专利名称：一种数字光电式电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数字光电式电压传感器，基本原理是基于Pockels电光效应和会 聚光干涉原理并利用数字图像处理方法实现的电压测量方法。具体是把Pockels电光效应 产生的两束线偏振光的相位差转变为会聚光干涉光斑图像中的投影位相差，应用数字图像 处理方法对干涉光斑图像分析处理后得到实时数字电压信号。适用于电力系统的交直流电 压测量。
背景技术：
目前可用于高电压测量的电压互感器或传感器有电磁式，电容式、模拟光电式和 有源电子式四种。电磁式电压互感器依赖高低电位之间的电磁联结实现电压测量，随着电力系统电 压等级的提高，其电气绝缘变得十分困难。考虑到安全性、可靠性、准确性、性价比等方面的 要求，电磁式电压互感器不适用于liokv以上电压等级。电容式电压互感器基于电容分压原理，简单实用、成本低。但其瞬变响应误差大， 一般为5% -10%。这是原理性的缺陷，因为电容器的充放电特性必然导致时滞和剩余电 压。减少电容量则容易受到外界分布电容的干扰，增加电容量则难以改善瞬变响应。另外， 长期运行后其分压比发生漂移，影响到测量的准确性。模拟光电式电压传感器已有60多年的发展历史，其大部分是基于Pockels电光效 应实现的。基本原理是电光晶体在电压的作用下呈各向异性，使通过晶体的线偏振光发生 双折射，一束线偏振光变成两束线偏振光并产生相位差，利用检偏器检出因相位差导致的 光强变化，经光电转换得到模拟电压信号。其优点是利用光信号的传递实现了高低电位之 间的电气隔离；其缺点是光强测量的方法是非线性的，测量的范围和准确度受到限制。有源电子式利用电容环分压器、电阻分压器或电容电阻串联电路得到小电压信 号，缺点是没有实现高低电位之间的电气隔离。以上几种互感器或传感器的共同缺点是只能在低压侧得到模拟信号，同样需要利 用模数转换电路获得数字信号，使其在数字化变电站的应用中有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于Pockels电光效应和会聚光干涉原理并利用数字 图像处理方法实现的电压测量方法。本发明所述的方法是将自然光或一定波长的激光信号经光纤从低电位传送到高 电位，经起偏器得到平行线偏振光，经聚焦透镜聚焦后进入由电压调制的电光晶体，入射线 偏振光沿感应轴方向分解为两个偏振方向正交的光束。由于两个偏振方向的折射率不同， 通过电光晶体后出射的两束线偏振光产生相位差，该相位差与电压的大小成正比。两束线 偏振光经扩束透镜转换为平行光束，并透过一个检偏器得到会聚光干涉光斑图像，从而把 两束线偏振光的相位差转变为投影位相差。经传像光纤束、反光镜或直接入射将干涉光斑图像从高电位传送到低电位的CMOS图像传感控制器，由CMOS图像传感控制器对干涉光斑 图像分析处理后得到两束线偏振光相位差的数字量。由于该相位差与电压的大小成正比， 经比例运算得到电压信号的实时数字量。本发明提出的电压测量方法可以通过电光晶体的横向调制方式实现如图1所示， 这一方式是电光晶体的入射光与电压的方向垂直，一对非透光电极分别连接电压的高电位 和低电位；也可以通过电光晶体的纵向调制方式实现如图2所示，这一方式是电光晶体的 入射光与电压的方向一致，一对透光电极分别连接电压的高电位和低电位。本发明提出的电压测量方法是线性测量方法，高电位无源，高低电位之间光隔离， 适用于交流电压的测量，也适用于直流电压的测量。
图1是本发明的横向调制方式原理图。图2是本发明的纵向调制方式原理图。图3是本发明的具体实施方式
一(纵向调制方式)。图4是本发明的具体实施方式
二(纵向调制方式)。图5是本发明的具体实施方式
三(横向调制方式)。图6是本发明的具体实施方式
四(横向调制方式)。其中，[1]是光源，[2]是光信号传送光纤，[3]是起偏器，[4]是聚光透镜，[5]是 电光晶体，[6]是透光电极，[7]是非透光电极，[8]是扩束透镜，[9]是检偏器，[10]是反光 镜，[11]是传像光纤束，[12]是CMOS图像传感控制器，[13]是绝缘子，[14]是高压导线。
具体实施例方式具体实施方式
一如图3所示，光源[1]经光信号传送光纤[2]将自然光信号或激 光信号从低电位传送到高电位的起偏器[3]得到的线偏振光，线偏振光进入聚焦透镜[4] 聚焦后经透光电极[6]进入电光晶体[5]，[6]置于[5]的两端并分别连接高压导线[14] 和地电位，电压的方向与偏振光的行进方向一致，入射线偏振光沿感应轴方向分解为两个 偏振方向正交的光束，由于电光晶体的两个偏振方向的折射率不同，出射的两束线偏振光 产生相位差，该相位差与施加在[5]上的电压的大小成正比。从电光晶体出射的线偏振光 经[6]的另一极进入扩束透镜[8]转换为平行光束并透过检偏器[9]后得到会聚光干涉光 斑图像，从而把电压作用于电光晶体导致的两束线偏振光的相位差转变为投影位相差，经 传像光纤束[11]将干涉光斑图像传递到低电位的CMOS图像传感控制器[12]，由[12]对 干涉光斑图像进行分析处理得到两束线偏振光相位差的大小，由于该相位差与电压的大小 成正比，经比例运算得到电压信号的实时数字量。[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[8]、[9]、 [11]、[12]均置于绝缘子[13]中。
具体实施方式
二如图4所示，光源[1]经光信号传送光纤[2]将自然光信号或激 光信号从低电位传送到高电位的起偏器[3]得到的线偏振光，线偏振光进入聚焦透镜[4] 聚焦后经透光电极[6]进入电光晶体[5]，[6]置于[5]的两端并分别连接高压导线[14] 和地电位，电压的方向与偏振光的行进方向一致，入射线偏振光沿感应轴方向分解为两个 偏振方向正交的光束，由于电光晶体的两个偏振方向的折射率不同，出射的两束线偏振光产生相位差，该相位差与与施加在[5]上电压的大小成正比。从电光晶体出射的两束线偏 振光经[6]的另一极进入扩束透镜[8]转换为平行光束并透过检偏器[9]后得到会聚光 干涉光斑图像，从而把电压作用于电光晶体导致的两束线偏振光的相位差转变为投影位相 差，干涉光斑图像直接入射到低电位的CMOS图像传感控制器[12]，由[12]对干涉光斑图像 进行分析处理得到两束线偏振光相位差的大小，由于该相位差与电压的大小成正比，经比 例运算得到电压信号的实时数字量。[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[8]、[9]、[12]均置于绝 缘子[13]中。
具体实施方式
三如图5所示，光源[1]经光信号传送光纤[2]将自然光信号或激 光信号从低电位传送到高电位的起偏器[3]得到的线偏振光，线偏振光进入聚焦透镜[4] 聚焦后进入电光晶体[5]，非透光电极[7]置于[5]的两端并分别连接高压导线[14]和地 电位，电压的方向与偏振光的行进方向垂直，入射线偏振光沿感应轴方向分解为两个偏振 方向正交的光束，由于电光晶体的两个偏振方向的折射率不同，出射的两束线偏振光产生 相位差，该相位差与电压的大小成正比。从电光晶体出射的线偏振光进入扩束透镜[8]转 换为平行光束并透过检偏器[9]后得到会聚光干涉光斑图像，从而把电压作用于电光晶体 导致的两束线偏振光的相位差转变为投影位相差，经传像光纤束[11]将干涉光斑图像传 递到低电位的CMOS图像传感控制器[12]，由[12]对干涉光斑图像进行分析处理得到两束 线偏振光相位差的大小，由于该相位差与电压的大小成正比，经比例运算得到电压信号的 实时数字量。[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[11]、[12]均置于绝缘子[13]中。
具体实施方式
四如图6所示，光源[1]经光信号传送光纤[2]将自然光信号或激 光信号从低电位传送到高电位的起偏器[3]得到的线偏振光，线偏振光进入聚焦透镜[4] 聚焦后进入电光晶体[5]，非透光电极[7]置于[5]的两端并分别连接高压导线[14]和地 电位，电压的方向与偏振光的行进方向垂直，入射线偏振光沿感应轴方向分解为两个偏振 方向正交的光束，由于电光晶体的两个偏振方向的折射率不同，出射的两束线偏振光产生 相位差，该相位差与电压的大小成正比。从电光晶体出射的线偏振光进入扩束透镜[8]转 换为平行光束并透过检偏器[9]后得到会聚光干涉光斑图像，从而把电压作用于电光晶体 导致的线偏振光的相位差转变为投影位相差，干涉光斑图像直接入射到低电位的CMOS图 像传感控制器[12]，由[12]对干涉光斑图像进行分析处理得到两束线偏振光相位差的大 小，由于该相位差与电压的大小成正比，经比例运算得到电压信号的实时数字量。[1]、[2]、 [3]、[4]、[5]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12]均置于绝缘子[13]中。
权利要求
一种数字光电式电压传感器，其特征是基于Pockels电光效应和会聚光干涉原理把电压作用于电光晶体产生的两束线偏振光的相位差转变为会聚光干涉光斑图像中的投影位相差，经传像光纤束、反光镜或直接入射将干涉光斑图像传送到CMOS图像传感控制器分析处理后得到线偏振光相位差值的数字量，经比例运算得到电压信号的实时数字量。
2.根据权利要求1所述的数字光电式电压传感器，其特征是将自然光或一定波长的 激光信号经光纤从低电位传送到高电位，经起偏器得到平行线偏振光，经聚焦透镜聚焦后 进入由电压调制的电光晶体，通过电光晶体后出射的线偏振光经扩束透镜转换为平行光 束，并透过一个检偏器得到会聚光干涉光斑图像。
3.根据权利要求1或2所述的数字光电式电压传感器，其特征是应用传像光纤束、反 光镜或直接入射将会聚光干涉光斑图像传送到低电位的CMOS图像传感控制器。
4.根据权利要求1或2或3所述的数字光电式电压传感器，其特征是应用CMOS图像 传感控制器对传像光纤束或反光镜传来的或直接入射的会聚光干涉光斑图像分析处理得 到线偏振光相位差的数字量，经比例运算得到电压信号的实时数字量。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的数字光电式电压传感器，其特征是横向调制 方式是电光晶体的入射光与电压的方向垂直，一对非透光电极分别连接电压的高电位和低 电位；纵向调制方式是电光晶体的入射光与电压的方向一致，一对透光电极分别连接电压 的高电位和低电位。
全文摘要
本发明涉及一种数字光电式电压传感器，基本原理是基于Pockels电光效应和会聚光干涉原理并利用数字图像处理方法实现的电压测量方法。具体是把Pockels电光效应产生的两束线偏振光的相位差转变为会聚光干涉光斑图像中的投影位相差，经传像光纤束、反光镜或直接入射将干涉光斑图像从高电位传递到低电位的CMOS图像传感控制器，应用数字图像处理方法对干涉光斑图像分析处理后得到实时数字电压信号。
具体实施方式
包括电光晶体的横向调制方式和纵向调制方式。本发明提出的电压测量方法是线性测量方法，高电位无源，高低电位之间光隔离，适用于交流电压的测量，也适用于直流电压的测量。
文档编号G01R15/24GK101852824SQ20091013140
公开日2010年10月6日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者徐启峰 申请人:徐启峰