專利名稱：一種光纖法珀電壓傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種測(cè)量電壓的光纖法珀(FP)電壓傳感器。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，對(duì)電的需求日益擴(kuò)大，電力系統(tǒng)的額定電壓和額定電流都大幅度提高和增加。與之相應(yīng)的，電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備的額定電壓和額定電流都提高得很快，因此必須生產(chǎn)和發(fā)展新型的高壓設(shè)備，電壓傳感器就是高壓設(shè)備中的一種。例如現(xiàn)代化高速電氣鐵路的供電安全是高速列車行車的重要保證。由于傳統(tǒng)的電壓傳感器采用的是電磁感應(yīng)原理，因而存在著抗電磁干擾能力差、 絕緣困難、故障狀態(tài)下易飽和、頻帶狹窄、大型沉重而必需的支撐架、因充油而有潛在的爆炸危險(xiǎn)等缺點(diǎn)。隨著電壓等級(jí)的升高，它們的體積、重量及造價(jià)也急劇增加，已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代電力工業(yè)的需要。電光效應(yīng)是指某些各向同性的透明物質(zhì)在電場(chǎng)作用下顯示出光學(xué)各向異性的效應(yīng)。電光效應(yīng)包括克爾(Kerr)效應(yīng)和泡克耳斯(Pockels)效應(yīng)。折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比改變的為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng)，1893年由德國(guó)物理學(xué)家泡克耳斯(Friedrich Carl Alwin Pockels, 1865-1913)發(fā)現(xiàn)。折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的為Kerr效應(yīng)或二次電光效應(yīng)，1875年由英國(guó)物理學(xué)家克爾(John kerr, 1824-1907)發(fā)現(xiàn)。光纖電壓傳感器，具有抗電磁干擾、測(cè)量精度高、耐過(guò)壓、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，因而很適合對(duì)高壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái)有關(guān)光纖電壓傳感器的研究發(fā)展十分迅速，已有的光纖電壓傳感器主要采用的是基于電光晶體Pockels效應(yīng)的透射式電壓傳感方式或者是利用材料的電致伸縮效應(yīng)引起微形變的傳感方式。現(xiàn)有的光纖電壓傳感器，結(jié)構(gòu)上往往需要四分之一波片或特殊設(shè)計(jì)的反射面，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、且實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所提供一種光纖法珀電壓傳感器，該電壓傳感器基于鈮酸鋰基片折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng))，采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是一種光纖法珀電壓傳感器，如圖1至4所示，包括單模傳輸光纖1、鈮酸鋰基片3、 套管4和正負(fù)電極板5 ；所述鈮酸鋰基片3固定于套管4的底部，所述單模傳輸光纖1的一端插入并固定于套管4中，所述正負(fù)電極板5固定于套管4的上下兩側(cè)；套管4中的單模傳輸光纖1的芯層端面與鈮酸鋰基片3之間具有空氣間隙2，所述空氣間隙2、套管4中的單模傳輸光纖1的芯層端面以及鈮酸鋰基片3中與空氣間隙2接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔；所述鈮酸鋰基片3本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔；所述正負(fù)電極板5的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。本發(fā)明的工作原理是本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器，當(dāng)傳感器正負(fù)電極板 5之間不加電壓時(shí)，測(cè)試光由單模傳輸光纖1傳輸、經(jīng)空氣介質(zhì)法珀腔和鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的反射面形成的干涉光的初始相位是固定的。當(dāng)給傳感器正負(fù)電極板5之間加上電壓的時(shí)候，由于電光效應(yīng)，鈮酸鋰晶體的折射率會(huì)隨著電壓的變化而變化(線性變化)，鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面所形成的干涉光的相位會(huì)隨著干涉光的相位變化而變化(線性變化)，進(jìn)而建立起干涉光的相位與正負(fù)電極板5之間的電壓(被測(cè)電壓)之間的線性關(guān)系， 最終通過(guò)測(cè)量鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面所形成的干涉光的相位，就可以得到被測(cè)電壓的大小。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣介質(zhì)法珀腔和鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的尺寸(主要是厚度和縱向剖面面積)可以調(diào)節(jié)整個(gè)光纖法珀電壓傳感器的靈敏度；空氣間隙2的主要作用是使得鈮酸鋰介質(zhì)法珀腔的兩個(gè)反射面(尤其是靠近單模傳輸光纖的反射面)能夠反射回更強(qiáng)的光信號(hào)(因?yàn)榭諝馀c鈮酸鋰之間的折射系數(shù)反差大于石英玻璃與鈮酸鋰的之間的折射系數(shù)反差)；另外，鈮酸鋰法珀腔對(duì)于溫度和電壓都有敏感特性，而空氣法珀腔腔只對(duì)溫度敏感，在相同環(huán)境下，通過(guò)解調(diào)出空氣腔的兩個(gè)反射面形成的干涉光的相位變化，這樣就可以排除溫度對(duì)于鈮酸鋰法珀腔的相位變化形成的干擾，從而可以排除溫度對(duì)于電壓測(cè)量的影響。本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器，基于鈮酸鋰基片折射率與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比改變的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng))，采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量，由于去除了基于電光晶體Pockels效應(yīng)的電壓傳感系統(tǒng)中所需的四分之一波片或特殊設(shè)計(jì)的反射面產(chǎn)生的相移，所以具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)； 同時(shí)本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器，更便于微型化和小型化，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量電壓。


圖1是本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之一。圖2是本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之二。圖3是本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之三。圖4是本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器剖面結(jié)構(gòu)示意圖之四。
具體實(shí)施例方式一種光纖法珀電壓傳感器，如圖1至4所示，包括單模傳輸光纖1、鈮酸鋰基片3、 套管4和正負(fù)電極板5 ；所述鈮酸鋰基片3固定于套管4的底部，所述單模傳輸光纖1的一端插入并固定于套管4中，所述正負(fù)電極板5固定于套管4的上下兩側(cè)；套管4中的單模傳輸光纖1的芯層端面與鈮酸鋰基片3之間具有空氣間隙，所述空氣間隙、套管4中的單模傳輸光纖1的芯層端面以及鈮酸鋰基片3中與空氣間隙接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔；所述鈮酸鋰基片3本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔；所述正負(fù)電極板5的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。實(shí)施例1:
1)在單模傳輸光纖1的端面上用157nm激光器加工一個(gè)圓柱形凹槽(即空氣間隙 2)，深度ΙΟμ 至IOmm之間；2)將套管4兩端切平，將加工好的單模傳輸光纖1插入套管4中，用膠水固定；3)在圓柱形凹槽和套管4外對(duì)接上鈮酸鋰基片3，鈮酸鋰基片3和套管4之間用膠水固定，圓柱形凹槽形成FP腔；4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5，與套管4位置保持固定，電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和，就制成了本發(fā)明的光纖法珀電壓傳感器，如圖1所示。實(shí)施例2 1)在單模傳輸光纖1的端面上用157nm激光器加工一個(gè)圓柱形凹槽(即空氣間隙 2)，深度ΙΟμ 至IOmm之間，2)將套管4兩端切平，在套管4的一端對(duì)接上與光纖端面大小相同的鈮酸鋰基片 3，用膠水固定；3)將加工好的單模傳輸光纖1插入套管4中，用膠水固定；4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5，與套管4位置保持固定，電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和，就制成了本發(fā)明的光纖法珀電壓傳感器，如圖2所示。實(shí)施例3 1)將套管4兩端切平；2)在套管4的一端對(duì)接上比單模傳輸光纖1端面大的鈮酸鋰基片3 ；3)將單模傳輸光纖1插入套管4中，并和鈮酸鋰基片3保持微小的距離，用膠水固定；4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5，與套管4位置保持固定，電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和，就制成了本發(fā)明的光纖法珀電壓傳感器，如圖3所示。實(shí)施例4 1)將套管4兩端切平；2)在套管4的一端對(duì)接上與單模傳輸光纖1端面大小相同的鈮酸鋰基片3 ；3)將單模傳輸光纖1插入套管4中，并和鈮酸鋰基片3保持微小的距離，用膠水固定；4)在套管4兩側(cè)添加正負(fù)電極板5，與套管4位置保持固定，電極板的面積大于兩個(gè)法珀(FP)腔的縱向剖面面積之和，就制成了本發(fā)明的光纖法珀電壓傳感器，如圖4所示。上述具體實(shí)施方式
中所述加工是采用157nm激光加工、飛秒激光加工、紅外激光加工或電子束刻蝕；所述對(duì)接是采用激光熔接、電弧熔接、或粘接。
權(quán)利要求
1.一種光纖法珀電壓傳感器，包括單模傳輸光纖(1)、鈮酸鋰基片C3)、套管(4)和正負(fù)電極板(5)；其特征在于，所述鈮酸鋰基片( 固定于套管(4)的底部，所述單模傳輸光纖(1)的一端插入并固定于套管中，所述正負(fù)電極板(5)固定于套管4的上下兩側(cè)；套管 (4)中的單模傳輸光纖(1)的芯層端面與鈮酸鋰基片(3)之間具有空氣間隙O)，所述空氣間隙O)、套管中的單模傳輸光纖(1)的芯層端面以及鈮酸鋰基片(3)中與空氣間隙(2)接觸的表面形成一個(gè)以空氣為介質(zhì)的法珀腔；所述鈮酸鋰基片( 本身形成一個(gè)以鈮酸鋰為介質(zhì)的法珀腔；所述正負(fù)電極板(5)的面積大于兩個(gè)法珀腔的縱向剖面的面積和。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法珀電壓傳感器，其特征在于，所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(1)端面開(kāi)出的圓柱形凹槽形成；所述鈮酸鋰基片( 的面積與所述套管(4)底部面積相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法珀電壓傳感器，其特征在于，所述空氣間隙O)由單模傳輸光纖(1)端面開(kāi)出的圓柱形凹槽形成；所述鈮酸鋰基片( 的面積與單模傳輸光纖 (1)的整體端面積相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法珀電壓傳感器，其特征在于，所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(1)的整體端面與鈮酸鋰基片( 之間的間隙形成；所述鈮酸鋰基片(3)的面積與所述套管(4)底部面積相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖法珀電壓傳感器，其特征在于，所述空氣間隙(2)由單模傳輸光纖(1)的整體端面與鈮酸鋰基片C3)之間的間隙形成；所述鈮酸鋰基片(3)的面積與所述單模傳輸光纖(1)的整體端面積相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的光纖法珀電壓傳感器，其特征在于，所述圓柱形凹槽的橫向截面積大于單模傳輸光纖(1)的芯層端面積、深度為10微米至10毫米之間。
全文摘要
一種光纖法珀電壓傳感器，屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。包括單模傳輸光纖、鈮酸鋰基片、套管和正負(fù)電極板，其中鈮酸鋰基片固定于套管的底部，單模傳輸光纖插入并固定于套管中，所述正負(fù)電極板固定于套管的上下兩側(cè)；套管中的單模傳輸光纖的芯層端面與鈮酸鋰基片之間具有空氣間隙。本發(fā)明基于鈮酸鋰基片的Kerr效應(yīng)(二次電光效應(yīng))，采用FP腔的兩個(gè)反射面對(duì)光束反射形成的干涉條紋實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)；同時(shí)本發(fā)明提供的光纖法珀電壓傳感器，更便于微型化和小型化，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定、準(zhǔn)確的測(cè)量電壓。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102323468SQ20111027119
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者冉曾令, 張漢坤, 饒?jiān)平?申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)