[实用新型]一种高稳定度的光纤电压传感头

说明书

本实用新型涉及到光纤电压传感器，适用于电力系统中气体绝缘变电站的电压监测及计量部门，科研单位对各种交流及脉冲电压的测量。

传光型光纤电压传感器是利用一些晶体（如石英晶体）的普克尔效应（即一次电光效应）对电压进行测量的。附图1是传光型光纤电压传感头的原理框图，1－1是起偏器、1－2是石英晶体、1－3是检偏器。在石英晶体1－2的X方向加上电压。起偏器1－1将入射光变成线偏振光，当与X轴方向成45°角的线偏振光进入石英晶体1－2后，垂直分量和平行分量偏振光的位相差随所加电压大小而变化，光的偏振态也随之改变，通过检偏器1－3后的光强也发生变化，根据光强的这种变化可测得所加电压的大小。检偏器输出光强Io与入射到晶体的光强Ii之比称为透过率T：

T＝Io／Ii＝Sin²（πV／2Vπ）

式中V为加在石英晶体上的电压，Vπ为晶体的半波电压，透过率T随外加电压V的变化曲线如附图2中A曲线所示。

若测量交流电压V＝VoSinωst，则

T＝Sin²（π／2 (VoSinωst)/(Vπ) ）

透过率T随VoSinωst的变化如附图2B曲线所示。

为使上述这种电压传感器工作在线性区，通常采用光学偏置方法，即在石英晶体与检偏器之间插入一块由石英晶体制成的四分之一波长的位相延迟片，如附图3所示，3－1是起偏器、3－2是石英晶体、3－3是1／4波片、3－4是检偏器。1／4波片3－3使垂直于主平面与平行于主平面的两偏振分量存在π／2位相差，把电压传感器的工作点从O点移至P点，透过率T随VoSinωst的变化如附图2的曲线C所示。这种采用石英晶体做多级位相延迟片予置π／2位相差的方法存在的不足之处是：位相延迟片对温度较敏感，例如1.973毫米厚的石英位相延迟片（在6328埃，干涉级次N＝28.25）温度每增加1℃，位相延迟要减小1.03°，即电压传感器的工作点随温度的变化而变化，这不仅影响测量数据的准确性，严重时，还将影响线性测量范围，致使传光型电压传感器不能实际应用。

本实用新型的目的是为了提高传光型光纤电压传感器的测量稳定性而设计的一种稳定性高，便于实用的传光型光纤电压传感头。

本实用新型的技术要点是采用一个直角棱镜代替1／4波片，使光经棱镜两直角面反射后垂直入射面与平行入射面的两偏振分量位相差接近π／2，起偏器和检偏器置于电光晶体一侧，而直角棱镜置于电光晶体另一侧。

本实用新型的工作原理是光通过棱镜全反射时，垂直于入射面与平行入射面的两个偏振分量将产生位相差，其位相延持如下式所示：

式中δ₁₁和δ分别为平行分量和垂直分量的相位变化，n为两种介质折射率n₁，n₂之比值，即n＝n₂／n₁（n₂＜n₁），θ₁为光从折射率为n₁的介质进入折射率为n₂的介质时的入射角。据上式可见，选择合适的材料作直角棱镜，当光垂直入射E面时，便可使光在直角面F上反射一次所引起的位相差（δ₁₁－δ）接近π／4，经棱镜两直角面F、S反射就可使两偏振分量位相差接近π／2。直角棱镜可用各向同性的玻璃材料制成，折射率与温度变化无关，所以，本实用新型的稳定性不受温度影响。

本实用新型的优点是：1.消除了采用晶体材料作多级位相延迟片时，温度变化对测量准确度及测量范围的影响；2.缩短光路，提高了调制度，避免入射光的发散对位相延迟片的影响；3.光经全反射直角棱镜，两次经过电光晶体，可消除某些电光晶体（如石英）旋光效应对测量的影响；4.减少元件简化结构、降低成本。