1.本发明涉及电场测量技术领域，特别涉及一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器。
背景技术：2.电场传感器在航天航天、电力系统监测、放电机理探究等方面有着广泛的应用。为了满足不同应用场景，需要研发各式各样的电场传感器。
3.电场测量传感器主要分为三大类：电荷式、静电力式以及光电式。光学式较前两种电场传感器电隔离彻底、金属元件少、响应速度快。已然成为电场传感器研究热点。目前电光式传感器有可分为体效应和集成光波导两种。集成光波导测量方式在输入端光路被分为两路，在其中一路施加电场，两光路在传输一段距离后会产生相位差，通过检测相位差可以确定外界电场强度。但是光波导传感器中电极的存在会对被测电场产生一定的影响，而对其进行校正又会增加系统复杂性。
4.体效应型光电传感器主要由晶体、波片、起偏器、检偏器、准直透镜、传输光纤等元件构成。因其不需电极元件可直接对待测电场完成测量。因此在对电隔离要求彻底的场合，体效应型传感器具有绝对的优势。现有的体效应型光电传感器体积最小能达到45cm*45cm、量程100kv/m，通过晶体+波片的联合使用进行静态工作点调节，但是随着科技的发展，对传感器体积以及测量量程的要求越来越严苛，因此减小体效应传感器体积提高量程，对其适应科技发展具有重要意义。
技术实现要素：5.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，采用电光感应技术方案，更换调节晶体长度实现静态工作点调节，具有体积小、测量量程大的特点。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
7.一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，包括外壳13，外壳13内部放置铌酸锂晶体6；外壳13两侧几何中心各一个孔连接天线12；外壳13前后部分分别固定起偏器5和检偏器7；
8.所述起偏器5前端设置准直扩束透镜4，准直扩束透镜4前端连接a保偏光纤3，a保偏光纤3前端是前端光源输入接头2；
9.所述检偏器7后端设置准直耦合透镜8，准直耦合透镜8后端连接b保偏光纤9,b保偏光纤9后端是末端光源输出接头10。
10.所述外壳13采用聚酰亚胺材料制成。
11.所述铌酸锂晶体6的长度根据静态工作点位置设计，常光和异光在锂酸铌晶体6中传输时其相位差和晶体长度之间存在的正弦变化关系为：
[0012][0013]
公式中，为偏振光在出射面上所产生的相位差，l表示铌酸锂晶体6的长度，λ为偏振光波长，no为寻常光在晶体中的折射率，ne为异光在晶体中的折射率，γ
33
，γ
13
分别为晶体不同方向上的电光系数，e为所加电场强度。
[0014]
本发明的有益效果：
[0015]
1、基于正弦变化关系，通过调制铌酸锂晶体6长度实现静态工作点的调节，省略了波片的使用，精简了光路结构，传感器具有良好的线性度。其介入测量时对待测电场的影响极小。
[0016]
2、铌酸锂晶体6的使用，传感器能很好地使用于高压电场测量，并且长时间测量结果显示，能适用于长时间的电场监测。在雷电脉冲场中的测试结果显示，传感器在高低频的跟随效果良好。在纳秒级脉冲场的测试中传感器也能及时检测；变换脉宽宽度及脉冲频率时传感器亦能及时跟随。
附图说明
[0017]
图1为传感器的整体结构示意图。
[0018]
图2是图1传感器的侧面结构示意图。
[0019]
图3是本发明的前驱动光路示意图。
[0020]
图4是本发明的后驱动光路示意图。
[0021]
附图标记：
[0022]
1-输入；2-前端光源输入接头；3-a保偏光纤；4-准直扩束透镜；5-起偏器；6-铌酸锂晶体；7-检偏器；8-准直耦合透镜；9-b保偏光纤；10-末端光源输出接头；11-输出；12-天线，13-外壳
具体实施方式
[0023]
下面结合附图对本发明做详细叙述。
[0024]
如图1和图2所示，一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，包括外壳13，外壳13内部放置铌酸锂晶体6；外壳13两侧几何中心各一个孔连接天线12；外壳13前后部分分别固定起偏器5和检偏器7。
[0025]
参照图3，所述起偏器5前端设置准直扩束透镜4，准直扩束透镜4前端连接a保偏光纤3，a保偏光纤3前端是前端光源输入接头2，使用准直扩束透镜4将保偏光纤3传输的光束扩束成平行光束，并以此作为起偏器5的入射光。用于转换激光源输出光，给传感器提供确定方向的偏振光。
[0026]
参照图4，所述检偏器7后端设置准直耦合透镜8，准直耦合透镜8后端连接b保偏光纤9,b保偏光纤9后端是末端光源输出接头10；用于检验、传输晶体双折射后的具有一定相位差的光束。
[0027]
所述铌酸锂晶体6的长度根据静态工作点位置设计。因为常光和异光在锂酸铌晶体6中传输时其相位差和晶体长度之间存在已知正弦变化的关系
[0028]
本发明的工作原理为：本发明所述的电场传感器依次包括前端光源输入接头2、a
保偏光纤3、准直扩束透镜4、起偏器5、锂酸铌晶体6、检偏器7、准直耦合透镜8、b保偏光纤9和末端光源输出接头10；
[0029]
其中，光源1的输出光通过前端光源输入接头2向a保偏光纤3传输，a保偏光纤3保证偏振光的方向不变；经过a保偏光纤3偏振光由准直扩束透镜4入射到起偏器5；起偏器5偏振角度为45
°
。由起偏器5输出的偏振光经过锂酸铌晶体6，通过检偏器7、准直耦合透镜8由b保偏光纤9传输至末端光源输出接头10。
[0030]
由起偏器5输出的偏振光经过锂酸铌晶体6，会发生双折射现象，每一束单方向的偏振光都会产生一束常光和一束异光；常光和异光在锂酸铌晶体6中传输时其相位差和晶体长度之间存在正弦变化的关系；因此通过调制(即更换)不同长度的锂酸铌晶体6长度可以省去波片的使用，而该传感器仍然可以工作在线性工作区，从而减小传感器体积。
[0031]
通过检偏器7可以滤去上述锂酸铌晶体6中出射光中多余的光束。此时，同方向可透过检偏器7的光束中常光和异光部分发生干涉；干涉产生的光通过准直耦合透镜8将其送入b保偏光纤9中。b保偏光纤9中的干涉光经过末端光源输出接头接入光电检测模块11对输出光强进行检测。
[0032]
当传感器工作在静态工作点时，通过调制锂酸铌晶体6长度，从锂酸铌晶体6中出来的光具有固定的相位差。随着锂酸铌晶体6两侧所加电场的增大，干涉输出光光强也会线性增大。通过将光信号转换成电信号进行测量便可得到电场与光强之间的关系，从而实现电场测量的功能。
技术特征：1.一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，包括外壳(13)，其特征在于，外壳(13)内部放置铌酸锂晶体(6)；外壳(13)两侧几何中心各一个孔连接天线(12)；外壳(13)前后部分分别固定起偏器(5)和检偏器(7)；所述起偏器(5)前端设置准直扩束透镜(4)，准直扩束透镜(4)前端连接a保偏光纤(3)，a保偏光纤(3)前端是前端光源输入接头(2)；所述检偏器(7)后端设置准直耦合透镜(8)，准直耦合透镜(8)后端连接b保偏光纤(9),b保偏光纤(9)后端是末端光源输出接头(10)。2.根据权利要求1所所述的一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，其特征在于，所述外壳(13)采用聚酰亚胺材料制成。3.根据权利要求1所述的一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，其特征在于，所述铌酸锂晶体(6)的长度根据静态工作点位置设计，常光和异光在锂酸铌晶体(6)中传输时其相位差和晶体长度之间存在的正弦变化关系为：公式中，为偏振光在出射面上所产生的相位差，l表示铌酸锂晶体(6)的长度，λ为偏振光波长，n
o
为寻常光在晶体中的折射率，n
e
为异光在晶体中的折射率，γ
33
，γ
13
分别为晶体不同方向上的电光系数，e为所加电场强度。
技术总结一种基于晶体长度调制相位的电光型电场传感器，外壳内部放置铌酸锂晶体；外壳两侧几何中心各一个孔连接天线；外壳前后部分分别固定起偏器和检偏器；所述起偏器前端设置准直扩束透镜，准直扩束透镜前端连接A保偏光纤，A保偏光纤前端是前端光源输入接头；所述检偏器后端设置准直耦合透镜，准直耦合透镜后端连接B保偏光纤,B保偏光纤后端是末端光源输出接头；所述铌酸锂晶体的长度根据静态工作点位置设计，常光和异光在锂酸铌晶体中传输时其相位差和晶体长度之间存在的正弦变化关系；根据正弦变化关系调制铌酸锂晶体长度实现静态工作点的调节，省略了波片的使用，精简了光路结构，传感器具有良好的线性度。其介入测量时对待测电场的影响极小。场的影响极小。场的影响极小。
技术研发人员：贺博 王佳荣 杨瑞明 彭志强
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2022.07.20
技术公布日：2022/11/1
