一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，屬于光學電壓傳感器領域；包括光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元；兩晶體中溫度場、應力場的不一致性，會導致Pockels相位敏感單元的互易性退化；光學傳輸單元的熔接角度、對軸角度非理想對干涉光強大小及反饋相位產生影響，導致光學電壓傳感器測量誤差的產生。通過建立光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元的溫度誤差模型，設計了能夠抵消兩晶體中附加應力雙折射的新型光學基座結構并提出了角度誤差補償方法，提高了光學電壓傳感器的測量精度及溫度穩定性。
【專利說明】
一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置
技術領域
[0001] 本發明屬于光學電壓傳感器技術領域，具體涉及一種抑制電壓傳感器溫度誤差的 光學傳感裝置。
【背景技術】
[0002] 電力系統是國民經濟的命脈，電力工業直接關系著國民經濟的健康穩定發展。隨 著電力工業的發展，電力系統傳輸容量不斷增大、電壓運行等級越來越高，電網正在向著數 字化、智能化、網絡化的方向發展。智能電網就是電網的智能化，它是建立在集成的、高速雙 向通信網絡的基礎上，通過先進的傳感和測量技術、先進的設備技術、先進的控制方法以及 先進的決策支持系統技術的應用，實現電網的可靠、安全、經濟、高效、環境友好的目標。與 現有電網相比，智能電網體現出電力流、信息流和業務流高度融合的顯著特點，是電網技術 發展的必然趨勢。
[0003] 隨著光纖傳感及光電技術的快速發展，光學電壓傳感器正逐步取代傳統的電容 式、電磁式電壓傳感器，成為電力系統中進行電能計量和繼電保護的基本測量設備。光學電 壓傳感器因其絕緣性能優越、頻帶寬、動態范圍大、尺寸小、重量輕、安全可靠等一系列優 點，非常適合在智能電網中的應用。然而，智能電網復雜的溫變環境對光學電壓傳感器的測 量精度和長期工作穩定性產生較大的影響，限制了它的實用化進程。
[0004] 近幾十年來，國內外研究學者們開展了一些研究工作以改善光學電壓傳感器的光 學結構，進而提高其檢測精度和工作穩定性。Lee采用雙光路補償的方法減小電光晶體內附 加雙折射誤差對傳感器工作性能的影響;Kumada等提出了一種帶有縱軸調制串聯BG0晶體 的雙波長激光系統進行高壓測量;李長勝等應用入射光在菲涅爾菱形Bi 4Ge3012(BG0)晶體 內的兩次全反射替代1/4波片產生V2光學相位偏置。專利號為ZL201310111598.7的一篇名 為《新型反射式互易性光學電壓互感器及其光路設計方法》的專利中，我們介紹了一種光學 電壓傳感器雙晶體傳感光路方案。所有這些研究都在一定程度上促進了光學電壓傳感器的 發展，但溫度穩定性問題依然是限制光學電壓傳感器在智能電網中應用的主要因素。
[0005] 因此，研究電壓傳感器溫度誤差機理，提出一種能夠抑制電壓傳感器溫度誤差的 新型光學傳感裝置，以提高光學電壓傳感器檢測精度、長期工作穩定性及抗干擾能力，對于 促進其在智能電網中的應用具有重大的研究價值和深遠的研究意義。

【發明內容】

[0006] 本發明針對智能電網復雜的溫變環境，會導致反射式雙晶體光學電壓傳感器中 Pockels相位敏感單元的互易性退化問題，同時為了控制溫變環境導致的雙晶體光學電壓 傳感器產生的溫度誤差，提出了一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，用來保證 并提高光學電壓傳感器的檢測精度，保持長期工作穩定性，并促進其實用化進程。
[0007] 所述光學傳感裝置包括:光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元兩部分。
[0008] 光學傳輸單元包括順次通過保偏光纖連接的:超輻射發光二極管，單模環形器，起 偏器，相位調制器和保偏延遲光纜;起偏器的輸出尾纖同相位調制器的輸入尾纖之間進行 45°對軸熔接，相位調制器輸出尾纖與保偏延遲光纜之間有一個0°熔接點。
[0009] Pockels相位敏感單元包括法拉第旋光器和互易性雙晶體結構;保偏延遲光纜末 端連接法拉第旋光器，將Pockels相位敏感單元單獨置于智能電網中。互易性雙晶體結構包 括BG0晶體A、半波片和BG0晶體B:晶體B為電壓敏感單元，晶體A和半波片組成溫度誤差補償 模塊。將晶體A的（001)面和晶體B的（001)面均粘結在電極上;對晶體B加電，且電場方向垂 直于晶體B的(001)面，晶體A粘結的電極不加電;將兩塊電極固定在光學基座上。
[0010] 其中，對光學電壓傳感器測量精度產生影響的因素包括:45°熔接點的熔接角度； 半波片相位延遲角度；以及半波片對軸角度;針對各因素對光學電壓傳感器測量精度的影 響分別進行量化；
[0011] 首先，對45°熔接點的實際熔接角度影響到達光電探測器的干涉光強的大小 進行量化；
[0012] 量化公式如下：
[0014] 0:為45°熔接點的實際熔接角度為兩束正交線偏振光再次經過相位調制器 時的調制相位為兩束正交線偏振光初次經過相位調制器時的調制相位；S為 Pockels相位延遲;E?t為輸出光，表達式為：
[0015] E〇ut = Pb ? ffib ? Mb ? ff2b ? Fb ? Ab ? Cb ? Hb ? Sb ? Rf ? Sf ? Hf ? Cf ? Af ? Ff ? ff2f ? Mf ? ffif ? Pf ? Esld
[0016] pb為反向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣;Wlb為反向傳輸時45°熔接點的瓊斯矩陣;Mb為 反向傳輸時相位調制器的瓊斯矩陣;W 2 b為反向傳輸時0 °恪接點的瓊斯矩陣;F b為反向傳輸 時法拉第旋光器瓊斯矩陣;A b為反向傳輸時法拉第旋光器同B G 0晶體A之間的對軸角度0 3的 瓊斯矩陣;Cb為反向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣;Hb為反向傳輸時半波片的瓊斯矩陣;Sb為反向 傳輸時晶體B的瓊斯矩陣;Rf為正向傳輸時反射膜的瓊斯矩陣;Sf為正向傳輸時晶體B的瓊斯 矩陣;Hf為正向傳輸時半波片的瓊斯矩陣;Cf為正向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣;Af為正向傳輸 時法拉第旋光器同B G 0晶體A之間的對軸角度0 3的瓊斯矩陣;F f為正向傳輸時法拉第旋光器 的瓊斯矩陣;W2f為正向傳輸時0°熔接點的瓊斯矩陣;Mf為正向傳輸時相位調制器的瓊斯矩 陣;Wif為正向傳輸時45°恪接點的瓊斯矩陣;Pf為正向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣;Esld為超福 射發光二極管SLD的瓊斯矩陣。
[0017] 然后，對半波片相位延遲角度同時影響干涉光強大小和真實Pockels相位進行量 化；
[0018] 量化公式如下：
[0019]半波片的實際相位延遲角度非理想時的干涉光強大小為：
[0021 ] y為半波片的實際相位延遲角度；
[0022] Pockels相位敏感單元的反饋相移？V為：
[0024]最后，對半波片對軸角度同時影響干涉光強大小和真實Pockels相位進行量化；
[0025] 半波片對軸角度是指半波片快/慢軸同BG0晶體感生折射率主軸x(y)方向對軸角 度；
[0026] 半波片的實際對軸角度04非理想時的干涉光強lout大小為：
[0028] 04為半波片快/慢軸同BG0晶體感生折射率主軸x(y)方向之間的對軸角度；
[0029] Pockels相位敏感單元的反饋相移_f/為：
[0031]半波片對軸角度非理想是影響光學電壓傳感器測量精度的關鍵因素，通過對半波 片對軸角度進行補償，減小導致的光學電壓傳感器測量誤差;具體補償方法如下：
[0032] (1)當半波片對軸角度小于自身的理想值，使0°熔接點的實際熔接角度、法拉第旋 光器的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均小于各自的理想值，且半波片相位延遲角度大 于自身的理想值；
[0033]法拉第旋光器對軸角度是指法拉第旋光器輸入尾纖快/慢軸同BG0晶體感生折射 率主軸x(y)方向的對軸角度；
[0034] (2)當半波片對軸角度大于自身的理想值，使0°熔接點的實際熔接角度、法拉第旋 光器的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均大于各自的理想值，且半波片相位延遲角度小 于自身的理想值。
[0035]溫度變化使參數(〇y-〇z)在晶體A和晶體B中分布不對稱，導致雙晶體結構的互易性 退化，影響光學電壓傳感器溫度穩定性;具體計算公式如下：
[0036]兩束正交線偏振光在Pockels相位敏感單元中傳播的麥克斯韋方程表示為：
[0037] V2E+〇2li ? e〇{[e°] + [ A eP] + [ A eT] + [ A es]} ? E = 0
[0038] 其中，E為電場強度，《為角頻率，y為BG0晶體的磁導率，e〇為真空中的介電常數。 0 0" 當沒有外界場作用于BG0晶體時，BG0晶體相對介電張量為[/]= 〇 S, 〇，其中er為BG0晶 _〇 0 fr_ 體的相對介電常數。[△ ep]為溫變環境下的Pockels效應所導致的晶體相對介電張量的變 化量，[A eT]為溫變環境下的熱光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量，[A es]為溫變 環境下彈光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量。
[0039] 根據公式E = U/d，得到外加電壓U和Pockels相位延遲S之間的關系為：
[00411其中，d為平行于外加電場方向BG0晶體的寬度，y 41為BG0晶體的電光系數；1為沿 光傳播方向互易性雙晶體結構的長度;P11，P12和P44分別為BG0晶體三個彈光系數;Tyz為作用 于BG0晶體的剪切應力；（0 y-0z)為作用于BG0晶體的正應力之差;％為作用于BG0晶體（110) 面的正應力；為作用于BG0晶體(『10)面的正應力。
[0042]當晶體A的（001)面和晶體B的（001)面作為底面同電極相接觸，并固定在光學基座 上時，（oy-oz)在晶體A和晶體B中的應力分布最小，且對稱性最好。
[0043]本發明的優點在于：
[0044] 1、一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，能夠保證晶體A和晶體B中的應 力分布最小且對稱性最好，進而保證Pockels相位敏感單元即使在智能電網復雜溫變環境 下仍具有良好的互易性，提高光學電壓傳感器溫度穩定性。
[0045] 2、一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，仿真平臺中法拉第旋光器、半 波片、光路熔接點以及應力等誤差模型的建立，分別明確了影響光學電壓傳感器測量精度 和溫度穩定性的主要因素，并量化了光學器件的對軸誤差對光學電壓傳感器測量精度的影 響。
[0046] 3、一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，通過利用角度誤差補償方法并 優化加工制作工藝，減小多種光路誤差源對光學電壓傳感器測量精度的影響。
【附圖說明】
[0047] 圖1為本發明抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置結構示意圖；
[0048] 圖2為本發明Pocke 1 s相位敏感單元不同固定方式下(〇y-〇z)的分布切片圖；
[0049] 圖3為本發明不同角度誤差對光學電壓傳感器相對測量誤差的影響；
[0050] 圖4a為本發明光學傳輸單元部分結構圖；
[0051 ]圖4b為本發明Pockels相位敏感單元部分結構圖；
[0052]圖5為本發明測試系統干涉光強大小的光路結構圖；
【具體實施方式】
[0053]下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明。
[0054]智能電網復雜溫變環境會導致:影響光學電壓傳感器溫度穩定性的關鍵參數(〇y_ 〇z)在兩塊BG0晶體內的分布不一致，破壞互易性雙晶體結構的補償效果，產生溫度誤差。通 過分析關鍵參數對Pockels相位敏感單元互易性的影響，并進行合理的結構設計抑制這些 不利影響，保證其在智能電網復雜溫變環境下具有良好的互易性。
[0055] 光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元中各光學器件及光路熔接點不理想會導致 光學電壓傳感器測量誤差的產生，通過研究角度誤差補償方法并優化加工制作工藝，減小 多處光路誤差源對光學電壓傳感器工作性能的影響。
[0056]本發明一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，如圖1所示，包括:光學傳 輸單元和Pockels相位敏感單元兩部分。Pockels相位敏感單元結構獨立設計，單獨置于智 能電網中。
[0057]光學傳輸單元包括順次通過保偏光纖連接的:超輻射發光二極管(SLD)，單模環形 器，起偏器，相位調制器和保偏延遲光纜;SLD光源為發熱的有源器件，置于金屬基座上便于 散熱;單模環形器同時連接SLD光源和光電探測器;起偏器的輸出尾纖同相位調制器的輸入 尾纖之間進行45°對軸熔接，相位調制器輸出尾纖與保偏延遲光纜之間有一個0°熔接點； 45°熔接點的實際熔接角度為0i; 0°熔接點的實際熔接角度為02;保偏延遲光纜末端連接 Pockels相位敏感單元的法拉第旋光器。
[0058] Pockels相位敏感單元包括法拉第旋光器和互易性雙晶體結構；法拉第旋光器采 用的旋轉角F為45° ;且同BG0晶體A之間的對軸角度為03;互易性雙晶體結構包括BG0晶體A、 零級石英半波片和BG0晶體B:晶體B為電壓敏感單元，晶體A和半波片組成溫度誤差補償模 塊。BG0晶體感生折射率主軸為x，y方向；半波片相位延遲角度為y ;半波片快/慢軸方向同 晶體感生折射率主軸x，y方向間的夾角為04; BG0晶體B的末端鍍有反射膜，將兩束正交線偏 振光反射回光學傳輸單元，并在起偏器處發生干涉。
[0059] 由于光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元的光學器件溫度指標以及制作工藝不 理想，導致光學電壓傳感器的誤差機理;具體為:起偏器的振幅消光系數;45°對軸熔接角 度;〇°熔接點熔接角度;法拉第旋光器旋光角度;法拉第旋光器輸入尾纖快/慢軸同BG0晶體 感生折射率主軸x，y方向對軸角度;半波片相位延遲角度；以及半波片快/慢軸同BG0晶體感 生折射率主軸 x，y方向對軸角度等都有可能非理想且存在誤差，會對光學電壓傳感器測量 精度產生影響。溫度變化情況下會導致影響光學壓傳感器溫度穩定性的關鍵參數(〇 y-〇z)在 晶體A和晶體B中分布的不對稱性，導致雙晶體結構的互易性退化。
[0060] 綜上，本發明利用麥克斯韋方程建立溫度變化情況下，線偏振光在Pockels相位敏 感單元中的傳播模型；并建立瓊斯矩陣模型描述：由于多處光路誤差源所產生的光學電壓 傳感器測量誤差;綜合考慮溫度變化情況下電光效應、熱光效應、彈光效應等對BG0晶體光 學性質的影響，以及光學器件、光路熔接點非理想等因素，對線偏振光在光學傳輸單元和 Pockels相位敏感單元中的傳播建立了仿真平臺，分析誤差對光學電壓傳感器工作性能的 影響。
[0061]理論分析結果揭示了 ：
[0062] (1)溫度變化情況下，參數(〇y-〇z)在晶體A與晶體B中分布的不對稱性是影響光學 電壓傳感器溫度穩定性的主要因素。
[0063]考慮BG0晶體介電張量的變化，應用麥克斯韋電磁場理論求解線偏振光的傳播特 性，建立溫變環境下兩束正交線偏振光在Pockels相位敏感單元內的傳播模型。
[0064]兩束正交線偏振光在Pockels相位敏感單元中傳播的麥克斯韋方程可表示為：
[0065] V2E+〇2li ? e〇{[e°] + [ A eP] + [ A eT] + [ A es]} ? E = 0 (1)
[0066]其中，E為電場強度，《為角頻率，y為BGO晶體的磁導率，e〇為真空中的介電常數。 〇 〇 當沒有外界場作用于BG0晶體時，BG0晶體相對介電張量為|>°卜0 '其中為BG0晶 0 〇 體的相對介電常數。[△ ep]為溫變環境下的Pockels效應所導致的晶體相對介電張量的變 化量，[A eT]為溫變環境下的熱光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量，[A es]為溫變 環境下彈光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量。
[0067]此時，860晶體的介電張量變為[<^] = ^取"]+ [心,,]+ [~;,.]-1~[心:1).]}=￡1.,.6^￡>, |；;。 將其帶入(1)式，可求得
(2)
[0069] 其中，ki和k2為光的傳播常數的兩個解。
[0070] 綜合考慮外加電場、溫度場和應力場對BG0晶體光學性質的影響，可求得晶體逆介 電張量的變化量△ 0為：
[0072]其中，bn為BG0晶體的熱光系數；A T為溫度變化量;pn，p12和P44分別為BG0晶體三 個彈光系數;〇y為作用于BG0晶體（110)面的正應力；〇2為作用于BG0晶體fTlO)面的正應力； (〇y-〇z)為作用于BG0晶體的正應力之差;〇x為作用于BG0晶體(001)面的正應力;q xy為作用于 BG0晶體的（001)面且垂直于（110)面的剪切應力，nyz為作用于BG0晶體的（110)面且垂直于 (T10)面的剪切應力，nzx為作用于BG0晶體的(T1U)面且垂直于(001)面的剪切應力；y41為 BG0晶體的電光系數；
[0073]由BG0晶體介電張量和逆介電張量之間的**:e〇?{[AeP] + [AeT] + [Aes]}=-er ? A0 ? er，可求得晶體介電張量的變化量。則由⑵式可得
[0074] (A-： - A-；;)" - or ft {(- ^i~) +2^J~ 1 _ 士-(('.人)/卜V:." ) >4 IN L ' 」J
[0075] 在BG0晶體中，存在關系exy, eyx<<exx<<exx, eyy。故可近似認為（exyeyx)/(exxeyy) 是一個無窮小量，則(4)式可簡化為
[0076] (A-, -k2 f = 〇y/.i (/^7-^T) + (^, i-..,)/士⑶
[0077] 此外，還有以下幾式成立：A exx<<er、A eyy<<er、（ A exx+A eyy)/er<<( A exy A eyx)2、（ A exx A eyy)/er2<<( A exy A eyx)2。多次利用無窮小量的泰勒級數展開式，可得
[0081]由此，將E = U/d和SzUi-kd ? 1/2代入公式（7)，可求得此時的外加電壓U和 Pockels相位延遲S之間的關系：
[0083]其中，1為沿光傳播方向互易性雙晶體結構的長度，d為平行于外加電場方向BG0晶 體的寬度。
[0084]由（8)式可知，溫度變化會影響&，"，％2411412和口44等參數的大小，進而導致 Pockels相位敏感單元的互易性退化。由于pn，p12和P44的量級非常小，所以由（〇y_〇 z)所導致 的彈光效應是影響光學電壓傳感器溫度穩定性的主要因素。如圖2所示，通過仿真可以得 到:當晶體A的（001)面和晶體B的（001)面作為底面同電極相接觸，并粘接固定在光學基座 上時，K- 〇z)在晶體A和晶體B中的分布最小，且對稱性最好，能夠最大程度上保證光學電壓 傳感器的溫度穩定性。
[0085] 為了便于分析光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元中因各光學器件不理想以及 光路對軸角度誤差對光學電壓傳感器工作性能的影響，進一步采用瓊斯矩陣描述線偏振光 在整個光路中的傳播模型。由（8)式可得：
[0087]其中，知為外加電場和應力場綜合作用下在晶體B中引入的相位延遲;no為BG0晶體 的折射率。〇yl為作用于晶體B的（110)面的正應力；〇zl為作用于晶體B的面的正應力； Tyzl為作用于晶體B的剪切應力。
[0088]令U = 0,求得外界應力在晶體A中引入的相位延遲為：
[0090] S2為外界應力在晶體A中引入的相位延遲;0y2為作用于晶體A( 110)面的正應力;〇Z2 為作用于晶體A(Tl 0)面的正應力；Tyz2為作用于晶體A的剪切應力。
[0091] (2)起偏器和45°熔接點位于兩束正交線偏振光生成之前，所以起偏器振幅消光系 數非理想以及45°熔接點熔接角度非理想只會影響到達光電探測器的干涉光強大小，而不 會對真實Pockels相位產生影響；
[0092]保偏光纖熔接機45°熔接的精度有限，導致兩束正交線偏振光的振幅不等，最終影 響到達光電探測器的干涉光強大小。
[0093]具體計算公式如下：
[0094]對45°熔接點的實際熔接角度0:影響到達光電探測器的干涉光強的大小進行 量化；
[0095] 量化公式如下：
[0097] 其中，0:為45°熔接點的實際熔接角度;為兩束正交線偏振光再次經過相位調 制器時的調制相位#(/-"為兩束正交線偏振光初次經過相位調制器時的調制相位;S為 Pockels相位延遲;E?t為輸出光，表達式為：
[0098] E〇ut = Pb ? ffib ? Mb ? ff2b ? Fb ? Ab ? Cb ? Hb ? Sb ? Rf ? Sf ? Hf ? Cf ? Af ? Ff ? ff2f ? Mf ? ffif ? Pf ? Esld
[0099] Pb為反向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣;; G〇S 0 sin.沒.
[0100] Wlb為反向傳輸時45°熔接點的瓊斯矩陣： j j ;考慮熔接角度誤 cos 6/, 差，設h為實際熔接角度;理想情況下，1 = 45'
'―, 1 0
[0101] Mb為反向傳輸時相位調制器的瓊斯矩陣;; 0 ep(i) cos f9, sin 0-
[0102] W2b為反向傳輸時0°熔接點的瓊斯矩陣；％.；. ;考慮熔接角度誤 -sin dz cos u. -10- 差，設實際熔接角度為92,理想情況下，92 = 〇°，祀，=A ; _0 1 cos P' - sin F
[0103] Fb為反向傳輸時法拉第旋光器瓊斯矩陣；^= . ;F為法拉第旋光器 sm F cosF _ 采用的旋轉角，理想情況下F = 45°
[0104] Ab為反向傳輸時法拉第旋光器同BG0晶體A之間的對軸角度03的瓊斯矩陣； cos 0, sin 6?,
4= . a j ;理想情況下，93 = 45°: -sin 0, cos 6a
[0105] Cb為反向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣；
[0106] ft為反向傳輸時半波片的瓊斯矩陣; i是虛數單位;04為半波片快/慢軸方向同晶體感生折射率主軸x，y方向間的夾角;設半波片 相位延遲角度為丫，理想情況下：y =180°，04=45°，//,,=-^ ; 1 y _i 〇 _
[0107] Sb為反向傳輸時晶體B的瓊斯矩陣;4= A iS' 0 er1 ^1 〇'
[0108] Rf為正向傳輸時反射膜的瓊斯矩陣；圪===A ； U -1
[0109] Sf為正向傳輸時晶體B的瓊斯矩陣;士 = 1 ^ ;
[0110] Hf為正向傳輸時半波片的瓊斯矩陣：
…士 「〇 n 理想情況下：T =180°，丑y i A ;
[0111] Cf為正向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣；C-= ^ 〇& I _0 e ~
[0112] Af為正向傳輸時法拉第旋光器同BG0晶體A之間的對軸角度Q3的瓊斯矩陣；
cos 0, sin 6,1 Af =，二 ^ i理想情況下，03 = 45( 卜 smg cos 0, cos ….sin F
[0113] Ff為正向傳輸時法拉第旋光器的瓊斯矩陣：^ p ;理想情況下，F = _sm F cosr 45。
cos 0, sin ft
[0114] W2f為正向傳輸時0°熔接點的瓊斯矩陣；w2/= . a 考慮熔接角度誤 -sin 6/, cos ft 差，設0°熔接點的實際熔接角度為92,理想情況下，92 = 〇°，聚2/ = ^ Y ;
[0115] Mf為正向傳輸時相位調制器的瓊斯矩陣；M/= ^ 為兩束正交線 偏振光初次經過相位調制器時的調制相位； cos 0, sin 沒丨
[0116] Wlf為正向傳輸時45°熔接點的瓊斯矩陣；」；考慮熔接角度誤 -sing cos 差，理想情況下，1 = 45°
[0117] Pf為正向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣；
[0118] ESID為超輻射發光二極管SLD的瓊斯矩陣:馬ie:= p ;EjPEy分別為兩束正交線偏 振光的振幅大小。
[0119] (3)0°熔接點、法拉第旋光角度、法拉第旋光器對軸角度、半波片相位延遲角度以 及半波片對軸角度非理想情況下，會同時影響真實Pockels相位和干涉光強大小，特別是半 波片對軸角度非理想是影響光學電壓傳感器測量精度的主要因素。
[0120]假設0°熔接點、法拉第旋光角度、法拉第旋光器對軸角度、半波片相位延遲角度以 及半波片對軸角度這幾個誤差源中，其中一處角度誤差為+〇.4°，而其余幾個角度誤差均為 +〇.1°，分別驗證上述幾個角度誤差對傳感器測量精度的影響大小，如圖3所示：由圖可知， 半波片對軸角度誤差為+〇.4°，而其余幾個角度誤差均為+0.1°時，相同電壓值下導致的光 學電壓傳感器的測量誤差是最大的，所以半波片對軸角度非理想是影響光學電壓傳感器測 量精度的主要因素。
[0121] 溫度變化會導致半波片的相位延遲角度發生變化，偏離理想值，最終不僅影響干 涉光強大小，還會影響真實Pockels相移。
[0122] 設半波片的實際相位延遲角度為y，其余均理想，則干涉光強表達式為：
[0124]由方波調制加階梯波反饋的閉環檢測原理可知：P=鈴+ %。其中
&為閉環反饋相位。進一步化簡（12)式可得到 (13)
[0126] 其中，2心為25和Y的函數，由于半波片的實際相位延遲角度非理想，導致反饋相 位巧與25成為非線性關系。真實的閉環檢測系統中，反饋相位％用于抵消與25有關的2S U， 使得朽-24=0。
[0127] 此時，反饋相移巧大小變為：
(14)
[0129] 受各分立器件之間封裝固化工藝水平的限制及外界溫度變化影響，半波片快/慢 軸方向同晶體感生折射率主軸方向之間的對軸角度難以保證嚴格的45°，最終影響真實 Pockels相移和干涉光強大小。
[0130] 設半波片的實際對軸角度為04,其余均理想，則干涉光強表達式為：
C15；
[0132] 此時，反饋相移心大小變為：
(16)
[0134] 此外，可通過0°熔接點熔接角度、法拉第旋光角度、法拉第旋光器對軸角度以及半 波片相位延遲角度左偏或右偏的不同，來補償由于半波片對軸角度非理想所導致的光學電 壓傳感器測量誤差，具體補償方法如下：
[0135] 假設上述幾種角度誤差均為0.2°，且半波片對軸角度小于理想值，則將下表中這 幾種情況的補償效果進行對比，如表1所示：
[0136] 表1
[0137]
[0138] 如果半波片對軸角度大于理想值，則將下表中這幾種情況的補償效果進行對比， 如表2所示：
[0139] 表2
[0141] 可見，最好的兩種補償方法，也就是兩表中第一行所列出的補償方案為：
[0142] (1)當半波片對軸角度小于自身的理想值，使0°熔接點的實際熔接角度、法拉第旋 光器的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均小于各自的理想值，且半波片相位延遲角度大 于自身的理想值；
[0143] (2)當半波片對軸角度大于自身的理想值，使0°熔接點的實際熔接角度、法拉第旋 光器的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均大于各自的理想值，且半波片相位延遲角度小 于自身的理想值。
[0144] 根據上表中的參數指標盡量補償，干涉光強越大以及輸入輸出非線性越小時，所 提的對軸角度補償的效果越好。
[0145] 抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置的加工制作過程為：
[0146]步驟一、分別設計光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元部分的機械結構；
[0147] 光學傳輸單元部分結構如圖4a所示，整體高度為50mm，頂蓋直徑為100mm，底座是 邊長為100mm的正方形分別在四個角上去掉兩條直角邊均為10mm的等腰直角三角形;光纖 環外纏繞有保偏延遲光纜，保偏延遲光纜、SLD以及相位調制器之間的連接關系如圖1中所 示；電路板和光源板組成檢測電路。將發熱的有源器件一SLD光源置于金屬基座上便于散 熱，檢測電路盡量遠離光源以免由于散熱影響其工作性能。
[0148] Pockels相位敏感單元部分結構如圖4b所示，整體高度為21mm，上下各有一個直徑 為5_的圓柱孔用來引出高壓線，給晶體B加電。整個裝置的長度為42_，其中用來放置法拉 第旋光器的圓柱體的長度為l〇mm，直徑為6mm;在如圖所示的相應位置粘結固定4塊電極，其 中左邊兩塊電極不加電，右邊兩塊電極加電。
[0149] 步驟二、連接光學傳輸單元和Pockels相位敏感單元，實時監測干涉光強大小； [0150] 如圖5所示，光源發出的光經環形器進入起偏器變為線偏振光，經45°熔接點后變 為兩束正交線偏振光，分別沿著法拉第旋光器輸入尾纖的快(慢)軸傳播，先后進入法拉第 旋光器、晶體A、半波片以及晶體B，并被晶體B末端反射膜反射，最終在起偏器處發生干涉。 經過環形器、檢偏器到達光功率計，探測干涉光強大小。
[0151]步驟三、將晶體A和半波片置于顯微鏡下進行細微調整，實現半波片同晶體A的5X 5mm2端面的邊角平齊。干涉光強最大時，在兩者之間受力點處涂上少量UV膠，在UV燈下照射 約30s，將晶體A和半波片進行預固定；
[0152] 步驟四、分別將晶體A(001)面和晶體B的（001)面粘結在兩塊電極上，并將電極固 定在光學基座上。
[0153] 將晶體A的（001)面和晶體B的（001)面作為底面同電極相接觸，晶體A和晶體B切割 自同一塊BG0母體的相鄰位置，其感生折射率主軸方向是一致的，保證了Pockels相位敏感 單元器件之間對軸精度的最優化，這種電極固定方式能保證兩塊BG0晶體不受電極擠壓，并 且可以保證( 0y_〇z )在晶體A和晶體B中的分布最小且對稱性最好；
[0154] 步驟五、將法拉第旋光器置于三維調整架上，根據角度誤差補償方法，調整其高 度、角度、俯仰以及同晶體A之間的距離等，調整過程中實時監測整個光路的干涉光強大小， 干涉光強最大時進行法拉第旋光器的預固定；
[0155] 步驟六、測試整個系統的消光比，判斷是否達到26dB以上，如果是，涂上石英膠并 烘焙8小時進行最終粘接固定;否則重新調光路；
[0156] 步驟七、打斷法拉第旋光器與起偏器之間的45°熔接點，將起偏器輸出尾纖與相位 調制器輸入尾纖進行45°對軸熔接，此處熔接誤差只影響干涉光強，不是電壓傳感器的主要 誤差因素;然后，將相位調制器輸出尾纖同保偏延遲光纜相熔接。按照前面所提到的角度誤 差補償方法調整熔接角度，監測干涉光強最大時進行熔接。
[0157] 抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，抗溫度敏感，可有效提高光學電壓傳 感器的測量精度、溫度穩定性及環境適應能力。
【主權項】
1. 一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，所述光學傳感裝置包 括:光學傳輸單元和化Ckels相位敏感單元兩部分； Pockels相位敏感單元包括法拉第旋光器和互易性雙晶體結構；光學傳輸單元的保偏 延遲光纜末端連接法拉第旋光器，將化Ckels相位敏感單元單獨置于智能電網中；互易性雙 晶體結構包括BGO晶體A、半波片和BGO晶體B:晶體B為電壓敏感單元，晶體A和半波片組成溫 度誤差補償模塊；只對晶體B加電，且電場方向垂直于晶體B的（OOl)面；通過將晶體A的 (OOl)面和晶體B的(OOl)面作為底面粘結在電極上，并將電極固定在光學基座上，保證影響 電壓傳感器溫度穩定性的關鍵參數在兩晶體中分布的對稱性，有效抑制Pockels相位敏感 單元的溫度誤差； 光學傳輸單元包括順次通過保偏光纖連接的：超福射發光二極管，單模環形器，起偏 器，相位調制器和保偏延遲光纜;起偏器的輸出尾纖同相位調制器的輸入尾纖之間進行45° 對軸烙接，相位調制器輸出尾纖與保偏延遲光纜之間有一個0°烙接點；多處烙接角度及對 軸角度誤差的存在都會影響光學電壓傳感器的性能，通過分析角度誤差對電壓傳感器的影 響機理并提出角度誤差補償方法，根據角度誤差補償方法，調整各光學器件之間的對軸角 度、烙接角度，減小角度誤差對光學電壓傳感器測量精度的影響。2. 如權利要求1所述的一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，所 述的保證影響電壓傳感器溫度穩定性的關鍵參數在兩晶體中分布的對稱性，有效抑制 Pockels相位敏感單元的溫度誤差，具體是指溫度變化使參數(Oy-Oz)在晶體A和晶體B中分 布不對稱，導致雙晶體結構的互易性退化，影響光學電壓傳感器溫度穩定性； 具體計算公式如下： 兩束正交線偏振光在化Ckels相位敏感單元中傳播的麥克斯韋方程表示為：其中，E為電場強度，CO為角頻率，y為BGO晶體的磁導率，EO為真空中的介電常數;當沒有 外界場作用于BGO晶體時，BGO晶體相對介電張量；廷中Er為BGO晶體的相 對介電常數；[A ep]為溫變環境下的Pockels效應所導致的晶體相對介電張量的變化量， [A ET]為溫變環境下的熱光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量，[A ES]為溫變環境 下彈光效應所導致的晶體相對介電張量的變化量； 根據公式E = U/d，得到外加電壓U和化Ckels相位延遲S之間的關系為：其中，d為平行于外加電場方向BGO晶體的寬度，丫 41為BGO晶體的電光系數；1為沿光傳 播方向互易性雙晶體結構的長度;P11，P12和P44分別為BGO晶體S個彈光系數；Tyz為作用于 BGO晶體的剪切應力；（Oy-Oz)為作用于BGO晶體的正應力之差;Oy為作用于BGO晶體（110)面 的正應力；Oz為作用于BGO晶體。10)面的正應力； 當晶體A的（OOl)面和晶體B的（OOl)面作為底面同電極相接觸，并固定在光學基座上 時，（Oy-Oz)在晶體A和晶體B中的應力分布最小，且對稱性最好。3. 如權利要求1所述的一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，對 所述光學電壓傳感器測量精度產生影響的因素包括:45°烙接點的烙接角度;半波片相位延 遲角度；W及半波片對軸角度;針對各因素對光學電壓傳感器測量精度的影響分別進行量 化； 所述的對45°烙接點的實際烙接角度01影響到達光電探測器的干設光強IDUt的大小進行 量化； 量化公式如下：曰1為45°烙接點的實際烙接角度;為兩束正交線偏振光再次經過相位調制器時的調 審時目化―― 0為兩束正交線偏振光初次經過相位調制器時的調制相位;S為Pockels相位 延遲瓜Ut為輸出光，表達式為：Pb為反向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣;Wib為反向傳輸時45°烙接點的瓊斯矩陣;Mb為反向 傳輸時相位調制器的瓊斯矩陣;W2b為反向傳輸時0°烙接點的瓊斯矩陣;機為反向傳輸時法 拉第旋光器瓊斯矩陣;Ab為反向傳輸時法拉第旋光器同BGO晶體A之間的對軸角度03的瓊斯 矩陣;Cb為反向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣;化為反向傳輸時半波片的瓊斯矩陣;Sb為反向傳輸 時晶體B的瓊斯矩陣;虹為正向傳輸時反射膜的瓊斯矩陣；扣為正向傳輸時晶體B的瓊斯矩 陣;出為正向傳輸時半波片的瓊斯矩陣;Cf為正向傳輸時晶體A的瓊斯矩陣;Af為正向傳輸時 法拉第旋光器同BGO晶體A之間的對軸角度03的瓊斯矩陣;Ff為正向傳輸時法拉第旋光器的 瓊斯矩陣;W2f為正向傳輸時0°烙接點的瓊斯矩陣;Mf為正向傳輸時相位調制器的瓊斯矩陣； Wif為正向傳輸時45°烙接點的瓊斯矩陣;Pf為正向傳輸時起偏器的瓊斯矩陣;Esld為超福射 發光二極管SLD的瓊斯矩陣。4. 如權利要求3所述的一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，所 述的對半波片相位延遲角度同時影響干設光強大小和真實Pockels相位進行量化； 量化公式如下：丫為半波片的實際相位延遲角度； Pockels相位敏感單元的反饋相移％為：5. 如權利要求3所述的一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，所 述對半波片對軸角度同時影響干設光強大小和真實Pockels相位進行量化； 半波片的違際對抽值底目4非巧祐時的午誡井:輔T十小為，曰4為半波片快/慢軸同BGO晶體感生折射率主軸x(y)方向之間的對軸角度； Pockels相位敏感單元的反饋相移ff為：6. 如權利要求3所述的一種抑制電壓傳感器溫度誤差的光學傳感裝置，其特征在于，所 述的角度誤差補償方法中，半波片對軸角度非理想是影響光學電壓傳感器測量精度的關鍵 因素，通過對半波片對軸角度進行補償，減小導致的光學電壓傳感器測量誤差； 具體如下：（1)當半波片對軸角度小于自身的理想值，使0°烙接點的實際烙接角度、法 拉第旋光器的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均小于各自的理想值，且半波片相位延遲 角度大于自身的理想值； (2)當半波片對軸角度大于自身的理想值，使0°烙接點的實際烙接角度、法拉第旋光器 的旋光角度和法拉第旋光器對軸角度均大于各自的理想值，且半波片相位延遲角度小于自 身的理想值。
【文檔編號】G01D3/036GK105911324SQ201610509502
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月30日
【發明人】李慧, 付志達, 王夏霄, 李立京, 孟照魁, 徐宏杰
【申請人】北京航空航天大學