CN110161295B - 一种反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法，属于电磁场测量领域，反射式光纤电场传感器包括激光器、保偏光纤、三端口环形器和光电探测器，保偏光纤从三端口环形器的第一端口接入，光电探测器设于三端口环形器的第三端口；探头包括：固定装置，具有凹槽结构，凹槽结构内固定有依次布置的偏振片、铌酸锂晶体、1/8波片和反射片；和石英套管，其一端插设有准直透镜，另一端套封有石英圆柱体，固定装置固定在石英套管中部，准直透镜连接三端口环形器的第二端口。解决反射式光纤电场传感器中探头结构的装调问题，降低各元件本身缺陷产生的不利影响，实现各元件相对位置最优化，提高测量灵敏度和稳定性。

Description

一种反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法

技术领域

本发明涉及电磁场测量领域，具体地说，涉及一种反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法。

背景技术

随着电力***输电容量的不断增大，传输电压等级的不断提高，远距离输电不断增多，因此对工作电压的测量精度要求也越来越高。目前已有的电压传感器包括电磁式电压传感器、电容式电压传感器和光学电压传感器。目前使用最广泛、技术相对成熟的是前两种，但由于体积过大，绝缘性复杂等原因，不能满足日益增长的电压测量要求。光学电压传感器由于其绝缘性好，封装体积小等因素，越来越受到各国科研工作者的青睐。

电场测量包括电流、电压等多种物理量的测量，用于测量电压的光纤电场传感器叫光纤电压传感器。目前大多数用于测量电场的光纤电压传感器都是基于线性电光效应的透射式结构，包括偏振片、电光晶体和四分之一波片。一种传统的透射式光纤电场传感器结构如图1所示。

公布号为CN106093599A的中国专利文献公开了一种光学探头与电磁场测量设备及它们的测量方法，探头按照准直器、起偏器、石英波片、电光晶体以及高反射率介质片的顺序依次组装在石英玻璃管中，入射光纤接到准直器并固定在玻璃管管壁上。这种反射式光学探头具有体积小、集成度高、对被测电磁场干扰小等优点，但目前仍然存在一大问题，便是稳定性较差，要如何提高稳定性，可以从特殊的装调方法入手。

透射式光纤电场传感器探头结构入射需要接光源，出射需要接光电探测器和数据采集设备，两头都要接设备导致灵活性降低，不利于探测狭小空间的电场。相比于透射式，反射式探头所需光学元件更少，集成度更高，且因采用反射结构，相同长度的电光晶体能实现两倍的有效长度，灵敏度更高。但如何调节各光学元件之间的相对角度和位置关系以实现最优性能仍然需要探索。

影响光纤电场传感器测量稳定性的一个因素是电光晶体存在自然双折射和热电效应，这两种效应都具有温度依赖性。当光束沿晶体光轴精确对准，则不会产生自然双折射，热电效应也能大大降低。但如何保证晶体光轴与光束方向精确对准则是一个难题。微小的失误便会导致传感器的温度不稳定。

影响光纤电场传感器测量稳定性的另一个因素是波片。光纤电压传感器在对大信号进行强度调制时，通过贝塞尔函数分析可以发现光强调制波会出现失真，除线性项外还会产生大量谐波分量，这和起偏置作用的波片相位有关。因此波片的质量和位置角度对光纤电场传感器探头测量精度影响较大。

发明内容

本发明的目的为提供一种反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法，解决反射式光纤电场传感器中探头结构的装调问题，降低各元件本身缺陷产生的不利影响，实现各元件相对位置最优化，提高测量灵敏度和稳定性。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供的反射式光纤电场传感器的探头，其中，反射式光纤电场传感器包括激光器、保偏光纤、三端口环形器和光电探测器，保偏光纤从三端口环形器的第一端口接入，光电探测器设于三端口环形器的第三端口；探头包括：

固定装置，具有凹槽结构，凹槽结构内固定有依次布置的偏振片、铌酸锂晶体、1/8波片和反射片；

石英套管，其一端插设有准直透镜，另一端套封有石英圆柱体，固定装置固定在石英套管中部，准直透镜连接三端口环形器的第二端口。

上述技术方案中，激光器发出的光依次通过三端口环形器、准直透镜、偏振片、铌酸锂晶体和1/8波片，然后通过反射片反射回来再次经过1/8波片、铌酸锂晶体、偏振片、准直透镜后从三端口环形器三端口出射，用光电探测器测量将输出光强转换为电流或电压以便于测量分析。被测电场通过铌酸锂晶体的pockel效应以位相差形式加载到光路中，反射使得铌酸锂晶体有效长度增加一倍，灵敏度明显提高。

作为优选，偏振片的消光比至少为40dB。整个探头结构中，需要保证偏振片消光比达到40dB以上，便于装调过程中确定电光晶体的确切位置，同时在测量中能提高测量灵敏度。偏振片透光轴沿水平方向。

在整个探头结构中，需要保证电光晶体的光轴与光束方向精确对准，这样便不会产生自然双折射，同时热电效应也能大大降低。自然双折射效应会降低探头测量灵敏度，而且自然双折射和热电效应会导致电光晶体的温度依赖性。根据线性电光效应耦合波理论，可以得到电光晶体光轴与光束方向的精确关系。作为优选，铌酸锂晶体的光轴与激光光束的方向平行。

作为优选，偏振片的透光轴和1/8波片的快轴夹角为45°。光路经过反射片会两次通过1/8波片，从而产生90°位相延迟，从而让探头工作在线性区，实现待测电压与输出光强之间的线性关系，提高测量灵敏度。

为了提高1/8波片的质量，减少大量谐波分量的引入，从而提高探测灵敏度，作为优选，1/8波片镀有增透膜，确保1/8波片生产时快轴沿对角线方向。

为了确保反射片的反射损耗小，作为优选，反射片镀有与激光器发射的激光波长相对应的高反膜。目前所用激光器中心波长1550nm，因此反射片需要镀膜(比如HR膜)实现在1550波段反射率大于98％。

另一方面，本发明提供的反射式光纤电场传感器的探头装调方法包括以下步骤：

1)激光器发出激光，经保偏光纤传输，通过三端口环形器第一端口后从第二端口出射并进入准直透镜，用六维调节架固定准直透镜，用夹具固定凹槽结构，使准直透镜出来的激光通过凹槽中心；

2)将偏振片放入凹槽结构，用六维调节架转动准直透镜，同时调节偏振片，至最小光功率在-40dB以下后，调节透过偏振片后的光功率达最大，将偏振片固定；

3)在凹槽结构的另一端用三维调节架固定一个反射片，调节反射片直到从三端口环形器的第三端口测得的光功率最大；

4)在偏振片和反射片之间用360°可转动调节架固定一个1/4波片，转动1/4波片，直到第三端口测得的光功率小于-40dB后固定；

5)将铌酸锂晶体放入凹槽结构，使透射和反射回的激光均能通过铌酸锂晶体，用光纤戳动铌酸锂晶体，直到第三端口所测得的光功率小于-40dB，确保光功率小于-40dB情况下固化铌酸锂晶体；

6)将反射片用导热硅脂粘在三维调节架上，调节三维调节架，直到反射回第三端口的激光功率最大，边观察第三端口激光功率变化边调节三维调节架直到将反射片移进凹槽内。随后，将1/8波片放进晶体和反射片之间，调节1/8波片看第三端口激光功率是否恰好减半(与未放1/8波片前激光功率相比)。若成功减半，拿掉1/8波片并固化反射片；若调节1/8波片无法使激光功率成功减半(偏大或偏小)，拿掉1/8波片，微调反射片，再将1/8波片放入看能否减半，多次调节直到放入1/8波片后能成功减半(判断标准：反射片反射回的激光功率尽可能大，同时加1/8波片后成功减半)。调好反射片后拿掉1/8波片，固化反射片；

7)将1/8波片放入凹槽结构的铌酸锂晶体和反射片之间，调节1/8波片位置直到第三端口激光功率为放波片前的一半后固定；

8)将固定好偏振片、铌酸锂晶体、1/8波片和反射片的凹槽结构放置到套管中部，将准直透镜的透镜端套入石英套管端部，连接光纤的一端裸露在外，转动六维调节架并调节凹槽结构，直到从第三端口测得光功率与步骤7)中固定好1/8波片后的光功率一样后进行固定；

9)在石英套管的另一端用石英小圆柱封口。

作为优选，凹槽结构内各元件以及石英套管内各元件均采用紫外胶粘贴，并采用紫外灯进行照射固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的反射式光纤电场传感器的探头及其装调方法，解决可反射式光纤电压传感器探头结构的装调问题，降低各元件本身缺陷产生的不利影响，实现各元件相对位置最优化，提高测量灵敏度和稳定性。

附图说明

图1为本发明背景技术中传统的透射式光纤电场传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的反射式光纤电场传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例的探头结构示意图；

图4为本发明实施例中调节铌酸锂晶体光轴所用光路中通过各光学元件后光的偏振态变化图，包括从环形器第二端口出射激光通过准直透镜和偏振片后的偏振态(1)；激光继续通过铌酸锂晶体后的偏振态(2)；激光继续通过1/4波片后的偏振态(3)；激光从反射片反射回来的偏振态(4)；激光从反射片反射回来并通过1/4波片后的偏振态(5)；激光从反射片反射回来并通过1/4波片和铌酸锂晶体后的偏振态(6)；

图5为本发明实施例中调节铌酸锂晶体光轴所用光路中通过各光学元件后光的偏振态变化comsol模拟图；

图6为本发明实施例中铌酸锂晶体光轴与光束方向偏角与温度稳定性的关系图，其中，(a)图模拟了偏角为1.8°，18°，90°，被测电场20000V时在正交偏振***中温度和相对输出光强的关系曲线；(b)图模拟了偏角0～18°之间，被测电场为0时在正交偏振***中铌酸锂晶体偏角与温度稳定性的关系。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图2和图3，本发明实施例的反射式光纤电场传感器包括激光器001、保偏光纤002、三端口环形器003和光电探测器004，保偏光纤002从三端口环形器003的第一端口接入，光电探测器004设于三端口环形器的第三端口。

探头包括：

固定装置005，具有凹槽结构，凹槽结构内通过紫外胶固定有依次布置的偏振片3、铌酸锂晶体4、1/8波片5和反射片6；

石英套管006，其一端插设有准直透镜2，并通过紫外胶固定，另一端套封有石英圆柱体1，同样通过紫外胶固定，固定装置005通过紫外胶固定在石英套管006中部，准直透镜2连接三端口环形器003的第二端口。

激光器001发出的光依次通过三端口环形器003、准直透镜2、偏振片3、铌酸锂晶体4和1/8波片5，然后通过反射片6反射回来再次经过1/8波片5、铌酸锂晶体4、偏振片3、准直透镜2后从三端口环形器003的第三端口出射，用光电探测器004测量将输出光强转换为电流或电压以便于测量分析。被测电场通过电光晶体的pockel效应以位相差形式加载到光路中，反射使得铌酸锂晶体有效长度增加一倍，灵敏度明显提高。

整个探头结构中，保证偏振片3消光比达到40dB以上，便于装调过程中确定铌酸锂晶体4的确切位置，同时在测量中能提高测量灵敏度。偏振片3透光轴沿水平方向。

在整个探头结构中，保证铌酸锂晶体4的光轴与光束方向精确对准，这样便不会产生自然双折射，同时热电效应也能大大降低。自然双折射效应会降低探头测量灵敏度，而且自然双折射和热电效应会导致铌酸锂晶体4的温度依赖性。根据线性电光效应耦合波理论，可以得到电光晶体光轴与光束方向的精确关系。图6是晶体光轴与光束方向偏角与温度稳定性的关系图。在被测电场为0时，偏角与温度稳定性之间存在一定关系。要同时保证自然双折射和热电效应较小，则需要尽可能使晶体光轴与光束方向平行。

在整个探头结构中，保证偏振片3透光轴和1/8波片5的快轴夹角为45°，光路经过反射片会两次通过1/8波片，从而产生90°位相延迟，从而让探头工作在线性区，实现待测电压与输出光强之间的线性关系，提高测量灵敏度。此外波片要求高质量，否则会引入大量谐波分量，降低探测灵敏度。1/8波片生产时确保快轴沿对角线方向，镀增透膜。

在整个探头结构中，保证反射片6的反射损耗非常小，在反射片6的表面镀与激光波长相应的高反膜。

本实施例的反射式光纤电场传感器的探头装调方法包括以下步骤：

S100激光器001发出激光，经保偏光纤002传输，通过三端口环形器003的第一端口后从第二端口出射，进入准直透镜2，用六维调节架固定准直透镜2，用夹具固定凹槽结构，使准直透镜2出来的激光大致通过凹槽结构的中心。

S200凹槽结构一端粘少许紫外胶，将偏振片3放上去，用六维调节架转动准直透镜2，同时微调偏振片3，确定最小光功率在-40dB以下后，调到透过偏振片3后的光功率达最大，保持准直透镜2和偏振片3位置不变，用紫外灯照射固化并加热固化。

S300凹槽结构后隔约10cm用三维调节架固定一个反射片6，调节反射片6直到从三端口环形器003的第三端口测得的光功率最大。

S400凹槽结构和反射片6之间用360°可转动调节架固定一个1/4波片5，转动1/4波片5，确定第三端口测得光功率最大值和最小值(最小值需小于-40dB)；转动1/4波片直到3端口测到光功率小于-40dB后固定.

S500在凹槽结构上偏振片3后再粘少许紫外胶，将铌酸锂晶体4放上去，使透射和反射回的激光都能通过铌酸锂晶体4，用光纤戳动铌酸锂晶体4，直到第三端口测得光功率小于-40dB，边用紫外灯照射固化，边观察光功率波动情况，确保光功率一直小于-40dB情况下固化铌酸锂晶体4，再加热固化。

S600凹槽末端粘少许紫外胶，将反射片6用导热硅脂粘在三维调节架上，在距凹槽约5mm处固定并调节三维调节架，直到反射回第三端口的激光功率最大；边观察第三端口激光功率变化边调节三位调节架直到将反射片6移进凹槽内。随后，将1/8波片放进晶体和反射片之间，调节1/8波片看第三端口激光功率是否恰好减半(与未放1/8波片前激光功率相比)。若成功减半，拿掉1/8波片并固化反射片；若调节1/8波片无法使激光功率成功减半(偏大或偏小)，拿掉1/8波片，微调反射片，再将1/8波片放入看能否减半，多次调节直到放入1/8波片后能成功减半(判断标准：反射片反射回的激光功率尽可能大，同时加1/8波片后成功减半)。调好反射片后拿掉1/8波片，用紫外灯照射固化并加热固化，该过程都确保第三端口的激光功率为最大。

S700凹槽中铌酸锂晶体和反射片之间粘少许紫外胶，将1/8波片5放上去，调节波片位置直到第三端口激光功率为放波片前的一半，这时便能确定偏振片3透光轴和1/8波片5的快轴夹角为45°，用紫外灯照射固化并加热固化。

S800在石英套管006内中间和一端涂匀一层紫外胶，将固定好偏振片3、铌酸锂晶体4、1/8波片5和反射片6的凹槽结构粘到石英套管006内中部紫外胶上，将准直透镜2的透镜端粘在石英套管006边缘，连接光纤的一端裸露在外，转动六维调节架并微调凹槽结构，直到从第三端口测得光功率与步骤S700中固定好波片后的光功率一样，用紫外灯照射固化并加热固化准直透镜2和凹槽结构。

S700以上步骤均做完的情况下，在石英套管006开口的一端内壁涂紫外胶，将石英圆柱体1固定在内以达到封闭的效果，用紫外灯照射固化并加热固化。

反射式光学电场传感器中探头结构的组装步骤里，铌酸锂晶体4需要调节到晶体的光轴与激光传播方向平行，这样便不会发生自然双折射效应分成o光和e光，从而使更多的光参与到对信号的标定中，提高灵敏度。为了判断晶体光轴是否与激光传播方向平行，需要搭建一个光路：准直透镜-偏振片-铌酸锂晶体-1/4波片-反射片，其中偏振片的透光轴平行或垂直，1/4波片的快轴与水平方向和垂直方向夹角45°。如果偏振片透光轴沿x方向，则激光通过准直透镜和偏振片后，偏振方向沿x轴，如图4(1)；假设铌酸锂晶体的光轴方向与激光传播方向平行，则偏振光通过晶体后不会分成o光和e光，偏振方向仍然沿x轴，如图4(2)；再1/4波片的快轴与x、y轴夹角均为45°，因此光通过波片后从线偏光变成圆偏光，如图4(3)；从反射片反射回来后仍然是圆偏光，如图4(4)；再通过1/4波片后从圆偏光变为沿y轴的线偏光，如图4(5)；因为铌酸锂晶体的光轴方向与激光传播方向平行，因此通过晶体后的光仍然是沿y轴的线偏光，如图4(6)；而偏振片的透光轴沿x轴，因此反射回的偏振光无法通过偏振片，从第三端口测得的光功率为0。这里第三端口测得光功率为0的条件是铌酸锂晶体光轴和光传播方向平行。如果晶体光轴和光传播方向不平行，光通过晶体后会分成o光和e光，因此反射回来的光必有一部分通过偏振片，从而第三端口测得光功率不可能为0。这便是判断晶体光轴是否与光传播方向平行的依据。

图5为本发明实施例中调节铌酸锂晶体光轴所用光路中通过各光学元件后光的偏振态变化comsol模拟图。和图4理论偏振态完全一样，验证了理论的准确性。

图6为本发明实施例中晶体光轴与光束方向偏角与温度稳定性的关系图。(a)图中模拟了偏角为1.8°，18°，90°，被测电场20000V时在正交偏振***中温度和相对输出光强的关系曲线。(b)图模拟了偏角0～18°之间，被测电场为0时在正交偏振***中晶体偏角与温度稳定性的关系。横轴是晶体与光束方向偏角，纵轴是输出输入光强比对温度的偏导，该值越接近0说明温度稳定性越好。当最大光强为10mW，在保证偏角小于4°的情况下，最小输出光强达到-41dBm以下，就能保证偏角在0.45°以下。

Claims (7)

1.一种反射式光纤电场传感器的探头，反射式光纤电场传感器包括激光器、保偏光纤、三端口环形器和光电探测器，所述保偏光纤从所述三端口环形器的第一端口接入，所述光电探测器设于所述三端口环形器的第三端口；其特征在于，所述探头包括：

固定装置，具有凹槽结构，所述凹槽结构内固定有依次布置的偏振片、铌酸锂晶体、1/4波片和反射片；

石英套管，其一端插设有准直透镜，另一端套封有石英圆柱体，所述固定装置固定在石英套管中部，所述准直透镜连接所述三端口环形器的第二端口；

所述探头的装调方法包括：

1)激光器发出激光，经保偏光纤传输，通过三端口环形器第一端口后从第二端口出射并进入准直透镜，用六维调节架固定准直透镜，用夹具固定凹槽结构，使准直透镜出来的激光通过凹槽中心；

2)将偏振片放入凹槽结构，用六维调节架转动准直透镜，同时调节偏振片，至最小光功率在-40dB以下后，调节透过偏振片后的光功率达最大，将偏振片固定；

3)在凹槽结构的另一端用三维调节架固定一个反射片，调节反射片直到从三端口环形器的第三端口测得的光功率最大；

4)在偏振片和反射片之间用360°可转动调节架固定一个1/4波片，转动1/4波片，直到第三端口测得的光功率小于-40dB后固定；

5)将铌酸锂晶体放入凹槽结构，使透射和反射回的激光均能通过铌酸锂晶体，用光纤戳动铌酸锂晶体，直到第三端口所测得的光功率小于-40dB，确保光功率小于-40dB情况下固化铌酸锂晶体；

6)将反射片用导热硅脂粘在三维调节架上，调节三维调节架，直到反射回第三端口的激光功率最大，边观察第三端口激光功率变化边调节三维调节架直到将反射片移进凹槽内；随后，将1/4波片放进铌酸锂晶体和反射片之间，调节1/4波片看第三端口激光功率与未放1/4波片前激光功率相比是否减半，若减半，拿掉1/4波片并固化反射片；若调节1/4波片无法使激光功率成功减半，拿掉1/4波片，微调反射片，再将1/4波片放入看能否减半，多次调节直到放入1/4波片后能成功减半；调好反射片后拿掉1/4波片，固化反射片；

7)将1/4波片放入凹槽结构的铌酸锂晶体和反射片之间，调节1/4波片位置直到第三端口激光功率为放1/4波片前的一半后固定；

8)将固定好偏振片、铌酸锂晶体、1/4波片和反射片的凹槽结构放置到石英套管中部，将准直透镜的透镜端套入石英套管端部，连接光纤的一端裸露在外，转动六维调节架并调节凹槽结构，直到从第三端口测得光功率与步骤7)中固定好1/4波片后的光功率一样后进行固定；

9)在石英套管的另一端用石英小圆柱封口。

2.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的偏振片的消光比至少为40dB。

3.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的铌酸锂晶体的光轴与激光光束的方向平行。

4.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的偏振片的透光轴和1/4波片的快轴夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的1/4波片镀有增透膜。

6.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的反射片镀有与激光器发射的激光波长相对应的高反膜。

7.根据权利要求1所述的探头，其特征在于，所述的凹槽结构内各元件以及所述的石英套管内各元件均采用紫外胶粘贴，并采用紫外灯进行照射固定。

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