一种电光晶体半波电场及相应特性测量装置及方法
一种电光晶体半波电场及相应特性测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电压及电场智能感知技术领域，特别是设及一种电光晶体半波电场及 相应特性测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 电压互感器在电力系统中有着重要的应用，是电力系统监测基本设备之一。随着 当今社会对电力需求的增长和电能质量的提高，电力系统正朝着超/特高压、大容量的趋势 发展。而普遍使用的传统电磁式电压互感器在高压情况下，存在易受电磁干扰、绝缘结构复 杂、造价高、体积庞大、存在铁磁饱和W及爆炸危险等缺陷。
[0003] 光纤电压传感器引入光学器件作为一次部分的传感头，没有铁忍和线圈，不存在 电磁禪合，W光纤作为传输介质，有效克服了传统电磁式电压互感器的缺点。与传统电磁式 电压互感器相比，具有安全性、可靠性、稳定性、电磁兼容性，频率响应宽、动态范围大，无火 灾爆炸等危险，体积小、智能化等优点。
[0004] 光纤电压传感器的一个核屯、部分则是电光晶体，通过电光晶体实现电信号到光信 号之间的有效转换，选取合适的电光晶体直接影响到光纤电压传感器的工作性能，目前对 于应用在光纤电压传感器的电光晶体材料及性质的研究仍处于发展阶段。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例中提供了一种电光晶体半波电场及相应特性测量装置及方法，W解 决现有技术中根据电光晶体的材料和性质选取电光晶体不合适，而直接影响光纤电压传感 器的工作性能问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置，所述装置 包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、 起偏器、电光晶体、检偏器和光电探测器，两个所述金属极板水平方向上平行、且贴紧所述 电光晶体的上下表面，其中一个所述金属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装 置均与另一个所述金属极板电连接，所述光电探测器与所述信号处理装置电连接。
[0008] 优选地，所述测量装置还包括高度可调的绝缘支柱和光学隔振平台，所述绝缘支 柱一端面上设置所述电光晶体及所述金属极板，所述激光源、起偏器、绝缘支柱、检偏器和 光电探测器依次固定设置于所述光学隔振平台上，且所述激光源、起偏器、检偏器、电光晶 体和光电探测器的中屯、位于同一水平线上。
[0009] 优选地，所述电压发生装置包括任意函数电压发生器和高压放大器，所述任意函 数电压发生器输出端与所述高压放大器输入端连接，所述高压放大器输出端与所述金属极 板的正极电连接。
[0010] 优选地，所述信号处理装置包括标准分压器和多通道示波器，所述多通道示波器 与所述光电探测器输出端电连接，所述标准分压器输入端与所述金属极板的正极电连接， 所述标准分压器输出端与所述多通道示波器电连接。
[0011] 优选地，所述起偏器的通光轴角度为45°，所述起偏器和所述检偏器呈彼此正交设 置，且所述起偏器和所述检偏器之间设置有四分之一波片。
[0012] 优选地，所述电光晶体包括妮酸裡晶体。
[0013] 另一方面，本发明还提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法，包括W 下步骤：
[0014] 电压发生装置输出电压，在电光晶体两端形成电场；
[0015] 激光源输出激光光束，通过起偏器后入射至所述电光晶体上，所述电光晶体在外 部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴；
[0016] 调整所述起偏器的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成45%
[0017] 激光光束经过电场调制成光信号，通过光纤传送至光电探测器；
[0018] 所述光电探测器将光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号；
[0019] 信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及显示。
[0020] 优选地，所述电压发生装置输出电压，在电光晶体周围形成电场，包括：
[0021] 调节任意函数电压发生器，输出所需电压波形；
[0022] 设置所述任意函数电压发生器输出幅值与高压放大器放大倍数，得到所述电光晶 体两端的电压。
[0023] 优选地，所述信号处理装置测量接收到的电压信号，包括：
[0024] 设置标准分压器的分压比；
[0025] 在多通道示波器上监测实际外施电压，并与所述电压信号对比。
[0026] 由W上技术方案可见，本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及相应特性测 量方法及装置，电光晶体半波电场及相应特性测量装置包括：电压发生装置、信号处理装 置、两完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、起偏器、电光晶体、检偏器和光电 探测器，所述两金属极板水平方向上平行且贴紧所述电光晶体的上下表面，其中一所述金 属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一所述金属极板电连接，所述 光电探测器与所述信号处理装置电连接。
[0027] 本发明的测量方法包括：电压发生装置输出电压，在电光晶体两端形成电场;激光 源输出激光光束，通过起偏器后入射至电光晶体上，电光晶体在外部电场作用下折射率变 化，出现感应电光轴;设定起偏器的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成 45%激光光束经过电场调制，通过光纤传送至光电探测器;光电探测器将光信号转换为电 压信号，并输出所述电压信号;信号处理装置测量接收到的所述电压信号。
[0028] 本发明用于测量各种电光晶体的半波电场和响应特性，对于研究光纤电压传感器 具有十分重要的作用，为传感器的材料选取、尺寸设计等提供重要理论支撑。测量方法直接 有效，测量装置便于搭建，结构简单，便于推广和应用。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置的结构示 意图；
[0031] 图2为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置的原理示 意图；
[0032] 图3为本发明实施例提供的一种对电光晶体进行横向调制的示意图；
[0033] 图1-图3,符号表示：
[0034] 1-激光源，2-起偏器，3-检偏器，4-光电探测器，5-绝缘支柱，6-金属极板，7-任意 函数电压发生器，8-高压放大器，9-多通道示波器，10-标准分压器，11-光学隔振平台，12-电光晶体，13-四分之一波片。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护 的范围。
[0036] 参见图1，图1为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置 的结构示意图，所述装置包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板6和 由光纤依次连接的激光源1、起偏器2、电光晶体12、检偏器3和光电探测器4,两个所述金属 极板6水平方向上平行、且贴紧所述电光晶体12的上下表面，其中一个所述金属极板6接地， 所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一个所述金属极板6电连接，所述光电探测 器4与所述信号处理装置电连接。
[0037] 所述激光源1可发射各种波长的平行激光，所述光电探测器4可探测各种波长激光 的光功率，并将其转换为能用示波器直接测量的电压信号;所述金属极板6的尺寸可W根据 被测电光晶体12尺寸调节，极板间高度可调节。
[0038] 本发明中所述电光晶体12采用妮酸裡晶体。不同电光晶体12在相同外加电场下的 电光效应强弱是不同的，选择适当电光系数的妮酸裡晶体可W在保证较大半波电场情况下 极大的提高传感器感应电场的灵敏度。
[0039] 起偏器2是用于从激光源1发出的自然光中获得偏振光的器件。常用的起偏器2有 偏振片，尼科耳棱镜等，本发明实施例中的起偏器2为偏振片。
[0040] 两向色性的有机晶体，如硫酸舰奎宁，电气石或聚乙締醇薄膜在舰溶液中浸泡后， 在高溫下拉伸，烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。偏振光是一种人工膜片， 其中有大量按一定规则排列的微小晶粒，对不同方向的光振动有选择吸收的性能，从而使 膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片上时，与此方向垂直的光振动分量完全 被吸收，只让平行于该方向的光振动分量通过，从而获得线偏振光。偏振片只允许沿某一特 定方向的光通过。本发明中的起偏器2的偏振方向可360°调节。
[0041] 检偏器3是由偏振片组成的，通常与起偏器2连用。起偏器2用来使自然光、部分偏 振光等成为线偏振光，检偏器3就是用来检验某一束光是否偏振光。所述检偏器3偏振方向 可360°。
[0042] 如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装 置的原理示意图。所述测量装置还包括高度可调的绝缘支柱5和光学隔振平台11，所述绝缘 支柱5-端面上设置所述电光晶体12及所述金属极板6,所述激光源1、起偏器2、绝缘支柱5、 检偏器3和光电探测器4依次固定设置于所述光学隔振平台11上，且所述激光源1、起偏器2、 检偏器3、电光晶体12和光电探测器4的中屯、位于同一水平线上。
[0043] 所述绝缘支柱5最高耐压等级为60kV，高度可调;所述光学隔振平台11尺寸可调。
[0044] 所述电压发生装置包括任意函数电压发生器7和高压放大器8,所述任意函数电压 发生器7输出端与所述高压放大器8输入端连接，所述高压放大器 8输出端与所述金属极板6 的正极电连接。
[0045] 所述任意函数电压发生器7可产生标准正弦、Ξ角、方波W及各类自定义函数波 形，频率范围为0-1G化，幅值范围为0-100V;所述高压放大器8可将输入电压幅值放大5000 倍。
[0046] 所述信号处理装置包括标准分压器10和多通道示波器9,所述多通道示波器9与所 述光电探测器4输出端电连接，所述标准分压器10输入端与所述金属极板6的正极电连接， 所述标准分压器10输出端与所述多通道示波器9电连接。
[0047] 所述标准分压器10分压比可调;所述多通道示波器9各通道具有独立触发功能，采 样率为200MHz。
[0048] 本发明实施例提供的电光晶体半波电场及响应特性测量装置中，所述起偏器2的 通光轴角度为45%将所述起偏器2和所述检偏器3呈彼此正交设置，且所述起偏器2和所述 检偏器3之间设置有四分之一波片13,用来调节固有相位的延迟。
[0049] 四分之一波片13是有一定厚度的双折射单晶薄片。当光法向入射透过时，寻常光 (0光)和非常光(e光)之间的位相差等于V2或其奇数倍，运样的晶片称为四分之一波片。当 线偏振光垂直入射四分之一波片13,并且光的偏振和云母的光轴面(垂直自然裂开面)成Θ 角，出射后成楠圆偏振光，特别当Θ = 45°时，出射光为圆偏振光。
[0050] 妮酸裡晶体为单轴晶体，不同的通光方向和电压方向的组合会导致电光调制的效 果有所差异，两种典型的调制方式是横向调制和纵向调制。
[0051] 对于低电压的测量，横向调制因为可W通过改变晶体尺寸来调整感应灵敏度，所 W更有优势，故本发明采用横向调制方式来对电光晶体12进行检测，如图3所示，图3为本发 明实施例提供的一种对电光晶体进行横向调制的示意图。将一块妮酸裡晶体放在两个彼此 正交的起偏器2和检偏器3之间，采用横向调制，电光晶体12的光轴(Z轴)方向与偏振方向成 45°通过在妮酸裡晶体和起偏器2之间增加四分之一波片13,调节使固有相位延迟 巧0% κ /2?
[0052] 如图1，本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置是基于 一次电光效应原理设计，当电光晶体12受外施电场作用时，通过晶体内部的激光会受到外 施电场影响，发生双折射现象，从而导致射出激光中的寻常光与非常光产生相位差，通过检 偏器3将该相位差的变化转化为直观可见的激光光功率的变化即可监测出该电光晶体12受 外施电场的作用情况，从而研究其各项电光特性。
[0053] 与本发明提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置实施例相对应，本发 明还提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法。包括W下步骤：
[0054] 步骤SlOl:电压发生装置输出电压，在电光晶体12两端形成电场。
[0055] 其中，本步骤还包括，调节任意函数电压发生器7,输出所需电压波形;设置所述任 意函数电压发生器7输出幅值与高压放大器8放大倍数，得到电光晶体12两端的电压。
[0056] 步骤S102:激光源1输出激光光束，通过起偏器2后入射至所述电光晶体12上，所述 电光晶体12在外部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴。
[0057] 步骤S103:调整所述起偏器2的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光 轴成45°。
[0化引步骤S104:激光光束经过电场调制，通过光纤传送至光电探测器4。
[0059] 步骤S105:所述光电探测器4将光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号。
[0060] 步骤S106:信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及 显示。
[0061] 本步骤还包括:设置标准分压器10的分压比；在多通道示波器9上监测实际外施电 压，并与所述电压信号对比。
[0062] 由上述本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法可见，根 据实际待测电光晶体12的参数W及试验具体需要合理选择外施电压波形和电压等级，同时 合理设置绝缘支柱5高度W及操作安全距离；调节任意函数电压发生器7,使其输出试验所 需电压波形;合理设置高压放大器8放大倍数与任意函数电压发生器7输出幅值，得到施加 在电光晶体12两端的所需电压;合理设置所述标准分压器10的分压比，监测实际外施电压， 实现与光电探测器4输出信号的比对，从而实现对待测电光晶体12响应特性W及半波电场 的测量。
[006引需要说明的是，在本文中，诸如"第一"和"第二"等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示运些实体或操作之 间存在任何运种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0064] W上所述仅是本发明的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本发 明。对运些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，包括：电压发生装置、信 号处理装置、两个完全相同的金属极板(6)和由光纤依次连接的激光源（1)、起偏器(2)、电 光晶体（12)、检偏器(3)和光电探测器(4)，两个所述金属极板(6)水平方向上平行、且贴紧 所述电光晶体(12)的上下表面，其中一个所述金属极板(6)接地，所述电压发生装置和所述 信号处理装置均与另一个所述金属极板(6)电连接，所述光电探测器(4)与所述信号处理装 置电连接。2. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述测 量装置还包括高度可调的绝缘支柱(5)和光学隔振平台（11)，所述绝缘支柱(5)-端面上设 置所述电光晶体（12)及所述金属极板(6)，所述激光源（1)、起偏器(2)、绝缘支柱(5)、检偏 器(3)和光电探测器(4)依次固定设置于所述光学隔振平台（11)上，且所述激光源（1)、起偏 器(2)、检偏器(3)、电光晶体(12)和光电探测器(4)的中心位于同一水平线上。3. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述电 压发生装置包括任意函数电压发生器(7)和高压放大器(8)，所述任意函数电压发生器(7) 输出端与所述高压放大器(8)输入端连接，所述高压放大器(8)输出端与所述金属极板(6) 的正极电连接。4. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述信 号处理装置包括标准分压器（10)和多通道示波器(9)，所述多通道示波器(9)与所述光电探 测器(4)输出端电连接，所述标准分压器（10)输入端与所述金属极板(6)的正极电连接，所 述标准分压器(10)输出端与所述多通道示波器(9)电连接。5. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述起 偏器(2)的通光轴角度为45°，所述起偏器(2)和所述检偏器(3)呈彼此正交设置，且所述起 偏器(2)和所述检偏器(3)之间设置有四分之一波片（13)。6. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述电 光晶体(12)包括铌酸锂晶体。7. -种电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 电压发生装置输出电压，在电光晶体(12)两端形成电场； 激光源（1)输出激光光束，通过起偏器(2)后入射至所述电光晶体（12)上，所述电光晶 体(12)在外部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴； 调整所述起偏器(2)的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成45°; 激光光束经过所述电场调制成光信号，通过光纤传送至光电探测器(4); 所述光电探测器(4)将所述光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号； 信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及显示。8. 根据权利要求7所述的电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，所述电 压发生装置输出电压，在电光晶体(12)周围形成电场，包括： 调节任意函数电压发生器(7)，输出所需电压波形； 设置所述任意函数电压发生器(7)输出幅值与高压放大器(8)放大倍数，得到所述电光 晶体(12)两端的电压。9. 根据权利要求7所述的电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，所述信 号处理装置测量接收到的电压信号，包括： 设置标准分压器（10)的分压比； 在多通道示波器(9)上监测实际外施电压，并与电压信号对比。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置及方法，包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、起偏器、电光晶体、检偏器和光电探测器，两个所述金属极板水平方向上平行、且贴紧所述电光晶体的上下表面，其中一个所述金属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一个所述金属极板电连接，所述光电探测器与所述信号处理装置电连接。本发明用于测量各种电光晶体的半波电场和响应特性，对于研究光纤电压传感器具有十分重要的作用，为传感器的材料选取、尺寸设计等提供重要理论支撑。测量方法直接有效，测量装置便于搭建，结构简单，便于推广和应用。
【IPC分类】G01R31/00
【公开号】CN105486962
【申请号】CN201610052560
【发明人】刘红文, 王科
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日
【技术领域】
[0001] 本发明设及电压及电场智能感知技术领域，特别是设及一种电光晶体半波电场及 相应特性测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 电压互感器在电力系统中有着重要的应用，是电力系统监测基本设备之一。随着 当今社会对电力需求的增长和电能质量的提高，电力系统正朝着超/特高压、大容量的趋势 发展。而普遍使用的传统电磁式电压互感器在高压情况下，存在易受电磁干扰、绝缘结构复 杂、造价高、体积庞大、存在铁磁饱和W及爆炸危险等缺陷。
[0003] 光纤电压传感器引入光学器件作为一次部分的传感头，没有铁忍和线圈，不存在 电磁禪合，W光纤作为传输介质，有效克服了传统电磁式电压互感器的缺点。与传统电磁式 电压互感器相比，具有安全性、可靠性、稳定性、电磁兼容性，频率响应宽、动态范围大，无火 灾爆炸等危险，体积小、智能化等优点。
[0004] 光纤电压传感器的一个核屯、部分则是电光晶体，通过电光晶体实现电信号到光信 号之间的有效转换，选取合适的电光晶体直接影响到光纤电压传感器的工作性能，目前对 于应用在光纤电压传感器的电光晶体材料及性质的研究仍处于发展阶段。
【发明内容】
[0005] 本发明实施例中提供了一种电光晶体半波电场及相应特性测量装置及方法，W解 决现有技术中根据电光晶体的材料和性质选取电光晶体不合适，而直接影响光纤电压传感 器的工作性能问题。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：
[0007] 第一方面，本发明提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置，所述装置 包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、 起偏器、电光晶体、检偏器和光电探测器，两个所述金属极板水平方向上平行、且贴紧所述 电光晶体的上下表面，其中一个所述金属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装 置均与另一个所述金属极板电连接，所述光电探测器与所述信号处理装置电连接。
[0008] 优选地，所述测量装置还包括高度可调的绝缘支柱和光学隔振平台，所述绝缘支 柱一端面上设置所述电光晶体及所述金属极板，所述激光源、起偏器、绝缘支柱、检偏器和 光电探测器依次固定设置于所述光学隔振平台上，且所述激光源、起偏器、检偏器、电光晶 体和光电探测器的中屯、位于同一水平线上。
[0009] 优选地，所述电压发生装置包括任意函数电压发生器和高压放大器，所述任意函 数电压发生器输出端与所述高压放大器输入端连接，所述高压放大器输出端与所述金属极 板的正极电连接。
[0010] 优选地，所述信号处理装置包括标准分压器和多通道示波器，所述多通道示波器 与所述光电探测器输出端电连接，所述标准分压器输入端与所述金属极板的正极电连接， 所述标准分压器输出端与所述多通道示波器电连接。
[0011] 优选地，所述起偏器的通光轴角度为45°，所述起偏器和所述检偏器呈彼此正交设 置，且所述起偏器和所述检偏器之间设置有四分之一波片。
[0012] 优选地，所述电光晶体包括妮酸裡晶体。
[0013] 另一方面，本发明还提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法，包括W 下步骤：
[0014] 电压发生装置输出电压，在电光晶体两端形成电场；
[0015] 激光源输出激光光束，通过起偏器后入射至所述电光晶体上，所述电光晶体在外 部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴；
[0016] 调整所述起偏器的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成45%
[0017] 激光光束经过电场调制成光信号，通过光纤传送至光电探测器；
[0018] 所述光电探测器将光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号；
[0019] 信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及显示。
[0020] 优选地，所述电压发生装置输出电压，在电光晶体周围形成电场，包括：
[0021] 调节任意函数电压发生器，输出所需电压波形；
[0022] 设置所述任意函数电压发生器输出幅值与高压放大器放大倍数，得到所述电光晶 体两端的电压。
[0023] 优选地，所述信号处理装置测量接收到的电压信号，包括：
[0024] 设置标准分压器的分压比；
[0025] 在多通道示波器上监测实际外施电压，并与所述电压信号对比。
[0026] 由W上技术方案可见，本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及相应特性测 量方法及装置，电光晶体半波电场及相应特性测量装置包括：电压发生装置、信号处理装 置、两完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、起偏器、电光晶体、检偏器和光电 探测器，所述两金属极板水平方向上平行且贴紧所述电光晶体的上下表面，其中一所述金 属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一所述金属极板电连接，所述 光电探测器与所述信号处理装置电连接。
[0027] 本发明的测量方法包括：电压发生装置输出电压，在电光晶体两端形成电场;激光 源输出激光光束，通过起偏器后入射至电光晶体上，电光晶体在外部电场作用下折射率变 化，出现感应电光轴;设定起偏器的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成 45%激光光束经过电场调制，通过光纤传送至光电探测器;光电探测器将光信号转换为电 压信号，并输出所述电压信号;信号处理装置测量接收到的所述电压信号。
[0028] 本发明用于测量各种电光晶体的半波电场和响应特性，对于研究光纤电压传感器 具有十分重要的作用，为传感器的材料选取、尺寸设计等提供重要理论支撑。测量方法直接 有效，测量装置便于搭建，结构简单，便于推广和应用。
【附图说明】
[0029] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而 言，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他的附图。
[0030] 图1为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置的结构示 意图；
[0031] 图2为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置的原理示 意图；
[0032] 图3为本发明实施例提供的一种对电光晶体进行横向调制的示意图；
[0033] 图1-图3,符号表示：
[0034] 1-激光源，2-起偏器，3-检偏器，4-光电探测器，5-绝缘支柱，6-金属极板，7-任意 函数电压发生器，8-高压放大器，9-多通道示波器，10-标准分压器，11-光学隔振平台，12-电光晶体，13-四分之一波片。
【具体实施方式】
[0035] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实 施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施 例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通 技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护 的范围。
[0036] 参见图1，图1为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置 的结构示意图，所述装置包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板6和 由光纤依次连接的激光源1、起偏器2、电光晶体12、检偏器3和光电探测器4,两个所述金属 极板6水平方向上平行、且贴紧所述电光晶体12的上下表面，其中一个所述金属极板6接地， 所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一个所述金属极板6电连接，所述光电探测 器4与所述信号处理装置电连接。
[0037] 所述激光源1可发射各种波长的平行激光，所述光电探测器4可探测各种波长激光 的光功率，并将其转换为能用示波器直接测量的电压信号;所述金属极板6的尺寸可W根据 被测电光晶体12尺寸调节，极板间高度可调节。
[0038] 本发明中所述电光晶体12采用妮酸裡晶体。不同电光晶体12在相同外加电场下的 电光效应强弱是不同的，选择适当电光系数的妮酸裡晶体可W在保证较大半波电场情况下 极大的提高传感器感应电场的灵敏度。
[0039] 起偏器2是用于从激光源1发出的自然光中获得偏振光的器件。常用的起偏器2有 偏振片，尼科耳棱镜等，本发明实施例中的起偏器2为偏振片。
[0040] 两向色性的有机晶体，如硫酸舰奎宁，电气石或聚乙締醇薄膜在舰溶液中浸泡后， 在高溫下拉伸，烘干，然后粘在两个玻璃片之间就形成了偏振片。偏振光是一种人工膜片， 其中有大量按一定规则排列的微小晶粒，对不同方向的光振动有选择吸收的性能，从而使 膜片中有一个特殊的方向，当一束自然光射到膜片上时，与此方向垂直的光振动分量完全 被吸收，只让平行于该方向的光振动分量通过，从而获得线偏振光。偏振片只允许沿某一特 定方向的光通过。本发明中的起偏器2的偏振方向可360°调节。
[0041] 检偏器3是由偏振片组成的，通常与起偏器2连用。起偏器2用来使自然光、部分偏 振光等成为线偏振光，检偏器3就是用来检验某一束光是否偏振光。所述检偏器3偏振方向 可360°。
[0042] 如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装 置的原理示意图。所述测量装置还包括高度可调的绝缘支柱5和光学隔振平台11，所述绝缘 支柱5-端面上设置所述电光晶体12及所述金属极板6,所述激光源1、起偏器2、绝缘支柱5、 检偏器3和光电探测器4依次固定设置于所述光学隔振平台11上，且所述激光源1、起偏器2、 检偏器3、电光晶体12和光电探测器4的中屯、位于同一水平线上。
[0043] 所述绝缘支柱5最高耐压等级为60kV，高度可调;所述光学隔振平台11尺寸可调。
[0044] 所述电压发生装置包括任意函数电压发生器7和高压放大器8,所述任意函数电压 发生器7输出端与所述高压放大器8输入端连接，所述高压放大器 8输出端与所述金属极板6 的正极电连接。
[0045] 所述任意函数电压发生器7可产生标准正弦、Ξ角、方波W及各类自定义函数波 形，频率范围为0-1G化，幅值范围为0-100V;所述高压放大器8可将输入电压幅值放大5000 倍。
[0046] 所述信号处理装置包括标准分压器10和多通道示波器9,所述多通道示波器9与所 述光电探测器4输出端电连接，所述标准分压器10输入端与所述金属极板6的正极电连接， 所述标准分压器10输出端与所述多通道示波器9电连接。
[0047] 所述标准分压器10分压比可调;所述多通道示波器9各通道具有独立触发功能，采 样率为200MHz。
[0048] 本发明实施例提供的电光晶体半波电场及响应特性测量装置中，所述起偏器2的 通光轴角度为45%将所述起偏器2和所述检偏器3呈彼此正交设置，且所述起偏器2和所述 检偏器3之间设置有四分之一波片13,用来调节固有相位的延迟。
[0049] 四分之一波片13是有一定厚度的双折射单晶薄片。当光法向入射透过时，寻常光 (0光)和非常光(e光)之间的位相差等于V2或其奇数倍，运样的晶片称为四分之一波片。当 线偏振光垂直入射四分之一波片13,并且光的偏振和云母的光轴面(垂直自然裂开面)成Θ 角，出射后成楠圆偏振光，特别当Θ = 45°时，出射光为圆偏振光。
[0050] 妮酸裡晶体为单轴晶体，不同的通光方向和电压方向的组合会导致电光调制的效 果有所差异，两种典型的调制方式是横向调制和纵向调制。
[0051] 对于低电压的测量，横向调制因为可W通过改变晶体尺寸来调整感应灵敏度，所 W更有优势，故本发明采用横向调制方式来对电光晶体12进行检测，如图3所示，图3为本发 明实施例提供的一种对电光晶体进行横向调制的示意图。将一块妮酸裡晶体放在两个彼此 正交的起偏器2和检偏器3之间，采用横向调制，电光晶体12的光轴(Z轴)方向与偏振方向成 45°通过在妮酸裡晶体和起偏器2之间增加四分之一波片13,调节使固有相位延迟 巧0% κ /2?
[0052] 如图1，本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置是基于 一次电光效应原理设计，当电光晶体12受外施电场作用时，通过晶体内部的激光会受到外 施电场影响，发生双折射现象，从而导致射出激光中的寻常光与非常光产生相位差，通过检 偏器3将该相位差的变化转化为直观可见的激光光功率的变化即可监测出该电光晶体12受 外施电场的作用情况，从而研究其各项电光特性。
[0053] 与本发明提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置实施例相对应，本发 明还提供了一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法。包括W下步骤：
[0054] 步骤SlOl:电压发生装置输出电压，在电光晶体12两端形成电场。
[0055] 其中，本步骤还包括，调节任意函数电压发生器7,输出所需电压波形;设置所述任 意函数电压发生器7输出幅值与高压放大器8放大倍数，得到电光晶体12两端的电压。
[0056] 步骤S102:激光源1输出激光光束，通过起偏器2后入射至所述电光晶体12上，所述 电光晶体12在外部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴。
[0057] 步骤S103:调整所述起偏器2的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光 轴成45°。
[0化引步骤S104:激光光束经过电场调制，通过光纤传送至光电探测器4。
[0059] 步骤S105:所述光电探测器4将光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号。
[0060] 步骤S106:信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及 显示。
[0061] 本步骤还包括:设置标准分压器10的分压比；在多通道示波器9上监测实际外施电 压，并与所述电压信号对比。
[0062] 由上述本发明实施例提供的一种电光晶体半波电场及响应特性测量方法可见，根 据实际待测电光晶体12的参数W及试验具体需要合理选择外施电压波形和电压等级，同时 合理设置绝缘支柱5高度W及操作安全距离；调节任意函数电压发生器7,使其输出试验所 需电压波形;合理设置高压放大器8放大倍数与任意函数电压发生器7输出幅值，得到施加 在电光晶体12两端的所需电压;合理设置所述标准分压器10的分压比，监测实际外施电压， 实现与光电探测器4输出信号的比对，从而实现对待测电光晶体12响应特性W及半波电场 的测量。
[006引需要说明的是，在本文中，诸如"第一"和"第二"等之类的关系术语仅仅用来将一 个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示运些实体或操作之 间存在任何运种实际的关系或者顺序。而且，术语"包括"、"包含"或者其任何其他变体意在 涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些 要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为运种过程、方法、物品或者设 备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句"包括一个……"限定的要素，并不排除 在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0064] W上所述仅是本发明的【具体实施方式】，使本领域技术人员能够理解或实现本发 明。对运些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的 一般原理可W在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明 将不会被限制于本文所示的运些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一 致的最宽的范围。
【主权项】
1. 一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，包括：电压发生装置、信 号处理装置、两个完全相同的金属极板(6)和由光纤依次连接的激光源（1)、起偏器(2)、电 光晶体（12)、检偏器(3)和光电探测器(4)，两个所述金属极板(6)水平方向上平行、且贴紧 所述电光晶体(12)的上下表面，其中一个所述金属极板(6)接地，所述电压发生装置和所述 信号处理装置均与另一个所述金属极板(6)电连接，所述光电探测器(4)与所述信号处理装 置电连接。2. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述测 量装置还包括高度可调的绝缘支柱(5)和光学隔振平台（11)，所述绝缘支柱(5)-端面上设 置所述电光晶体（12)及所述金属极板(6)，所述激光源（1)、起偏器(2)、绝缘支柱(5)、检偏 器(3)和光电探测器(4)依次固定设置于所述光学隔振平台（11)上，且所述激光源（1)、起偏 器(2)、检偏器(3)、电光晶体(12)和光电探测器(4)的中心位于同一水平线上。3. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述电 压发生装置包括任意函数电压发生器(7)和高压放大器(8)，所述任意函数电压发生器(7) 输出端与所述高压放大器(8)输入端连接，所述高压放大器(8)输出端与所述金属极板(6) 的正极电连接。4. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述信 号处理装置包括标准分压器（10)和多通道示波器(9)，所述多通道示波器(9)与所述光电探 测器(4)输出端电连接，所述标准分压器（10)输入端与所述金属极板(6)的正极电连接，所 述标准分压器(10)输出端与所述多通道示波器(9)电连接。5. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述起 偏器(2)的通光轴角度为45°，所述起偏器(2)和所述检偏器(3)呈彼此正交设置，且所述起 偏器(2)和所述检偏器(3)之间设置有四分之一波片（13)。6. 根据权利要求1所述的电光晶体半波电场及响应特性测量装置，其特征在于，所述电 光晶体(12)包括铌酸锂晶体。7. -种电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤： 电压发生装置输出电压，在电光晶体(12)两端形成电场； 激光源（1)输出激光光束，通过起偏器(2)后入射至所述电光晶体（12)上，所述电光晶 体(12)在外部电场作用下折射率变化，出现感应电光轴； 调整所述起偏器(2)的通光轴角度，使入射激光的偏振面与所述感应电光轴成45°; 激光光束经过所述电场调制成光信号，通过光纤传送至光电探测器(4); 所述光电探测器(4)将所述光信号转换为电压信号，并输出所述电压信号； 信号处理装置测量接收到的所述电压信号，并对所述电压信号处理及显示。8. 根据权利要求7所述的电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，所述电 压发生装置输出电压，在电光晶体(12)周围形成电场，包括： 调节任意函数电压发生器(7)，输出所需电压波形； 设置所述任意函数电压发生器(7)输出幅值与高压放大器(8)放大倍数，得到所述电光 晶体(12)两端的电压。9. 根据权利要求7所述的电光晶体半波电场及响应特性测量方法，其特征在于，所述信 号处理装置测量接收到的电压信号，包括： 设置标准分压器（10)的分压比； 在多通道示波器(9)上监测实际外施电压，并与电压信号对比。
【专利摘要】本发明实施例公开了一种电光晶体半波电场及响应特性测量装置及方法，包括电压发生装置、信号处理装置、两个完全相同的金属极板和由光纤依次连接的激光源、起偏器、电光晶体、检偏器和光电探测器，两个所述金属极板水平方向上平行、且贴紧所述电光晶体的上下表面，其中一个所述金属极板接地，所述电压发生装置和所述信号处理装置均与另一个所述金属极板电连接，所述光电探测器与所述信号处理装置电连接。本发明用于测量各种电光晶体的半波电场和响应特性，对于研究光纤电压传感器具有十分重要的作用，为传感器的材料选取、尺寸设计等提供重要理论支撑。测量方法直接有效，测量装置便于搭建，结构简单，便于推广和应用。
【IPC分类】G01R31/00
【公开号】CN105486962
【申请号】CN201610052560
【发明人】刘红文, 王科
【申请人】云南电网有限责任公司电力科学研究院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年1月26日
最新回复(0)