专利名称：一种光纤法珀电压传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种测量电压的光纤法珀(FP)电压传感器。
背景技术：
近年来，随着国家经济建设的迅速发展，对电的需求日益扩大，电力系统的额定电压和额定电流都大幅度提高和增加。与之相应的，电力系统中电气设备的额定电压和额定电流都提高得很快，因此必须生产和发展新型的高压设备，电压传感器就是高压设备中的一种。例如现代化高速电气铁路的供电安全是高速列车行车的重要保证。由于传统的电压传感器采用的是电磁感应原理，因而存在着抗电磁干扰能力差、 绝缘困难、故障状态下易饱和、频带狭窄、大型沉重而必需的支撑架、因充油而有潜在的爆炸危险等缺点。随着电压等级的升高，它们的体积、重量及造价也急剧增加，已越来越不能满足现代电力工业的需要。电光效应是指某些各向同性的透明物质在电场作用下显示出光学各向异性的效应。电光效应包括克尔(Kerr)效应和泡克耳斯(Pockels)效应。折射率与所加电场强度的一次方成正比改变的为Pockels效应或线性电光效应，1893年由德国物理学家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels, 1865-1913)发现。折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的为Kerr效应或二次电光效应，1875年由英国物理学家克尔(John kerr, 1824-1907)发现。光纤电压传感器，具有抗电磁干扰、测量精度高、耐过压、安全、可靠等优点，因而很适合对高压进行监测。近年来有关光纤电压传感器的研究发展十分迅速，已有的光纤电压传感器主要采用的是基于电光晶体Pockels效应的透射式电压传感方式或者是利用材料的电致伸缩效应引起微形变的传感方式。现有的光纤电压传感器，结构上往往需要四分之一波片或特殊设计的反射面，其结构较为复杂、且实现起来有一定的困难。
发明内容
本发明所提供一种光纤法珀电压传感器，该电压传感器基于铌酸锂基片折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的Kerr效应(二次电光效应)，采用FP腔的两个反射面对光束反射形成的干涉条纹实现对电压的测量，具有结构简单、易于实现的特点。本发明所采用的技术方案是一种光纤法珀电压传感器，如图1至4所示，包括单模传输光纤1、铌酸锂基片3、 套管4和正负电极板5 ；所述铌酸锂基片3固定于套管4的底部，所述单模传输光纤1的一端插入并固定于套管4中，所述正负电极板5固定于套管4的上下两侧；套管4中的单模传输光纤1的芯层端面与铌酸锂基片3之间具有空气间隙2，所述空气间隙2、套管4中的单模传输光纤1的芯层端面以及铌酸锂基片3中与空气间隙2接触的表面形成一个以空气为介质的法珀腔；所述铌酸锂基片3本身形成一个以铌酸锂为介质的法珀腔；所述正负电极板5的面积大于两个法珀腔的纵向剖面的面积和。本发明的工作原理是本发明提供的光纤法珀电压传感器，当传感器正负电极板 5之间不加电压时，测试光由单模传输光纤1传输、经空气介质法珀腔和铌酸锂介质法珀腔的反射面形成的干涉光的初始相位是固定的。当给传感器正负电极板5之间加上电压的时候，由于电光效应，铌酸锂晶体的折射率会随着电压的变化而变化(线性变化)，铌酸锂介质法珀腔的两个反射面所形成的干涉光的相位会随着干涉光的相位变化而变化(线性变化)，进而建立起干涉光的相位与正负电极板5之间的电压(被测电压)之间的线性关系， 最终通过测量铌酸锂介质法珀腔的两个反射面所形成的干涉光的相位，就可以得到被测电压的大小。需要说明的是，本发明提供的光纤法珀电压传感器，通过调节空气介质法珀腔和铌酸锂介质法珀腔的尺寸(主要是厚度和纵向剖面面积)可以调节整个光纤法珀电压传感器的灵敏度；空气间隙2的主要作用是使得铌酸锂介质法珀腔的两个反射面(尤其是靠近单模传输光纤的反射面)能够反射回更强的光信号(因为空气与铌酸锂之间的折射系数反差大于石英玻璃与铌酸锂的之间的折射系数反差)；另外，铌酸锂法珀腔对于温度和电压都有敏感特性，而空气法珀腔腔只对温度敏感，在相同环境下，通过解调出空气腔的两个反射面形成的干涉光的相位变化，这样就可以排除温度对于铌酸锂法珀腔的相位变化形成的干扰，从而可以排除温度对于电压测量的影响。本发明提供的光纤法珀电压传感器，基于铌酸锂基片折射率与所加电场强度的二次方成正比改变的Kerr效应(二次电光效应)，采用FP腔的两个反射面对光束反射形成的干涉条纹实现对电压的测量，由于去除了基于电光晶体Pockels效应的电压传感系统中所需的四分之一波片或特殊设计的反射面产生的相移，所以具有结构简单、易于实现的特点； 同时本发明提供的光纤法珀电压传感器，更便于微型化和小型化，可以实现长期稳定、准确的测量电压。
图1是本发明提供的光纤法珀电压传感器剖面结构示意图之一。图2是本发明提供的光纤法珀电压传感器剖面结构示意图之二。图3是本发明提供的光纤法珀电压传感器剖面结构示意图之三。图4是本发明提供的光纤法珀电压传感器剖面结构示意图之四。
具体实施例方式一种光纤法珀电压传感器，如图1至4所示，包括单模传输光纤1、铌酸锂基片3、 套管4和正负电极板5 ；所述铌酸锂基片3固定于套管4的底部，所述单模传输光纤1的一端插入并固定于套管4中，所述正负电极板5固定于套管4的上下两侧；套管4中的单模传输光纤1的芯层端面与铌酸锂基片3之间具有空气间隙，所述空气间隙、套管4中的单模传输光纤1的芯层端面以及铌酸锂基片3中与空气间隙接触的表面形成一个以空气为介质的法珀腔；所述铌酸锂基片3本身形成一个以铌酸锂为介质的法珀腔；所述正负电极板5的面积大于两个法珀腔的纵向剖面的面积和。实施例1:
1)在单模传输光纤1的端面上用157nm激光器加工一个圆柱形凹槽(即空气间隙 2)，深度ΙΟμ 至IOmm之间；2)将套管4两端切平，将加工好的单模传输光纤1插入套管4中，用胶水固定；3)在圆柱形凹槽和套管4外对接上铌酸锂基片3，铌酸锂基片3和套管4之间用胶水固定，圆柱形凹槽形成FP腔；4)在套管4两侧添加正负电极板5，与套管4位置保持固定，电极板的面积大于两个法珀(FP)腔的纵向剖面面积之和，就制成了本发明的光纤法珀电压传感器，如图1所示。实施例2 1)在单模传输光纤1的端面上用157nm激光器加工一个圆柱形凹槽(即空气间隙 2)，深度ΙΟμ 至IOmm之间，2)将套管4两端切平，在套管4的一端对接上与光纤端面大小相同的铌酸锂基片 3，用胶水固定；3)将加工好的单模传输光纤1插入套管4中，用胶水固定；4)在套管4两侧添加正负电极板5，与套管4位置保持固定，电极板的面积大于两个法珀(FP)腔的纵向剖面面积之和，就制成了本发明的光纤法珀电压传感器，如图2所示。实施例3 1)将套管4两端切平；2)在套管4的一端对接上比单模传输光纤1端面大的铌酸锂基片3 ；3)将单模传输光纤1插入套管4中，并和铌酸锂基片3保持微小的距离，用胶水固定；4)在套管4两侧添加正负电极板5，与套管4位置保持固定，电极板的面积大于两个法珀(FP)腔的纵向剖面面积之和，就制成了本发明的光纤法珀电压传感器，如图3所示。实施例4 1)将套管4两端切平；2)在套管4的一端对接上与单模传输光纤1端面大小相同的铌酸锂基片3 ；3)将单模传输光纤1插入套管4中，并和铌酸锂基片3保持微小的距离，用胶水固定；4)在套管4两侧添加正负电极板5，与套管4位置保持固定，电极板的面积大于两个法珀(FP)腔的纵向剖面面积之和，就制成了本发明的光纤法珀电压传感器，如图4所示。上述具体实施方式
中所述加工是采用157nm激光加工、飞秒激光加工、红外激光加工或电子束刻蚀；所述对接是采用激光熔接、电弧熔接、或粘接。
权利要求
1.一种光纤法珀电压传感器，包括单模传输光纤(1)、铌酸锂基片C3)、套管(4)和正负电极板(5)；其特征在于，所述铌酸锂基片( 固定于套管(4)的底部，所述单模传输光纤(1)的一端插入并固定于套管中，所述正负电极板(5)固定于套管4的上下两侧；套管 (4)中的单模传输光纤(1)的芯层端面与铌酸锂基片(3)之间具有空气间隙O)，所述空气间隙O)、套管中的单模传输光纤(1)的芯层端面以及铌酸锂基片(3)中与空气间隙(2)接触的表面形成一个以空气为介质的法珀腔；所述铌酸锂基片( 本身形成一个以铌酸锂为介质的法珀腔；所述正负电极板(5)的面积大于两个法珀腔的纵向剖面的面积和。
2.根据权利要求1所述的光纤法珀电压传感器，其特征在于，所述空气间隙(2)由单模传输光纤(1)端面开出的圆柱形凹槽形成；所述铌酸锂基片( 的面积与所述套管(4)底部面积相等。
3.根据权利要求1所述的光纤法珀电压传感器，其特征在于，所述空气间隙O)由单模传输光纤(1)端面开出的圆柱形凹槽形成；所述铌酸锂基片( 的面积与单模传输光纤 (1)的整体端面积相等。
4.根据权利要求1所述的光纤法珀电压传感器，其特征在于，所述空气间隙(2)由单模传输光纤(1)的整体端面与铌酸锂基片( 之间的间隙形成；所述铌酸锂基片(3)的面积与所述套管(4)底部面积相等。
5.根据权利要求1所述的光纤法珀电压传感器，其特征在于，所述空气间隙(2)由单模传输光纤(1)的整体端面与铌酸锂基片C3)之间的间隙形成；所述铌酸锂基片(3)的面积与所述单模传输光纤(1)的整体端面积相等。
6.根据权利要求2或3所述的光纤法珀电压传感器，其特征在于，所述圆柱形凹槽的横向截面积大于单模传输光纤(1)的芯层端面积、深度为10微米至10毫米之间。
全文摘要
一种光纤法珀电压传感器，属于光纤传感技术领域。包括单模传输光纤、铌酸锂基片、套管和正负电极板，其中铌酸锂基片固定于套管的底部，单模传输光纤插入并固定于套管中，所述正负电极板固定于套管的上下两侧；套管中的单模传输光纤的芯层端面与铌酸锂基片之间具有空气间隙。本发明基于铌酸锂基片的Kerr效应(二次电光效应)，采用FP腔的两个反射面对光束反射形成的干涉条纹实现对电压的测量，具有结构简单、易于实现的特点；同时本发明提供的光纤法珀电压传感器，更便于微型化和小型化，可以实现长期稳定、准确的测量电压。
文档编号G01R19/00GK102323468SQ20111027119
公开日2012年1月18日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者冉曾令, 张汉坤, 饶云江 申请人:电子科技大学