一种光学电压传感器的应力线双折射补偿方法

技术领域

本发明涉及一种光学电压传感器的应力线双折射补偿方法，属于光学电压传感器校正技术领域。

背景技术

光学电压传感器是电子式互感器中的一种，与传统电磁式电压互感器比较，其具有响应速度快、无暂态磁饱和、体积小、重量轻、安全可靠等优点，展现出了良好的应用前景。但是，现有光学电压传感器的长期运行稳定性与可靠性难以满足实用要求，究其原因是因为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，损害了光学电压传感器测量的准确性。

研究学者提出采用双晶体法来解决电光晶体的应力线性双折射问题，其补偿原理是将第一块晶体中传播的e光和o光进入第二块晶体时经半波片的调制而位置互换，使温度变化产生的附加相位延迟相互抵消、电光相位延迟不变。这一方法要求两块晶体的光学特性完全一致，考虑到热应力双折射的随机性和温度场的分散性与不确定性，这一要求难以满足。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种光学电压传感器的应力线双折射补偿方法。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提出一种光学电压传感器的应力线双折射补偿方法，所述光学电压传感器包括依次设置位于同一光路上的激光器、起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，所述方法包括以下步骤：

利用激光器发出光信号，依次经过起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，在待测电压作用下，输出信号叠加了电光相位延迟与应力线双折射产生的附加相位延迟，形成同步旋转的会聚锥光干涉光斑；

检测待测交流电压的电压峰值时刻，在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟；

通过计算出的应力线双折射产生的附加相位延迟对光学电压传感器的输出信号进行补偿。

作为优选实施方式，所述在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟的具体步骤为：

获取会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度α；

确定电光相位延迟、应力线双折射产生的附加相位延迟的旋转角度与会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度之间的关系为：

其中，

根据Pockels效应，待测交流电压U与

其中，U

当待测交流电压到达峰值时，

作为优选实施方式，采用峰值检测电路检测所述待测交流电压的电压峰值时刻。

另一方面，本发明还提出一种光学电压传感器的应力线双折射补偿系统，所述光学电压传感器包括依次设置位于同一光路上的激光器、起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，所述系统包括：

启动模块，用于利用激光器发出光信号，依次经过起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，在待测电压作用下，输出信号叠加了电光相位延迟与应力线双折射产生的附加相位延迟，形成同步旋转的会聚锥光干涉光斑；

应力线双折射确定模块，用于检测待测交流电压的电压峰值时刻，在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟；

补偿模块，用于通过计算出的应力线双折射产生的附加相位延迟对光学电压传感器的输出信号进行补偿。

作为优选实施方式，所述应力线双折射确定模块具体包括：

光斑旋转角度获取单元，用于获取会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度α；

线性关系确定单元，用于确定电光相位延迟、应力线双折射产生的附加相位延迟的旋转角度与会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度之间的关系为：

其中，

应力线双折射计算单元，用于根据Pockels效应，待测交流电压U与

其中，U

当待测交流电压到达峰值时，

作为优选实施方式，采用峰值检测电路检测所述待测交流电压的电压峰值时刻。

再一方面，本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的光学电压传感器的应力线双折射补偿方法。

再一方面，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的光学电压传感器的应力线双折射补偿方法。

本发明具有如下有益效果：

本发明一种光学电压传感器的应力线双折射补偿方法，根据Pockels效应，当待测交流电压到达峰值时，电光相位延迟为固定值，此时光学电压传感器输出信号与电光相位延迟之差即为应力线双折射，确定待测交流电压的峰值时刻，在该时刻将应力线双折射检测出来，实现对应力线双折射的补偿。

附图说明

图1为本发明实施例一的方法流程图；

图2为本发明实施例进行应力线双折射补偿的原理图；

图3为本发明实施例中光学电压传感器出射光强分布的计算坐标示例图；

图4为本发明实施例中不同的出射光斑仿真图像示例图；

图5为本发明实施例中峰值检测电路的原理图。

图中附图标记为：

1、激光器；2、起偏器；3、电光晶体；4、四分之一波片；5、第一棱镜；6、单轴晶体；7、第二棱镜；8、检偏器；9、会聚锥光干涉光斑；10、峰值检测电路；11、标准干涉光斑；12、误差干涉光斑。

具体实施方式

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作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。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例一：

参见图1和图2，本实施例提出一种基于会聚偏光干涉与峰值检测电路的光学电压传感器应力线双折射补偿方法，所述光学电压传感器包括依次设置位于同一光路上的激光器1、起偏器2、电光晶体3、四分之一波片4、第一棱镜5、单轴晶体6、第二棱镜7和检偏器8，所述应力线双折射补偿方法包括以下步骤：

S100、利用激光器1发出光信号，经过起偏器2得到线偏振光，在待测电场调制下，线偏振光通过电光晶体3后产生相位延迟，其中相位延迟包括在待测交流电场作用下晶体产生的电光相位延迟、以及在应力线双折射引入的附加相位延迟。从电光晶体3出射的光矢经过四分之一波片4后由椭圆偏振光合成为线偏振光，并将相位延迟转换为线偏振光偏振面的旋转角度；四分之一波片的出射光由第一棱镜5会聚形成锥光，并沿不同角度入射单轴晶体6，再通过第二棱镜7和检偏器8后，输出叠加了电光相位延迟与应力线双折射产生的附加相位延迟的会聚锥光干涉光斑9；干涉光斑的消光影(暗纹)位置对应线偏振光的偏振面，随相位延迟的变化而同步旋转。

S200、通过峰值检测电路10检测待测交流电压的电压峰值时刻，具体地，本实施例采用的峰值检测电路10如附图5所示。其原理如下：交流电压的峰值到来之前，输入信号的幅值上升，控制采保电路工作在采样模式，输出跟随输入；峰值到来后输入信号开始下降，控制采保电路工作在保持模式，输出保持峰值；峰值一直保持到谷值处，输入信号又开始上升，电路再由保持模式转为采样模式，等待检测下一个峰值。

在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟，如图2所示，仅由电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度产生的图像为标准干涉光斑11，而叠加了应力线双折射产生的附加相位延迟后，会产生误差干涉光斑12。

其中，所述在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟的原理具体为：

起偏器2的透光轴平行于x轴。设光强振幅为1，入射线偏振光的电矢量E

设电光相位延迟为

计及温漂与震动引入的应力双折射γ，上式改写为：

四分之一波片4的快轴、慢轴分别与x、y轴平行，琼斯矩阵W为：

入射线偏振光经过电光晶体3和四分之一波片4后，琼斯矢量为：

出射四分之一波片4的线偏振光与x轴的夹角

因此，

构建如附图3所示的坐标系，P

式中δ可表示为：

式中，l为单轴晶体6沿通光方向的厚度。在x-y坐标系下，式(9)可变化为：

透过检偏器8后的琼斯矢量为：

所以输出光强I

对式(12)求偏导，得到出射光强最大值或最小值的位置，其中光强最小值与消光影相对应：

令式(13)为零，且由于sin

θ

式中，θ

θ

结合式(7)和(15)，得

通过Matlab仿真光学电压传感器的输出光斑，如附图4所示。可见随着

其中U

S300、通过计算出的应力线双折射产生的附加相位延迟对光学电压传感器的输出信号进行补偿。

本实施例中，激光器1采用分布式反馈半导体光源(CLD1015)，中心波长为980nm，光斑直径为4mm，输出功率为30mW；电光晶体3采用BGO，尺寸为Φ10×50mm

为验证本实施例提出的方法的有效性，还进行了具体试验，试验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℃485℃，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℃485℃范围内进行温度循环实验。利用峰值检测电路确定每个周期的待测电压峰值，从而计算出应力线双折射并进行补偿。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

基于以上实施例内容，本实施例提供的方法基于线性测量模式，可以在交流电压峰值时刻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，当待测交流电压到达峰值时，电光相位延迟为固定值(90°)，此时光学电压传感器输出信号与电光相位延迟之差即为应力线双折射。利用峰值检测电路确定待测交流电压的峰值时刻，可以将应力线双折射检测出来并予以消除。

实施例二：

本实施例提出一种光学电压传感器的应力线双折射补偿系统，所述光学电压传感器包括依次设置位于同一光路上的激光器、起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，所述系统包括：

启动模块，利用激光器发出光信号，依次经过起偏器、电光晶体、四分之一波片、第一棱镜、单轴晶体、第二棱镜和检偏器，在待测电压作用下，输出信号叠加了电光相位延迟与应力线双折射产生的附加相位延迟，形成同步旋转的会聚锥光干涉光斑；该模块用于实现实施例一中步骤S100的功能，在此不再赘述；

应力线双折射确定模块，用于检测待测交流电压的电压峰值时刻，在电压峰值时刻获取会聚锥光干涉光斑的旋转角度，根据此时会聚锥光干涉光斑的旋转角度与电光相位延迟在电压峰值时刻的标准旋转角度计算应力线双折射产生的附加相位延迟；该模块用于实现实施例一中步骤S200的功能，在此不再赘述；

补偿模块，用于通过计算出的应力线双折射产生的附加相位延迟对光学电压传感器的输出信号进行补偿；该模块用于实现实施例一中步骤S300的功能，在此不再赘述。

作为本实施例的优选实施方式，所述应力线双折射确定模块具体包括：

光斑旋转角度获取单元，用于获取会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度α；

线性关系确定单元，用于确定电光相位延迟、应力线双折射产生的附加相位延迟的旋转角度与会聚锥光干涉光斑的光斑消光影的旋转角度之间的关系为：

其中，

应力线双折射计算单元，用于根据Pockels效应，待测交流电压U与

其中，U

当待测交流电压到达峰值时，

作为本实施例的优选实施方式，采用峰值检测电路检测所述待测交流电压的电压峰值时刻。

实施例三：

本实施例提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明任一实施例所述的方法。

实施例四：

本实施例提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明任一实施例所述的方法。

本申请实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，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、同时存在A和B、单独存在B的情况。其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项”及其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b和c中的至少一项可以表示：a，b，c，a和b，a和c，b和c或a和b和c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

本领域普通技术人员可以意识到，本文中公开的实施例中描述的各单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，任一功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory；以下简称：ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory；以下简称：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。