專利名稱:一種光纖法珀電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本實(shí)用新型屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種測(cè)量電壓的光纖法珀(FP)電壓傳感器。
背景技術(shù):
近年來(lái),隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展,對(duì)電的需求日益擴(kuò)大,電力系統(tǒng)的額定電壓和額定電流都大幅度提高和增加。與之相應(yīng)的,電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的額定電壓和額定電流都提高得很快,因此必須生產(chǎn)和發(fā)展新型的高壓設(shè)備,電壓傳感器就是高壓設(shè)備中的一種。例如現(xiàn)代化高速電氣鐵路的供電安全是高速列車行車的重要保證。由于傳統(tǒng)的電壓傳感器采用的是電磁感應(yīng)原理,因而存在著抗電磁干擾能力差、 絕緣困難、故障狀態(tài)下易飽和、頻帶狹窄、大型沉重而必需的支撐架、因充油而有潛在的爆炸危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。隨著電壓等級(jí)的升高,它們的體積、重量及造價(jià)也急劇增加,已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代電力工業(yè)的需要。電光效應(yīng)是指某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性的效應(yīng)。電光效應(yīng)包括克爾(Kerr)效應(yīng)和泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)。折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比改變的為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng),1893年由德國(guó)物理學(xué)家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels, 1865-1913)發(fā)現(xiàn)。折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的為Kerr效應(yīng)或二次電光效應(yīng),1875年由英國(guó)物理學(xué)家克爾(John kerr, 1824-1907)發(fā)現(xiàn)。光纖電壓傳感器,具有抗電磁干擾、測(cè)量精度高、耐過(guò)壓、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn),因而很適合對(duì)高壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái)有關(guān)光纖電壓傳感器的研究發(fā)展十分迅速,已有的光纖電壓傳感器主要采用的是基于電光晶體Pockels效應(yīng)的透射式電壓傳感方式或者是利用材料的電致伸縮效應(yīng)引起微形變的傳感方式?,F(xiàn)有的光纖電壓傳感器,結(jié)構(gòu)上往往需要四分之一波片或特殊設(shè)計(jì)的反射面,其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的困難。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所提供一種光纖法珀電壓傳感器,該電壓傳感器基于鈮酸鋰基片折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng)),采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是—種光纖法拍電壓傳感器,如圖I至4所不,包括單模傳輸光纖I、銀酸鋰基片3、 套管4和正負(fù)電極板5 ;所述鈮酸鋰基片3固定于套管4的底部,所述單模傳輸光纖I的一端插入并固定于套管4中,所述正負(fù)電極板5固定于套管4的上下兩側(cè);套管4中的單模傳輸光纖I的芯層端面與鈮酸鋰基片3之間具有空氣間隙2,所述空氣間隙2、套管4中的單模傳輸光纖I的芯層端面以及鈮酸鋰基片3中與空氣間隙2接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔;所述鈮酸鋰基片3本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔;所述正負(fù)電極板5的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。 本實(shí)用新型的工作原理是本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器,當(dāng)傳感器正負(fù)電極板5之間不加電壓時(shí),測(cè)試光由單模傳輸光纖I傳輸、經(jīng)空氣介質(zhì)法拍腔和銀酸鋰介質(zhì)法珀腔的反射面形成的干涉光的初始相位是固定的。當(dāng)給傳感器正負(fù)電極板5之間加上電壓的時(shí)候,由于電光效應(yīng),鈮酸鋰晶體的折射率會(huì)隨著電壓的變化而變化(線性變化), 鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面所形成的干涉光的相位會(huì)隨著干涉光的相位變化而變化 (線性變化),進(jìn)而建立起干涉光的相位與正負(fù)電極板5之間的電壓(被測(cè)電壓)之間的線性關(guān)系,最終通過(guò)測(cè)量鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面所形成的干涉光的相位,就可以得到被測(cè)電壓的大小。需要說(shuō)明的是,本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器,通過(guò)調(diào)節(jié)空氣介質(zhì)法珀腔和鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的尺寸(主要是厚度和縱向剖面面積)可以調(diào)節(jié)整個(gè)光纖法珀電壓傳感器的靈敏度;空氣間隙2的主要作用是使得鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面(尤其是靠近單模傳輸光纖的反射面)能夠反射回更強(qiáng)的光信號(hào)(因?yàn)榭諝馀c鈮酸鋰之間的折射系數(shù)反差大于石英玻璃與鈮酸鋰的之間的折射系數(shù)反差);另外,鈮酸鋰法珀腔對(duì)于溫度和電壓都有敏感特性,而空氣法珀腔腔只對(duì)溫度敏感,在相同環(huán)境下,通過(guò)解調(diào)出空氣腔的兩個(gè)反射面形成的干涉光的相位變化,這樣就可以排除溫度對(duì)于鈮酸鋰法珀腔的相位變化形成的干擾,從而可以排除溫度對(duì)于電壓測(cè)量的影響。 本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器,基于鈮酸鋰基片折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng)),采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量,由于去除了基于電光晶體Pockels效應(yīng)的電壓傳感系統(tǒng)中所需的四分之一波片或特殊設(shè)計(jì)的反射面產(chǎn)生的相移,所以具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn);同時(shí)本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器,更便于微型化和小型化,可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量電壓。
圖I是本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖2是本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖3是本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之三。圖4是本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之四。
具體實(shí)施方式
—種光纖法拍電壓傳感器,如圖I至4所不,包括單模傳輸光纖I、銀酸鋰基片3、 套管4和正負(fù)電極板5 ;所述鈮酸鋰基片3固定于套管4的底部,所述單模傳輸光纖I的一端插入并固定于套管4中,所述正負(fù)電極板5固定于套管4的上下兩側(cè);套管4中的單模傳輸光纖I的芯層端面與鈮酸鋰基片3之間具有空氣間隙,所述空氣間隙、套管4中的單模傳輸光纖I的芯層端面以及鈮酸鋰基片3中與空氣間隙接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔;所述鈮酸鋰基片3本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔;所述正負(fù)電極板5的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。實(shí)施例I :[0018]1)在單模傳輸光纖I的端面上用157nm激光器加工一個(gè)圓柱形凹槽(即空氣間隙 2),圓柱形凹槽的橫向截面積大于單模傳輸光纖I的芯層端面積、深度為10微米至10毫米之間;2)將套管4兩端切平,將加工好的單模傳輸光纖I插入套管4中,用膠水固定;3)在圓柱形凹槽和套管4外對(duì)接上鈮酸鋰基片3,鈮酸鋰基片3和套管4之間用膠水固定,圓柱形凹槽形成FP腔;鈮酸鋰基片3的面積與套管4底部面積相等;4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5,與套管4位置保持固定,電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和,就制成了本實(shí)用新型的光纖法珀電壓傳感器,如圖I 所示。實(shí)施例2 I)在單模傳輸光纖I的端面上用157nm激光器加工一個(gè)圓柱形凹槽(即空氣間隙 2),圓柱形凹槽的橫向截面積大于單模傳輸光纖I的芯層端面積、深度為10微米至10毫米之間;2)將套管4兩端切平,在套管4的一端對(duì)接上與光纖端面大小相同的鈮酸鋰基片 3 (即鈮酸鋰基片3的面積與單模傳輸光纖I的整體端面積相等),用膠水固定;3)將加工好的單模傳輸光纖I插入套管4中,用膠水固定;4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5,與套管4位置保持固定,電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和,就制成了本實(shí)用新型的光纖法珀電壓傳感器,如圖2 所示。實(shí)施例3 I)將套管4兩端切平;2)在套管4的一端對(duì)接上比單模傳輸光纖I端面大的鈮酸鋰基片3 ;通常,鈮酸鋰基片3的面積與套管4底部面積相等3)將單模傳輸光纖I插入套管4中,并和鈮酸鋰基片3保持微小的距離(即空氣間隙2,10 ii m至IOmm之間),用膠水固定;4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5,與套管4位置保持固定,電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和,就制成了本實(shí)用新型的光纖法珀電壓傳感器,如圖3 所示。實(shí)施例4 I)將套管4兩端切平;2)在套管4的一端對(duì)接上與單模傳輸光纖I端面大小相同的鈮酸鋰基片3 (即鈮酸鋰基片3的面積與單模傳輸光纖I的整體端面積相等);3)將單模傳輸光纖I插入套管4中,并和鈮酸鋰基片3保持微小的距離(即空氣間隙2,10 ii m至IOmm之間),用膠水固定;4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5,與套管4位置保持固定,電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和,就制成了本實(shí)用新型的光纖法珀電壓傳感器,如圖4 所示。上述具體實(shí)施方式
中所述加工是采用157nm激光加工、飛秒激光加工、紅外激光加工或電子束刻蝕;所述對(duì)接是采用激光熔接、電弧熔接、或粘接。
權(quán)利要求1.一種光纖法拍電壓傳感器,包括單模傳輸光纖(I)、銀酸鋰基片(3)、套管(4)和正負(fù)電極板(5);其特征在于,所述鈮酸鋰基片(3)固定于套管(4)的底部,所述單模傳輸光纖(1)的一端插入并固定于套管(4)中,所述正負(fù)電極板(5)固定于套管4的上下兩側(cè);套管(4)中的單模傳輸光纖(I)的芯層端面與鈮酸鋰基片(3)之間具有空氣間隙(2),所述空氣間隙(2)、套管(4)中的單模傳輸光纖(I)的芯層端面以及鈮酸鋰基片(3)中與空氣間隙(2)接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔;所述鈮酸鋰基片(3)本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔;所述正負(fù)電極板(5)的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖法珀電壓傳感器,其特征在于,所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(I)端面開出的圓柱形凹槽形成;所述鈮酸鋰基片(3)的面積與所述套管(4)底部面積相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖法珀電壓傳感器,其特征在于,所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(I)端面開出的圓柱形凹槽形成;所述銀酸鋰基片(3)的面積與單模傳輸光纖(I)的整體端面積相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖法珀電壓傳感器,其特征在于,所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(I)的整體端面與鈮酸鋰基片(3)之間的間隙形成;所述鈮酸鋰基片(3)的面積與所述套管(4)底部面積相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖法珀電壓傳感器,其特征在于,所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(I)的整體端面與鈮酸鋰基片(3)之間的間隙形成;所述鈮酸鋰基片(3)的面積與所述單模傳輸光纖(I)的整體端面積相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光纖法珀電壓傳感器,其特征在于,所述圓柱形凹槽的橫向截面積大于單模傳輸光纖(I)的芯層端面積、深度為10微米至10毫米之間。
專利摘要一種光纖法珀電壓傳感器,屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。包括單模傳輸光纖、鈮酸鋰基片、套管和正負(fù)電極板,其中鈮酸鋰基片固定于套管的底部,單模傳輸光纖插入并固定于套管中,所述正負(fù)電極板固定于套管的上下兩側(cè);套管中的單模傳輸光纖的芯層端面與鈮酸鋰基片之間具有空氣間隙。本實(shí)用新型基于鈮酸鋰基片的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng)),采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn);同時(shí)本實(shí)用新型提供的光纖法珀電壓傳感器,更便于微型化和小型化,可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量電壓。
文檔編號(hào)G01R19/00GK202362347SQ20112034359
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者冉曾令, 張漢坤, 饒?jiān)平?申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)