温度补偿的电光电压传感器的制作方法

专利名称：温度补偿的电光电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及电光电压传感器技术领域，尤其是高压测量。本发明涉及一个遵照权利要求1前序部分的电光电压传感器和一种遵照权利要求1前序部分的用于测量电光电压的方法。
背景技术：
一个这样的电压传感器和一种相应的方法已在例如EP0682261A2中公开。在电光晶体的两端施加一个待测量的电压V。在晶体里射入线性偏振光并在其中以两个相互垂直的偏振光波的形式传播。该光在贯穿晶体后被探测。通过Pockels效应可在晶体里感应出与电压有关的双折射，因此可证明与待测量的电压V成比例的射出晶体的光的偏振变化，譬如，以光的亮度调制的形式。
这种对Pockels效应决定性的电光系数大多具有温度依赖性。譬如，对BGO晶体(Bi4Ge3O12)这种温度依赖性总计为1.54×10-4/℃(P.A.Williams等，应用光学35，3562-3569，1996)。在已公开的EP0682261A2中对温度效应通过计算修改由所测量的偏振变化确定的电压，其中为了确定电光晶体的温度充分利用已知的在光路里的并放置在电光晶体附近的λ/4小平板的温度依赖性。
这样的电压传感器有这个缺点对计算的温度补偿必须做出不同的近似假设，并且所测量的温度不是必然地与电光晶体的温度相符。也就是说，这样的温度补偿也一方面花费大量计算，一方面不是非常精确。

发明内容
因此本发明的任务在于，实现一个电光电压传感器和一种与开头所述的类型的相符的测量方法，这个传感器和这种方法不具有上述的缺点。尤其是应该使简单的和精确的温度补偿成为可能。在一个可预定的温度范围内借助传感器确定的电压应实质上与温度无关。这个任务解决了具有权利要求1的特征的电光电压传感器和具有权利要求15的特征的方法。
在本发明的电压传感器里在施加了待测量的电压的两个电极之间至少放置了两种介质，这两种介质中至少有一种是电光活性介质，其中，这些介质的有效厚度这样来选择，即传感器的电压实质上与温度无关。通过介质厚度和介质种类的选择能达到对借助传感器来确定的电压(传感器的电压信号)的不同温度影响的相互抵消。
本发明的传感器是一个用于测量电压V的电光电压传感器，其中电压V施加在两个电极之间并产生一个电场，其中这两个电极相互间隔地放置，而且在两电极之间放置一种电光活性介质，在这种介质中光是可射入的，这个光的偏振态在电光活性介质里通过电场是可影响的，并在射出这个电光活性介质后是可探测的，其中由探测到的偏振态可确定电压V。
这个传感器的特征是，在两电极之间放置一种间隔介质，其中具有有效厚度d1的电光活性介质和具有有效厚度d2的间隔介质放置在这两个电极之间，而且其中有效厚度d1、d2这样选择，实质上能补偿温度对探测到的光的偏振态的影响。
或这个传感器的特征在于，在两电极之间放置一种间隔介质，其中，间隔介质的有效厚度d2和电光活性介质的有效厚度d1这样选择，实质上能补偿温度对探测到的光的偏振态的影响。这两种介质实质上一个接着一个地放置在电极之间。介质1、2的一个接着一个的放置当然不排除，介质1、2能以多个元素的形式放置，这些元素至少部分一个接着一个地放置在电极3、4之间。这些介质的有效厚度取决于光的导向。
因此可能达到不依赖于温度的电压测量。温度补偿是固有的，因此不需要独立的温度测量和/或计算的温度补偿。此外可能也在高电压V处还获得唯一的测量结果。此外电光活性介质和间隔介质在电极之间的放置允许实现相对较大的电极间距，因此对电场外部干扰的低敏感性和传感器周围绝缘的相对小的直径成为可能。
有利地是这样选择间隔介质的有效厚度d2和电光活性介质的有效厚度d1，即实质上补偿间隔介质和电光活性介质的依赖温度的材料常数的温度依赖性对探测到的光的偏振态的影响。
特别是，在实践中这些材料常数-决定性的电光系数(k)，-介电常数(ε)以及
-热膨胀系数(α)是重要的而且大多与温度有关。
由于对于典型的材料热膨胀系数(α)对传感器的电压信号的温度依赖性的影响比介电常数(ε)尤其是决定性的电光系数(k)的温度依赖性的影响小大约半个或整个数量级，只考虑介电常数(ε)和决定性的电光系数(k)就已经能达到很好的温度补偿。如果间隔介质没有电光活性或不能穿透，只需考虑ε1、ε2和k，其中下标1代表电光活性介质而下标2代表间隔介质。各个量的温度依赖性对电压信号(或对探测到的光的偏振态)的影响实质上是相互抵消的。
在一个有利的实施方案里间隔介质是透明的并具有固定的聚集态。有利地是，光穿透电光活性介质，而且也穿透间隔介质，这个光的偏振态通过电场来改变。这样就能达到机械的和光学的稳定的建立。间隔介质的选择能这样完成，间隔介质和电光活性介质之间的界面的折射指数差别足够小，以至于反射损失是最小的。这样界面的光损失就能达到最小，因此在小的光功率处能测量。
在另一个有利的实施方案里在电极之间放置一组具有电光活性介质N个元素和间隔介质(N+1)个元素，其中N是满足N≥1的整数，有利的是N≥2。电光介质的元素分别放置在间隔介质两个相邻的元素之间，其中该组中的第一个和最后一个元素与两个电极的每个相连接。这样就可精确逼近具有小的光损失和高机械稳定性的待测量的电压V。特别有利的是这些元素每一个实质上是圆柱体形的，其中所有元素实质上具有相同的圆筒直径。放置在电极之间的介质有利的构造了一个传感器棒。
另一个有利的实施方案的特征在于，电光活性介质的元素具有一个这种地有效厚度并这样放置在电极之间，即在待测量的电压中传感器电压信号，也就是借助电压传感器确定的电压，的偏差是最小的。这样的放置可例如借助近似计算或仿真来确定。能达到特别精确的测量和对电场外部干扰的高不敏感性，譬如，由于传感器附近的雨或雪，以及对横向磁场的高不敏感性，譬如，由于在传感器附近相邻的电相位。
特别有利的是，电极连同电光活性介质和间隔介质注入到硅树脂里。这个硅树脂有利的具有一个层厚度，这个层厚度这样大，以至于在施加的雷电冲击(Blitzstoss)电压处(根据IEC标准186，IEC即国际电工委员会，日内瓦，瑞士)硅树脂外的电场强度总计最大为40KV/mm，特别的为最大30KV/mm。雷电冲击电压大约是工作电压的三到五倍，为这个工作电压而装设了这个传感器。对于170kV的工作电压传感器还必须承受的雷电冲击电压为750kV(峰值)；对于245kV的工作电压雷电冲击电压为1050kV；对于420kV的工作电压雷电冲击电压为1425kV(根据IEC标准186)。
通过硅树脂覆盖物可制造一个具有小尺寸和轻重量的传感器，尽管如此该传感器具有足够的电绝缘。这样就能避免昂贵的、大的、重的绝缘管，典型的是由加强的玻璃纤维的塑料制成的绝缘管。重量轻和尺寸小可以使传感器用于传统的绝缘传感器不能使用的场所或位置，譬如悬挂在一个高压通过的装置部分。
一个特别有利的实施方案的特征在于，电光活性介质是结晶的BGO(铋锗氧化物，Bi4Ge3O12)，BGO以它的
方向定向为平行于光的传播方向；光的传播方向实质上是沿着由电压V产生的电场；而且间隔介质是石英玻璃。因此可实现一个特别好的温度稳定的传感器，此外该传感器对场分布的外界干扰有高不敏感性。特别的是，因此很可能在高压电网的一极上进行测量而没有位于附近的另一极的影响。
本发明的用于测量电压V的方法的特征在于，在两个电极间放置间隔介质，其中这样选择间隔介质的有效厚度d2和电光活性介质的有效厚度d1，即实质上补偿温度对探测到的光的偏振态的影响。在该方法中电压V施加在两个相互隔开放置的电极之间并产生电场，光射入放置在电极间的电光活性介质里，而且电场影响电光活性介质里的光的偏振态，再探测射出电光活性介质后的光，并由探测到的偏振态确定电压V。
其它优选的实施方案和优点由从属权利要求和附图给出。


下文根据附图示出的优选的实施例来详细解释本发明主题。其中图1示意性地示出了根据本发明的在透射几何学中的传感器；图2示出了一条计算出的曲线，该曲线说明了在BGO石英玻璃组里的BGO中的电场强度随温度的相对变化与电光活性介质BGO的有效厚度d1的依赖关系；图3示出了一条计算出的曲线，该曲线示出了在d1+d2为常数时半波电压Vπ依赖于电光活性介质的有效厚度d1；图4示意性地示出了本发明的在反射几何学中的传感器；图5示意性地示出了本发明的在反射几何学中的传感器；图6示意性地示出了本发明的在透射几何学中的传感器；图7示意性地示出了本发明的用于高压的包含两个传感器棒的传感器；图8示意性地示出了本发明的浇入硅树脂里的传感器。
在图中使用到的参考符号及其意义一起列在参考符号表中。原则上规定在图中相同的或至少作用相同的部分具有相同的参考符号。所陈述的实施例示范性的代表本发明对象并没有限制效用。
具体实施例方式
图1示出了在透射几何学中的传感器，该传感器包含N＝2的BGO晶体片1和N+1＝3片石英玻璃。这组BGO片和石英玻璃片构成一根棒，一根传感器棒。在图1中首先示出光学部分。BGO片1的厚度为δ1并放置在厚度为δ2的石英玻璃片2之间。有利的是所有片都是具有相同直径的圆柱体形。有利的所有BGO片具有同一种晶体定向。在这组BGO片和石英玻璃片的每一端安在每一个电极3、4上。这个电极有利地是ITO(铟锌氧化物)，因而它是透明的。第一个电极3接地电位，第二个电极4接电位V。电压V待测量。
光束5在电光活性介质1中传播。通过一个光输入纤维6a，有利地是一个多模式纤维，输入由没有示出的光源产生的光。有利地用发光二极管(LED)，超级发光二极管或多模式纤维二极管作为光源。光5输入到准直透镜7a然后到起偏器8a。通过透明的电极3光到达BGO元素和石英玻璃元素组中。在该组中有利地传播两个相互垂直偏振的光波。
电光效应或Pockels效应(＝线性电光效应)改变电光活性介质1里的光5的偏振态，由于产生了电压感应的双折射。光5的偏振态的影响的大小取决于BGO元素里的电场的大小，也就是取决于电压V。当两个相互垂直偏振的光波在电光活性介质1里传播时，能通过电光效应达到一个光波相对于另一个的延迟，因此得到光波间的相位移。在较好的近似里这个相位移与待测量的电压V成比例。
穿过这组元素后光5经过电极4，经过λ/4元素9，经过偏振器8b和准直透镜7b，并最终借助光纤6b，有利地是多模式光纤，输入到未示出的探测评估单元。偏振器8a和8b有利地定位在沿着BGO晶体的[100]方向和因此相对BGO材料里双折射的感应角的45°下。λ/4元素9的角平行于BGO材料里双折射的感应角。在未示出的探测评估单元里光5的电压感应的偏振态的变化，尤其是借助因为相位移产生的标准化光强的变化，被确定并从中得知电压V、电压信号的范围。电光电压测量的基础和细节可以从现有技术中获得，譬如所述的EP0682261A2。在此强调在说明书中采用这个规定的公开内容。其它的电光电压测量和探测的基础可从譬如出版物G.A.Massey，D.C.Erickson和R.A.Kadlec，应用光学14，2712-2719，1975获得。在此强调在说明书中采用这篇文章的公开内容。
电光活性介质1(BGO)的有效厚度在图1中为d1＝2·δ1。间隔介质2(石英玻璃)的有效厚度为d2＝3·δ2。把δ称为介质1、2的单个元素的有效厚度。L称为电极3、4相互间的有效间距。在图1中沿着总长度L放置介质3、4。
有效厚度d1、d2的合适选择影响在BGO片1中电场的相对的温度依赖性。如下示出的能用于补偿电光效应的温度依赖性。这里只观察两种不同的材料1、2，其中此外相对决定性的电光系数k和介电常数ε的温度依赖性忽略其它量，譬如，热膨胀系数α的温度依赖性的影响。当两种介质1、2的热膨胀系数α1和α2相互不同时，无论如何一般地才考虑热膨胀系数α的温度依赖性的影响。
在如图1所示的带有电光活性介质1(BGO)和间隔介质2(石英玻璃)的传感器中，这种如果为石英玻璃的间隔介质是没有电光活性的，介质1中的电场强度E1的相对温度依赖性适用于(1/E1)·(E1/T)＝[d2/(ε2·d1+ε1·d2)]·[ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]其中ε1是电光活性介质1的介电常数，ε2是间隔介质2的介电常数。介质1中的电场强度E1能在无线膨胀的组元素(片半径为无穷大)的近似中给出以E1≈ε2·V/(ε2·d1+ε1·d2)对BGO适用ε1＝16.3，对石英玻璃ε2＝3.8。
如果穿透两个介质1、2，其中这两个介质都有电光活性的，这样在温度补偿的选择厚度d1、d2的情况适用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]+d2·[(k2/T)·E2+k2·(E2/T)]≈0其中k1、k2是介质1、2的决定性的电光系数。此外它适用于介质1、2中的电场的相对温度依赖性(1/E1)·(E1/T)和(1/E2)·(E2/T)在上述的无限膨胀的组元素的近似中(1/E1)·(E1/T)≈[d2/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]和(1/E2)·(E2/T)≈[d1/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε2/ε1)(ε1/T)-(ε21/T)]在此前提是，厚度d1、d2实质上不具有温度依赖性。
如果间隔介质2没有电光活性或光5不能穿透间隔介质，则适用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]≈0，并因此(k1/T)·E1+k1·(E1/T)≈0，其中对介质1中的电场的相对温度依赖性(1/E1)·(E1/T)在上述的无限膨胀的组元素中同样适用已在上面给出的公式。
(1/E1)·(E1/T)≈[d2/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]从中得出对厚度d1、d2的明确条件[d1/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε2/ε1)·(ε1/T)-(ε2/T)]+(1/k1)·(k1/T)≈0上述的公式可由这样的条件得出，即探测到的光5的偏振态变化的温度依赖性应为零，这可从(/T)[k1·E1·d1+k2·E2·d2]＝0得出。
图1中BGO晶体的定向可这样有利的选择，
晶轴沿着电极3、4之间的电场E对齐。光5在BGO晶体中的传播方向与这个方向平行。以这种方式，这些同时沿着这个方向运行的电场部分导致光5的偏振态的变化。这样使得传感器对电场的干扰不敏感，譬如，通过放置在传感器附近的高压电极。电场的其它的外部干扰，譬如，可通过隔绝传感器的隔离器的表面不清洁，或通过靠近传感器的运动的导电物体来引起。
在所示的几何图形中电光活性介质1(BGO)的决定性的电光系数k1为k1=n03r41,]]>其中n0是BGO晶体1的折射指数，r41是重要的结晶的BGO1的电光张量元。对BGO总计k1＝9.8pm/V(P.A.Williams等，应用光学35，3562-3569，1996)。根据所述的Williams等的著作对BGOk1的相对温度依赖性总计为(1/k1)·(k1/T)＝1.54×1-4/℃.
根据J.Link，J.Fontanella，应用物理期刊51，4352，1980，BGO的介电常数ε1的相对温度依赖性计为(1/ε1)·(ε1/T)＝1.8×10-4/℃.
由于在图1中采用的间隔介质2是石英玻璃因而没有电光活性，并具有可忽略的它的介电常数ε2的温度依赖性(至少在对典型应用重要的在-40℃到80℃之间的温度范围内，参见例如《导电材料和应用》，由Arthur R.von Hippel.编著，Cambridge，Maaa.MIT，1954)，对合适厚度d1、d2的温度补偿的计算是简单的。
图2示出一条计算出的曲线，该曲线说明了温度补偿的可能性。在垂直轴上承受BGO1中的电场强度E1的相对温度依赖性(1/E1)·(E1/T)。在水平轴上承受BGO的有效厚度d1。此外假设间隔介质是石英玻璃，并以L＝d1+d2＝200mm为前提，其中L是电极3、4相互间的有效间距。在图2中示出的曲线能这样推断出，对d1＝84mm(则d2＝116mm)BGO1中的电场强度E1的相对温度依赖性(1/E1)·(E1/T)精确计为-1.54×10-4/℃，因此可准确抵消决定性的电光系数k1的温度依赖性。所以通过所述的有效厚度d1、d2的选择可达到，补偿温度对光5的探测到的偏振态的影响。
选择d1＝20mm得出(1/E1)·(E1/T)＝-1.75×10-4/℃，因此总是能给出一个很好的补偿。为了在-40℃到85℃的温度区间内保持在最大误差为±0.2％以内(IEC标准级0.2)，(1/E1)·(E1/T)必须位于-(1.54±0.3)×10-4/℃的范围里。这就允许d1在0mm到130mm之间的范围里选择。
当取代BGO采用其它电光活性介质1时，在采用这种介质时决定性的电光系数k1不是随着温度增加而是减小，(1/E1)·(E1/T)必须为正数，或更精确的多项式(ε1/ε2)·(ε2/T)-ε1/T必须为正(ε1/ε2)·(ε2/T)-ε1/T＞0.
通过碱性玻璃或碱土金属玻璃用作间隔介质2可满足这个条件。ε2和ε2/T的值可通过在宽范围里合适的材料选择来改变，譬如，到ε2＝12和ε2/T=5×10-3/℃。参见譬如所述的出版物《(介电材料和应用)》，由由Arthut R.von Hippel．编著，Cambridge，Maaa.MIT，1954。考虑譬如K2O，Na2O，Li2O和/或B2O3作为SiO2里的添加物。
当考虑到介质1、2的有限膨胀时，能获得对温度补偿的厚度d1、d2更精确的结果。通过将传感器的绝缘计算在内，其它的修正也是可能的。另外下面示出具有硅树脂的传感器的覆盖物，该覆盖物影响电场分布并具有温度依赖性。所述的修正能譬如借助电场分布的数值模拟来进行。
有效厚度d1在图1的实施例中与BGO元素的总长度相符。在电光活性介质1和/或间隔介质2以其它形式形成和/或放置的情况中，譬如，以具有不光滑表面和/或具有没有垂直对准磁场方向的平面的元素的形式，介质1、2中的一个的厚度不能简单的按几何图形定义。因而在这种情况中必须计算或以其他方式确定有效厚度d1、d2。有效厚度d1、d2理解为一个这样的厚度，这个厚度关于考虑到的量(k，ε和可能的其他参数)的温度依赖性具有相同效应，像一个放置在电极3、4问的圆柱体形的片元素一样，该元素具有相应几何图形的厚度的垂直对准磁场方向的平面(参见附图1)。
对温度补偿不必需在几个单个元素中分别放置介质1、2。原则上也可以采用一个唯一的BGO晶体(N＝1)，和/或在唯一的元素中放置间隔介质2。但是一个电极3、4问的几个(N≥2)元素的、对称的和均匀的分布对于电压测量的准确性，和尤其是对于电压测量对电场的外部干扰的不敏感性是有利的。这些元素、尤其是电光活性介质1的元素这样有利地放置，关于电极3、4问的电场的线性积分 和关于在电光活性介质l的单个元素中存在的局部磁场的总和(如果可能加权的)∑aiE1，x(xi)之间的偏差是最小的∫E1,x(x)·dx-ΣaiE1,x(xi)≈0]]>在专利US4939447和出版物光学快报14，290，1989中给出了细节。对此在说明书中强调引用这些文章的公开内容。
这些元素的优化放置能通过计算、也能通过模拟或实验来找到。借助两种简单的放置能达到十分好的结果(1)介质1的所有元素具有相同的厚度δ1，而介质2的外部的两个元素具有相同的厚度δ2′，这个厚度是介质2可能的其它元素的厚度δ2的一半大。
(2)如图1所示，介质1的所有元素具有相同的厚度δ1，并且介质2的所有元素具有相同的厚度δ2。
接着有利地应用在上面等式中指出地加权系数aI，当电光活性介质1的单个元素具有不同的有效厚度时和/或当可能单独考虑不同元素的作用时。最后可能的是，譬如如图1所示，不是通过唯一的光束5穿透所有元素，而是当应用几束光束时，这些光束分别穿透一个元素或几个元素。
电极3、4间至少两种介质1、2的这种放置的另一个较大的优点在于，通过这种放置也可能唯一地测量高压V。可能拥有一个大的传感器的半波电压Vπ，然而尽管如此会具有一个高绝缘的稳定性。因为在电极3、4间的整个距离L上固定地聚集态物质以介质1、2的形式放置，以致具有可比较的介电常数的材料放置在电极3、4间，从而在电极3、4间不会出现电场强度的大跃变。
图3示出一条计算出的曲线，该曲线说明，传感器的半波电压Vπ如何随着厚度d1变化，其中d1+d2选择为等于L＝200mm的常数。介质1、2再次为BGO和石英玻璃。当BGO1中的两个相互垂直偏振的光波传播时，如图1给出的关系，对这些光波间的电光感应的相位移适用Γ＝k1·V·2π/λ，其中λ是光5的波长。当λ＝800nm时对V＝20kV得出相位移Γ＝π/2，因此Vπ＝40kV(在透射几何图形中，如图1所示)。大于40kV的电压因此也不再可唯一地测量。
如果现在，如图1示出，使用两个介质1、2，那么得出相移Γ*，这个相位移明显大于上面给出地相移ΓΓ*＝Γ·ε2d1/(ε2d1+ε1d2)对d1＝20mm和d2＝180mm得出Γ*＝0.025·Γ，因此取代Vπ＝40kV得出Vπ＝800kV。半波电压Vπ因而迅速地提高。图3给出了对于不同d1的半波电压Vπ。另一个达到较大的半波电压Vπ的可能性是应用较长波长λ的光5。
图4示出传感器的一个其它的可能结构。这个结构继续与图1所示的结构相符。他可以从此出发来描述。介质2的外部的两个元素具有相同的厚度δ2′，这个厚度是介质2其它元素的厚度δ2的一半大，而介质2放置在两个BGO晶体1之间(参见上面的元素简单放置的版本(1))。取代透射(图1)传感器在图4中工作在反射中。在元素组的一端，优选地在高压端，放置一个反射棱镜12，该棱镜将光束5导回组中。因此光束5两次穿透介质1、2。通过两次穿透半波电压Vπ相对透射配置(图1)减半。也就是说，与上面讨论的实施方案相比很可能Vπ＝20kV取代Vπ＝40kV。
λ/4元素9能放置在，如图4所示，输入端，或也可在输出端(未示出)。在电极3放置了一个分光器10，该分光器用于输入耦合和输出耦合光束5。在分光器10处有利地放置一个偏转棱镜11。反射几何图形的较大的优点在于，在高压端上不必放置一个光输入管道(光纤)，这些管道可能消除了两电极3、4间的势能。
在图5中示出了传感器的一个其它的可能结构。这个结构继续适应于图4所示的结构并同样是反射配置。他可以从此出发来描述。取代，如图4中，光束通过分光器10继续集中在组中输入耦合，光束5在反射棱镜12的转向之前和之后传播到两条明显有距离的、实质上相互平行的路径上。因此不必需分光器10，并同样不需要偏转棱镜11。
图6说明了传感器的一个其它的有利的实施方案。图1、4和5中示出的光学细节在此部分不描述。图6示出的传感器工作在透射中，但能同样好的工作在反射中，如图4或5示例性地示出。此处示出的是N＝3的情况，也就是存在三个BGO元素。电极3、4这里包含未示出的透明部分，通过这部分光到达组中并输出耦合。另外电极3、4每个含有一个场控电极3a、4a，这些电极在侧面高出这些组并与各自的透明部分导电地连接。这些场控电极实质上是片状构成的。另外电极3、4每个含有一个电压输入管道3b、4b，这些管道实质上是杆状的。为了传感器的机械稳定性这个传感器具有几个(有利的3、4、5、6、7或8个)绝缘棒13，这些绝缘棒相互机械地连接场控电极3a、4a。
图7示出了一个其它的有利的实施方案，该方案特别适合用于测量十分高的电压。这个传感器实质上由两个串联的传感器组成，这两个传感器，如图示，能例如类似于图6示出的那样。待测量的势能施加在一个传感器部分的电极3和另一个传感器部分的电极4之间。在一个传感器部分的电极4′和另一个传感器部分的电极3′之间放置一个金属的连接杆14，这个杆导电地并相互机械地连接两个传感器部分。也可能，还有更多地，就是说3、4或5个传感器部分共同组成一个传感器。当一个传感器含有几个串联的传感器时，也可能借助几个光束5或也只借助一个光束5来驱动这些传感器。接着有利地传感器高压端的最后一个子传感器反射地构造而其他的透射地构造。
取代为克服高电压采用两个或多个传感器棒也可能，选择一个较大的电极距离L。接着有利地采用多于，也就是说多于N＝2，即3、4或5或更多得电光活性介质1的元素。
图8示出了一个其它的有利的实施方案。在此放弃光学的细节描述，而是更多地深入研究传感器的绝缘。
在传感器的高压端放置了一个电晕环17。电极3、4的电压输入管道3b、4b，场控电极3a、4a和介质1、2覆盖硅树脂15。有利的是传感器的基本部分注入到硅树脂15里。硅树脂覆盖层15外部有利地具有薄层16，该层构成了屏蔽。有利的是整个硅树脂覆盖层15是一整块构成的。场控电极3a、4a实质上是片状的。他们实质上按照这样片状构成的，他们在面向各自的其它电极4、3的那一面实质上是平的，并实质上是圆的。以这种方式电极3、4间的电场E是十分均匀的并平行伸展。
在场控电极3a、4a和介质1、2的区域里硅树脂覆盖层15是圆柱体状或桶状构成的。硅树脂覆盖层15的直径有利地是比场控电极3a、4a的直径大，尤其是大1.1倍到6倍，并且有利地是场控电极3a、4a的直径的两倍到四倍大，或更一般地，是电极3、4的最大径向延伸的两倍到四倍大。有利地是这样选择硅树脂覆盖层15的厚度或其直径，硅树脂覆盖层15上的外部电场强度在施加电压V时最大计为35kV/mm，尤其是最大计为30kV/mm，在特殊情况中，用硅树脂镀膜是足够的，或覆盖硅树脂15，该硅树脂包围这个传感器，其中该硅树脂在有些地方可能仅仅厚1mm。
硅树脂覆盖层15有这个优点，相对传统的绝缘具有小尺寸和轻重量。此外它是不需管理的。传统的气体隔绝的绝缘必需经常监控压力，在借助硅树脂覆盖层15绝缘时就不需监控压力。此外在气体隔绝的绝缘时气体密度必需优化执行，一个具有硅树脂覆盖层15的传感器不需要这种执行。相对固定的绝缘物质，如用作填充材料的聚亚安脂，硅树脂有这样的优点，硅树脂的介电常数不同于聚亚安脂的介电常数具有一个明显较小的温度依赖性。
一个为工作电压为240kV而设置的传感器能有利地具有下列参数-电极距离L＝200mm-在实质上片状地区域里的电极直径100mm-介质1＝BGO-介质2＝石英玻璃-d1＝80mm，划分为两个每个厚40mm的元素-d2＝120mm，分为三个元素1×60mm，2×30mm-硅树脂覆盖层直径300mm在电极区域里-硅树脂覆盖层直径80mm在电压输入管道区域里-薄层长度5cm对于工作电压为550kV的传感器有利地含有两个这种对于工作电压为240kV的传感器(比较图7)。
模拟计算示出，具有本发明的传感器棒和硅树脂覆盖层15的传感器具有对电场的外部干扰的高不敏感性。譬如，一个这种的传感器，如上面描述的对于工作电压为240kV的传感器，在传感器杆附近的硅树脂覆盖层15上的厚度为1mm的水膜处电压信号相对没被干扰的状态的相对偏差明显在1％以下。一个放置在传感器棒的中间高度处的40mm长的水膜引起例如一个只有0.04％的相对压降。一个在传感器2m处的接地的金属圆柱体，该圆柱体平行于传感器棒并超过该传感器棒大约1m，产生一个只有0.04％的相对压升。
其它的上面和下面提及的交替的或附加的特征是可选的并相互以及与在说明书中所述的实施例是可任意结合的。
电光活性介质1可以是任意一种电光活性物质，优选地一个电光活性的晶体。在已公开的EP0682261A2中给出了各种各样的合适的电光活性物质。这个规定的公开内容在此在说明书中强调引用。
间隔介质2可以是气态的，液态的或有利的是固定的聚集态的。它也可是真空。该介质可以是有电光效应的或没有电光效应的。有利地介质1、2也这样选择，这些介质只具有小的折射指数区别。这样避免界面处的大的反射损失。譬如，在上述有BGO1和石英玻璃2的例子中，BGO1的折射指数在800nm时为2.07，石英玻璃的折射指数在800nm时为1.46，反射损失总计为每次反射大约3％。如果第二个介质2是气体，譬如SF6，这样得到每次反射大约12.1％的反射损失。
为了得到在装有传感器处的其它自由度也可考虑下列类型的组代替采用单个的BGO片也能采用BGO晶体的成对放置，其中这对中的一个子晶体相对另一个子晶体晶体学不一样的定向。这个定向这样选择，通过电光效应一个子晶体中的光5的偏振态的改变通过在这对中的另一个子晶体中的光5的偏振态的改变部分再次取消，也就是说部分撤消。尤其是，这些子晶体能相互相反地定向并具有相互不同的厚度。因而能实现半波电压Vπ的放大。当然这些子晶体能由不同的电光活性物质组成。来自第二个子晶体的元素也能理解为间隔介质2的元素。
介质1、2能有利地借助透明的粘合剂相互连接。
电极3、4间也能放置其他的电光活性物质和/或其他的用作间隔介质2的物质，或几种不同的物质用作电光活性介质1和/或用作间隔介质2。本领域技术人员可从上述直接清楚了解，如何构造一个具有多于两种介质的本发明的传感器。
电极3、4有利地是透明的。在此透明是指对所应用的光5的波长是透光的。但是也可考虑，使用不透明的电极3和/或4，其中然后光5例如在间隙、小孔处在电极3和/或4中输入耦合和/或输出耦合。
电极3、4的有效距离L在图1的实施例中是几何长度，这个长度是光5在电极3、4间所覆盖的长度。因此L与电极3、4间的几何最小距离相符。但有效距离L能例如与电极的几何距离相区别，当场控电极3a、4a在半径方向具有一个弯曲的剖面，以致场控电极3a、4a间的最小几何距离在半径外部区域小于半径内部区域，这里放置电极3、4的透明部分。在不是相互平行放置的电极3、4的情况中电极间的几何最小距离一般也不适应于电极3、4的有效距离L。电极3、4的有效距离L取决于光导向。
介质1、2的有效厚度d1、d2在图1、4、5、6、7的实施例中与涉及到的介质1、2的单个元素的几何总厚度一致。但是有效厚度d1、d2也能偏移一个这样的几何厚度。譬如，当介质的元素是不共面的，或当介质的元素虽然如实施例中是共面的，但是基于电极3、4间的距离有角度地放置。介质1、2的有效厚度d1、d2取决于光导向。
介质1、2的有效厚度d1、d2给出这一个几何总厚度，这个介质1、2可能有这个厚度，如果这个介质是放置在电极间以一个或多个共面构成的元素的形式，并如介质1、2以它的实际形式有相同效用。在此相同效用是指，在施加相同的电压V时引起光5的偏振态的同样的变化。因此共面元素的定位这样选择，共面平面的法线是沿着电极3、4间的有效距离L。
对有效距离d1适用d1＜L。它继续适用d1+d2＜L或d1+d2≤L。介质1、2的不同元素的厚度(尤其是电光活性介质1)在传感器棒内变化，譬如以获得不均匀的场分布计算和实现更精确的测量。
光5优选地具有一个小的相干长度。优选地光束5穿透整个传感器棒(组)，由于通过这个棒只需要一个光输入管道和光的反馈。但是也能询问分别具有光束5的一个或几个元素。
视电光活性介质1的类型及其晶体定向而定传感器也是可构造的，在这些传感器中光束5，如所示的实施方案，不平行于传感器棒的角度或不平行于由电压V产生的电场的场力线传播(纵向Pockels效应)。譬如光5能垂直于传感器棒的角度或垂直于由电压V产生的电场的场力线传播(横向Pockels效应)。在电光活性介质1的几个元素的情况中优选地穿透每个具有独立光束的元素。但是光束5借助反射介质和/或光纤也能一起穿透电光活性介质1的几个或所有元素。一般地一个这样的传感器但是具有大的横振敏感性(通过外部与待测量的磁场一样没有相同定向的磁场的影响)。
光输入纤维6a能是多模式纤维或有利地也能是保持偏振的单模式纤维。后者进行线性偏振并有这种优点，这种纤维对弯曲感应的强度损失更不易受影响。
硅树脂覆盖层15当然不仅能用作温度补偿的传感器的绝缘，还能应用于一个任意的其他的优选电光的电压传感器。尤其对电光电压传感器，在该传感器处在电极3、4间放置一个传感器棒，特别是一个含有一个或几个固定的聚集态介质1、2的传感器棒。
取代硅树脂覆盖层15也能采用绝缘管，优选地由加强玻璃纤维的塑料制成的，用于传感器的绝缘。一个这种绝缘管用绝缘填充物来填充，这种绝缘填充物例如是气态的，例如SF6或N2，或固体物质，例如聚亚安脂。在绝缘管中放置传感器，这个传感器譬如由两个，三个或多个串联的传感器组成(比较图7)。
当实质上补偿了本发明的温度对探测到的光5的偏振态的影响时，或实质上抵消了相对的温度影响时，这应意味着，实现温度影响的减小，特别是通过补偿使温度影响这样小，以至于相对没补偿的传感器至少减小一个系数为2或3或5或一个数量级。
所述的特征能有利地一起或也能单独或以任意结合。
参考符号表1 电光活性介质，电光晶体，BGO晶体2 间隔介质，石英玻璃3 电极3a 场控电极3b 电压输入管道4 电极4a 场控电极4b 电压输入管道5 光，光束6a 光输入纤维6b 光反馈纤维7a，7b 准直器透镜8a，8b 偏振器9 λ/4元素10 分光器11 转向棱镜12 反射棱镜13 绝缘杆14 连接杆15 硅树脂16 薄层(屏蔽)17 电晕环d1电光活性介质的有效厚度d2间隔介质的有效厚度E 电场，场力线K1电光介质决定性的电光系数K2间隔介质决定性的电光系数L 有效电极间隔T 温度V 待测量的电压
Vπ半波电压α 热膨胀系数δ1电光活性介质元素的有效厚度δ2，δ2′间隔介质元素的有效厚度ε1电光活性介质的介电常数ε2间隔介质的介电常数Γ，Γ*相位移
权利要求
1.电光电压传感器，用于测量电压V，其中电压V施加在两电极(3，4)间并产生一个电场，其中电极(3，4)相互隔开放置，而且其中在电极(3，4)间放置电光活性介质(1)，在该介质中光(5)是可穿透的，电光活性介质(1)中的光(5)的偏振态可受电场影响并在射出电光活性介质(1)后是可探测的，其中由探测到的偏振态可确定电压V，其特征在于，在两个电极(3，4)间放置间隔介质(2)，其中具有有效厚度d1的电光活性介质(1)和具有有效厚度d2的间隔介质(2)放置在两电极(3，4)间，并且其中有效厚度d1、d2这样选择，使得实质上补偿温度对探测到的光(5)的偏振态的影响。
2.如权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，间隔介质(2)的有效厚度d2和电光活性介质(1)的有效厚度d1这样选择，使得实质上补偿与温度有关的间隔介质(2)和电光活性介质(1)的材料常数的温度依赖性对探测到的光(5)偏振态的影响。
3.如权利要求2所述的电压传感器，其特征在于，与温度有关的材料常数是-决定性的电光系数(k)，-介电常数(ε)及，-热膨胀系数(α)。
4.如权利要求1或2所述的电压传感器，其特征在于，间隔介质(2)的有效厚度d2和电光活性介质(1)的有效厚度d1这样选择，使得电光活性介质(1)的介电常数ε1的温度依赖性和间隔介质(2)的介电常数ε2的温度依赖性以及-如果间隔介质(2)是没有电光活性的或光(5)不能穿透间隔介质(2)电光活性介质(1)的决定性的电光系数k1的温度依赖性，以及，-如果电光活性介质(1)和间隔介质(2)均是电光活性的，并能使光(5)穿透电光活性介质(1)的决定性电光系数k1和间隔介质(2)的决定性电光系数k2的温度依赖性，对探测到的光(5)的偏振态的影响实质上相互抵消。
5.如权利要求4所述的电压传感器，其特征在于，如果光(5)也穿透间隔介质(2)，那么适用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]+d2·[(k2/T)·E2+k2·(E2/T)]≈0并且如果光(5)不能穿透间隔介质(2)或间隔介质(2)没有电光活性，那么适用(k1/T)·E1+k1·(E1/T)≈0，其中E1是电光活性介质(1)的电场强度和E2是间隔介质(2)的电场强度，并尤其是其中所述的电场强度作为E1≈ε2·V/(ε2·d1+ε1·d2)和E2≈ε1·V/(ε2·d1+ε1·d2)近似。
6.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，间隔介质(2)是透明的，而且是固定的聚集态，并且光既能穿透间隔介质(2)又能穿透电光活性介质(1)。
7.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，间隔介质(2)具有消失的决定性电光系数k2和/或它的决定性电光系数k2的消失的温度依赖性k2/T，并且尤其具有一个可忽略的它的介电常数ε2的温度依赖性ε2/T。
8.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，在电极(3，4)间放置一组有N个电光活性介质(1)的元素和(N+1)个间隔介质(2)的元素，其中N是满足N≥1的整数，并且其中分别在两相邻的间隔介质(2)的元素间放置一个电光活性介质元素，其中该组中的第一个和最后一个元素与两电极(3，4)的每一极接触，并且特别是，其中每个元素实质上是具有实质上相同的圆筒直径的圆柱体形的。
9.如权利要求8所述的电压传感器，其特征在于，电光活性介质(1)的元素具有一个如此的有效厚度并这样放置在电极(3，4)间，借助电压传感器确定的电压与待测量的电压V的偏差是最小的。
10.如权利要求8所述的电压传感器，其特征在于，电光活性介质(1)的元素有所有同样的有效厚度δ1＝d1/N，并且或者(a)间隔介质(2)的元素具有有效厚度δ2＝d2/N，其中但是在该组中间隔介质(2)的外端的两个元素有有效厚度δ2＝d2/(2·N)，或者(b)间隔介质(2)的元素具有有效厚度δ2＝d2/(N+1)。
11.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，电极(3，4)与电光活性介质(1)和间隔介质(2)一起注入硅树脂里。
12.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，电极(3，4)与电光活性介质(1)和间隔介质(2)一起注入硅树脂里，其中硅树脂在电极(3，4)、电光活性介质(1)和间隔介质(2)的区域里实质上是圆柱体状或桶状构成的，并具有电极(3，4)的最大半径延伸的在1.1倍到6倍间，特别是在2倍到4倍间大的直径。
13.如权利要求11或12所述的电压传感器，其特征在于硅树脂(15)在电极(3，4)、电光活性介质(1)和间隔介质(2)的区域里实质上是圆柱体状或桶状构成的，并且电极(3，4)具有导电能力的电压输入管道(3b，4b)，该管道实质上是杆状构成的，同时注入硅树脂里，其中硅树脂(15)在电压输入管道(3b，4b)的区域里实质上是圆柱体状构成的并具有比在电极(3，4)、电光活性介质(1)和间隔介质(2)的区域里小的直径，尤其硅树脂外部具有屏蔽。
14.如前述权利要求之一所述的电压传感器，其特征在于，电光活性介质(1)是结晶的BGO，该BGO以它的
方向平行于光(5)传播方向定向，光(5)的传播方向实质上是沿着通过电压V产生的电场，并且间隔介质(2)是石英玻璃。
15.用于测量电压V的方法，其中电压V施加在两个相互间隔放置的电极(3，4)间并产生一个电场，其中光(5)射入放置在电极(3，4)间的电光活性介质(1)，其中光(5)的偏振态在电光活性介质(1)中受电场影响并且光射出电光活性介质(1)后被探测并由探测到的偏振态确定电压V，其特征在于，在两电极(3，4)间放置间隔介质(2)，其中间隔介质(2)的有效厚度d2和电光活性介质(1)的有效厚度d1这样选择，使得实质上补偿温度对探测到的光(5)的偏振态的影响。
全文摘要
电光电压传感器在施加待测量的电压V的两电极(3，4)间具有电光活性介质(1)和间隔介质(2)。介质(1，2)和介质的厚度d
文档编号G01R15/24GK1534300SQ20041003140
公开日2004年10月6日 申请日期2004年3月29日 优先权日2003年3月28日
发明者K·博纳特, A·弗兰克, H·布兰德勒, K 博纳特, 伎, 嫉吕 申请人:Abb研究有限公司