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一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，屬于電場(chǎng)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。其中的激光源的輸出端依次通過(guò)起偏器、輸入保偏光纖與傳感器的輸入端相連，傳感器的輸出端依次通過(guò)輸出保偏光纖、偏振分束器、Y波導(dǎo)調(diào)制器與探測(cè)器的輸入端相連。探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)處理器產(chǎn)生可調(diào)直流電源模塊的控制信號(hào)及經(jīng)處理器數(shù)學(xué)運(yùn)算反推出待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，控制可調(diào)直流電源模塊為Y波導(dǎo)調(diào)制器提供電壓信號(hào)，形成閉環(huán)控制。本發(fā)明系統(tǒng)通過(guò)Y波導(dǎo)調(diào)制器的反饋控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，提高測(cè)量精度；并將系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整至π/2，使得傳感器工作在最佳狀態(tài)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，屬于電場(chǎng)測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]電場(chǎng)測(cè)量在諸多科學(xué)研究和工程【技術(shù)領(lǐng)域】具有重要意義，特別是在電力系統(tǒng)、電磁兼容及微波技術(shù)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
[0003]隨著集成光學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，光電集成電場(chǎng)傳感器得到了愈來(lái)愈多的研究和應(yīng)用。已有基于光電集成傳感器的電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)，如申請(qǐng)?zhí)枮?201310076620.9，發(fā)明名稱(chēng)為準(zhǔn)互易數(shù)字閉環(huán)鈮酸鋰光波導(dǎo)交變電場(chǎng)/電壓傳感器的專(zhuān)利申請(qǐng)，其鈮酸鋰直波導(dǎo)傳感單元上不含天線(xiàn)，測(cè)量靈敏度較低；且采用了光纖陀螺的全數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量電磁兼容和微波【技術(shù)領(lǐng)域】暫態(tài)波形較為困難，因此其應(yīng)用局限于電力系統(tǒng)中的工頻強(qiáng)電場(chǎng)或電壓測(cè)量。申請(qǐng)?zhí)枮?201210348311.8，發(fā)明名稱(chēng)為一種基于共路干涉的集成電場(chǎng)傳感器的專(zhuān)利申請(qǐng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，
[0004]
V = A- l + b-cos(p0 +—Tl)(I)
_ _
[0005]其中A為反映了激光源輸出的光功率、光路損耗及探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)；b為傳感器的消光比，取決于保偏光纖與傳感器中光波導(dǎo)的稱(chēng)合工藝；％為傳感器的靜態(tài)偏置點(diǎn)，取決于光波導(dǎo)的幾何尺寸為半波電場(chǎng)，取決于傳感器中鈮酸鋰晶體、天線(xiàn)及調(diào)制電極的幾何尺寸；E為待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，V為探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)。
[0006]考慮到溫度、濕度等環(huán)境因素會(huì)引起A、b、％三個(gè)參數(shù)不同程度的變動(dòng)，為保證測(cè)量準(zhǔn)確，最好在測(cè)量電場(chǎng)信號(hào)前，對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。已有技術(shù)中傳感器的標(biāo)定工作需要平行板電極和較高電壓幅值(通常在IOkV以上)的電壓源等設(shè)備輔助，難以在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用范圍被限制于實(shí)M夂環(huán)境中。
[0007]另外，靜態(tài)偏置盧W對(duì)傳感器的可測(cè)范圍有重要影響，如圖2所示。當(dāng)％二0或 時(shí)，傳遞函數(shù)的靜態(tài)工作點(diǎn)位于余弦函數(shù)的頂部，屬于飽和區(qū)域，一方面大大降低測(cè)量
的靈敏度，另一方面是測(cè)量波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，通過(guò)電壓信號(hào)反推電場(chǎng)信號(hào)出現(xiàn)困難；當(dāng)% = #2，靜態(tài)工作點(diǎn)位于余弦函數(shù)的近似線(xiàn)性段，測(cè)量系統(tǒng)具有最大的靈敏度和近似線(xiàn)性的輸入輸出特性。已有技術(shù)中傳感器靜態(tài)偏置點(diǎn)％缺乏反饋控制，一旦溫度等環(huán)境因數(shù)變化引起％變動(dòng)，傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)將偏離余弦函數(shù)線(xiàn)性段，測(cè)量系統(tǒng)失去最大的靈敏度和近似線(xiàn)性的輸入輸出特性。
[0008]綜上所述，該已有技術(shù)主要存在兩方面缺陷:其一，傳感器標(biāo)定工作難以在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用范圍被限制于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中；另一方面，傳感器的靜態(tài)偏置點(diǎn)％缺乏反饋控制，一旦溫度等環(huán)境因數(shù)變化引起％變動(dòng)，傳感器靜態(tài)工作點(diǎn)將偏離余弦函數(shù)線(xiàn)性段，測(cè)量系統(tǒng)失去最大的靈敏度和近似線(xiàn)性的輸入輸出傳遞函數(shù)特性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是提出一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，利用Y波導(dǎo)調(diào)制器的反饋控制，實(shí)現(xiàn)a、b兩個(gè)參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量；并將靜態(tài)偏置點(diǎn)調(diào)整到φ, = Ψ，使傳感器具備最佳性能。
[0010]本發(fā)明提出的自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，包括:
[0011]激光源，用于發(fā)出激光；
[0012]起偏器，用于將激光源發(fā)出的激光轉(zhuǎn)化成線(xiàn)偏振光，起諞器與激光源通過(guò)單模光纖相連；
[0013]傳感器，用于通過(guò)輸入保偏光纖接收線(xiàn)偏振光，輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對(duì)軸耦合，線(xiàn)偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式的線(xiàn)偏振光，在傳感器的光波導(dǎo)中傳播；傳感器中的天線(xiàn)感應(yīng)Y方向待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)電位差，該電位差通過(guò)傳感器上的調(diào)制電極對(duì)光波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，使兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光的傳播常數(shù)發(fā)生互補(bǔ)變化，兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光在光波導(dǎo)的出射端產(chǎn)生與待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的相位差；
[0014]偏振分束器，用于通過(guò)輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光，并使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光分離，得到兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光；
[0015]Y波導(dǎo)調(diào)制器，用于通過(guò)兩根保偏光纖接收兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光，并根據(jù)來(lái)自可調(diào)直流模塊的電壓調(diào)制信號(hào)校正兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光的相位差，校正相位差后的兩束線(xiàn)偏振光在Y波導(dǎo)調(diào)制器的Y分支交點(diǎn)處發(fā)生干涉，得到一束干涉后的光信號(hào)，Y波導(dǎo)調(diào)制器通過(guò)兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過(guò)電纜線(xiàn)與可調(diào)直流電源模塊相連；
[0016]探測(cè)器，用于通過(guò)單模光纖接收干涉后的光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0017]處理器，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)，根據(jù)存儲(chǔ)的傳遞函數(shù)及其標(biāo)定后的參數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，同時(shí)為可調(diào)直流電源模塊提供控制信號(hào)。
[0018]可調(diào)直流電源模塊，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收處理器輸出的控制信號(hào)，根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)電壓調(diào)制信號(hào)，并將該電壓調(diào)制信號(hào)發(fā)送至Y波導(dǎo)調(diào)制器。
[0019]本發(fā)明提出的自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是:在測(cè)量前，實(shí)現(xiàn)傳遞函數(shù)各參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)信號(hào)的精確測(cè)量；通過(guò)Y波導(dǎo)調(diào)制器，將光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的靜態(tài)工作點(diǎn)校正至η/2，使得傳感器在最佳狀態(tài)下工作，從而大大提高了本發(fā)明的電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的電場(chǎng)測(cè)量靈敏度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為已有技術(shù)中光電集成電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)電場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響的原理示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明提出的自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖1和圖3中，I是激光源，2是起偏器，3是傳感器，4是光波導(dǎo)，5是天線(xiàn)，6是調(diào)制電極，7是鈮酸鋰(LiNbO3)晶片，8是檢偏器，9是探測(cè)器，10是偏振分束器，11是Y波導(dǎo)調(diào)制器，12是處理器，13是可調(diào)直流電源模塊。【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明提出的自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括:
[0025]激光源I，用于發(fā)出激光；
[0026]起偏器2，用于將激光源發(fā)出的激光轉(zhuǎn)化成線(xiàn)偏振光，起諞器與激光源通過(guò)單模光纖相連；
[0027]傳感器3,用于通過(guò)輸入保偏光纖接收線(xiàn)偏振光,輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對(duì)軸稱(chēng)合，線(xiàn)偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式(橫電波和橫磁波兩種模式)的線(xiàn)偏振光，在傳感器的光波導(dǎo)4中傳播；傳感器中的天線(xiàn)感應(yīng)Y方向待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)電位差，該電位差通過(guò)傳感器上的調(diào)制電極對(duì)光波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，使兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光的傳播常數(shù)發(fā)生互補(bǔ)變化，兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光在光波導(dǎo)的出射端產(chǎn)生與待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的相位差；
[0028]偏振分束器10，用于通過(guò)輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光，并使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光分離，得到兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光；
[0029]Y波導(dǎo)調(diào)制器11，用于通過(guò)兩根保偏光纖接收兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光，并根據(jù)來(lái)自可調(diào)直流電源模塊的電壓調(diào)制信號(hào)校正兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光的相位差，校正相位差后的兩束線(xiàn)偏振光在Y波導(dǎo)調(diào)制器的Y分支交點(diǎn)處發(fā)生干涉，得到一束干涉后的光信號(hào)，Y波導(dǎo)調(diào)制器通過(guò)兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過(guò)電纜線(xiàn)與可調(diào)直流電源模塊相連；
[0030]探測(cè)器9，用于通過(guò)單模光纖接收干涉后的光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；
[0031]處理器12，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)，根據(jù)存儲(chǔ)的傳遞函數(shù)及其標(biāo)定后的參數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，同時(shí)為可調(diào)直流電源模塊提供控制信號(hào)。
[0032]可調(diào)直流電源模塊13，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收處理器輸出的控制信號(hào)，根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)電壓調(diào)制信號(hào)，并將該電壓調(diào)制信號(hào)發(fā)送至Y波導(dǎo)調(diào)制器。
[0033]本發(fā)明提出的自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，其工作原理是:
[0034]激光源發(fā)出的部分偏振光經(jīng)起偏器后變?yōu)榫€(xiàn)偏振光；輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對(duì)軸稱(chēng)合,則線(xiàn)偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式(橫電波和橫磁波兩種模式)的線(xiàn)偏振光，在傳感器的光波導(dǎo)中傳播；傳感器中的天線(xiàn)感應(yīng)Y方向待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)電位差，該電位差通過(guò)傳感器上的調(diào)制電極對(duì)光波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，使兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光的傳播常數(shù)發(fā)生互補(bǔ)變化，兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光在光波導(dǎo)的出射端產(chǎn)生與待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的相位差；輸出保偏光纖偏振軸以0°與傳感器對(duì)軸稱(chēng)合,則具有一定相位差的兩正交偏振模式的線(xiàn)偏振光分別沿保偏光纖的快慢軸傳播；快慢軸中的兩束線(xiàn)偏振光經(jīng)偏振分束器分束后分開(kāi)在兩根保偏光纖的慢軸中傳播，后同時(shí)射入Y波導(dǎo)調(diào)制器的兩臂；￥波導(dǎo)調(diào)制器根據(jù)來(lái)自可調(diào)直流電源模塊的電壓調(diào)制信號(hào)對(duì)在Y波導(dǎo)兩臂傳播的兩束線(xiàn)偏振光的相位差進(jìn)行校正，校正相位差后的兩束線(xiàn)偏振光在Y波導(dǎo)調(diào)制器的Y分支的交點(diǎn)處發(fā)生干涉，生成的干涉信號(hào)傳入光探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的電信號(hào)輸入處理器進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，處理器根據(jù)該電信號(hào)輸出可調(diào)直流電源模塊的控制信號(hào)及待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，可調(diào)直流電源模塊根據(jù)處理器輸出的控制信為Y波導(dǎo)調(diào)制器提供調(diào)制信號(hào)。
[0035]在使用本發(fā)明傳感器系統(tǒng)進(jìn)行電場(chǎng)測(cè)量之前，首先進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)本身的標(biāo)定和校正，以使測(cè)量系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下工作，保證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精確性和穩(wěn)定性。
[0036]標(biāo)定方法為:
[0037]設(shè)傳感器系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式2所示:
[0038]
【權(quán)利要求】
1.一種自校正光電集成電場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，包括: 激光源，用于發(fā)出激光； 起偏器，用于將激光源發(fā)出的激光轉(zhuǎn)化成線(xiàn)偏振光，起諞器與激光源通過(guò)單模光纖相連； 傳感器，用于通過(guò)輸入保偏光纖接收線(xiàn)偏振光，輸入保偏光纖的偏振軸以45°與傳感器對(duì)軸稱(chēng)合，線(xiàn)偏振光正交分解為兩束等光功率不同偏振模式的線(xiàn)偏振光，在傳感器的光波導(dǎo)中傳播；傳感器中的天線(xiàn)感應(yīng)Y方向待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，產(chǎn)生一個(gè)電位差，該電位差通過(guò)傳感器上的調(diào)制電極對(duì)光波導(dǎo)中傳播的光信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，使兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光的傳播常數(shù)發(fā)生互補(bǔ)變化，兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光在光波導(dǎo)的出射端產(chǎn)生與待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的相位差； 其特征在于還包括: 偏振分束器，用于通過(guò)輸出保偏光纖接收具有相位差的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光，并使在同一根輸出保偏光纖中傳播的兩束不同偏振模式的線(xiàn)偏振光分離，得到兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光； Y波導(dǎo)調(diào)制器，用于通過(guò)兩根保偏光纖接收兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光，并根據(jù)來(lái)自可調(diào)直流電源模塊的電壓調(diào)制信號(hào)校正兩束獨(dú)立傳播的線(xiàn)偏振光的相位差，校正相位差后的兩束線(xiàn)偏振光在Y波導(dǎo)調(diào)制器的Y分支交點(diǎn)處發(fā)生干涉，得到一束干涉后的光信號(hào)，Y波導(dǎo)調(diào)制器通過(guò)兩根保偏光纖與偏振分束器相連，通過(guò)電纜線(xiàn)與可調(diào)直流電源模塊相連； 探測(cè)器，用于通過(guò)單模光纖接收干涉后的光信號(hào)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)； 處理器，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收探測(cè)器輸出的電壓信號(hào)，根據(jù)存儲(chǔ)的傳遞函數(shù)及其標(biāo)定后的參數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算得到待測(cè)電場(chǎng)信號(hào)，同時(shí)為可調(diào)直流電源模塊提供控制信號(hào)。 可調(diào)直流電源模塊，用于通過(guò)電纜線(xiàn)接收處理器輸出的控制信號(hào)，根據(jù)該控制信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)電壓調(diào)制信號(hào)，并將該電壓調(diào)制信號(hào)發(fā)送至Y波導(dǎo)調(diào)制器。
【文檔編號(hào)】G01R29/12GK103616570SQ201310571507
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月13日
【發(fā)明者】曾嶸, 俞俊杰, 牛犇, 李嬋虓, 王博 申請(qǐng)人:清華大學(xué)