VOLTAGE METER BASED ON POCKELS EFFECT
ИЗМЕРИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ПОККЕЛЬСА

Область техники
Изобретение относится к области электроэнергетики и может найти применение в измерительной технике высоких напряжений.
Уровень техники
Известны оптические измерители (датчики, чувствительные элементы) напряжений, использующие эффект Поккельса [RU 2121147, RU 2539130, US 8233754, JP 4102106, ЕР 682261].
В качестве прототипа выбран патент ЕР 682261, поскольку в нем, как и в предлагаемом решении, используется двойное прохождение (прямое и отраженное) лазерного луча через электрооптический элемент, обладающий эффектом Поккельса.
Прототип содержит измерительный модуль с двумя фотоприемниками, связанными через оптоволоконные линии с сенсором на электрооптическом (ЭО) кристалле, к торцам которого прикладывается электрическое напряжение. На одном из торцов ЭО кристалла сенсора установлено отражающее зеркало, а со стороны другого торца кристалла размещены оптические элементы, разделяющие отраженное излучение на две поляризационные моды, регистрируемые фотоприемниками измерительного модуля.
Недостаток прототипа - большая погрешность измерений, вызванная собственным двупреломлением в элементах оптического тракта прототипа: оптических волокнах и ЭО кристалле.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - повышение точности измерений.
Указанный недостаток устранен в предлагаемом решении, благодаря тому что в нем скомпенсированы собственные двупреломления как электрооптического элемента, так и оптоволоконной линии, связывающей сенсор с удаленным от него фотоприемником.
Совокупность признаков измерителя напряжения на основе эффекта Поккельса, обеспечивающая получение указанного технического результата, включает модуль обработки, связанный через оптоволоконную линию с сенсором, в состав которого входят кварцевая колонна с торцевыми электродами, 45°-й вращатель Фарадея, коллиматор и сферическое зеркало, установленные на противоположных торцах кварцевой колонны, которая состоит по меньшей мере из одной пары идентичных монокристаллических цилиндров, соосно сжатых торцами так, что их электрические оси антиколлинеарны, а одноименные оптические оси ортогональны, при этом оптоволоконная линия выполнена из волокна, сохраняющего поляризацию, а модуль обработки содержит вычислительный блок и подключенные к нему лазерный источник излучения, аналого-цифровой преобразователь с двумя фотоприемниками на входе, к которым с возможностью разделения двух поляризационных мод излучения подведена оптоволоконная линия, и выполнен с возможностью измерения интенсивностей отраженных излучений, поступающих на указанные фотоприемники, расчета по результатам этого измерения фазового набега между поляризационными модами излучения в кварцевой колонне и определения электрического напряжения, приложенного к торцевым электродам кварцевой колонны, в соответствии с рассчитанным фазовым набегом.
Предложение имеет развитие, относящееся к частным случаям его осуществления, которое состоит в том, что измеритель может быть снабжен модулятором фазового набега, встроенным в указанную оптоволоконную линию, и оптоволоконным элементом задержки, сдвигающим отраженное излучение по фазе модуляции.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена оптическая схема измерителя. На фиг. 2 - структура сенсора.
Осуществление изобретения с учетом его развития
На схеме фиг. 1 показаны модуль обработки 1, связанный через оптоволоконную линию 2 с сенсором 3.
В состав сенсора 3 (фиг. 2) входят кварцевая колонна 4 с торцевыми пленочными электродами 5 и 6, сорокапятиградусный вращатель Фарадея 7 и коллиматор 8, через которые один (левый на фиг. 2) торец 9 колонны 4 сопряжен с оптоволоконной линией 2, и сферическое зеркало 10, установленное на другом торце 11 колонны 4. Колонна 4 состоит по меньшей мере  из одной пары идентичных монокристаллических цилиндров 12 и 13, соосно сопряженных торцами так, что их электрические оси X антиколлинеарны, а одноименные оптические оси Y и Z ортогональны. Несмотря на небольшую ЭО постоянную кристаллический кварц выбран в качестве материала цилиндров 12 и 13 в силу распространенности, высокой электрической стойкости, химической нейтральности и подходящих физических свойств. Алюминиевое зеркало 10 формируется напылением на дальней от коллиматора 8 торцевой поверхности колонны 4. Пленочные электроды 5 и 6 приклеены на ее торцевые поверхности.
Линия 2 (фиг. 1) выполнена из оптического волокна, сохраняющего поляризацию. Модуль 1 содержит подключенные к программируемому вычислительному блоку 14 лазерный источник 15 излучения и два фотоприемника 16 и 17, подключенные к блоку 14 через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18. Оптоволоконная линия 2 подведена к фотоприемникам 16 и 17 с разделением между ними поляризационных мод, которое выполняется с помощью циркулятора 19 и поляризационного делителя 20.
Модуль 1 выполнен с возможностью измерения интенсивностей отраженных излучений, поступающих на фотоприемники 16 и 17, расчета по результатам этого измерения фазового набега между поляризационными модами излучения в кварцевой колонне 4 и определения соответствующего вычисленному фазовому набегу электрического напряжения, приложенного к торцевым электродам 5 и 6 кварцевой колонны 4.
Измеритель снабжен встроенным в линию 2 модулятором 21 фазового набега между поляризационными модами излучения и оптоволоконным элементом задержки 22, сдвигающим отраженное излучение по фазе модуляции.
Устройство работает следующим образом.
От источника 15 частично поляризованное излучение, ориентированное вдоль быстрой оси оптоволокна, через циркулятор 19, поддерживающий только одну поляризационную моду волокна, проходит на соответствующий выход поляризационного делителя 20. Таким образом, на выходе делителя 20 излучение линейно поляризовано.
К выходу поляризационного делителя 20 приварено оптоволокно линии 2. Оси волокон линии 2 повернуты на угол 45 градусов, что обеспечивает равномерное возбуждение в линии 2 обеих поляризационных мод ее волокна.
Излучение, прошедшее линию 2, направляется коллиматором 8 вдоль геометрической оси сенсора 3, которая совпадает с электрической осью X цилиндров 12 и 13. При этом оптическая ось волокна линии 2 ориентируется под углом 45 градусов к оптическим осям кристаллов цилиндров 12 и 13, чтобы с учетом 45-градусного поворота вращателем 7 каждая поляризационная мода излучения распространялась в плоскостях оптических осей цилиндров (оси Y одного цилиндра и параллельной ей оси Z другого цилиндра).
К торцам цилиндров 12 и 13 с помощью токопроводящих электродов 5 и 6 прикладывается измеряемое напряжение, воздействующее на кристаллы цилиндров 12 и 13 по их электрическим осям X.
Принцип работы сенсора 3 основан на измерении эллиптичности поляризации светового пучка при прохождении через кристалл, обладающий линейным электрооптическим эффектом Поккельса. Цилиндры 12 и 13 выполнены из кристаллического кварца, обладающего небольшим ЭО эффектом, обеспечивающим глубину модуляции существенно меньше длины волны источника света. Чтобы исключить влияние на оптические сигналы потерь в волокне линии 2, через нее непосредственно передается состояние поляризации света, при этом измерительную информацию несет фазовый набег угла поляризации отраженного излучения, поступающего на фотодиоды 16 и 17. Антиколлинеарность электрических осей X цилиндров 12 и 13 обеспечивает компенсацию влияния обратного пьезоэффекта (изменяющего размеры кварцевых цилиндров под действием приложенного напряжения) на величину фазового набега.
Для передачи поляризованного излучения и формирования светового пучка с заданной поляризацией в линии 2 применяется оптическое волокно, сохраняющее поляризацию.
Для компенсации собственного статического двупреломления волокна линии 2 перед сенсором 4 установлен вращатель Фарадея 7, поворачивающий плоскость поляризации пучка на 45 градусов. Плоскость поляризации пучка вращатель 7 поворачивает на 45 градусов дважды (при прямом прохождении и после отражения зеркалом 10), в результате чего поляризационные моды при прямом и обратном прохождении волокна линии 2 меняются местами. Излучение, бегущее от модуля 1 к сенсору 3 в быстрой поляризационной моде волокна линии 2, обратно побежит в медленной моде. Таким образом, задержка между собственными поляризационными модами волокна линии 2 полностью компенсируется.
При приложении напряжения к колонне 4 между поляризационными модами излучения появляется дополнительная задержка, которая не компенсируется при обратном прохождении отраженного зеркалом 10 излучения. Поляризация этого излучения из линейной превращается в эллиптическую, и степень эллиптичности определяется набегом фаз в кристаллах цилиндров 12 и 13, который зависит от приложенного напряжения.
Собственное двупреломление в кристаллах цилиндров 12 и 13 приводит к аналогичной задержке между поляризационными модами и к дополнительной эллиптичности поляризации (смещению «рабочей точки» интерференционного сигнала). Общая величина фазовой задержки не должна превышать длину когерентности источника излучения, в противном случае  отраженное назад излучение становится полностью деполяризованным.
Излучение, вернувшееся в приемный модуль по волокну линии 2, приваренному с поворотом 45 градусов, разделяется на поляризационные моды поляризационным делителем 20. Одна поляризационная компонента (мода) регистрируется фотоприемником 17 непосредственно на выходе поляризационного делителя 20, вторая поступает на фотоприемник 16 через циркулятор 19. Суммарная оптическая мощность излучения на обоих фотоприемниках за вычетом потерь в оптическом тракте пропорциональна интенсивности излучения источника 1.
Поскольку сенсорная пара кристаллов 12 и 13 обладает собственным двупреломлением, то полезный сигнал наблюдается на фоне постоянного фазового смещения (сдвиг «рабочей точки»). Для измерения и компенсации этого смещения используется фазовый модулятор 21, который выполнен на отрезке волокна, намотанном на цилиндр из пьезокерамики. Собственное статическое двупреломление в модуляторе 21 компенсируется вращателем Фарадея 7 аналогично компенсации собственного двупреломления в волокне линии 2. Модулятор 21 обеспечивает гармоническую высокочастотную модуляцию набега фаз между поляризационными модами, распространяющимися по волокну линии 2. За счет линии 22 задержки, встроенной в линию 2, излучение возвращается в другой фазе высокочастотной модуляции.
Сигналы с фотоприемников 16 и 17 оцифровываются АЦП 18 и их дальнейшая цифровая обработка осуществляется в программируемом вычислительном блоке 14.
Из изложенного видно, что предложенный измеритель позволяет получить указанный технический результат за счет компенсации собственных двупреломлений как электрооптического сенсора, так и оптоволоконной линии, связывающей сенсор с удаленным от него измерительным модулем.