一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器的制造方法
【專利摘要】一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，只提取一個模間干涉輸出邊瓣，并用參考信號來剔除光源波動影響的模間干涉電壓互感器，利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)來調(diào)制保偏光纖的模間相位差，通過將保偏光纖和多模光纖偏軸熔接來實現(xiàn)對一個干涉輸出邊瓣的提取，通過探測干涉輸出邊瓣強度來獲得被測電壓的幅值和相位信息。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：利用在一根保偏光纖中傳輸?shù)膬蓚€低階線性偏振模間的干涉來實現(xiàn)傳感測量，剔除光源波動對系統(tǒng)精度的影響，保證測量系統(tǒng)的靈敏度，同常規(guī)的干涉式光纖傳感器相比具有安裝調(diào)試簡單，保證工作穩(wěn)定等優(yōu)點。
【專利說明】
一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本實用新型涉及光纖電壓互感器領(lǐng)域，尤其是一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器。

【背景技術(shù)】
[0002]目前的光學(xué)電壓互感器研究仍多采用Pockels晶體的Pockels效應(yīng)來實現(xiàn)，其基本原理是利用被測電壓來調(diào)制在晶體中傳播光束的偏振態(tài)，通過檢測偏振光轉(zhuǎn)角的方式來檢測施加在晶體上的電壓，該方法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是因其光路是由分立光學(xué)元件組成，難以保證傳感系統(tǒng)的穩(wěn)定性和長期可靠性，且易受溫度、振動等環(huán)境因素的影響，所以基于該方法的電壓互感器仍然停留在實驗室研究階段，難以實用化。
[0003]模間干涉技術(shù)做為光纖傳感領(lǐng)域的一種新技術(shù)，從20世紀90年代開始得到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。該技術(shù)利用在一根保偏光纖中傳輸?shù)膬蓚€低階線性偏振模間的干涉來實現(xiàn)傳感測量，同常規(guī)的干涉式光纖傳感器相比具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點，已經(jīng)在諸多方面得到應(yīng)用。利用保偏光纖模間干涉技術(shù)的光纖電壓互感器在近年來也展開了研究，且取得了理想的效果。但是在已報道的模間干涉電壓傳感方案中，因為光學(xué)器件方面的限制而難以采用全光纖方式將模間干涉的兩個干涉輸出強度邊瓣提取出來，破壞了整個傳感系統(tǒng)的全光纖結(jié)構(gòu)，造成了整個系統(tǒng)安裝調(diào)試困難，而其長期穩(wěn)定性也難以保證。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于提供一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，只提取一個模間干涉輸出邊瓣，并用參考信號來剔除光源波動影響的模間干涉電壓互感器，通過將保偏光纖和多模光纖偏軸熔接來實現(xiàn)對一個干涉輸出邊瓣的提取，通過探測干涉輸出邊瓣強度來獲得被測電壓的幅值和相位信息。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0006]一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，包括窄帶光源器、單模光纖、1X2光纖耦合器、光纖偏振器、壓電陶瓷PZT、橢圓芯保偏光纖、電壓傳感頭、多模光纖、光電探測器一、光電探測器二、信號采集及處理裝置，所述的窄帶光源器通過單模光纖與1X2光纖耦合器連接，1X2光纖稱合器一個輸出端通過單模光纖與光纖偏振器連接,光纖偏振器與壓電陶瓷PZT連接，壓電陶瓷PZT輸出端通過橢圓芯保偏光纖與電壓傳感頭輸入端連接，電壓傳感頭輸出端通過橢圓芯保偏光纖連接到橢圓芯保偏光纖與多模光纖的偏軸熔接處再連接多模光纖，多模光纖與光探測器二、信號采集及處理裝置連接，信號采集及處理裝置的一部分輸出端與壓電陶瓷PZT連接；
[0007]所述的1X2光纖耦合器另一個輸出端通過單模光纖與光電探測器一連接，光電探測器一與信號采集及處理裝置連接，信號采集及處理裝置另一部分輸出端完成數(shù)字量輸出和模擬量輸出。
[0008]所述的電壓傳感頭由兩塊塊金屬鋁電極夾一個石英晶體圓柱組成。
[0009]所述的壓電陶瓷PZT上纏繞橢圓芯保偏光纖。
[0010]所述的電壓傳感頭上纏繞橢圓芯保偏光纖。
[0011]所述的窄帶光源器波長為980nm。
[0012]所述的窄帶光源器輸出光源相位范圍為O?180°。
[0013]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是:
[0014]本實用新型利用在一根保偏光纖中傳輸?shù)膬蓚€低階線性偏振模間的干涉來實現(xiàn)傳感測量，剔除光源波動對系統(tǒng)精度的影響，保證測量系統(tǒng)的靈敏度，同常規(guī)的干涉式光纖傳感器相比具有安裝調(diào)試簡單，保證工作穩(wěn)定等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是單邊瓣模間干涉式全光纖電壓互感器組成框圖。
[0016]圖2是單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差Δ φ = O時關(guān)系圖。
[0017]圖3是單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差Δ φ = 60°時關(guān)系圖。
[0018]圖4是單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差Δφ =90°時關(guān)系圖。
[0019]圖5是單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差Δ φ = 120°時關(guān)系圖。
[0020]圖6是單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差Δ φ = 180°時關(guān)系圖。
[0021]圖7是保偏光纖中幾個模式的歸一化傳播常數(shù)與歸一化頻率之間的關(guān)系。
[0022]1-窄帶光源器2-單模光纖3-1 X 2光纖耦合器4_光纖偏振器5_壓電陶瓷PZT6-橢圓芯保偏光纖7-電壓傳感頭8-多模光纖9-光電探測器二 10-信號采集及處理裝置11-光電探測器一 12-偏軸熔接處

【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型的【具體實施方式】進一步說明:
[0024]如圖1所示，一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，包括窄帶光源器1、單模光纖2、I X 2光纖稱合器3、光纖偏振器4、壓電陶瓷ΡΖΤ、5橢圓芯保偏光纖6、電壓傳感頭7、多模光纖8、光電探測器二 9、信號采集及處理裝置10、光電探測器一 11，所述的窄帶光源器I通過單模光纖2與I X2光纖稱合器3連接，1X2光纖稱合器3 —個輸出端通過單模光纖2與光纖偏振器4連接，光纖偏振器4與壓電陶瓷ΡΖΤ5連接，壓電陶瓷ΡΖΤ5輸出端通過橢圓芯保偏光纖6與電壓傳感頭7輸入端連接，電壓傳感頭7輸出端通過橢圓芯保偏光纖6連接到橢圓芯保偏光纖6與多模光纖8的偏軸熔接處12再連接多模光纖，多模光纖8與光探測器二 9信號采集及處理裝置10連接，信號采集及處理裝置10的一部分輸出端與壓電陶瓷ΡΖΤ5連接；
[0025]所述的I X 2光纖耦合器3另一個輸出端通過單模光纖2與光電探測器一 11連接，光電探測器一 11與信號采集及處理10裝置連接，信號采集及處理裝置10另一部分輸出端完成數(shù)字量輸出和模擬量輸出。
[0026]所述的電壓傳感頭7由兩個塊狀金屬鋁電極中間夾一個石英晶體圓柱組成。
[0027]所述的壓電陶瓷ΡΖΤ5上纏繞橢圓芯保偏光纖6。
[0028]所述的電壓傳感頭7上纏繞橢圓芯保偏光纖6。
[0029]所述的窄帶光源器I波長為980nm。
[0030]所述的窄帶光源器I輸出光源相位范圍為O?180°。
[0031]工作原理:
[0032]由窄帶激光I發(fā)出的光經(jīng)單模光纖2傳輸后進入一個I X 2光纖耦合器3，從I X 2耦合器I輸出的光一路經(jīng)單模光纖2傳輸?shù)叫盘柌杉疤幚硌b置10進行光電轉(zhuǎn)換，作為參考信號用以在信號處理時剔除光源波動對系統(tǒng)精度的影響；從I X 2耦合器3輸出的另一路光經(jīng)單模光纖2和光纖偏振器4后通過壓電陶瓷5進入傳感用橢圓芯保偏光纖(PMF)6 ;在橢圓芯保偏光纖6中傳輸?shù)墓庠诮?jīng)過電壓傳感頭7時,其兩個低階模LPtll和LPe11的模間相位差會受到被測高電壓的調(diào)制，進而改變模間干涉輸出光強的分布；這種模間干涉輸出的強度分布變化通過多模光纖8和橢圓芯保偏光纖6偏軸熔接的方法被提取出來，再經(jīng)過光電探測器二 9的光電轉(zhuǎn)換后送入信號采集及處理裝置10實現(xiàn)對被測高電壓的解調(diào)，信號采集及處理裝置10 —部分模擬信號通過電導(dǎo)線重新傳輸?shù)綁弘娞沾蒔ZT5中，目的是由多模光纖8、光電探測器二 9傳輸過來的模擬信號有的不符合標準傳輸信號的要求，所以將這些信號重新返回到電陶瓷PZT5中，再通過上述相同的順序重新傳輸一次，選中最佳信號作為最終數(shù)字量輸出及模擬量輸出。
[0033]壓電陶瓷PZT5 (PbZrT13)纏繞了一部分橢圓芯保偏光纖6，其作用是通過調(diào)整壓電陶瓷PZT5的控制電壓來調(diào)整橢圓芯保偏光纖6中傳輸?shù)膬蓚€模式間的靜態(tài)相位差。電壓傳感頭7由兩塊金屬鋁電極夾一塊纏繞了橢圓芯保偏光纖6的石英晶體圓柱組成，石英晶體圓柱按照一定的切割方向加工，在外電場的作用下石英晶體會因為逆壓電效應(yīng)而發(fā)生徑向形變并進而調(diào)制保偏光纖長度，利用石英晶體的逆壓電效應(yīng)來調(diào)制保偏光纖的模間相位差；模間干涉輸出的一個變化的強度邊瓣利用將多模光纖8和橢圓芯保偏光纖6偏軸熔接的方法來提取，代替的目前采用波片式的分離連接，實現(xiàn)整個光路部分的全光纖化。
[0034]圖2?圖6為單邊瓣模間干涉輸出光源與相位差關(guān)系圖，反映單邊瓣模間干涉輸出光源在相位從O到180°的變化情況。模間干涉即光纖中不同模式之間的干涉，一股采用光纖中最低階的兩個模式來實現(xiàn)模間干涉，超過兩個模式之間的多模干涉因其干涉輸出形式的復(fù)雜性而難以在光纖傳感中使用。為了在光纖中傳輸兩個低階模式并實現(xiàn)穩(wěn)定的模間干涉，除了需要合理地選擇光源的工作波長外，還需要選擇合適的光纖。常規(guī)通信用圓芯階躍折射率單模光纖因其同階模式的簡并特性和模式耦合間題而難以真正應(yīng)用到模間干涉光纖傳感器的設(shè)計中。
[0035]按照光纖理論，弱導(dǎo)光纖中傳輸光的模式可以用線性偏振模來表不，即按照模的階數(shù)由低到高可以表示成IiVLPe11 (LP11偶模)和LPtl11 (LP11奇模)等。橢圓芯保偏光纖因其結(jié)構(gòu)的特殊性，二階線性偏振模LF11和LPtl11不像在圓芯光纖中是簡并的，而是具有較大的傳播常數(shù)差，這使得在保偏光纖中可以在較寬的波長范圍內(nèi)實現(xiàn)一階線性偏振模LPtll和二階線性偏振模LF11的傳輸，而二階模式LPtl11則會被截止。以橢圓芯保偏光纖為例，通過合理地選擇工作波長，可使得在光纖中只能傳輸=LPtll和LPen2個模式，LP011及更高的模式被截止。假設(shè)光纖中傳播的光是Gauss光束，Wx和Wy是Gauss光束在光功率變成最大值的4時X和y方向的半徑，則LPtll模和LP611的電場強度可以分別表示如下: e
[0036]五LP。,(x’ y> = (— W2W )2

Ii1 πΨχΨγ
[0037]— (-!(.+.));⑴
[0038]E ix，y)=(———-——)2^VL J Lpiin, TTWxWy W;
1 > >
[0039]exp+)。(0)
2 W； W-
[0040]式中Ztl為真空中的平面波阻抗叫為纖芯折射率；x、y是笛卡爾坐標系參量。假設(shè)從光纖出射的2個模式具有相等的能量和相同的偏振方向，則出射干涉光強度可以表示成
[0041]
J = I五(X，yi| = Ehva (x, y) +EhpAx, y) exp(iA^) (H)
[0042]式中，I為干涉輸出光強；&pm(x，y)是1^模的電場函數(shù)；汐是LF11
模的電場函數(shù)；Λ Φ = Δ β * AL，是兩個模式在光纖中傳播后的相位差，其中Λβ =^LPtll-PLF11是兩個模式間的傳播常數(shù)差，Λ L為光纖長度受到調(diào)制后的長度變化。圖2?6為按照式(I)?(3)進行數(shù)值計算后在不同的△ Φ情況下干涉輸出光強的分布情況。
[0043]從圖2?6中可以看出，隨著兩個模式之間相位差Λ φ的變化，干涉輸出的兩個邊瓣之間存在著能量交換的現(xiàn)象。即相位差從O變化到π/2再到π的過程中，完成了一次能量從一個邊瓣到另一個邊瓣的交換，仿真結(jié)果表明相位差從η變化到2π的過程也類似。如果能對干涉輸出的兩個邊瓣中的一個(或兩個)進行探測，就可以從探測到的光強變化得到兩個模式之間的相位差，進而實現(xiàn)對引起模間相位差變化的物理量的傳感測量。
[0044]為了保證在橢圓芯保偏光纖中能且只能傳輸兩個低階線性偏振模LPtll和LF11,需要根據(jù)光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)合理選擇工作波長。本實用新型選用的橢圓芯保偏光纖其纖芯折射率ni = 1.470,包層折射率η2 = 1.456,纖芯長軸半徑a = 3 μ m,短軸半徑b = I μ m。經(jīng)過仿真計算得到其幾個低階模的傳播特性如圖7所示。圖7中，橫坐標為歸一化頻率
v = koa^ir^，其中欠。=f,入為光波長，縱坐標為歸一化傳播常數(shù)f。這里選擇中心波長為980nm的窄帶激光器作為光源(V = 3.45)，從圖7中可以看出，此時在該光纖中只能傳輸LPtll和LF11兩個模式，且這兩個模式之間的傳播常數(shù)差也比較大，有利于保證測量系統(tǒng)的靈敏度。
【權(quán)利要求】
1.一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，包括窄帶光源器、單模光纖、1X2光纖耦合器、光纖偏振器、壓電陶瓷PZT、橢圓芯保偏光纖、電壓傳感頭、多模光纖、光電探測器一、光電探測器二、信號采集及處理裝置，其特征在于，所述的窄帶光源器通過單模光纖與1X2光纖耦合器連接，IX 2光纖耦合器一個輸出端通過單模光纖與光纖偏振器連接，光纖偏振器與壓電陶瓷PZT連接，壓電陶瓷PZT輸出端通過橢圓芯保偏光纖與電壓傳感頭輸入端連接，電壓傳感頭輸出端通過橢圓芯保偏光纖連接到橢圓芯保偏光纖與多模光纖的偏軸熔接處再連接多模光纖，多模光纖與光探測器二、信號采集及處理裝置連接，信號采集及處理裝置的一部分輸出端與壓電陶瓷PZT連接； 所述的1X2光纖耦合器另一個輸出端通過單模光纖與光電探測器一連接，光電探測器一與信號采集及處理裝置連接，信號采集及處理裝置另一部分輸出端完成數(shù)字量輸出和模擬量輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，其特征在于，所述的電壓傳感頭由兩個塊狀金屬鋁電極中間夾一個石英晶體圓柱組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，其特征在于，所述的壓電陶瓷PZT上纏繞橢圓芯保偏光纖。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，其特征在于，所述的電壓傳感頭上纏繞橢圓芯保偏光纖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，其特征在于，所述的窄帶光源器波長為980nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單邊瓣間干涉式全光纖電壓互感器，其特征在于，所述的窄帶光源器輸出光源相位范圍為O?180°。
【文檔編號】G01R19/00GK204008794SQ201420391161
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】馬鵬程, 徐亞軍 申請人:鞍山博豐電力設(shè)備有限公司