[发明专利]一种基于螺旋形变铁电液晶的光学电压传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于螺旋形变铁电液晶的光学电压传感器，属于光学电压传感应用领域。

背景技术

长期以来，电磁式互感器一直扮演着电力系统运行监视的重要角色。变电站中测量监视和保护控制依靠它来获得测量、计量、保护所需的电流、电压等信息。随着电网电压的提高及智能化一次、二次设备的发展，传统的电磁式互感器已逐渐暴露出其自身的缺点，其绝缘结构的设计将变的极其复杂，成本、体积也随之急剧增加。

随着微机保护、微机自动化设备的广泛应用，已不再需要互感器输出较大的功率。变电站自动化技术的深入发展，出现了一次、二次设备相互渗透、融合的新型智能化一次设备。用电子式互感器取代传统的电磁式互感器，以光纤传输数字信号，就地集成继电保护、测控功能，与断路器或全封闭组合电器结合，形成新一代智能化一次设备，可增强变电站自动化系统实时监视和控制的可靠性、灵活性，降低建设和运行投资，方便维护，保证电网自动化的实现。智能电网是电力系统的发展趋势，目前已在逐步实施。智能电网要求变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化。

近年来，随着光电技术和计算机技术的飞速发展，一种新型的电压传感器—光学电压传感器应运而生。目前国内外研制的光学电压传感器主要基于电光晶体的Pockels效应、Kerr效应以及压电材料的逆压电效应等。现阶段影响光学电压传感器大规模应用的重要原因是其受温度、振动等因素的影响较大，产品的工艺一致性较差、批量生产的成本较高，系统的集成工艺、封装工艺、解调算法等方面还需要进一步完善。

发明内容

本发明针对上述问题提供一种基于螺旋形变铁电液晶的光学电压传感器。铁电液晶分子的指向矢在外加电场作用下发生改变，导致了入射光波的偏振态发生改变。由于该材料响应速度快，在显示和光子器件领域具有极大的应用潜力。螺旋形变铁电液晶是基于短螺距SmC*液晶层中螺旋结构的形变的机理，当外加垂直于螺旋轴的电场时，电场与分子极化相互作用，导致液晶分子的指向矢发生旋转。螺旋形变铁电液晶可以实现连续可调的光学相位调制，响应速度可达到1微秒，控制电压低。

本发明采用如下技术方案：

宽谱光源发出的光经过起偏器后变为线偏振光进入反射型螺旋形变铁电液晶盒。反射型螺旋形变铁电液晶盒将导电层、取向层、液晶和反射层有效集成，实现对偏振光的调制。螺旋铁电液晶放置在两块玻璃基板之间，液晶分子的取向矢与玻璃基板平行。左侧玻璃基板采用透明电极，右侧玻璃基板镀金作为电极。其中，镀金电极除了作为电极之外，还作为宽带反射镜反射入射光。起偏器和液晶分子轴向间的夹角为β。当外加电场作用于液晶时，液晶材料产生双折射效应，从而导致了线偏振光的偏振态发生改变。因此，当反射光经过起偏器后，其强度将发生改变。

当有外加电场作用于电极时，液晶的有效双折射Δn和光轴Ω都将发生变化，从而对输出光的强度产生调制。不考虑器件内部损耗，其传递函数与外加电场E的关系可以表示为：

采用分压元件将一次侧的高电压信号同比例转为模拟小电压信号，将该信号加载到铁电液晶上，实现对光波的调制。在低压端光电探测器中，将调制的光波信号转为模拟电压信号，通过进一步的信号处理技术，可实现对母线电压的检测。

优选地，所述光学电压传感器采用反射式系统架构，能够提高系统的响应能力，同时，减小传感头及系统制作的复杂性。

优选地，所述光学电压传感器，采用螺旋形变铁电液晶作为电压(电场)敏感材料，可以实现连续可调的光学相位调制，响应速度可达到1微秒，控制电压低。

优选地，所述光学电压传感器，采用分压元件将一次侧的高电压信号同比例转为模拟小电压信号，将该信号加载到铁电液晶上，实现对光波的调制。

本发明的有益效果在于：

本发明设计一种基于螺旋形变铁电液晶的光学电压传感器，响应速度快，结构简单、成本低、高压端无需供电、抗振性能好、温度性能优越，可实现高电压测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1：本发明基于螺旋形变铁电液晶的光学电压传感器示意图。

图2：本发明基于螺旋形变铁电液晶的集成光学传感模块示意图。

具体实施方式