一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法转让专利
申请号 : CN202010474928.9
文献号 : CN111812378B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 李慧 , 郭飞 , 温琛 , 倪佩仁 , 冯丽爽
申请人 : 北京航空航天大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法,其特征在于,包含了结构体温度场和应力场一致性的设计方法,以及谐振腔参数的设计方法;具体步骤如下:步骤一、通过在外加和无外加电压的两种光路下,对影响谐振式光学电压传感器精度的电场、温度场和应力场进行理论与仿真分析,得到在BGO晶体中心对称的地方入射的两束偏振光路径的满足温度场和应力场一致性的条件;
具体分析过程如下:
综合考虑电场、温度场和应力场的影响,BGO晶体的光学性质为各外界场单独作用结果之和,设EU为外加电压的线偏振光,ET为无外加电压的线偏振光;EU光路中BGO晶体折射率变化量ΔnU,ET光路中BGO晶体折射率变化量ΔnT,ΔnU与ΔnT分别与包括电场、温度场和应力场物理场因素的关系式为:
其中n0为o光的折射率,ΔT为温度变化量,b11为晶体的热光系数;p11,p12均为弹光系数,γ41为晶体的线性电光系数,σUx,σUy,σUz分别为EU光路中沿空间坐标系x,y,z方向的正应力分量,σTx,σTy,σTz分别为ET光路中沿空间坐标系x,y,z方向的正应力分量,U为EU光路中晶体的外加电压,γ41(T)为电光系数随温度变化的函数;d为反射点的位置偏移达到BGO晶体加电压方向的厚度;
上述关系式给出了两束偏振光路径的BGO晶体的折射率变化量ΔnU与ΔnT的表达式,为谐振式光学电压传感器的光路传输模型的建立奠定了基础,并以辅助结构体设计时尽可能地保证两束偏振光路径除了电场之外的温度场和应力场一致性;
步骤二、分析谐振腔的光学参数对电压敏感精度的影响,结合外加和无外加电压的两种光路下BGO晶体的折射率变化量ΔnU与ΔnT,建立谐振式光学电压传感器的光路传输模型;
谐振腔的光学参数主要有腔反射率r1,r2、腔单程损耗系数μ、谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2以及光纤准直器与BGO晶体折射率主轴x1'的对轴角度误差θ;
腔反射率r1,r2与工作波长和反射面材质有关;
腔单程损耗系数μ包括:光未垂直于谐振腔反射面入射导致的单程损耗系数μ1,计算为:其中m1为光逸出前在谐振腔内的往返次数;L为谐振腔的腔长,θ1为光未垂直于谐振腔反射面入射的偏差角,d为反射点的位置偏移达到BGO晶体加电压方向的厚度;
谐振腔两反射面不严格平行导致的单程损耗系数μ2,计算为: 其中m2为光逸出前在谐振腔内的往返次数;θ2为谐振腔两反射面不严格平行的偏差角;
衍射损耗系数μ3,计算为: 其中S'为矩孔衍射主极大面积,S为谐振腔的面积;θ3为主极大边缘的衍射角;
吸收与散射损耗系数μ4;且满足μ=μ1+μ2+μ3+μ4;
发生电光效应时,两束正交偏振光在BGO晶体中分别为o光和e光,其折射率分别变为no=n0‑ΔnU,ne=n0,ΔnU为各物理场因素在EU光路中导致的折射率变化量;o光光路的谐振峰频率为fU,满足o光往返一次的相位变化 m为整数,c为真空中的光速;并用检偏器在谐振腔输出端进行检偏以消除e光分量,采用三角波相位调制技术后,在数字电路中解调EU路的谐振频率,谐振腔解调输出 为:其中 A为电场振幅;fm为施加在Y波导上的三角波相位调制的等效频率; 时,要求f‑fU=0,此时入射光频率锁定在o光光路的谐振峰频率fU;L为谐振腔的腔长;f为BGO晶体的入射光频率;
未加电压的参考光路ET也进行光调制和检偏,其中ΔnT为各物理场因素在ET光路中导致的折射率变化量,fT为其o光分量的谐振峰频率,满足o光往返一次的相位变化k为整数,由于ΔnU和ΔnT数值较小,m=k;采用三角波相位调制技术后,在数字电路中解调ET路的谐振频率,谐振腔解调输出 为:时,要求f‑fT=0,此时入射光频率锁定在参考光路的o光谐振峰频率fT;
检测双光路谐振频率之差,结果为fU‑fT,得到谐振频差与各物理场因素造成BGO晶体o光折射率变化的关系表达式为:
当不存在应力误差的情况下
因此,上述两个fU‑fT的表达式,用于辅助指导谐振式光学电压传感器结构体制作时谐振腔参数的调制,应当保持一致;在谐振腔构成的光学电压传感器电压敏感单元制作时,提高反射率、减少谐振腔两反射面不严格平行的偏差角,即可提高谐振腔的清晰度F,从而提高谐振式光学电压传感器的电压检测灵敏度;
步骤三、基于电场、温度场和应力场对谐振式光学电压传感器影响的仿真模型以及谐振式光学电压传感器的光路传输模型构建谐振式光学电压传感器的仿真平台,并在结构体设计时在BGO晶体两侧通过反射镜形成法布里‑珀罗谐振腔;
所述的谐振式光学电压传感器包括:传感单元结构体、半导体激光器、Y波导、BGO(锗酸铋)晶体、PIN‑FET探测器、光纤准直器、反射镜以及信号处理电路;
所述的BGO晶体两侧抛光后一面镀膜,另一面放置反射镜,两侧的反射率相等,形成法布里‑珀罗谐振腔;
传感单元结构体作为基座,从前往后依次放置光纤准直器,BGO晶体、反射镜以及PIN‑FET探测器;
步骤四、根据仿真平台对谐振腔的光学参数以及结构体对轴角度的要求进行优化设计,得到满足谐振腔的分辨率和清晰度条件下的腔反射率r1,r2;谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2以及满足谐振腔的清晰度条件下的对轴角度误差θ;
根据谐振腔的光学参数对电压敏感精度影响以及仿真平台的分析结果可知,谐振腔清晰度达到60以上,谐振式光学电压传感器干涉光强波动±10%时,此时谐振腔结构对称的反射率r1=r2,各光学参数需满足的条件为:光纤准直器与BGO晶体折射率主轴的对轴角度误差θ需控制在0.3rad以内;满足腔单程损耗系数μ=0.0219,反射率达到0.967以上,且晶体谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2不大于1';
步骤五、所述的结构体根据仿真平台要求光学器件的对轴准确、BGO晶体内部的电场和温度场均匀,需达到如下要求:
(1)晶体谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2要求不大于1';
(2)光纤准直器与晶体之间的对轴角度误差θ要求需在0.3rad以内;
(3)结构单元内电场、热应力和温度场均匀性的要求如下:选用最佳通光孔位置使电场的分布基本满足要求;
保持热通量沿与光传播相同的方向流通时,热源所引起的应力变化最小;
保持双光路结构与位置的对称性,双光路中保持温度场一致;
步骤六、利用设计好的谐振式光学电压传感器实际计算外加电压;
具体为:
半导体激光器设在传感单元结构体的前侧,首先,半导体激光器发出一束激光经过起偏器,变为一束沿y方向偏振的偏振光,该光再经过Y波导分为两束线偏振光EU和ET;随后两束线偏振光EU和ET分别经过光纤准直器进入BGO晶体,并保持沿y方向振动;然后,在BGO晶体上方的上电极外加x方向的电压,使得BGO晶体加电压的一半沿y方向产生折射率的变化量,即线偏振光EU产生Pockels效应;随着两束线偏振光EU和ET在BGO晶体谐振器内的不断往返,累积Pockels效应;所以两束光由于Pockels效应的存在产生谐振频率差;此时,在线偏振光ET的一半上调制叠加三角波相位φm,使得线偏振光ET光谐振,即三角波相位等效于在线偏振光EU叠加一个频率fm,且两束光的谐振频差Δf与外加电压成正比,与温度无关;
两束存在谐振频率差的光线经过BGO晶体以后,后续进入PIN‑FET探测器,变成两路线偏振光EU和ET,测量两路谐振频率的频差Δf来检测电压,即计算|fU‑fT|的值得到:从而计算外加的电压;
|fU‑fT|为两路线偏振光EU和ET谐振频率的频差;n0为BGO晶体的原始折射率;U为外加电压的大小。
2.如权利要求1所述的一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法,其特征在于,步骤一中所述的对影响谐振式光学电压传感器精度的电场、温度场和应力场进行理论与仿真分析,具体分析如下:
1)外界施加电场后,两束正交偏振光经过BGO晶体,出现的相位差δ计算公式如下:λ为入射光的波长;ny'为与光轴垂直方向的折射率;ne为e光的折射率;n0为o光的折射率;γ为BGO晶体的电光系数张量;EZ为z方向的电场强度;l为BGO晶体的长度,h为BGO晶体处于电场中的厚度;U是外界施加电压;
该相位差δ包括两部分:BGO晶体固有的双折射和外界加施电场造成的双折射;且相位差δ与外界施加电压U成正比,并且和晶体的几何形状有关;
2)外界施加温度场的影响:
外界温度的变化通过BGO晶体的线性电光效应和热光效应,产生温度附加线性双折射,影响光学电压传感器的测量精度及稳定性;
线性电光效应的温度误差计算公式如下:γijk为BGO晶体的线性电光系数;Ek为外加电场;
热光效应的温度误差计算公式如下:
b为BGO晶体的热光系数矩阵,b11为晶体的热光系数;
3)应力场的影响:
在外加应力作用下,BGO晶体的折射率发生变化产生弹光效应;
线性关系表达式为:
Δβ=p·σ
T
式中,σ为BGO晶体所受应力,表示为(σj)=[σ1 σ2 σ3 σ4 σ5 σ6] ,其中p为BGO晶体弹光系数的四阶张量。
3.如权利要求1所述的一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法,其特征在于,步骤二中所述的对轴角度误差是指:光纤准直器准直后的线偏振光入射BGO晶体时,振动方向偏离BGO晶体折射率主轴x1'而具有的夹角;设光纤准直器与BGO晶体折射率主轴的对轴角度误差为θ;入射光分为两束正交偏振光,振动方向分别沿x1'、x3',谐振腔输出是两束光输出光强的叠加,此时总的输出光强为:
未加电压时,BGO晶体的折射率为n0。
4.如权利要求1所述的一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法,其特征在于,所述的步骤三所述的谐振式光学电压传感器具体结构如下:具体为:首先构建一个长方体作为传感单元结构体,长方体内部挖空设为凹槽;在长方体的前侧壁上开有两个固定光纤的A孔,在长方体凹槽内放置一个凸台M,凸台M在对应两个A孔的位置,分别挖一个倒三角槽放置两个光纤准直器;
在长方体凹槽内凸台M后放置一个传感单元结构体的平台L,在平台L下方开有凹槽D,凹槽D的中央钻孔安装下电极;平台L上部放置BGO晶体,在BGO晶体顶部放置封装在封盖上的上电极;
平台L后侧放有凸台K,凸台K的中央刻有对应于两束线偏振光的两个凹槽,用来放置PIN‑FET探测器;在长方体后侧壁的中心开有对应于前侧壁的出光孔O,将PIN‑FET探测器的光通过出光孔O连接到后续信号处理电路;
半导体激光器在基座前方,发出的光束先通过单模光纤经过Y波导,进入光纤A孔变成两束线偏振光,分别经过光纤准直器准直后入射至BGO晶体之中,出射光线用多模光纤接收,该多模光纤带谐振式传感接头与PIN‑FET探测器的前端光路部分相连接,进而通过出光孔O传输到后续信号处理电路中进行处理。
5.如权利要求1所述的一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法,其特征在于,所述的步骤五中,(1)晶体谐振腔两反射面不严格平行的偏差角控制要求如下:反射镜的固定:反射镜很薄,设计相应的辅助装置完成竖直放置并保持固定;放置BGO晶体和反射镜的结构应该保持一定的平整度和光洁度,并且要方便电极的添加与固定,放置接收光的PIN‑FET探测器的多模光纤支架要保持水平,同时光纤的中央位置要与光路的高度一致,以便收到最多的光;为了电压分辨率达到0.1V且r1=r2时,要求谐振腔清晰度应当达到60以上,则在制作和调试谐振腔时,反射率应达到0.967以上,并且要求晶体谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2不大于1';
(2)光纤准直器与晶体之间的对轴角度误差要求如下:放置光纤准直器自聚焦透镜的平台要稳固,使入射光进入BGO晶体的偏振光对轴角度准确;光纤准直器的一端为FC接头,直接与半导体激光器相连接,另一端为自聚焦透镜,其形状为圆柱体,该圆柱体最粗的一段半径为1.4mm;基座将光纤准直器、BGO晶体、PIN‑FET探测器固定,并且使光纤准直器的中心与BGO晶体的通光孔以及多模光纤的收光位置处于同一高度;光纤准直器的放置一定要保持水平,不能有任何夹角,采取某个压片进行固定;使入射进BGO晶体的偏振光对轴角度准确,若有偏差会对测量精度产生影响,根据理论分析,光纤准直器与晶体折射率主轴对轴角度误差θ需在0.3rad以内;
(3)结构单元内电场,热应力和温度场均匀性的要求如下:在预设的晶体尺寸下,由于电场的边界效应,在未加电极的晶体部分也会存在电场影响,选用最佳通光孔位置可使电场的分布基本满足要求,但如果不采用特殊的绝缘手段或者进一步增大晶体的尺寸,电场存在将影响谐振式光学电压传感器的检测精度;当保持热通量沿与光传播相同的方向流通时,热源所引起的应力变化最小;并且,通过温度场和应力场仿真结果可以看出,需要保持双光路结构与位置的对称性,这样双光路中可保持温度场一致,温度引起的双折射误差相抵消;因此,设计的结构应该使得两束线偏振光EU和ET以BGO晶体中心对称的地方入射,可尽量保证两光路路径的热应力一致性,晶体所受物理场对两束入射光的影响一致便可以抵消,使得所设计的光学传感器有着更好实际工作的稳定性。
说明书 :
一种谐振式光学电压传感器的结构设计方法
技术领域
背景技术
求也与日俱增,由于电力资源各地分布不均,无法大量存储,且电能的连续供应与变化存在
随机性,制约了其运行,因此要提高电力输送的容量,同时要提高到电力运行的电压等级,
电压传感器是电力系统的必要组成设备,也在向着智能化、时代化的新型技术方面发展进
步。
且体积过大不方便运输等缺点,无法满足当前电力工业日益增大的发展要求。随着电压传
感器技术的进一步发展,光学电压传感器具有自身优势而深受众多学者的探讨与研究。
谐振等因素的影响,从而避免了因灵敏度降低导致的波形失真的问题。再者,电容式电压传
感器和电磁式电压传感器可能会产生二次回路短路的情况,同时危险系数高,具有隐患,且
电感的存在会使得检测到的高频分量受到影响,而光学电压传感器由于体积小易于运输与
使用,它的响应速度很快,能可靠高效检测电压。
探索研究新的结构来改善温度和长期工作的稳定性。
发明内容
式光学电压传感单元,对电场、温度场以及应力场等多物理干扰场进行分析,用于指导后续
的谐振式光学电压传感器各个部件的选型与分析以及结构设计,可提高谐振式光学电压传
感器测量精度并且促进其小型化应用。
地方入射。
晶体处于电场中的厚度;U是外界施加电压;
度的变化率(约为1.54×10 ),ΔT为温度变化量,Ek为外加电场。
弹光系数的四阶张量;
空间坐标系x、y、z下讨论的。因此,当研究温度引起的应力通过弹光效应对晶体光学性质的
影响时,需要进行坐标系变换,两坐标系间的关系如下所示:
场因素的关系式为:
γ41(T)为电光系数随温度变化的函数。
晶体的射率变化量ΔnU与ΔnT的表达式,以辅助结构体设计时尽可能地保证两束偏振光路
径除了电场之外的温度场和应力场一致性。
内继续传输到达谐振腔入射面,少部分光经谐振腔入射面透射,大部分光被高反膜反射在
谐振腔内继续传输到达谐振腔出射面,如此完成一个循环。从该过程中可以看出,从谐振腔
出射端口出射的光是相干叠加。假设准直器与晶体主轴完全对准,故从准直器射出的两束
正交偏振光进入BGO晶体镀膜构成的谐振腔时光强相等,假设进入腔的光的电场都为A0,初
iωt
始相位为0,可表示为:A0=Ae ,其中ω为入射光的角频率,ω=2πf,f为BGO晶体的入射光
频率;τ为光在谐振腔内往返一次的度越时间, 式中n为BGO晶体的折射率,c为真空
中的光速,A为电场振幅;
光强为:
振峰频率为fU,满足o光往返一次的相位变化 m为整数。并用检偏
器在谐振腔输出端进行检偏以消除e光分量,采用三角波相位调制技术后,在数字电路中解
调EU路的谐振频率,谐振腔解调输出 为:
k为整数,由于ΔnU和ΔnT数值较小,m=k。采用三角波相位调制技
术后,在数字电路中解调ET路的谐振频率,谐振腔解调输出 为:
台,并在结构体设计时在BGO晶体两侧通过反射镜形成法布里‑珀罗谐振腔。
两个A孔的位置,分别挖一个倒三角槽放置两个光纤准直器。
上的上电极;
的光通过出光孔O连接到后续信号处理电路。
接收,该多模光纤带谐振式传感接头与PIN‑FET探测器的前端光路部分相连接,进而通过出
光孔O传输到后续信号处理电路中进行处理。
平行的偏差角θ2;得到满足谐振腔的清晰度条件下的对轴角度误差θ;
射面平行角度差θ2不大于1'。
且要方便电极的添加与固定,放置接收光的PIN‑FET探测器的多模光纤支架要保持水平,同
时光纤的中央位置要与光路的高度一致,以便收到最多的光。为了电压分辨率达到0.1V且
r1=r2时,要求谐振腔清晰度应当达到60以上,则在制作和调试谐振腔时,反射率应达到
0.967以上,并且要求晶体谐振腔两反射面平行角度差θ2不大于1'。
体,该圆柱体最粗的一段半径为1.4mm;基座将准直器、BGO晶体、探测器固定,并且使准直器
的中心与BGO晶体的通光孔以及多模光纤的收光位置处于同一高度;准直器的放置一定要
保持水平,不能有任何夹角,必要时可以采取某个压片进行固定;使入射进BGO晶体的偏振
光对轴角度准确,若有偏差会对测量精度产生影响,根据理论分析,准直器与晶体折射率主
轴对轴角度误差θ需在0.3rad以内。
缘手段或者进一步增大晶体的尺寸,电场存在将影响谐振式光学电压传感器的检测精度。
当保持热通量沿与光传播相同的方向流通时,热源所引起的应力变化最小。并且,通过温度
场和应力场仿真结果可以看出,需要保持双光路结构与位置的对称性,这样双光路中可保
持温度场一致,温度引起的双折射误差相抵消。因此,设计的结构应该使得两束线偏振光EU
和ET以BGO晶体中心对称的地方入射,可尽量保证两光路路径的热应力一致性,晶体所受物
理场对两束入射光的影响一致便可以抵消,使得所设计的光学传感器有着更好实际工作的
稳定性。
束线偏振光EU和ET分别经过光纤准直器进入BGO晶体,并保持沿y方向振动;然后,在BGO晶体
上方的上电极外加x方向的电压,使得BGO晶体加电压的一半沿y方向产生折射率的变化量,
即线偏振光EU产生Pockels效应;随着两束线偏振光EU和ET在BGO晶体谐振器内的不断往返,
累积Pockels效应。所以两束光由于Pockels效应的存在产生谐振频率差;此时,在线偏振光
ET的一半上调制叠加三角波相位φm,使得线偏振光ET光谐振,即三角波相位等效于在线偏
振光EU叠加一个频率fm,且两束光的谐振频差Δf与外加电压成正比,与温度无关。
从而计算外加的电压。
明通过在BGO晶体的入射面镀反射率薄膜,出射面放置相同反射率的反射镜,薄膜与反射镜
构成了一个高反射率的法布里‑珀罗谐振腔,结构体简单且易操作,使光路最简化的同时减
小传感器的测量误差,提高测量精度,量化了谐振式电压传感器灵敏度与对轴角度误差θ,
腔反射率r1,r2以及清晰度F的关系。
振式电压传感器的高灵敏度以及小型化。
设计的结构应该使得两束线偏振光EU和ET以BGO晶体中心对称的地方入射,可尽量保证两光
路路径的热应力对称、抵消温度误差,以提高谐振式光学电压传感器温度环境适应性。
附图说明
具体实施方式
地方入射。
外界施加电场导致的双折射特性是受光的传输方向影响的。由于传输速度各不相同,在光
经过长度为l的晶体后,两束光出现的相位差δ计算公式如下:
度;U是外界施加电压;
比,并且和晶体的几何形状有关。
度的变化率(约为1.54×10 ),ΔT为温度变化量,Ek为外加电场。由此可见,温度的变化必
然会对晶体的线性电光效应结果产生影响。
弹光系数的四阶张量;综合考虑电场、温度场和应力场的影响,BGO晶体的光学性质为各外
界场单独作用结果之和。则BGO晶体的逆介电张量变化量表示为:
因此,推导出了两束偏振光路径的BGO晶体的射率变化量ΔnU与ΔnT的表达式,以辅助结构
体设计时尽可能地保证两束偏振光路径除了电场之外的温度场和应力场一致性。
μ。
μ4,且满足μ=μ1+μ2+μ3+μ4。
小。假设光未垂直于谐振腔反射面入射的偏差角为θ1,谐振腔腔长为L,由图2(a)可知光在
腔内第m次往返时,光在谐振腔反射面上反射点的位置偏移Δl=2mθ1L。反射点的位置偏移
达到BGO晶体加电压方向的厚度d时,光将会逸出谐振腔,由此计算逸出前光在谐振腔内往
返传输次数 可知光未垂直于谐振腔反射面入射导致的单程损耗系数
到BGO晶体加电压方向的厚度d时,光将会逸出谐振腔,由此计算逸出前的光在谐振腔内往
返传输次数 可知谐振腔两反射面不严格平行导致的单程损耗系数
1',计算得μ1=6×10 ,μ2=0.017。由此可知谐振腔反射面不平行造成的损耗μ2是损耗中最
重要的部分,使用反射镜调整光路时必须严格控制谐振腔反射面的平行度。
3所示。
生电光效应时,两束正交偏振光在BGO晶体中分别为o光和e光,并用检偏器在谐振腔输出端
进行检偏以消除e光分量,采用三角波相位调制技术后,在数字电路中解调EU路的谐振频
率,谐振腔解调输出 为:
解调输出 为:
出性能的主要光学参数,得出谐振腔两反射面不严格平行的偏差角θ2与腔反射率r1,r2为谐
振腔的关键光学参数。在谐振腔构成的光学电压传感器电压敏感单元制作时,提高反射率、
减少谐振腔两反射面平行角度差,即可提高谐振腔的清晰度F,从而提高谐振式光学电压传
感器的电压检测灵敏度。
BGO晶体两侧通过反射镜形成法布里‑珀罗谐振腔。
两个A孔的位置,分别挖一个倒三角槽放置两个光纤准直器。
上的上电极;
镀膜面平行,这样解决了因加工工艺造成的平行度问题。具体为:BGO晶体的入射面镀有
96.7%高反射率薄膜,出射面放置相同反射率的反射镜,薄膜与反射镜构成了一个高反射
率的法布里‑珀罗谐振腔。两个面的平行使该腔能够实现谐振,以实现谐振式电压传感器的
高灵敏度。
平行的偏差角θ2;得到满足谐振腔的清晰度条件下的对轴角度误差θ;
面平行角度差θ2不大于1'。
指导原则,设计一种最佳的结构承载各种元器件,以尽可能抑制多物理场的影响。
晰度,从而提高谐振式光学电压传感器的电压检测灵敏度,并且理论推导给出了新型谐振
式电压传感器灵敏度与对轴角度误差为θ控制在0.3rad以内;腔反射率要满足r1=r2,以及
清晰度F的量化关系,入射光、准直器、BGO晶体通光位置、探测器收光点需要严格对准,这样
清晰度才能达到预期目标。
度误差与新型谐振式电压传感器灵敏度的量化关系,保证谐振式光学电压传感器的闭环误
差灵敏度。
温度场和应力场仿真结果可以看出,需要保持双光路结构与位置的对称性,这样双光路中
可保持温度场一致,温度引起的双折射误差相抵消。因此,设计的结构应该使得两束线偏振
光EU和ET以BGO晶体中心对称的地方入射,可尽量保证两光路路径的热应力一致性。
真得到,选择合适的通光点(比如晶体10mm时,1.5mm处和8.5mm处)电场分布基本满足要求,
可保证电场的边界效应最小,以优化谐振式光学电压传感器的灵敏度。因此,设计的结构应
该使得两束线偏振光EU和ET以关于BGO晶体对称的1.5mm处和8.5mm处作为通光孔入射,可尽
量保证两路光的电场均匀分布。
和ET;随后两束线偏振光EU和ET分别经过光纤准直器进入BGO晶体,并保持沿y方向振动;然
后,在BGO晶体上方的上电极外加x方向的电压,使得BGO晶体加电压的一半沿y方向产生折
射率的变化量,即线偏振光EU产生Pockels效应;随着两束线偏振光EU和ET在BGO晶体谐振器
内的不断往返,累积Pockels效应。所以两束光由于Pockels效应的存在产生谐振频率差;此
时,在线偏振光ET的一半上调制叠加三角波相位φm,使得线偏振光ET光谐振,即三角波相位
φm等效于在线偏振光EU叠加一个频率fm,且两束光的谐振频差Δf与外加电压成正比,与温
度无关。
从而计算外加的电压。
座如图7(a)所示,外部为一个42mm*32mm*12.1mm的长方体,其内以一毫米的厚度抽壳。为了
牢固连接两个基座,在连接传感单元的基座四角拉伸出四个对称的直径为6mm、深度为4mm
的柱台,在四个柱台上再继续拉伸四个直径2.5mm、深度4mm的含螺纹孔的柱台,基座角落处
的四个螺纹孔需与另一个基座配合,并选用M2.5*12mm的开槽盘头螺钉连接、固定。在基座
正中位置,则有一个长10mm、宽9mm、高5mm的长方形柱台,此柱台即为固定单晶体传感单元
的柱台,在柱台正中偏右的位置开有一个长10mm、宽2.5mm、高1mm的凹槽,此处凹槽是固定
BGO晶体下端电极的,在此凹槽下方正中位置开有一个直径1.5mm的圆孔,用于通过连接电
极的电线。在中心柱台的两侧有两个对称的长11mm、宽3.5mm、高7.5mm的高台,高台上开有
直径0.7mm的半圆形孔洞,对应的下基座两外壁上在同样高度开有直径0.7mm的圆孔,圆孔
用来通过并固定光纤,高台用来固定准直器和探测器等。
有10mm*2.5mm*1mm的电极,在电极上方中心位置开有直径1.5mm的孔洞,用来通过连接电极
的导线,并且将上侧电极固定于封盖下方,这样可消除上电极对传感晶体的挤压造成的应
力,并且可以起到保护和防尘的作用。
结构,其需要加装固定调节结构。所述的BGO晶体尺寸大小为5×10×10mm ,BGO晶体的入射
面镀有97%高反射率薄膜,出射面放置相同反射率的反射镜,薄膜与反射镜构成了一个高
反射率的法布里‑珀罗谐振腔。
中建立单晶体传感单元的几何模型,如图8所示,晶体尺寸为10×5×10mm。中间的几何体
部分为BGO晶体的抽象模型,在其上下两侧的扁平状几何体是夹在BGO晶体两端的电极。需
要对于单晶体传感单元的边界进行相关的设定,来模拟单晶体传感单元中每个元件所受到
的物理影响,如添加边界载荷来模拟外部的应力,通过设定热源来模拟温度剧烈变动时对
BGO晶体光学特性的影响等,在进行完物理抽象后。
场的作用选用固体传热(ht)模块进行仿真;对于电磁场的影响选择电磁波,频域(ewfd)进
行仿真。
设置为1000V,然后将A电极的上侧接入接地接口,仿真图如图9所示。
应该是近乎横向的直线。然而由仿真图来看并非那样理想,无论加电极与否,电场都对BGO
晶体产生了作用,不过大体趋势还是符合理想状态的,并且能够发现,关于晶体中心对称的
1.5mm位置和8.5mm位置入射的光还是和理想状态很接近的。
及两束光出现的相位差输入有限元分析软件中,并对传感单元的整体初始值设为不带电,
即满足n·D=0。且它满足电荷守恒定律即满足方程 和 材料为固体,
坐标系选择全向坐标系,电场的本构关系来自材料的相对介电常数εr,且满足D=ε0εrE。对B
电极的下侧面加V=1kV的电压,而A的上面一侧不加电压进行接地处理,仿真图如图10所
示。
0.3kV‑0.4kV,在B与BGO晶体的接触部位的电势为0.6kV‑0.7kV,而未加电极的晶体部分的
电势也大概为0.5kV‑0.6kV。这也就说明电场会对在未加电极部位传输的LN光频率测量造
成误差,也会使所设计的谐振式光学电压传感器的性能不能发挥到最佳。
晶体传感单元未加电极部分的影响降到最低,最终选用电极尺寸为2×5×10mm ;此时可以
达到最佳效果。
将上述BGO晶体的弹光系数矩阵,折射率椭球推导主轴折射率的变化量,以及光传播方向的
弹光效应引起的折射率变化量平均值代入有限元分析软件。此外,将电极与BGO晶体对齐的
端面设置为固定约束,其余各表面自由膨胀,初始值皆为零,仿真图如图11所示。
电极的当中颜色呈现差异,说明应力在其中分布大不相同。再看A、B电极与晶体的接触面的
情况,晶体显然受到电极的挤压而产生应力的改变。因此对后续结构设计的指导作用是:设
计的基座能够使得电极与晶体在导电相通的前提下不会存在挤压。
热量流动进行模拟,将上述BGO晶体的热光系数矩阵和线性电光系数温度误差代入,确定温
度场在传感单元中的分布,可以仿真传感单元在变温环境下不同空间位置处的温度场性
质;当没有热源引入时,传感单元中各处温度场的稳态解是相同的,可以作为恒定温度条
件。将传热模块的稳态解作为温度条件代入结构力学模块,将BGO晶体的逆介电张量变化量
代入,结合边界条件,即可求出传感单元中各空间位置应力的分布。在温度场的设定当中,
BGO晶体与两侧电极都为固体传热,初始值设定为20℃,假设BGO晶体的左侧在工作环境中
受热,并在BGO晶体和两侧电极的左右两端面上加上热通量,仿真传感单元一侧受热时的具
体情况,其仿真后温度结果如图12所示,等温面的结果如图13所示
度略高一些。由图13可以看出,在BGO晶体内部的等温面分布并不均匀,但呈现一种对称式
分布,所以两束线偏振光EU和ET以BGO晶体中心对称的地方入射,可以有相同的温度误差,并
以此根据检测原理可以消除温度变化对测量精度产生的影响。
BGO晶体的偏振光对轴角度准确,若有偏差会对测量精度产生影响;此外,由于光纤较为脆
弱,要尽量减小光纤所受的应力,上述都是一些在结构体的设计中需要考虑到的因素。最
后,对该谐振式光学电压传感器进行了仿真测试,取r1=r2=0.967,并且要求晶体谐振腔两
反射面平行角度差θ2不大于1'。利用不同波长的光具有不同的输出图像,连续以一定的间
隔改变激光器输出的频率,并且由光通过BGO晶体的损耗为腔单程损耗系数μ=0.0219,从
而得到功率与频率之间的曲线图如图14所示。可知所设计的腔的自由谱线宽度FSR是
9
7.3434×10 Hz,并且计算得到半高全宽为1 .1529Hz,则该腔的F数为:
谐振腔的清晰度设计指标应F不小于60,保证了电压
灵敏度可达到0.1V,因此所设计的谐振式光学电压传感器结构设计方法,符合设计指标,减
小了测量误差,提高了测量精度。