一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统，芯片包括铌酸锂晶片，用于作为基底；Y分支光波导，用于将输入的光信号分为两部分；第一集成光波导MZI，用于和条形电极构成电压传感单元；第二集成光波导MZI，用于和分段电极、环形天线构成电流传感单元；条形电极，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导MZI中传输的光波产生调制作用；环形天线，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线上产生感应电流；分段电极，用于将环形天线上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导MZI中传输的光波产生调制作用。本发明专利技术具有集成度高、复杂程度低、稳定性高、抗干扰能力强、绝缘性能好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统
本专利技术涉及一种集成光波导电功率传感芯片及其构建的测量系统，属于电功率测量

技术介绍
随着现代科技的迅速发展，越来越多的科技与工业领域需要快速、准确地测量电功率，同时对电功率测量的技术要求也越来越高。传统的电功率测量技术主要基于电子式的电压、电流互感器，但是随着电压等级的不断升高，电气电子式的电功率测量技术在电气绝缘性、抗电磁干扰、频率响应、系统体积与复杂程度等方面都表现出了相当的局限性。为此，目前对电功率测量的研究主要集中在以光纤、电光晶、光电探测等光电子器件为基础的光电子式电功率测量系统，并取得了诸多研究成果，研制出一系列以光纤电流传感器和块状晶体型电压传感器为基础的电功率测量系统。但是，采用分立的光学元件，无疑增加了测量系统结构的复杂程度和体积，同时降低了测量的稳定性和准确性。
技术实现思路
本专利技术提供了一种集成光波导电功率传感芯片，通过设计在一片铌酸锂晶片表面制作一种双平行集成光波导马赫增德尔干涉仪(Mach-ZehenderInterferometer,MZI)，并在两集成光波导MZI周围设置环形天线和调制电极，形成电压传感单元和电流传感单元，通过集成光波导电功率传感芯片构建测量系统，电压传感单元和电流传感单元对载流导线上的电压和电流进行测量，在输出端采用光电探测器将光信号转为电信号，得到被测电流和电压信号，最后由信号处理单元进行处理得到被测电功率。本专利技术的技术方案是：一种集成光波导电功率传感芯片，包括：铌酸锂晶片1，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；Y分支光波导2，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4；第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3，用于和条形电极5一起构成电压传感单元；第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4，用于和分段电极6以及环形天线7一起构成电流传感单元；条形电极5，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；环形天线7，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线7上产生感应电流；分段电极6，用于将环形天线7上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。所述条形电极5由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端分别作为被测电压的正极与负极输入端。所述分段电极6成对出现，其中一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4一条直波导臂两侧的两片平行电极构成，另一段由设置在第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4另一条直波导臂两侧的两片平行电极构成。所述分段电极6的对数与所用的环形天线7的匝数相等。所述环形天线7为多匝结构，其中每一匝与对应的分段电极6的每一对相连接。所述环形天线7为方形或圆形结构。一种集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统，所述测量系统包括：保偏激光器8、保偏光纤9、集成光波导电功率传感芯片、单模光纤10、第一光电探测器11、第二光电探测器12和数字信号采集处理单元13；其中保偏激光器8输出光由保偏光纤9与集成光波导电功率传感芯片输入端相连接，集成光波导电功率传感芯片的电压传感单元输出光经单模光纤10与第一光电探测器11相连接，集成光波导电功率传感芯片的电流传感单元输出光经单模光纤10与第二光电探测器12相连接；第一光电探测器11与第二光电探测器12输出电信号由数字信号采集处理单元13进行采集与处理后分别获得被测电压与电流信号的有效值和相位，并进一步计算得出被测电功率。本专利技术的有益效果是：1)在一片铌酸锂晶片表面制作两个集成光波导MZI，并在其周围设置条形电极、分段电极和环形天线，实现电压和电流传感单元的单片集成，极大地提高了测量系统的集成度和稳定性，同时降低了系统结构的复杂程度。2)利用光学传感器带宽宽的优点，专利技术提供的集成光波导电功率传感系统可同时测量得出被测电压、电流信号的有效值和相位，从而方便地获得视在功率、有功和无功功率。3)本专利技术提供的集成光波导电功率传感芯片除电极和天线具有微小金属结构外，其余都为非金属结构，并且不需外部供电，使用光纤进行信号传输，因此测量系统具有绝缘性能好、抗干扰能力强等优点，未来在电力系统电功率测量尤其是强电流、高电压环境下的电功率测量方面具有重要应用价值。附图说明图1是本专利技术提供的一种集成光波导电功率传感芯片结构示意图；图2是采用本专利技术提供的集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统示意图；图3是采用本专利技术提供的集成光波导电功率传感芯片构建的测量系统测量电功率的实施实例；图中各标号为：1-铌酸锂晶片，2-Y分支光波导，3-第一集成光波导马赫增德尔干涉仪，4-第二集成光波导马赫增德尔干涉仪，5-条形电极，6-分段电极，7-环形天线，8-保偏激光器，9-保偏光纤，10-单模光纤，11-第一光电探测器，12-第二光电探测器，13-数字信号采集处理单元，14-载流导线，15-负载。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的内容并不限于所述范围。实施例1：如图1所示，一种集成光波导电功率传感芯片，包括：铌酸锂晶片1，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；Y分支光波导2，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4；第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3，用于和条形电极5一起构成电压传感单元；第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4，用于和分段电极6以及环形天线7一起构成电流传感单元；条形电极5，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；环形天线7，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线7上产生感应电流；分段电极6，用于将环形天线7上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪4中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。进一步地，可以设置所述条形电极5由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪3的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端分别作为被测电压的正极与负极输入端。进一步地，可以设置所述分段电极6成对出现，其中一段由设置在第二集成光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：包括：铌酸锂晶片(1)，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；Y分支光波导(2)，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)；第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)，用于和条形电极(5)一起构成电压传感单元；第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)，用于和分段电极(6)以及环形天线(7)一起构成电流传感单元；条形电极(5)，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；环形天线(7)，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线(7)上产生感应电流；分段电极(6)，用于将环形天线(7)上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。

【技术特征摘要】
1.一种集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：包括：铌酸锂晶片(1)，用于作为集成光波导电功率传感芯片的基底；Y分支光波导(2)，用于将输入的光信号分为两部分，分别输入与之相连的第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)和第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)；第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)，用于和条形电极(5)一起构成电压传感单元；第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)，用于和分段电极(6)以及环形天线(7)一起构成电流传感单元；条形电极(5)，用于接入被测电压信号，并在电极间产生感应电压，从而对第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)中传输的光波产生调制作用，即将电压信号加载到光波上；环形天线(7)，用于接收被测电流周围的磁场，并在环形天线(7)上产生感应电流；分段电极(6)，用于将环形天线(7)上产生的感应电流转换成感应电压，从而对第二集成光波导马赫增德尔干涉仪(4)中传输的光波产生调制作用，即将电流信号加载到光波上。2.根据权利要求1所述的集成光波导电功率传感芯片，其特征在于：所述条形电极(5)由四片水平条形电极和两片竖直条形电极构成；其中四片水平条形电极中的两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂的内侧，另外两片设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂的外侧；两片竖直条形电极中左边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂内侧的两片平行条形电极相连接，右边一片的一端与设置在第一集成光波导马赫增德尔干涉仪(3)的两直波导臂外侧的两片平行条形电极相连接，两片竖直条形电极的另一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：张家洪，李佳文，赵振刚，李英娜，李川，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53