一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，属于光学电压传感器领域；包括光学传输单元和Pockels相位敏感单元；两晶体中温度场、应力场的不一致性，会导致Pockels相位敏感单元的互易性退化；光学传输单元的熔接角度、对轴角度非理想对干涉光强大小及反馈相位产生影响，导致光学电压传感器测量误差的产生。通过建立光学传输单元和Pockels相位敏感单元的温度误差模型，设计了能够抵消两晶体中附加应力双折射的新型光学基座结构并提出了角度误差补偿方法，提高了光学电压传感器的测量精度及温度稳定性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学电压传感器
，具体涉及一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置。
技术介绍
电力系统是国民经济的命脉，电力工业直接关系着国民经济的健康稳定发展。随着电力工业的发展，电力系统传输容量不断增大、电压运行等级越来越高，电网正在向着数字化、智能化、网络化的方向发展。智能电网就是电网的智能化，它是建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的目标。与现有电网相比，智能电网体现出电力流、信息流和业务流高度融合的显著特点，是电网技术发展的必然趋势。随着光纤传感及光电技术的快速发展，光学电压传感器正逐步取代传统的电容式、电磁式电压传感器，成为电力系统中进行电能计量和继电保护的基本测量设备。光学电压传感器因其绝缘性能优越、频带宽、动态范围大、尺寸小、重量轻、安全可靠等一系列优点，非常适合在智能电网中的应用。然而，智能电网复杂的温变环境对光学电压传感器的测量精度和长期工作稳定性产生较大的影响，限制了它的实用化进程。近几十年来，国内外研究学者们开展了一些研究工作以改善光学电压传感器的光学结构，进而提高其检测精度和工作稳定性。Lee采用双光路补偿的方法减小电光晶体内附加双折射误差对传感器工作性能的影响；Kumada等提出了一种带有纵轴调制串联BGO晶体的双波长激光系统进行高压测量；李长胜等应用入射光在菲涅尔菱形Bi4Ge3O12(BGO)晶体内的两次全反射替代1/4波片产生π/2光学相位偏置。专利号为ZL201310111598.7的一篇名为《新型反射式互易性光学电压互感器及其光路设计方法》的专利中，我们介绍了一种光学电压传感器双晶体传感光路方案。所有这些研究都在一定程度上促进了光学电压传感器的发展，但温度稳定性问题依然是限制光学电压传感器在智能电网中应用的主要因素。因此，研究电压传感器温度误差机理，提出一种能够抑制电压传感器温度误差的新型光学传感装置，以提高光学电压传感器检测精度、长期工作稳定性及抗干扰能力，对于促进其在智能电网中的应用具有重大的研究价值和深远的研究意义。
技术实现思路
本专利技术针对智能电网复杂的温变环境，会导致反射式双晶体光学电压传感器中Pockels相位敏感单元的互易性退化问题，同时为了控制温变环境导致的双晶体光学电压传感器产生的温度误差，提出了一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，用来保证并提高光学电压传感器的检测精度，保持长期工作稳定性，并促进其实用化进程。所述光学传感装置包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分。光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点。Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；保偏延迟光缆末端连接法拉第旋光器，将Pockels相位敏感单元单独置于智能电网中。互易性双晶体结构包括BGO晶体A、半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块。将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面均粘结在电极上；对晶体B加电，且电场方向垂直于晶体B的(001)面，晶体A粘结的电极不加电；将两块电极固定在光学基座上。其中，对光学电压传感器测量精度产生影响的因素包括：45°熔接点的熔接角度；半波片相位延迟角度；以及半波片对轴角度；针对各因素对光学电压传感器测量精度的影响分别进行量化；首先，对45°熔接点的实际熔接角度θ1影响到达光电探测器的干涉光强Iout的大小进行量化；量化公式如下：θ1为45°熔接点的实际熔接角度；为两束正交线偏振光再次经过相位调制器时的调制相位；为两束正交线偏振光初次经过相位调制器时的调制相位；δ为Pockels相位延迟；Eout为输出光，表达式为：Eout＝Pb·W1b·Mb·W2b·Fb·Ab·Cb·Hb·Sb·Rf·Sf·Hf·Cf·Af·Ff·W2f·Mf·W1f·Pf·ESLDPb为反向传输时起偏器的琼斯矩阵；W1b为反向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；Mb为反向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W2b为反向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；Fb为反向传输时法拉第旋光器琼斯矩阵；Ab为反向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ3的琼斯矩阵；Cb为反向传输时晶体A的琼斯矩阵；Hb为反向传输时半波片的琼斯矩阵；Sb为反向传输时晶体B的琼斯矩阵；Rf为正向传输时反射膜的琼斯矩阵；Sf为正向传输时晶体B的琼斯矩阵；Hf为正向传输时半波片的琼斯矩阵；Cf为正向传输时晶体A的琼斯矩阵；Af为正向传输时法拉第旋光器同BGO晶体A之间的对轴角度θ3的琼斯矩阵；Ff为正向传输时法拉第旋光器的琼斯矩阵；W2f为正向传输时0°熔接点的琼斯矩阵；Mf为正向传输时相位调制器的琼斯矩阵；W1f为正向传输时45°熔接点的琼斯矩阵；Pf为正向传输时起偏器的琼斯矩阵；ESLD为超辐射发光二极管SLD的琼斯矩阵。然后，对半波片相位延迟角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；量化公式如下：半波片的实际相位延迟角度非理想时的干涉光强Iout大小为：γ为半波片的实际相位延迟角度；Pockels相位敏感单元的反馈相移为：最后，对半波片对轴角度同时影响干涉光强大小和真实Pockels相位进行量化；半波片对轴角度是指半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向对轴角度；半波片的实际对轴角度θ4非理想时的干涉光强Iout大小为：θ4为半波片快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向之间的对轴角度；Pockels相位敏感单元的反馈相移为：半波片对轴角度非理想是影响光学电压传感器测量精度的关键因素，通过对半波片对轴角度进行补偿，减小导致的光学电压传感器测量误差；具体补偿方法如下：(1)当半波片对轴角度小于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均小于各自的理想值，且半波片相位延迟角度大于自身的理想值；法拉第旋光器对轴角度是指法拉第旋光器输入尾纤快/慢轴同BGO晶体感生折射率主轴x(y)方向的对轴角度；(2)当半波片对轴角度大于自身的理想值，使0°熔接点的实际熔接角度、法拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器对轴角度均大于各自的理想值，且半波片相位延迟角度小于自身的理想值。温度变化使参数(σy-σz)在晶体A和晶体B中分布不对称，导致双晶体结构的互易性退化，影响光学电压传感器温度稳定性；具体计算公式如下：两束正交线偏振光在Pockels相位敏感单元中传播的麦克斯韦方程表示为：▽2E+ω2μ·ε0{[ε0]+[ΔεP]+[ΔεT]+[ΔεS]本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述光学传感装置包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分；Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；光学传输单元的保偏延迟光缆末端连接法拉第旋光器，将Pockels相位敏感单元单独置于智能电网中；互易性双晶体结构包括BGO晶体A、半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块；只对晶体B加电，且电场方向垂直于晶体B的(001)面；通过将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面粘结在电极上，并将电极固定在光学基座上，保证影响电压传感器温度稳定性的关键参数在两晶体中分布的对称性，有效抑制Pockels相位敏感单元的温度误差；光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点；多处熔接角度及对轴角度误差的存在都会影响光学电压传感器的性能，通过分析角度误差对电压传感器的影响机理并提出角度误差补偿方法，根据角度误差补偿方法，调整各光学器件之间的对轴角度、熔接角度，减小角度误差对光学电压传感器测量精度的影响。...

【技术特征摘要】
1.一种抑制电压传感器温度误差的光学传感装置，其特征在于，所述光学传感装置包括：光学传输单元和Pockels相位敏感单元两部分；Pockels相位敏感单元包括法拉第旋光器和互易性双晶体结构；光学传输单元的保偏延迟光缆末端连接法拉第旋光器，将Pockels相位敏感单元单独置于智能电网中；互易性双晶体结构包括BGO晶体A、半波片和BGO晶体B：晶体B为电压敏感单元，晶体A和半波片组成温度误差补偿模块；只对晶体B加电，且电场方向垂直于晶体B的(001)面；通过将晶体A的(001)面和晶体B的(001)面作为底面粘结在电极上，并将电极固定在光学基座上，保证影响电压传感器温度稳定性的关键参数在两晶体中分布的对称性，有效抑制Pockels相位敏感单元的温度误差；光学传输单元包括顺次通过保偏光纤连接的：超辐射发光二极管，单模环形器，起偏器，相位调制器和保偏延迟光缆；起偏器的输出尾纤同相位调制器的输入尾纤之间进行45°对轴熔接，相位调制器输出尾纤与保偏延迟光缆之间有一个0°熔接点；多处熔接角度及对轴角度误差的存在都会影响光学电压传感器的性能，通过分析角度误差对电压传感器的影响机理并提出角度误差补偿方法，根据角度误差补偿方法，调整各光学器件之间的对轴角度、熔接角度，减小角度误差对光学电压传感器测量精度的影...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧，付志达，王夏霄，李立京，孟照魁，徐宏杰，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11