基于牛顿环偏振光栅与合并单元同步采样的光学电压传感器温漂噪声补偿方法

技术领域

本发明属于高电压测量技术领域，尤其涉及一种基于牛顿环偏振光栅与合并单元同步采样的光学电压传感器温漂噪声补偿方法。

背景技术

电压互感器作为电网一次侧的关键设备，其测量的准确性与稳定性对于电能计量、继电保护及电力系统调度运行具有重要意义。目前传统的电磁式电压互感器已经无法满足电力系统超高压化、大容量化趋势。近年来电子式互感器快速发展，从原理上有效克服了电磁式互感器的不足。其中光学电压互感器作为电子式互感器的主要分支，具有体积小、重量轻、绝缘性能好、动态范围大、频率响应宽等优点，展现出良好的应用前景。

然而，光学电压传感器长期运行的稳定性与可靠性难以满足实用要求，主要原因是电光晶体的应力线双折射这一问题始终未能解决。电光晶体的应力双折射来源主要包括：①生产工艺的影响使电光晶体中不可避免地含有一些杂质，并在生长、加工与退火过程中产生自然线性双折射。②晶体与棱镜、波片等器件的硬连接形成外部约束，温度变化时，由于不同材料的线膨胀系数不同而产生外部应力双折射；③晶体内的温度梯度导致各部分热胀冷缩程度不一，产生不均匀的内部应力应力双折射。电光晶体的应力线双折射具有明显的随机性，目前缺少有效的解决方法。

发明内容

针对温漂与震动在电光晶体和传输光纤中产生应力线双折射，并与电光相位延迟混叠一起，难以分离与补偿的问题。

基于牛顿环偏振光栅实现的光学电压传感器能够线性解调电光相位延迟，当存在应力线双折射时，光学电压传感器的输出为电光相位延迟与应力线双折射的线性叠加。利用合并单元同步采样获得光学电压传感器的输出信号，以确定待测交流电压的过零时刻，此时电光相位延迟为零，光学电压传感器输出信号即为应力线双折射，可以将其检测出来并予以消除。

光学电压传感器基于线性测量模式，可以在交流电压过零时将应力线双折射提取出来并加以补偿。光学电压传感器能够线性解调电光相位延迟，当存在应力线双折射时，其输出结果为电光相位延迟与应力线双折射的线性叠加。根据Pockels效应，当待测交流电压过零时，电光晶体的电光相位延迟也为零，此时光学电压传感器输出信号即为应力线双折射。利用合并单元同步采样的方法确定待测交流电压的过零时刻，得到此时的应力线双折射并予以消除。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于牛顿环偏振光栅与合并单元同步采样的光学电压传感器温漂噪声补偿方法，其特征在于：基于牛顿环偏振光栅对光学电压传感器线性解调电光相位延迟，当存在应力线双折射时，光学电压传感器的输出为电光相位延迟与应力线双折射的线性叠加；利用合并单元同步采样获得光学电压传感器的输出信号，以确定待测交流电压的过零时刻，此时电光相位延迟为零，光学电压传感器输出信号即为应力线双折射，将其检测出来并予以消除。

其具体实现过程包括：激光源(1)发出的光信号经过起偏器(2)得到线偏振光；在外加电场作用下电光晶体(3)变成双轴晶体，线偏振光进入晶体后沿感应轴方向分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光，并产生电光相位延迟

从1/4波片出射的线偏振光经过牛顿环偏振光栅(5)检偏，其环形光斑暗纹中心位置对应线偏振光的偏振面，并随电光相位延迟同步旋转；通过四象限探测器(6)检测出射环形光斑(7)的旋转角度，即实现对相位延迟的直接与线性测量；根据Pockels效应，当待测交流电压过零时，

本发明及其优选方案针对性地解决了温漂与震动在电光晶体和传输光纤中产生应力线双折射，并与电光相位延迟混叠一起，难以分离与补偿的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明实施例基于牛顿环偏振光栅与合并单元同步采样的光学电压传感器应力线双折射补偿方法原理图；

图2是本发明实施例光学电压传感器输出光斑图；

其中1为激光器，2为起偏器，3为电光晶体，4为1/4波片，5为牛顿环偏振光栅，6为四象限探测器，7为光学电压传感器输出光斑，8为同步采样单元，9为同步采样单元得到的交流电压波形，10为电光相位延迟为零时对应的环形光斑，11为应力双折射对应的环形光斑。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本说明书使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

以下结合附图对本实施例方案作进一步的具体介绍：

如图1所示，为实现本发明所设计的方案，本实施例中，激光源1发出的光信号经过起偏器2得到线偏振光。在外加电场作用下电光晶体3变成双轴晶体，线偏振光进入晶体后沿感应轴方向分解为两个偏振方向正交的线偏振光o光和e光，并产生电光相位延迟

以下基于琼斯矩阵对本实施例应力线双折射的补偿原理进行验证。

入射光经过偏振片起偏，偏振方向平行于x轴，偏振光电矢量E为：

其中A表示入射光强。

假设电光相位延迟为

1/4波片的琼斯矩阵为：

入射光经过电光晶体与1/4波片后，琼斯矢量E

可见E

因此α与

通过检测出射环形光斑的旋转角度α，即可实现对

因此光学电压传感器测量结果为

其中U

本实施例基于合并单元同步采样方法获得光学电压传感器的输出信号，通过全站合并单元接入统一同步时钟实现采样，具有较高的同步精度，由此确定待测交流过零点。

结合以上设计，本实施例提供一个具体测试实例：

激光器采用808nm、输出功率为10mW的激光器作为光源，其光斑大小为10mm。电光晶体为001面锗酸铋圆柱形晶体，直径为10mm，长度为50mm，半波电压为41.3kV。采用型号为OSQ100-IC的四象限探测器采集出射光斑图像；采用高低温交变湿热试验箱提供不同的温度环境，温度范围-40℃～85℃，温度波动度±0.5℃。实例中将光学电压传感器的光路置于温箱内胆中，在-40℃～85℃范围内进行温度循环实验。利用过零检测电路检测过零点，确定每个周期的应力线双折射引入并进行补偿。最后通过校验仪记录光学电压传感器的基本准确度，如表1所示。在温度循环条件下光学电压传感器能够满足0.5级准确度要求。

表1基本准确度实验数据

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，都属于本发明保护的范围。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于牛顿环偏振光栅与合并单元同步采样的光学电压传感器温漂噪声补偿方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。