一种场强探测系统的制作方法

本实用新型属于场强探测技术领域，具体地，涉及一种可无源和长距离探测使用探头的场强探测系统。

背景技术：

场强计是一种用于采集探头所处位置电场强度的常用电工设备，主要适用于诸如测量高压输变电系统、配电室、感应炉、地铁、电动机车、医疗设备、烘干设备以及计算机等具有电磁辐射的作业场所。但是现有的场强计探头还存在如下不足：以德国的纳射频达ef1891型电场探头为例，其只能测试低电场，并需要有源使用，无法进行长距离测试，同时探头尺寸也较大，适用空间受到限制。

技术实现要素：

为了解决当前电场探头因需要有源使用而无法进行长距离测试的问题，本实用新型目的在于提供一种可无源和长距离探测使用探头的新型场强探测系统。

本实用新型所采用的技术方案为：

一种场强探测系统，包括计算机、频谱仪、场强计主机和场强计探头，其中，所述计算机通信连接所述频谱仪；

所述场强计主机包括直流电源、可调谐光源、光学环形器、三选一光路开关、光分器、光功率计和光电探测器，还包括嵌设在主机外壳上的计算机通信接口、频谱仪通信接口和三路独立的单模光纤接口，其中，所述可调谐光源的输出端光路连通所述光学环形器的第一环形端口，所述光学环形器的第二环形端口光路连通所述三选一光路开关的公共端口，所述三选一光路开关的三个分路端口分别一一对应地光路连通各个单模光纤接口，所述光学环形器的第三环形端口光路连通所述光分器的输入端，所述光分器的主分光支路输出端口光路连通所述光功率计的输入端，所述光分器的次分光支路输出端口光路连通所述光电探测器的输入端，所述计算机通信接口分别通信连接所述可调谐光源和所述三选一光路开关的受控端，所述计算机通信接口还分别通信连接所述光功率计的输出端和所述计算机，所述频谱仪通信接口分别通信连接所述光电探测器的输出端和所述频谱仪；

所述场强计探头包括三棱柱、波导电光调制片和单模光纤，其中，所述三棱柱由绝缘材质制成且横截面为等边三角形，所述波导电光调制片的数目为三个且分别呈条形，所述单模光纤的数目为三根且分别与所述波导电光调制片一一对应，所述单模光纤还分别一一对应地光路连通所述场强计主机中的各个单模光纤接口；

所述三棱柱的三个侧面分别一一对应地平行设置有所述波导电光调制片，并使所述波导电光调制片的条形方向与所述三棱柱的轴心线平行；

所述波导电光调制片内置有由第一波导臂支路和第二波导臂支路构成的光波导y形分支、一对平行电极板和一对相背设置的锥形天线，并在所述波导电光调制片的条形端面设置有反射膜，其中，所述第一波导臂支路和所述第二波导臂支路的传输路径相同且分别延伸至所述反射膜，并使所述第二波导臂支路穿过位于两平行电极板之间的空间，两平行电极板分别平行于所述三棱柱的轴心线且垂直于对应侧面，两平行电极板还分别电连接一个所述锥形天线的锥形底部，并使两锥形天线的锥形平面分别与所述三棱柱的轴心线平行，以及使两锥形天线的中心线重合且分别与所述三棱柱的轴心线的夹角为35.3度；

所述单模光纤的端部插入对应的所述波导电光调制片中且光路连通至所述第一波导臂支路与所述第二波导臂支路的y形分叉点。

优化的，在所述光分器的次分光支路输出端口与所述光电探测器的输入端之间串联有光信号放大器，其中，所述光信号放大器为掺铒光纤放大器。

优化的，在所述光电探测器的输出端与所述频谱仪通信接口之间串联有低噪声放大器。

优化的，在所述三棱柱的三个侧面上分别开设有用于与对应波导电光调制片相配合的条形槽，并使所述波导电光调制片固定嵌设在对应的条形槽中。

优化的，在所述三棱柱的三个侧面上分别一一对应地标注有x轴标识、y轴标识和z轴标识。

优化的，所述三棱柱的横截面为边角钝化的等边三角形。

优化的，所述波导电光调制片为铌酸锂晶体片。

本实用新型的有益效果为：

(1)本发明创造提供了一种可无源和长距离探测使用探头的新型场强探测系统，即一方面通过对场强计探头的结构设计，可基于片状材质的电光效应实现空间电场信号在光波信号上的调制目的，并分别得到在x轴、y轴和z轴方向上的光电调制结果，完成三维全向的高性能电磁脉冲场测量，使得在整个探头结构中，无需配置有源供电部分，也可实现无源和长距离探测使用目的，并利于探头小型化设计，减小适用空间需求；另一方面还配置了用于配合无源式场强计探头的场强计主机、频谱仪及计算机，不但可提供光学方法测量电场所需的光载波，还可对带有被测电场信息的光信号进行光功率测量、光电转换以及场强幅度和变化频率的测量，获取测量数据，最终完备了基于光学方法测量电场的场强探测系统；

(2)所述场强探测系统还具有测试场强高、大带宽、高稳定度、组装方便和结构简单等优点，便于实际应用和推广。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型提供的场强探测系统的结构示意图。

图2是本实用新型提供的场强计探头的外部结构示意图。

图3是本实用新型提供的在场强计探头中波导电光调制片的内部结构示意图。

上述附图中：1-计算机；2-频谱仪；3-场强计主机；30-直流电源；31-可调谐光源；32-光学环形器；33-三选一光路开关；34-光分器；35-光功率计；36-光电探测器；37-光信号放大器；38-低噪声放大器；391-计算机通信接口；392-频谱仪通信接口；393-单模光纤接口；4-场强计探头；41-三棱柱；411-条形槽；412-光纤固定槽；413-光纤连通槽；42-波导电光调制片；421-第一波导臂支路；422-第二波导臂支路；423-平行电极板；424-锥形天线；425-反射膜；43-单模光纤；431-光纤固定体。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例来对本实用新型作进一步阐述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明虽然是用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本实用新型的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本实用新型，并且不应当理解为本实用新型限制在本文阐述的实施例中。

应当理解，尽管本文可能使用术语第一、第二等等来描述各种单元，但是这些单元不应当受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个单元和另一个单元。例如可以将第一单元称作第二单元,并且类似地可以将第二单元称作第一单元，同时不脱离本实用新型的示例实施例的范围。

应当理解，对于本文中可能出现的术语“和/或”，其仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，单独存在b，同时存在a和b三种情况；对于本文中可能出现的术语“/和”，其是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，a/和b，可以表示：单独存在a，单独存在a和b两种情况；另外，对于本文中可能出现的字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。

应当理解，在本文中若将单元称作与另一个单元“连接”、“相连”或“耦合”时，它可以与另一个单元直相连接或耦合，或中间单元可以存在。相対地，在本文中若将单元称作与另一个单元“直接相连”或“直接耦合”时，表示不存在中间单元。另外，应当以类似方式来解释用于描述单元之间的关系的其他单词(例如，“在……之间”对“直接在……之间”,“相邻”对“直接相邻”等等)。

应当理解，本文使用的术语仅用于描述特定实施例，并不意在限制本实用新型的示例实施例。若本文所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”意在包括复数形式，除非上下文明确指示相反意思。还应当理解，若术语“包括”、“包括了”、“包含”和/或“包含了”在本文中被使用时,指定所声明的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在性,并且不排除一个或多个其他特征、数量、步骤、操作、单元、组件和/或他们的组合存在性或增加。

应当理解，还应当注意到在一些备选实施例中，所出现的功能/动作可能与附图出现的顺序不同。例如,取决于所涉及的功能/动作,实际上可以实质上并发地执行,或者有时可以以相反的顺序来执行连续示出的两个图。

应当理解，在下面的描述中提供了特定的细节,以便于对示例实施例的完全理解。然而,本领域普通技术人员应当理解可以在没有这些特定细节的情况下实现示例实施例。例如可以在框图中示出系统，以避免用不必要的细节来使得示例不清楚。在其他实例中，可以不以不必要的细节来示出众所周知的过程、结构和技术，以避免使得示例实施例不清楚。

实施例一

如图1～3所示，本实施例提供的所述场强探测系统，包括计算机1、频谱仪2、场强计主机3和场强计探头4，其中，所述计算机1通信连接所述频谱仪2。

所述场强计主机3包括直流电源30、可调谐光源31、光学环形器32、三选一光路开关33、光分器34、光功率计35和光电探测器36，还包括嵌设在主机外壳上的计算机通信接口391、频谱仪通信接口392和三路独立的单模光纤接口393，其中，所述可调谐光源31的输出端光路连通所述光学环形器32的第一环形端口，所述光学环形器32的第二环形端口光路连通所述三选一光路开关33的公共端口，所述三选一光路开关33的三个分路端口分别一一对应地光路连通各个单模光纤接口393，所述光学环形器32的第三环形端口光路连通所述光分器34的输入端，所述光分器34的主分光支路输出端口光路连通所述光功率计35的输入端，所述光分器34的次分光支路输出端口光路连通所述光电探测器36的输入端，所述计算机通信接口391分别通信连接所述可调谐光源31和所述三选一光路开关33的受控端，所述计算机通信接口391还分别通信连接所述光功率计35的输出端和所述计算机1，所述频谱仪通信接口392分别通信连接所述光电探测器36的输出端和所述频谱仪2。

所述场强计探头4包括三棱柱41、波导电光调制片42和单模光纤43，其中，所述三棱柱41由绝缘材质制成且横截面为等边三角形，所述波导电光调制片42的数目为三个且分别呈条形，所述单模光纤43的数目为三根且分别与所述波导电光调制片42一一对应，所述单模光纤43还分别一一对应地光路连通所述场强计主机3中的各个单模光纤接口393；所述三棱柱41的三个侧面分别一一对应地平行设置有所述波导电光调制片42，并使所述波导电光调制片42的条形方向与所述三棱柱41的轴心线平行；所述波导电光调制片42内置有由第一波导臂支路421和第二波导臂支路422构成的光波导y形分支、一对平行电极板423和一对相背设置的锥形天线424，并在所述波导电光调制片42的条形端面设置有反射膜425，其中，所述第一波导臂支路421和所述第二波导臂支路422的传输路径相同且分别延伸至所述反射膜425，并使所述第二波导臂支路422穿过位于两平行电极板423之间的空间，两平行电极板423分别平行于所述三棱柱41的轴心线且垂直于对应侧面，两平行电极板423还分别电连接一个所述锥形天线424的锥形底部，并使两锥形天线424的锥形平面分别与所述三棱柱41的轴心线平行，以及使两锥形天线424的中心线重合且分别与所述三棱柱41的轴心线的夹角为35.3度；所述单模光纤43的端部插入对应的所述波导电光调制片42中且光路连通至所述第一波导臂支路421与所述第二波导臂支路422的y形分叉点。

如图1所示，在所述场强计主机3的具体结构中，所述直流电源30用于实现ac/dc转换，为主机内部的其它耗电模块(例如所述可调谐光源31、所述三选一光路开关33、所述光功率计35和所述光电探测器36等)提供所需的各类直流电源，其可采用现有的直流电源电路实现。所述可调谐光源31用于在外部计算机的控制下(即通过所述计算机通信接口391输入控制指令)，提供波长可变和/或输出功率可调的激光；所述可调谐激光源31为现有常规器件，满足各种所需。

如图1所示，所述光学环形器32为现有的常规三端口器件，可使光波只能沿一个方向传播：即光信号若从第一环形端口输入，则从第二环形端口输出；而若从第二环形端口输入，则将从第三环形端口输出；如此即可向所述三选一光路开关33输出来自所述可调谐光源31的光载波，还可向所述光分器34输出来自所述三选一光路开关33且经过所述场强计探头4返回的调制光信号(即带有被测电场信息的光信号)。所述三选一光路开关33用于在外部计算机的控制下(即通过所述计算机通信接口391输入控制指令)，选择导通一个所述单模光纤接口393，以便分别利用场强计探头4中的三个波导电光调制片42(用于分别得到在x轴、y轴和z轴方向上的光电调制结果，完成三维全向的高性能电磁脉冲场测量)，使对应轴方向测得的电场值直接调制到光载波上；其可采用现有的光开关实现。所述单模光纤接口393用于通过单模光纤43光路连通场强计探头4(其作为无源式场强计探头)中的波导电光调制片42，其中，所述波导电光调制片42用于作为直接完成电场测量的基本元件，利用光学方法测量电场，即在导入光载波后可基于电光效应实现空间电场信号在光波信号上的调制目的，并返回带有被测电场信息的光信号。

如图2～3所示，在所述场强计探头4的具体结构中，所述三棱柱41用于作为三个所述波导电光调制片42的承载体，可以但不限于由玻璃或陶瓷等绝缘材质制成；为了进一步利于探头小型化，缩小探头的物理尺寸，所述三棱柱41的横截面优选为边角钝化的等边三角形，具体物理尺寸可举例如下：所述三棱柱41的外接圆直径为φ20mmx60mm。所述波导电光调制片42用于基于片状材质的电光效应，实现空间电场信号在光波信号上的调制目的，使得通过所述单模光纤43能够返回反映电场强度的电光调制信号，其工作原理具体如下：(1)先通过所述单模光纤43将探测激光(即光波)导入至所述光波导y形分支的分叉点，使光波分别在两波导臂支路(即第一波导臂支路421和第二波导臂支路422)中传输；(2)当空间电场到来时，所述锥形天线424会接收空间电场并在两平行电极板423之间形成感应电场，同时由于片状材质的电光效应，在所述第二波导臂支路422中传输的光波将会受到调制，从而使得在两波导臂支路中传输的光波会产生与空间电场相关的相位差；(3)最后两波导臂支路中的光波将同时(因两波导臂支路的传输路径相同)被所述反射膜425反射回至所述光波导y形分支的分叉点，进而发生光波干涉效应，将光相位变化转换成光强度变化，实现空间电场信号在光波信号上的调制目的。由于所述三棱柱41的横截面为等边三角形，以及两平行电极板423分别平行于所述三棱柱41的轴心线且垂直于对应侧面，以及两锥形天线424的锥形平面分别与所述三棱柱41的轴心线平行，以及两锥形天线424的中心线重合且分别与所述三棱柱41的轴心线的夹角为35.3度，通过空间几何关系，可确保任意两锥形天线424的中心线相互垂直，进而可利用三个不同的波导电光调制片42，分别得到在x轴、y轴和z轴方向(它们也两两垂直)上的光电调制结果。此外，所述波导电光调制片42优选为铌酸锂晶体片。

如图1所示，所述光分器34用于按照功率比分离出两路光信号(均为带有被测电场信息的光信号)，以便一路光信号(即主分光支路的光信号)进行光功率检测，另一路光信号(即次分光支路的光信号)进行光电转换；具体的，在所述光分器34中主分光支路与次分光支路的分光功率之比优选为95：5。所述光功率计35用于测量光信号功率，并将测量结果传送至外部计算机(即通过所述计算机通信接口391实现)。所述光电探测器36用于对带有被测电场信息的光信号进行光电转换，并将转换得到的电信号(此电信号的变化对应被测电场或电磁脉冲场的变化)传送至外部频谱仪(即通过所述频谱仪通信接口392实现)。所述计算机通信接口391用于通信连接外部的计算机1，其可以但不限于包括usb接口(universalserialbus，通用串行总线)和/或hub接口(即集线器，是局域网中使用的连接设备，它具有多个端口，可连接多台计算机)等。所述频谱仪通信接口392用于通信连接外部的频谱仪2，其可以但不限于包括gpib接口(general-purposeinterfacebus，通用接口总线，是一种设备和计算机连接的总线)和/或并行接口等。所述频谱仪2用于对来自所述光电探测器36的电信号进行幅度和频率检测，并将得到的检测结果传送至所述计算机1；其可以采用现有的频谱仪设备实现。所述计算机1用于运行上位机软件(其可以基于现有的常规控制方法及测量分析方法进行非创造性的改动得到)，实现对所述频谱仪2的控制，对测量过程的控制(包括常规的校准判断、可调谐光源的频率及功率设置和光开关的切换控制等)，并获取来自所述光功率计35和所述频谱仪2的测量数据，最后进行数据存储和展示。

由此通过前述场强探测系统的详细结构描述，提供了一种可无源和长距离探测使用探头的新型场强探测系统，即一方面通过对场强计探头的结构设计，可基于片状材质的电光效应实现空间电场信号在光波信号上的调制目的，并分别得到在x轴、y轴和z轴方向上的光电调制结果，完成三维全向的高性能电磁脉冲场测量，使得在整个探头结构中，无需配置有源供电部分，也可实现无源和长距离探测使用目的，并利于探头小型化设计，减小适用空间需求；另一方面还配置了用于配合无源式场强计探头的场强计主机、频谱仪及计算机，不但可提供光学方法测量电场所需的光载波，还可对带有被测电场信息的光信号进行光功率测量、光电转换以及场强幅度和变化频率的测量，获取测量数据，最终完备了基于光学方法测量电场的场强探测系统。

优化的，在所述光分器34的次分光支路输出端口与所述光电探测器36的输入端之间串联有光信号放大器37。如图1所示，所述光信号放大器37用于对光信号进行放大，以便后续能够有效进行光电转换，具体的，可采用掺铒光纤放大器作为对光信号进行放大的有源光器件。

优化的，在所述光电探测器36的输出端与所述频谱仪通信接口392之间串联有低噪声放大器38。如图1所示，所述低噪声放大器38用于对光电转换结果进行低噪声放大，以便转换得到的电信号能够有效输出，其可以采用现有的低噪声放大电路实现。

优化的，在所述三棱柱41的三个侧面上分别开设有用于与对应波导电光调制片42相配合的条形槽411，并使所述波导电光调制片42固定嵌设在对应的条形槽411中。如图2所示，通过前述条形槽411的设计，可方便在所述三棱柱41上固定安装所述波导电光调制片42，同时还不影响整体的探头尺寸，确保适用范围。

优化的，所述单模光纤43的外周套设有光纤固定体431，以及在所述三棱柱41的三个侧面上分别开设有用于与对应光纤固定体431相配合的光纤固定槽412，并使所述光纤固定体431固定嵌设在对应的光纤固定槽412中。如图2所示，通过前述光纤固定槽412的设计，可方便在所述三棱柱41上固定安装所述光纤固定体431及所述单模光纤43。进一步优化的，还可在各个侧面上开设有用于连通对应条形槽411与对应光纤固定槽412的光纤连通槽413；所述单模光纤43的端部在穿过对应的光纤连通槽413后，插入对应的所述波导电光调制片42中。此外，所述条形槽411与对应的光纤固定槽412分别相背地延伸至所述三棱柱41的两端面。

优化的，在所述三棱柱41的三个侧面上分别一一对应地标注有x轴标识、y轴标识和z轴标识。

综上，采用本实施例所提供的场强探测系统，具有如下技术效果：

(1)本实施例提供了一种可无源和长距离探测使用探头的新型场强探测系统，即一方面通过对场强计探头的结构设计，可基于片状材质的电光效应实现空间电场信号在光波信号上的调制目的，并分别得到在x轴、y轴和z轴方向上的光电调制结果，完成三维全向的高性能电磁脉冲场测量，使得在整个探头结构中，无需配置有源供电部分，也可实现无源和长距离探测使用目的，并利于探头小型化设计，减小适用空间需求；另一方面还配置了用于配合无源式场强计探头的场强计主机、频谱仪及计算机，不但可提供光学方法测量电场所需的光载波，还可对带有被测电场信息的光信号进行光功率测量、光电转换以及场强幅度和变化频率的测量，获取测量数据，最终完备了基于光学方法测量电场的场强探测系统；

(2)所述场强探测系统还具有测试场强高、大带宽、高稳定度、组装方便和结构简单等优点，便于实际应用和推广。

以上所描述的多个实施例仅仅是示意性的，若涉及到作为分离部件说明的单元，其可以是或者也可以不是物理上分开的；若涉及到作为单元显示的部件，其可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

最后应说明的是，本实用新型不局限于上述可选的实施方式，任何人在本实用新型的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本实用新型的保护范围的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。