专利名称：一种用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，适用于电磁环境恶劣、需 要对信号进行隔离传输的场合，属于高电压测量技术领域。
背景技术：
与普通的信号采集测量相比，高电压测量具有更多难点，这些难点主要表现在测量 点往往处于高电压或强电场区域，电磁干扰强烈；待测量的电压往往具有瞬变、暂态的特 点；待测电压幅值大。因此，相应的信号传输系统应满足如下要求因为电磁干扰强烈， 传输系统要求具有很好的抗电磁干扰能力，保证传输的信号不受外界电磁干扰的影响；因 为高电压的因素，要求传输系统能够提供良好可靠的绝缘，以保证后级信号处理'部分设备 安全正常工作；因为待测电压往往为瞬变量、瞬时量，要求传输系统必须具有很好的响应 速度，具有很宽的频率响应范围；为了尽量满足户外测量需要，解决供电能耗问题，要求 传输系统为无源系统。
传统高压测量领域，高电压测量系统结构如图1所示。其中1为待测的外加高电压， 2为电压传感单元(电阻分压器，电容分压器，阻容分压器或互感器)，3为传输系统，4 为信号接收与处理仪器。当待测高电压施加在电压传感单元2上时，高电压信号转换为低 电压信号，该信号通过传输系统到达信号接收端，通过对于该信号的处理与分析就可以得 到待测高电压。
传统的信号传输系统主要采用双层屏蔽电缆和匹配阻抗传输信号，在电缆首端内外 屏蔽层接地，末端外层屏蔽悬浮，内层屏蔽作为信号地线。隔离单元通常采用隔离放大 器、线性光耦或者通过单片机实现电压频率转换的方法。它们大多是基于电路设计的，通 过电缆与传感单元连接，测量信号通过连接线传输到后级信号处理单元，这种结构的传输 系统有以下几个缺点。1、隔离放大器与线性光耦带宽较窄，最宽仅几百kHz，动态范围 较小，不能满足对暂态瞬时信号的传输；2、由于这些器件或方法大多基于电路设计，其 在恶劣电磁环境下的工作状态很难保证；3、采用电缆作为信号传输通路，无法提供高带 宽的路径，很难同时兼顾低频和高频性能，测量的频率范围受到很大限制，同时无法提供 良好的绝缘；4、传输系统复杂，能耗较大，在一些场合(如在线检测测量)应用困难。
因此到20世纪70年代，出现采用分立光学器件的光纤电压测量传输系统，组成结构 如图2所示。光纤抗电磁干扰能力强，信号传输带宽高，绝缘良好。图2中，入射激光5 经过起偏器6之后，成为线性偏振光，输入到电光晶体7中，外加电压l形成电场通过电 光晶体对输入激光调制，变为椭圆偏振态，通过输出端的检偏器8后输出偏振面发生变化
的偏振光9，该偏振光功率可以反映待测电压的大小。该测量传输系统利用了晶体的电光 效应，具有测量响应速度快、频带范围宽、光电有效隔离以及无源等优点。但是由于该系
统是利用分立的光学器件搭建而成的，不可避免地具有以下缺点由于由光学器件组合而 成，不仅体积大，而且整套装置的可移动性非常差；由于光学系统需要非常高的精确度， 因此系统调试复杂，而且光路稍有变化则整个系统的特性即发生变化，系统地稳定性差。 而这一缺点则大大限制了该系统的应用和发展。
综上所述，已有的信号隔离传输系统不能完全满足高电压测量的要求。在高电压与强 电磁环境领域，迫切需要研究开发一套具有可靠隔离、强抗干扰能力、高频率响应带宽和 无源的信号隔离传输系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，基于集成光电技 术，利用集成光波导工艺，结合电磁场分析仿真技术，采用光电转换，将需要传输的信号 调制到光波信号上，通过光纤媒质将信号调制器调制的信号输出到后级，通过对光功率变 化的测量得到传输的信号，使本方法能够完全适用于高电压与强电磁环境测量领域。
本发明提出的用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，包括
(1) 一个激光光源，用于产生一个线偏振光束；
(2) —个信号调制器，信号调制器通过保偏光纤与激光光源相连，保偏光纤将上述 线偏振光束耦合至信号调制器，得到光功率信号；
(3) —个光电转换器，光电转换器通过单模光纤与信号调制器相连，用于将上述光 功率信号转换成电压信号；
(4) 一个电信号检测器，电信号检测器通过射频电缆与光电转换器相连，用于对光 电转换器输出的上述电压信号进行检测。
上述传输系统中的激光光源，其波长稳定度为l(T6，功率稳定度为l(T4。 上述传输系统中的信号调制器，为一具有电光效应的晶片，晶片表面用钛金属扩散法
或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的光波导，互相平行的两段光波导中间
敷设高压信号电极，两侧敷设地电极。
上述传输系统中的晶片，可以为铌酸锂晶片、硅酸铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钕钾
晶片中的任何一种。
本发明提出的用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，可以满足模拟信号与数字信 号的隔离传输，具有以下特点和优点
1、 本传输系统中所用的信号调制器可以进行多种物理量的调制，而不局限在电压； 对电压信号的测量几乎无失真，因而可以用于测量电压信号的频率、相位等信息。
2、 本传输系统中采用光纤作为信号传输媒质，光电电磁测量设备不会产生辐射干扰，
同时恶劣的电磁环境也不会干扰光纤中传输的光信号。
3、 本传输系统中采用光信号通信，'可以使系统中的测量部分与数据输出部分实现隔 离，因此有效避免传导干扰，因而非常适合高电压区域的测量。
4、 本传输系统中特别设计的光电集成信号调制器的响应速度快、灵敏度高，大大提
高了测量频率范围和响应速度；采用光纤进行信号传递可以保证较宽带宽——从直流到
GHz信号的传输。
5、 本传输系统通过光纤实现能量注入，信号调制器无需电源注入就可以实现信号的 调制、隔离与传输，即无源信号隔离传输系统。
图1为传统的高压测量系统结构示意图。
图2为已有的基于分离光学器件的光纤电压测量传输系统结构示意图。 图3为本发明提出的用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统的结构示意图。 图4为本发明传输系统中所用的光电集成的信号调制器的结构图。 图1 图4中，l是待测的外加电压，2是电压传感单元，3是传输系统，4'是信号接 收与处理仪器，5是入射激光，6是起偏器，7是电光晶体，8是检偏器，9是输出的偏振 面发生变化的偏振光，IO是激光光源，ll是保偏光纤，12是光电集成的信号调制器，13 是单模光纤，14是光电转换器，15是射频电缆，16是电信号检测器，17是光波导，18 是高压信号电极，19是地电极，20是具有电光效应的晶片。
具体实施例方式
本发明提出的用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，其结构特征如图3所示，包 括 一个激光光源10，用于产生一个线偏振光束； 一个光电集成信号调制器12，通过保 偏光纤11与激光光源10相连，保偏光纤11将线偏振光束耦合至光电集成信号调制器12; 一个光电转换器14，通过单模光纤13与光电集成调制器12相连，用于将经过调制器调 制得到的光功率信号转换成电压信号； 一个电信号检测器16，通过射频电缆15与光电转 换器相连，用于对光电转换器输出的电压信号进行检测。
上述传输系统中，信号调制器的晶片，为铌酸锂(LiNb03)晶片、硅酸铋(Bi12Si02。)、 锗酸铋(Bi4Ge3012)和磷酸氧钛钾晶体(KTP)中的任何一种。
本发明传输系统中的光电集成信号调制器，其结构如图4所示，为一具有电光效应的 晶片20，晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间互相平行的 光波导17，互相平行的两段光波导中间敷设火电极18，在光波导外侧敷设地电极19,需 要传输的电压信号施加在高压信号电极18与地电极19之间，形成电场。
上述传输系统中，激光光源的波长稳定度应该为10—6，功率稳定度应该为l(T4。
本发明专利的工作原理为激光源输出一个线偏振光束，通过保偏光纤(PMF)耦合 至信号调制器，该偏振光经传输信号所形成的电场，通过信号调制器调制，输出的激光通
过单模光纤(SMF)传送至光电转换器弁完成光功率到电压信号的转换，通过对电压信号 的检测可得到传输的电压信号。
利用钛金属扩散或质子交换方法制作的光电集成信号调制器的结构如图4所示。其工 作原理是光线经由单模波导输入到调制器，输入端的Y分叉将光束分配成两个功率相等 的光束，在两个非对称的条形波导中的光波，沿y轴方向分别传输以后，两个支路有一定 的相位差，当电极之间不存在电压信号的作用时，两条分支光波导中传播的光束存在着固 有相位差cl)0;当沿z轴方向施加传输的电压信号，在电极之间形成沿z方向的均匀电场， 作用于分支光波导。由于Pockels效应，在两个分支波导中传输的光束增加了相移cl)。由 于两条光路中的光波再合成时发生了干涉，在相移cj)较小的条件下，激光的输出功率与传 输的电压信号成正比关系。因此，只要测量得到光功率，就可以得到传输的电压信号值。 本发明的传输系统中，首先要制作相应的激光光源。激光光源由半导体激光器 (LD)模组和激光管控制电路构成，提供传输系统所需的高稳定度光源。光源的平 均输出光功率必须稳定(波长稳定度为10—6，功率稳定度10—4)，另外需要一个功 率控制电路(APC)来抵消老化效应对输出功率的影响。为确保激光源的安全工作， 在控制电路中还设置过流保护环节，使其控制偏置电流超过激光器工作电流的最大 值；对制冷电流进行限流，使其不能超过所容许的最大制冷电流。激光源带保偏尾 纤输出。本发明的一个实施例中，所用的激光源采用是Sumimoto公司生产的激光器 STL5411。
光电转换器的作用是将光功率转换成电压信号输出，由光电二极管和前置放大电路 组成，在量程范围内，输出电压与输入光功率成正比，以转换增益表示这一个比例关系。 本发明专利要按照以下的技术参数选择光电转换器，工作波长1200nm 1600nra，转换 带宽DC llGHz，转换增益典型值300V/W，等效功率噪声30pW/i。本发明传输 系统的一个实施例中，选用的光电转换器的型号为NewFocus 1592。
电信号检测设备根据待测信号的特征可以选用相应的示波器、频谱仪、接收机等。完 成电信号的测量与记录。
购置并制作保偏与单模光纤。本发明专利在光纤两端制作FC/UPC接口的跳线，总长 度为50m，用来保持光源输出的激光源信号在传输过程中的偏振状态。主要参数跳线类 型FC/UPC，工作波长1550线.插入损耗:0. lldB，最大输入功率300mW。
本发明传输系统中的信号调制器，采用具有光电效应的晶片，经过Ti扩散或 质子交换形成光波导和电极。
权利要求
1、一种用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，其特征在于该系统包括(1)一个激光光源，用于产生一个线偏振光束；(2)一个信号调制器，信号调制器通过保偏光纤与激光光源相连，保偏光纤将上述线偏振光束耦合至信号调制器，得到光功率信号；(3)一个光电转换器，光电转换器通过单模光纤与信号调制器相连，用于将上述光功率信号转换成电压信号；(4)一个电信号检测器，电信号检测器通过射频电缆与光电转换器相连，用于对光电转换器输出的上述电压信号进行检测。
2、 如权利要求1所述的传输系统，其特征在于其中所述的激光光源的波长稳定度为io-6，功率稳定度为io-4。
3、 如权利要求1所述的传输系统，其特征在于其中所述的信号调制器为一具有电光 效应的晶片，晶片表面用钛金属扩散法或质子交换方法形成两端Y形分叉、中间'互相平行 的光波导，互相平行的两段光波导中间敷设高压信号电极，两侧敷设地电极。
4、 如权利要求1所述的传输系统，其特征在于其中所述的晶片为铌酸锂晶片、硅酸 铋晶片、锗酸铋晶片或磷酸氧钛钾晶片中的任何一种。
全文摘要
本发明涉及一种用于高电压测量的模拟信号隔离传输系统，属于高电压测量技术领域。本系统包括用于产生一个线偏振光束的激光光源；信号调制器，通过保偏光纤将线偏振光束耦合至信号调制器；用于将经过信号调制器调制得到的光功率信号转换成电压信号的光电转换器，通过单模光纤与信号调制器相连；用于对光电转换器输出的电压信号进行检测的电信号检测器，通过射频电缆与光电转换器相连。本发明的光电集成信号隔离传输系统，可满足模拟信号与数字信号的隔离传输；整个传输系统为无源系统，适用范围广；采用光信号通信，有效避免传导干扰，适合高电压区域的测量；本系统中的信号调制器的响应速度快、灵敏度高，提高了测量频率范围和响应速度。
文档编号G01R15/24GK101109771SQ20071012117
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月31日 优先权日2007年8月31日
发明者何金良, 嵘 曾, 耿屹楠 申请人:清华大学