–I^-(t)]/I_M(t)，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I_M(t)是表示***函数；

η＝{2I⁰(t)-[I⁺(t)+I^-(t)]}/{I_M(t)·tan[θ_M/2]}，式中，I⁺(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝+θ_M下的光强信息，I^-(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝-θ_M下的光强信息，I⁰(t)是表示调制状态为θ_M(t)＝0下的光强信息，θ_M是表示相位调制元件调制状态下的调制数值，I_M(t)是表示***函数；

其中，***函数I_M(t)由下式定义：I_M(t)＝γ(t)I_o(t)·sin[θ_M]；

固有函数ζ和η在基于所述传感模块时有：

ζ＝ζ_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+ζ_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

ζ_T＝sin2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)，ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

η＝η_T·cos2(ψ_V-ψ_A)+η_R·sin2(ψ_V-ψ_A)，其中，在偏振计为三阶的情况下有：

η_T＝-sin2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)sin2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_S)，

η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)

·cos(θ_V)cos(θ_S)+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_A是表示检偏器的透光轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤53、将传感元件的快速轴方向与检偏器的透光轴方向之间的夹角设置为45度，即(ψ_V-ψ_A)＝45°，那么固有函数ζ和η分别变成：

ζ＝ζ_R＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)cos(θ_V)+cos(θ_S)sin(θ_V)，式中，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η＝η_R＝+sin 2(ψ_M-ψ_S1)sin 2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)

-cos2(ψ_M-ψ_S1)cos2(ψ_S2-ψ_V)·cos(θ_V)cos(θ_S)

+cos2(ψ_M-ψ_S1)·1·sin(θ_V)sin(θ_S)，

式中，ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_M是表示相位调制元件的快速轴方位，ψ_S1是表示隔离光纤入射口的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟；

步骤54、取ζ_RS＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·sin(θ_S)＝K·sin(Θ)且ζ_R4＝cos(θ_S)＝K·cos(Θ)，那么ζ_R＝K·sin(Θ+θ_V)且tan(Θ)＝ζ_RS/ζ_R4＝cos2(ψ_S2-ψ_V)·tan(θ_S)；

其中，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，它是由外力，如机械振动或环境温度变化等作用在隔离光纤的路径上，经过累积形成的，具有时变特性；ψ_V是表示传感元件的快速轴方位，ψ_S2是表示隔离光纤出射口的快速轴方位，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟，θ_S是表示隔离光纤总体相位延迟，K是光路的系数；

步骤55、传感模块的光路的构建，是相对于基本光路的固有函数ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，可构建另一路光路，使其光路的固有函数为ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，有了如下4路的固有函数组{ζ_RT、ζ_RR、ζ_RS、ζ_R4}或{η_RT、η_RR、η_RS、η_R4}：

ζ_RT＝K·sin(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RR＝K·cos(Θ+θ_V)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

ζ_RS＝K·sin(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

ζ_R4＝K·cos(Θ)，式中，K是光路的系数，Θ是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_RT＝M·sin(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RR＝M·cos(θ_η+θ_V)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差，θ_V是表示传感元件所产生的相位差或相位延迟；

η_RS＝M·sin(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差；

η_R4＝M·cos(θ_η)，式中，M是光路的系数，θ_η是由隔离光纤引入的等价相位差。