一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器的制造方法
【专利摘要】一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，只提取一个模间干涉输出边瓣，并用参考信号来剔除光源波动影响的模间干涉电压互感器，利用石英晶体的逆压电效应来调制保偏光纤的模间相位差，通过将保偏光纤和多模光纤偏轴熔接来实现对一个干涉输出边瓣的提取，通过探测干涉输出边瓣强度来获得被测电压的幅值和相位信息。与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是：利用在一根保偏光纤中传输的两个低阶线性偏振模间的干涉来实现传感测量，剔除光源波动对系统精度的影响，保证测量系统的灵敏度，同常规的干涉式光纤传感器相比具有安装调试简单，保证工作稳定等优点。
【专利说明】
一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及光纤电压互感器领域，尤其是一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器。
【背景技术】
[0002]目前的光学电压互感器研究仍多采用Pockels晶体的Pockels效应来实现，其基本原理是利用被测电压来调制在晶体中传播光束的偏振态，通过检测偏振光转角的方式来检测施加在晶体上的电压，该方法虽然结构简单，但是因其光路是由分立光学元件组成，难以保证传感系统的稳定性和长期可靠性，且易受温度、振动等环境因素的影响，所以基于该方法的电压互感器仍然停留在实验室研究阶段，难以实用化。
[0003]模间干涉技术做为光纤传感领域的一种新技术，从20世纪90年代开始得到国内外学者的广泛关注。该技术利用在一根保偏光纤中传输的两个低阶线性偏振模间的干涉来实现传感测量，同常规的干涉式光纤传感器相比具有结构简单、工作稳定等优点，已经在诸多方面得到应用。利用保偏光纤模间干涉技术的光纤电压互感器在近年来也展开了研究，且取得了理想的效果。但是在已报道的模间干涉电压传感方案中，因为光学器件方面的限制而难以采用全光纤方式将模间干涉的两个干涉输出强度边瓣提取出来，破坏了整个传感系统的全光纤结构，造成了整个系统安装调试困难，而其长期稳定性也难以保证。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的在于提供一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，只提取一个模间干涉输出边瓣，并用参考信号来剔除光源波动影响的模间干涉电压互感器，通过将保偏光纤和多模光纤偏轴熔接来实现对一个干涉输出边瓣的提取，通过探测干涉输出边瓣强度来获得被测电压的幅值和相位信息。
[0005]为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现:
[0006]一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，包括窄带光源器、单模光纤、1X2光纤耦合器、光纤偏振器、压电陶瓷PZT、椭圆芯保偏光纤、电压传感头、多模光纤、光电探测器一、光电探测器二、信号采集及处理装置，所述的窄带光源器通过单模光纤与1X2光纤耦合器连接，1X2光纤稱合器一个输出端通过单模光纤与光纤偏振器连接,光纤偏振器与压电陶瓷PZT连接，压电陶瓷PZT输出端通过椭圆芯保偏光纤与电压传感头输入端连接，电压传感头输出端通过椭圆芯保偏光纤连接到椭圆芯保偏光纤与多模光纤的偏轴熔接处再连接多模光纤，多模光纤与光探测器二、信号采集及处理装置连接，信号采集及处理装置的一部分输出端与压电陶瓷PZT连接；
[0007]所述的1X2光纤耦合器另一个输出端通过单模光纤与光电探测器一连接，光电探测器一与信号采集及处理装置连接，信号采集及处理装置另一部分输出端完成数字量输出和模拟量输出。
[0008]所述的电压传感头由两块块金属铝电极夹一个石英晶体圆柱组成。
[0009]所述的压电陶瓷PZT上缠绕椭圆芯保偏光纤。
[0010]所述的电压传感头上缠绕椭圆芯保偏光纤。
[0011]所述的窄带光源器波长为980nm。
[0012]所述的窄带光源器输出光源相位范围为O?180°。
[0013]与现有的技术相比，本实用新型的有益效果是:
[0014]本实用新型利用在一根保偏光纤中传输的两个低阶线性偏振模间的干涉来实现传感测量，剔除光源波动对系统精度的影响，保证测量系统的灵敏度，同常规的干涉式光纤传感器相比具有安装调试简单，保证工作稳定等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是单边瓣模间干涉式全光纤电压互感器组成框图。
[0016]图2是单边瓣模间干涉输出光源与相位差Δ φ = O时关系图。
[0017]图3是单边瓣模间干涉输出光源与相位差Δ φ = 60°时关系图。
[0018]图4是单边瓣模间干涉输出光源与相位差Δφ =90°时关系图。
[0019]图5是单边瓣模间干涉输出光源与相位差Δ φ = 120°时关系图。
[0020]图6是单边瓣模间干涉输出光源与相位差Δ φ = 180°时关系图。
[0021]图7是保偏光纤中几个模式的归一化传播常数与归一化频率之间的关系。
[0022]1-窄带光源器2-单模光纤3-1 X 2光纤耦合器4_光纤偏振器5_压电陶瓷PZT6-椭圆芯保偏光纤7-电压传感头8-多模光纤9-光电探测器二 10-信号采集及处理装置11-光电探测器一 12-偏轴熔接处
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进一步说明:
[0024]如图1所示，一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，包括窄带光源器1、单模光纤2、I X 2光纤稱合器3、光纤偏振器4、压电陶瓷ΡΖΤ、5椭圆芯保偏光纤6、电压传感头7、多模光纤8、光电探测器二 9、信号采集及处理装置10、光电探测器一 11，所述的窄带光源器I通过单模光纤2与I X2光纤稱合器3连接，1X2光纤稱合器3 —个输出端通过单模光纤2与光纤偏振器4连接，光纤偏振器4与压电陶瓷ΡΖΤ5连接，压电陶瓷ΡΖΤ5输出端通过椭圆芯保偏光纤6与电压传感头7输入端连接，电压传感头7输出端通过椭圆芯保偏光纤6连接到椭圆芯保偏光纤6与多模光纤8的偏轴熔接处12再连接多模光纤，多模光纤8与光探测器二 9信号采集及处理装置10连接，信号采集及处理装置10的一部分输出端与压电陶瓷ΡΖΤ5连接；
[0025]所述的I X 2光纤耦合器3另一个输出端通过单模光纤2与光电探测器一 11连接，光电探测器一 11与信号采集及处理10装置连接，信号采集及处理装置10另一部分输出端完成数字量输出和模拟量输出。
[0026]所述的电压传感头7由两个块状金属铝电极中间夹一个石英晶体圆柱组成。
[0027]所述的压电陶瓷ΡΖΤ5上缠绕椭圆芯保偏光纤6。
[0028]所述的电压传感头7上缠绕椭圆芯保偏光纤6。
[0029]所述的窄带光源器I波长为980nm。
[0030]所述的窄带光源器I输出光源相位范围为O?180°。
[0031]工作原理:
[0032]由窄带激光I发出的光经单模光纤2传输后进入一个I X 2光纤耦合器3，从I X 2耦合器I输出的光一路经单模光纤2传输到信号采集及处理装置10进行光电转换，作为参考信号用以在信号处理时剔除光源波动对系统精度的影响；从I X 2耦合器3输出的另一路光经单模光纤2和光纤偏振器4后通过压电陶瓷5进入传感用椭圆芯保偏光纤(PMF)6 ;在椭圆芯保偏光纤6中传输的光在经过电压传感头7时,其两个低阶模LPtll和LPe11的模间相位差会受到被测高电压的调制，进而改变模间干涉输出光强的分布；这种模间干涉输出的强度分布变化通过多模光纤8和椭圆芯保偏光纤6偏轴熔接的方法被提取出来，再经过光电探测器二 9的光电转换后送入信号采集及处理装置10实现对被测高电压的解调，信号采集及处理装置10 —部分模拟信号通过电导线重新传输到压电陶瓷PZT5中，目的是由多模光纤8、光电探测器二 9传输过来的模拟信号有的不符合标准传输信号的要求，所以将这些信号重新返回到电陶瓷PZT5中，再通过上述相同的顺序重新传输一次，选中最佳信号作为最终数字量输出及模拟量输出。
[0033]压电陶瓷PZT5 (PbZrT13)缠绕了一部分椭圆芯保偏光纤6，其作用是通过调整压电陶瓷PZT5的控制电压来调整椭圆芯保偏光纤6中传输的两个模式间的静态相位差。电压传感头7由两块金属铝电极夹一块缠绕了椭圆芯保偏光纤6的石英晶体圆柱组成，石英晶体圆柱按照一定的切割方向加工，在外电场的作用下石英晶体会因为逆压电效应而发生径向形变并进而调制保偏光纤长度，利用石英晶体的逆压电效应来调制保偏光纤的模间相位差；模间干涉输出的一个变化的强度边瓣利用将多模光纤8和椭圆芯保偏光纤6偏轴熔接的方法来提取，代替的目前采用波片式的分离连接，实现整个光路部分的全光纤化。
[0034]图2?图6为单边瓣模间干涉输出光源与相位差关系图，反映单边瓣模间干涉输出光源在相位从O到180°的变化情况。模间干涉即光纤中不同模式之间的干涉，一股采用光纤中最低阶的两个模式来实现模间干涉，超过两个模式之间的多模干涉因其干涉输出形式的复杂性而难以在光纤传感中使用。为了在光纤中传输两个低阶模式并实现稳定的模间干涉，除了需要合理地选择光源的工作波长外，还需要选择合适的光纤。常规通信用圆芯阶跃折射率单模光纤因其同阶模式的简并特性和模式耦合间题而难以真正应用到模间干涉光纤传感器的设计中。
[0035]按照光纤理论，弱导光纤中传输光的模式可以用线性偏振模来表不，即按照模的阶数由低到高可以表示成IiVLPe11 (LP11偶模)和LPtl11 (LP11奇模)等。椭圆芯保偏光纤因其结构的特殊性，二阶线性偏振模LF11和LPtl11不像在圆芯光纤中是简并的，而是具有较大的传播常数差，这使得在保偏光纤中可以在较宽的波长范围内实现一阶线性偏振模LPtll和二阶线性偏振模LF11的传输，而二阶模式LPtl11则会被截止。以椭圆芯保偏光纤为例，通过合理地选择工作波长，可使得在光纤中只能传输=LPtll和LPen2个模式，LP011及更高的模式被截止。假设光纤中传播的光是Gauss光束，Wx和Wy是Gauss光束在光功率变成最大值的4时X和y方向的半径，则LPtll模和LP611的电场强度可以分别表示如下: 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为真空中的平面波阻抗叫为纤芯折射率；x、y是笛卡尔坐标系参量。假设从光纤出射的2个模式具有相等的能量和相同的偏振方向，则出射干涉光强度可以表示成
[0041]
J = I五(X，yi| = Ehva (x, y) +EhpAx, y) exp(iA^) (H)
[0042]式中，I为干涉输出光强；&pm(x，y)是1^模的电场函数；汐是LF11
模的电场函数；Λ Φ = Δ β * AL，是两个模式在光纤中传播后的相位差，其中Λβ =^LPtll-PLF11是两个模式间的传播常数差，Λ L为光纤长度受到调制后的长度变化。图2?6为按照式(I)?(3)进行数值计算后在不同的△ Φ情况下干涉输出光强的分布情况。
[0043]从图2?6中可以看出，随着两个模式之间相位差Λ φ的变化，干涉输出的两个边瓣之间存在着能量交换的现象。即相位差从O变化到π/2再到π的过程中，完成了一次能量从一个边瓣到另一个边瓣的交换，仿真结果表明相位差从η变化到2π的过程也类似。如果能对干涉输出的两个边瓣中的一个(或两个)进行探测，就可以从探测到的光强变化得到两个模式之间的相位差，进而实现对引起模间相位差变化的物理量的传感测量。
[0044]为了保证在椭圆芯保偏光纤中能且只能传输两个低阶线性偏振模LPtll和LF11,需要根据光纤结构参数合理选择工作波长。本实用新型选用的椭圆芯保偏光纤其纤芯折射率ni = 1.470,包层折射率η2 = 1.456,纤芯长轴半径a = 3 μ m,短轴半径b = I μ m。经过仿真计算得到其几个低阶模的传播特性如图7所示。图7中，横坐标为归一化频率
v = koa^ir^，其中欠。=f,入为光波长，纵坐标为归一化传播常数f。这里选择中心波长为980nm的窄带激光器作为光源(V = 3.45)，从图7中可以看出，此时在该光纤中只能传输LPtll和LF11两个模式，且这两个模式之间的传播常数差也比较大，有利于保证测量系统的灵敏度。
【权利要求】
1.一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，包括窄带光源器、单模光纤、1X2光纤耦合器、光纤偏振器、压电陶瓷PZT、椭圆芯保偏光纤、电压传感头、多模光纤、光电探测器一、光电探测器二、信号采集及处理装置，其特征在于，所述的窄带光源器通过单模光纤与1X2光纤耦合器连接，IX 2光纤耦合器一个输出端通过单模光纤与光纤偏振器连接，光纤偏振器与压电陶瓷PZT连接，压电陶瓷PZT输出端通过椭圆芯保偏光纤与电压传感头输入端连接，电压传感头输出端通过椭圆芯保偏光纤连接到椭圆芯保偏光纤与多模光纤的偏轴熔接处再连接多模光纤，多模光纤与光探测器二、信号采集及处理装置连接，信号采集及处理装置的一部分输出端与压电陶瓷PZT连接； 所述的1X2光纤耦合器另一个输出端通过单模光纤与光电探测器一连接，光电探测器一与信号采集及处理装置连接，信号采集及处理装置另一部分输出端完成数字量输出和模拟量输出。
2.根据权利要求1所述的一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，其特征在于，所述的电压传感头由两个块状金属铝电极中间夹一个石英晶体圆柱组成。
3.根据权利要求1所述的一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，其特征在于，所述的压电陶瓷PZT上缠绕椭圆芯保偏光纤。
4.根据权利要求1或3所述的一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，其特征在于，所述的电压传感头上缠绕椭圆芯保偏光纤。
5.根据权利要求1所述的一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，其特征在于，所述的窄带光源器波长为980nm。
6.根据权利要求1所述的一种单边瓣间干涉式全光纤电压互感器，其特征在于，所述的窄带光源器输出光源相位范围为O?180°。
【文档编号】G01R19/00GK204008794SQ201420391161
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】马鹏程, 徐亚军 申请人:鞍山博丰电力设备有限公司