一种基于Pockels效应的光学VFTO测量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于Pockels效应的光学VFTO测量传感器，所述传感器包括光学传感头(1)、探头(6)、探头支撑(2)、光纤引出法兰(3)和光纤保护盒(4)；所述光纤引出法兰(3)两端分别安装高度可调的所述探头支撑(2)、所述探头支撑(2)固定的所述探头(6)、和粘接在所述探头(6)端面中心的所述光学传感头(1)以及所述光纤保护盒(4)；所述探头(6)、所述探头支撑(2)、所述光纤引出法兰(3)以及所述光纤保护盒(4)的轴线重合。这种传感器体积小、重量轻、成本低、电气性能优越，能够测量上限频率可达GHz，下限频率能测量准直流信号，相较目前采用其他原理制作的VFTO测量传感器上限频率MHz，下限频率几十Hz具有明显优势。
【专利说明】-种基于Pockels效应的光学VFTO测量传感器
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及一种传感器，具体讲涉及一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感 器。
【背景技术】：
[0002] 高压输电领域广泛应用的气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear, GIS) 具有占地面积小、维护工作量少、绝缘性能优良、可靠性高等优点。
[0003] 操作时，GIS中的隔离开关、接地开关和断路器的动作速度较低，会发生触头间隙 重复击穿，产生幅值较高，陡度很大，频率最高可达GHz的特快速暂态过电压（very fast transient overvoltage, VFT0)，严重时可导致GIS和变压器设备的损坏。同时VFT0引起 的地电位抬升，会导致变电站二次设备的损坏。
[0004] VFT0现象复杂，随机性强，主要应通过试验获取其特性。目前，测量VFT0的方法主 要有电容传感器、电场探头和套管末屏法。但是电容传感器法的测量带宽低；电场探头法的 测量点标定容易受现场环境影响；套管末屏法的测量精度较低且测点受限。
【发明内容】
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[0005] 为了克服现有技术中所存在的上述不足，本发明提出了一种基于Pockels效应的 光学VFT0测量传感器，利用偏振光在外电场的作用下经过Pockels晶体时，其偏振角度将 发生变化的原理，通过光学元件，将角度变化转化为光强的变化，从而实现待测场强值与光 强值的对应，用于测量GIS中隔离开关动作产生的VFT0信号，分析VFT0的特征参数，研究 VFT0的传播特性。
[0006] 本发明提供的技术方案是：一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其结 构在于：所述传感器包括光学传感头（1)、探头（6)、探头支撑（2)、光纤引出法兰（3)和光 纤保护盒（4);所述光纤引出法兰（3)两端分别安装高度可调的所述探头支撑（2)、所述探 头支撑（2)固定的所述探头￠)、和粘接在所述探头（6)端面中心的所述光学传感头（1)以 及所述光纤保护盒（4);
[0007] 所述探头（6)、所述探头支撑（2)、所述光纤引出法兰（3)以及所述光纤保护盒（4) 的轴线重合。
[0008] 优选的，所述光学传感头（4)包括长方体形BG0晶体（13)、分别粘接在所述BG0晶 体（13)两侧的1/4波片（12)和检偏器（14)、粘接在所述1/4波片（12)另一侧的起偏器 (11)、粘接在所述起偏器（11)另一侧输入端的第一光纤准直器（101)、与所述第一光纤准 直器（101)另一端连接的发光二极管LED(106)、分别粘接在所述检偏器（14)反射端和透射 端的第二光纤准直器（102)和第三光纤准直器（103)。
[0009] 进一步，所述发光二极管LED (106)通过光纤与所述第一光纤准直器（101)的输入 端连接，所述第一光纤准直器（101)将入射光转变为平行光，通过所述起偏器（11)形成线 偏振光又经所述1/4波片（12)分解为两束振动方向相互垂直、相差为90°C的线偏振光并 入射到所述BGO晶体（13)上，经过BGO晶体（13)产生由高压电场引起的相差，最后将所述 BG0晶体（13)的两路出射光通过所述检偏器（14)由相位变化转化成光强度变化，再分别通 过第二光纤准直器（102)、第三光纤准直器（103)经光纤（107)传输至二次光学元件中。 [0010] 进一步，所述发光二极管LED(106)为小型密封的带尾纤光纤的高辐射率的发光 二极管LED (106);所述发光二极管LED (106)发出中心波长为850nm，频谱宽度小于70 μ m 的红外光；所述红外光的中心波长变化不超过2nm，所述发光二极管LED(106)的温度变化 不超过5°C。
[0011] 进一步，所述BGO晶体的透光区为0· 37 μ m*0. 37 μ m，厚度0· 63 μ m。
[0012] 优选的，连接所述光学传感头（1)的光纤（5)穿过所述探头（6)和所述探头支撑 (2)经光纤引出法兰（2)引出至光纤保护盒（4)内，再经光纤保护盒（4)端部的法兰盘引 出。
[0013] 进一步，所述光纤引出法兰（3)的中心设有通孔，所述光纤引出法兰（3)与所述探 头支撑（2)连接端的端面四周设有一圈环绕所述探头支撑（2)且与所述光纤引出法兰（2) 同轴的环状凹槽（8)。
[0014] 进一步，光纤（5)外部套有金属管（7)，所述光纤（5)与金属管（7)之间通过金属 焊料焊接在一起，所述金属管（7)穿过光纤引出法兰（3)中心的通孔（9)将所述光纤（5) 引出；所述通孔（9)与所述金属管（7)之间的空隙采用353ND双组份环氧树脂胶灌封固化。
[0015] 进一步，所述光纤（5)为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤（5)。本发明具 有如下有益效果：
[0016] (1)本发明提供的传感器体积小、重量轻、成本低、电气性能优越；
[0017] (2)光学VFT0传感头通过探头、探头支撑固定，探头支撑高度可调，设计灵活、简 单，容易安装维护；
[0018] (3)本发明的光纤引出法兰的光纤引出方法采用光纤金属化封装技术，该技术避 免了因GIS腔体与外界环境存在的气压差所造成的光纤引出端气体泄漏，确保了 GIS系统 的抗压强度和绝缘性能。
[0019] (4)本发明的光纤引出法兰的端部四周设有一圈凹槽，在安装时此凹槽可安置密 封圈，确保了 GIS腔体的气密性。
[0020] (5)本发明的光学传感头能测量上限频率达GHz，下限频率达准直流信号的VFT0 信号，相较目前采用其他原理制作的VFT0测量传感器上限频率MHz，下限频率几十Hz具有 明显优势。
【专利附图】
【附图说明】：
[0021] 图1为VFT0光学传感器纵剖面结构示意图；
[0022] 图2为光学传感头的内部结构原理图；
[0023] 图3为光纤引出法兰的纵剖面结构图。
[0024] 其中：1_光学传感头、2-探头支撑、3-光纤引出法兰、4-光纤保护盒、5-光纤、 6_探头、7-金属管、8-凹槽、9-通孔。
【具体实施方式】：
[0025] 为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的 描述：
[0026] 本发明所采用的光学VFT0测量传感器如图1所示：包括光学传感头（1)、探头支 撑（2)、光纤引出法兰（3)、光纤保护盒（4)、光纤（5)、探头（6);
[0027] 光纤引出法兰（3)、光纤保护盒（4)、探头支撑（2)以及探头（6)的轴线重合；
[0028] 光纤（5)与光学传感头（1)连接，穿过探头（6)和探头支撑（2)经光纤引出法兰 (2)引出至光纤保护盒（4)内，再经光纤保护盒（4)端部的法兰盘引出。
[0029] 光学传感头内部结构示意图如图2所示：传感头采用Pockels电光效应的横向调 制结构；采用密封、小型并带尾纤光纤的高辐射率的LED(106)，其中心波长为850nm，频谱 宽度小于70 μ m。Pockels效应电光晶体采用BG0晶体（13)，BG0晶体（13)的两侧分别粘 接1/4波片（12)、起偏器（11)和检偏器（14)，第一光纤准直器（101)粘接在起偏器（11)的 输入端，第二光纤准直器（102)、第三光纤准直器（103)分别粘接在检偏器（14)的反射端、 透射端。
[0030] 第一光纤准直器（101)将入射光转变为平行光，通过起偏器（11)形成线偏振光又 经1/4波片（12)分解为两束振动方向相互垂直、相差为90°C的线偏振光并入射到BG0晶体 (13)上，经过BG0晶体（13)产生由高压电场引起的相差，最后将BG0晶体（13)的两路出射 光通过检偏器（14)由相位变化转化成光强度变化，再分别通过第二光纤准直器（102)、第 三光纤准直器（103)经光纤（107)传输到二次光学元件中。
[0031] 采用该测量原理，其测量上限频率可达GHz，下限频率可达准直流信号频率，相较 目前采用其他原理制作的VFT0测量传感器上限频率MHz，下限频率几十Hz具有明显优势。
[0032] 本传感器的光纤引出法兰的结构如图3所示：
[0033] 光纤引出法兰（3)的中心设有通孔，光纤引出法兰（3)与探头支撑（2)连接端的 端面四周设有一圈环绕探头支撑（2)且与光纤引出法兰同轴的环状凹槽（8)，光纤引出法 兰⑶可承受20个大气压。
[0034] 光纤为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤（5);金属化光纤（5)外部套有 金属管（7)，金属化光纤（5)与金属管（7)之间通过金属焊料焊接在一起，金属管（7)穿过 光纤引出法兰（3)中心的通孔（9)将金属化光纤引出；通孔（9)与金属管（7)之间的空隙 采用353ND双组份环氧树脂胶灌封固化，使得353ND双组份环氧树脂完全填充光纤穿通孔 19的空隙。
[0035] 以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则 之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在申请待批的本发明的权利要求范围 之内。
【权利要求】
1. 一种基于Pockels效应的光学VFTO测量传感器，其特征在于：所述传感器包括光学 传感头（1)、探头（6)、探头支撑（2)、光纤引出法兰（3)和光纤保护盒（4);所述光纤引出 法兰（3)两端分别安装高度可调的所述探头支撑（2)、所述探头支撑（2)固定的所述探头 (6)、和粘接在所述探头（6)端面中心的所述光学传感头（1)以及所述光纤保护盒（4); 所述探头（6)、所述探头支撑（2)、所述光纤引出法兰（3)以及所述光纤保护盒（4)的 轴线重合。
2. 如权利要求1所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述光学传感头（4)包括长方体形BG0晶体（13)、分别粘接在所述BG0晶体（13)两侧 的1/4波片（12)和检偏器（14)、粘接在所述1/4波片（12)另一侧的起偏器（11)、粘接在 所述起偏器（11)另一侧输入端的第一光纤准直器（101)、与所述第一光纤准直器（101)另 一端连接的发光二极管LED(106)、分别粘接在所述检偏器（14)反射端和透射端的第二光 纤准直器（102)和第三光纤准直器（103)。
3. 如权利要求2所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述发光二极管LED (106)通过光纤与所述第一光纤准直器（101)的输入端连接，所述 第一光纤准直器（101)将入射光转变为平行光，通过所述起偏器（11)形成线偏振光又经所 述1/4波片（12)分解为两束振动方向相互垂直、相差为90°C的线偏振光并入射到所述BG0 晶体（13)上，经过BG0晶体（13)产生由高压电场引起的相差，最后将所述BG0晶体（13) 的两路出射光通过所述检偏器（14)由相位变化转化成光强度变化，再分别通过第二光纤 准直器（102)、第三光纤准直器（103)经光纤（107)传输至二次光学元件中。
4. 如权利要求3所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述发光二极管LED(106)为小型密封的带尾纤光纤的高辐射率的发光二极管 LED (106);所述发光二极管LED (106)发出中心波长为850nm，频谱宽度小于70 μ m的红外 光；所述红外光的中心波长变化不超过2nm，所述发光二极管LED (106)的温度变化不超过 5。。。
5. 如权利要求3所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述BG0晶体的透光区为0· 37 μ m*0. 37 μ m，厚度0· 63 μ m。
6. 如权利要求1所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 连接所述光学传感头（1)的光纤（5)穿过所述探头（6)和所述探头支撑（2)经光纤引 出法兰（2)引出至光纤保护盒（4)内，再经光纤保护盒（4)端部的法兰盘引出。
7. 如权利要求6所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述光纤引出法兰（3)的中心设有通孔，所述光纤引出法兰（3)与所述探头支撑（2) 连接端的端面四周设有一圈环绕所述探头支撑（2)且与所述光纤引出法兰（2)同轴的环状 凹槽⑶。
8. 如权利要求7所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 光纤（5)外部套有金属管（7)，所述光纤（5)与金属管（7)之间通过金属焊料焊接在一 起，所述金属管（7)穿过光纤引出法兰（3)中心的通孔（9)将所述光纤（5)引出；所述通孔 (9)与所述金属管（7)之间的空隙采用353ND双组份环氧树脂胶灌封固化。
9. 如权利要求8所述的一种基于Pockels效应的光学VFT0测量传感器，其特征在于： 所述光纤（5)为尾纤经过金属化封装后形成的金属化光纤（5)。
【文档编号】G01R19/00GK104142417SQ201410284608
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2014年6月24日
【发明者】邱进, 吴士普, 陈江波, 谭金权, 张峰, 汪本进, 王玲, 毛安澜, 徐思恩, 费烨, 陈晓明, 冯宇, 李璿, 周翠娟, 黄琴 申请人:国家电网公司, 中国电力科学研究院, 南瑞航天（北京）电气控制技术有限公司