溫度補償的電光電壓傳感器的制作方法

專利名稱：溫度補償的電光電壓傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電光電壓傳感器技術領域，尤其是高壓測量。本發明涉及一個遵照權利要求1前序部分的電光電壓傳感器和一種遵照權利要求1前序部分的用于測量電光電壓的方法。
背景技術：
一個這樣的電壓傳感器和一種相應的方法已在例如EP0682261A2中公開。在電光晶體的兩端施加一個待測量的電壓V。在晶體里射入線性偏振光并在其中以兩個相互垂直的偏振光波的形式傳播。該光在貫穿晶體后被探測。通過Pockels效應可在晶體里感應出與電壓有關的雙折射，因此可證明與待測量的電壓V成比例的射出晶體的光的偏振變化，譬如，以光的亮度調制的形式。
這種對Pockels效應決定性的電光系數大多具有溫度依賴性。譬如，對BGO晶體(Bi4Ge3O12)這種溫度依賴性總計為1.54×10-4/℃(P.A.Williams等，應用光學35，3562-3569，1996)。在已公開的EP0682261A2中對溫度效應通過計算修改由所測量的偏振變化確定的電壓，其中為了確定電光晶體的溫度充分利用已知的在光路里的并放置在電光晶體附近的λ/4小平板的溫度依賴性。
這樣的電壓傳感器有這個缺點對計算的溫度補償必須做出不同的近似假設，并且所測量的溫度不是必然地與電光晶體的溫度相符。也就是說，這樣的溫度補償也一方面花費大量計算，一方面不是非常精確。

發明內容
因此本發明的任務在于，實現一個電光電壓傳感器和一種與開頭所述的類型的相符的測量方法，這個傳感器和這種方法不具有上述的缺點。尤其是應該使簡單的和精確的溫度補償成為可能。在一個可預定的溫度范圍內借助傳感器確定的電壓應實質上與溫度無關。這個任務解決了具有權利要求1的特征的電光電壓傳感器和具有權利要求15的特征的方法。
在本發明的電壓傳感器里在施加了待測量的電壓的兩個電極之間至少放置了兩種介質，這兩種介質中至少有一種是電光活性介質，其中，這些介質的有效厚度這樣來選擇，即傳感器的電壓實質上與溫度無關。通過介質厚度和介質種類的選擇能達到對借助傳感器來確定的電壓(傳感器的電壓信號)的不同溫度影響的相互抵消。
本發明的傳感器是一個用于測量電壓V的電光電壓傳感器，其中電壓V施加在兩個電極之間并產生一個電場，其中這兩個電極相互間隔地放置，而且在兩電極之間放置一種電光活性介質，在這種介質中光是可射入的，這個光的偏振態在電光活性介質里通過電場是可影響的，并在射出這個電光活性介質后是可探測的，其中由探測到的偏振態可確定電壓V。
這個傳感器的特征是，在兩電極之間放置一種間隔介質，其中具有有效厚度d1的電光活性介質和具有有效厚度d2的間隔介質放置在這兩個電極之間，而且其中有效厚度d1、d2這樣選擇，實質上能補償溫度對探測到的光的偏振態的影響。
或這個傳感器的特征在于，在兩電極之間放置一種間隔介質，其中，間隔介質的有效厚度d2和電光活性介質的有效厚度d1這樣選擇，實質上能補償溫度對探測到的光的偏振態的影響。這兩種介質實質上一個接著一個地放置在電極之間。介質1、2的一個接著一個的放置當然不排除，介質1、2能以多個元素的形式放置，這些元素至少部分一個接著一個地放置在電極3、4之間。這些介質的有效厚度取決于光的導向。
因此可能達到不依賴于溫度的電壓測量。溫度補償是固有的，因此不需要獨立的溫度測量和/或計算的溫度補償。此外可能也在高電壓V處還獲得唯一的測量結果。此外電光活性介質和間隔介質在電極之間的放置允許實現相對較大的電極間距，因此對電場外部干擾的低敏感性和傳感器周圍絕緣的相對小的直徑成為可能。
有利地是這樣選擇間隔介質的有效厚度d2和電光活性介質的有效厚度d1，即實質上補償間隔介質和電光活性介質的依賴溫度的材料常數的溫度依賴性對探測到的光的偏振態的影響。
特別是，在實踐中這些材料常數-決定性的電光系數(k)，-介電常數(ε)以及
-熱膨脹系數(α)是重要的而且大多與溫度有關。
由于對于典型的材料熱膨脹系數(α)對傳感器的電壓信號的溫度依賴性的影響比介電常數(ε)尤其是決定性的電光系數(k)的溫度依賴性的影響小大約半個或整個數量級，只考慮介電常數(ε)和決定性的電光系數(k)就已經能達到很好的溫度補償。如果間隔介質沒有電光活性或不能穿透，只需考慮ε1、ε2和k，其中下標1代表電光活性介質而下標2代表間隔介質。各個量的溫度依賴性對電壓信號(或對探測到的光的偏振態)的影響實質上是相互抵消的。
在一個有利的實施方案里間隔介質是透明的并具有固定的聚集態。有利地是，光穿透電光活性介質，而且也穿透間隔介質，這個光的偏振態通過電場來改變。這樣就能達到機械的和光學的穩定的建立。間隔介質的選擇能這樣完成，間隔介質和電光活性介質之間的界面的折射指數差別足夠小，以至于反射損失是最小的。這樣界面的光損失就能達到最小，因此在小的光功率處能測量。
在另一個有利的實施方案里在電極之間放置一組具有電光活性介質N個元素和間隔介質(N+1)個元素，其中N是滿足N≥1的整數，有利的是N≥2。電光介質的元素分別放置在間隔介質兩個相鄰的元素之間，其中該組中的第一個和最后一個元素與兩個電極的每個相連接。這樣就可精確逼近具有小的光損失和高機械穩定性的待測量的電壓V。特別有利的是這些元素每一個實質上是圓柱體形的，其中所有元素實質上具有相同的圓筒直徑。放置在電極之間的介質有利的構造了一個傳感器棒。
另一個有利的實施方案的特征在于，電光活性介質的元素具有一個這種地有效厚度并這樣放置在電極之間，即在待測量的電壓中傳感器電壓信號，也就是借助電壓傳感器確定的電壓，的偏差是最小的。這樣的放置可例如借助近似計算或仿真來確定。能達到特別精確的測量和對電場外部干擾的高不敏感性，譬如，由于傳感器附近的雨或雪，以及對橫向磁場的高不敏感性，譬如，由于在傳感器附近相鄰的電相位。
特別有利的是，電極連同電光活性介質和間隔介質注入到硅樹脂里。這個硅樹脂有利的具有一個層厚度，這個層厚度這樣大，以至于在施加的雷電沖擊(Blitzstoss)電壓處(根據IEC標準186，IEC即國際電工委員會，日內瓦，瑞士)硅樹脂外的電場強度總計最大為40KV/mm，特別的為最大30KV/mm。雷電沖擊電壓大約是工作電壓的三到五倍，為這個工作電壓而裝設了這個傳感器。對于170kV的工作電壓傳感器還必須承受的雷電沖擊電壓為750kV(峰值)；對于245kV的工作電壓雷電沖擊電壓為1050kV；對于420kV的工作電壓雷電沖擊電壓為1425kV(根據IEC標準186)。
通過硅樹脂覆蓋物可制造一個具有小尺寸和輕重量的傳感器，盡管如此該傳感器具有足夠的電絕緣。這樣就能避免昂貴的、大的、重的絕緣管，典型的是由加強的玻璃纖維的塑料制成的絕緣管。重量輕和尺寸小可以使傳感器用于傳統的絕緣傳感器不能使用的場所或位置，譬如懸掛在一個高壓通過的裝置部分。
一個特別有利的實施方案的特征在于，電光活性介質是結晶的BGO(鉍鍺氧化物，Bi4Ge3O12)，BGO以它的
方向定向為平行于光的傳播方向；光的傳播方向實質上是沿著由電壓V產生的電場；而且間隔介質是石英玻璃。因此可實現一個特別好的溫度穩定的傳感器，此外該傳感器對場分布的外界干擾有高不敏感性。特別的是，因此很可能在高壓電網的一極上進行測量而沒有位于附近的另一極的影響。
本發明的用于測量電壓V的方法的特征在于，在兩個電極間放置間隔介質，其中這樣選擇間隔介質的有效厚度d2和電光活性介質的有效厚度d1，即實質上補償溫度對探測到的光的偏振態的影響。在該方法中電壓V施加在兩個相互隔開放置的電極之間并產生電場，光射入放置在電極間的電光活性介質里，而且電場影響電光活性介質里的光的偏振態，再探測射出電光活性介質后的光，并由探測到的偏振態確定電壓V。
其它優選的實施方案和優點由從屬權利要求和附圖給出。


下文根據附圖示出的優選的實施例來詳細解釋本發明主題。其中圖1示意性地示出了根據本發明的在透射幾何學中的傳感器；圖2示出了一條計算出的曲線，該曲線說明了在BGO石英玻璃組里的BGO中的電場強度隨溫度的相對變化與電光活性介質BGO的有效厚度d1的依賴關系；圖3示出了一條計算出的曲線，該曲線示出了在d1+d2為常數時半波電壓Vπ依賴于電光活性介質的有效厚度d1；圖4示意性地示出了本發明的在反射幾何學中的傳感器；圖5示意性地示出了本發明的在反射幾何學中的傳感器；圖6示意性地示出了本發明的在透射幾何學中的傳感器；圖7示意性地示出了本發明的用于高壓的包含兩個傳感器棒的傳感器；圖8示意性地示出了本發明的澆入硅樹脂里的傳感器。
在圖中使用到的參考符號及其意義一起列在參考符號表中。原則上規定在圖中相同的或至少作用相同的部分具有相同的參考符號。所陳述的實施例示范性的代表本發明對象并沒有限制效用。
具體實施例方式
圖1示出了在透射幾何學中的傳感器，該傳感器包含N＝2的BGO晶體片1和N+1＝3片石英玻璃。這組BGO片和石英玻璃片構成一根棒，一根傳感器棒。在圖1中首先示出光學部分。BGO片1的厚度為δ1并放置在厚度為δ2的石英玻璃片2之間。有利的是所有片都是具有相同直徑的圓柱體形。有利的所有BGO片具有同一種晶體定向。在這組BGO片和石英玻璃片的每一端安在每一個電極3、4上。這個電極有利地是ITO(銦鋅氧化物)，因而它是透明的。第一個電極3接地電位，第二個電極4接電位V。電壓V待測量。
光束5在電光活性介質1中傳播。通過一個光輸入纖維6a，有利地是一個多模式纖維，輸入由沒有示出的光源產生的光。有利地用發光二極管(LED)，超級發光二極管或多模式纖維二極管作為光源。光5輸入到準直透鏡7a然后到起偏器8a。通過透明的電極3光到達BGO元素和石英玻璃元素組中。在該組中有利地傳播兩個相互垂直偏振的光波。
電光效應或Pockels效應(＝線性電光效應)改變電光活性介質1里的光5的偏振態，由于產生了電壓感應的雙折射。光5的偏振態的影響的大小取決于BGO元素里的電場的大小，也就是取決于電壓V。當兩個相互垂直偏振的光波在電光活性介質1里傳播時，能通過電光效應達到一個光波相對于另一個的延遲，因此得到光波間的相位移。在較好的近似里這個相位移與待測量的電壓V成比例。
穿過這組元素后光5經過電極4，經過λ/4元素9，經過偏振器8b和準直透鏡7b，并最終借助光纖6b，有利地是多模式光纖，輸入到未示出的探測評估單元。偏振器8a和8b有利地定位在沿著BGO晶體的[100]方向和因此相對BGO材料里雙折射的感應角的45°下。λ/4元素9的角平行于BGO材料里雙折射的感應角。在未示出的探測評估單元里光5的電壓感應的偏振態的變化，尤其是借助因為相位移產生的標準化光強的變化，被確定并從中得知電壓V、電壓信號的范圍。電光電壓測量的基礎和細節可以從現有技術中獲得，譬如所述的EP0682261A2。在此強調在說明書中采用這個規定的公開內容。其它的電光電壓測量和探測的基礎可從譬如出版物G.A.Massey，D.C.Erickson和R.A.Kadlec，應用光學14，2712-2719，1975獲得。在此強調在說明書中采用這篇文章的公開內容。
電光活性介質1(BGO)的有效厚度在圖1中為d1＝2·δ1。間隔介質2(石英玻璃)的有效厚度為d2＝3·δ2。把δ稱為介質1、2的單個元素的有效厚度。L稱為電極3、4相互間的有效間距。在圖1中沿著總長度L放置介質3、4。
有效厚度d1、d2的合適選擇影響在BGO片1中電場的相對的溫度依賴性。如下示出的能用于補償電光效應的溫度依賴性。這里只觀察兩種不同的材料1、2，其中此外相對決定性的電光系數k和介電常數ε的溫度依賴性忽略其它量，譬如，熱膨脹系數α的溫度依賴性的影響。當兩種介質1、2的熱膨脹系數α1和α2相互不同時，無論如何一般地才考慮熱膨脹系數α的溫度依賴性的影響。
在如圖1所示的帶有電光活性介質1(BGO)和間隔介質2(石英玻璃)的傳感器中，這種如果為石英玻璃的間隔介質是沒有電光活性的，介質1中的電場強度E1的相對溫度依賴性適用于(1/E1)·(E1/T)＝[d2/(ε2·d1+ε1·d2)]·[ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]其中ε1是電光活性介質1的介電常數，ε2是間隔介質2的介電常數。介質1中的電場強度E1能在無線膨脹的組元素(片半徑為無窮大)的近似中給出以E1≈ε2·V/(ε2·d1+ε1·d2)對BGO適用ε1＝16.3，對石英玻璃ε2＝3.8。
如果穿透兩個介質1、2，其中這兩個介質都有電光活性的，這樣在溫度補償的選擇厚度d1、d2的情況適用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]+d2·[(k2/T)·E2+k2·(E2/T)]≈0其中k1、k2是介質1、2的決定性的電光系數。此外它適用于介質1、2中的電場的相對溫度依賴性(1/E1)·(E1/T)和(1/E2)·(E2/T)在上述的無限膨脹的組元素的近似中(1/E1)·(E1/T)≈[d2/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]和(1/E2)·(E2/T)≈[d1/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε2/ε1)(ε1/T)-(ε21/T)]在此前提是，厚度d1、d2實質上不具有溫度依賴性。
如果間隔介質2沒有電光活性或光5不能穿透間隔介質，則適用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]≈0，并因此(k1/T)·E1+k1·(E1/T)≈0，其中對介質1中的電場的相對溫度依賴性(1/E1)·(E1/T)在上述的無限膨脹的組元素中同樣適用已在上面給出的公式。
(1/E1)·(E1/T)≈[d2/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε1/ε2)(ε2/T)-(ε1/T)]從中得出對厚度d1、d2的明確條件[d1/(ε1·d2+ε2·d1)]·[(ε2/ε1)·(ε1/T)-(ε2/T)]+(1/k1)·(k1/T)≈0上述的公式可由這樣的條件得出，即探測到的光5的偏振態變化的溫度依賴性應為零，這可從(/T)[k1·E1·d1+k2·E2·d2]＝0得出。
圖1中BGO晶體的定向可這樣有利的選擇，
晶軸沿著電極3、4之間的電場E對齊。光5在BGO晶體中的傳播方向與這個方向平行。以這種方式，這些同時沿著這個方向運行的電場部分導致光5的偏振態的變化。這樣使得傳感器對電場的干擾不敏感，譬如，通過放置在傳感器附近的高壓電極。電場的其它的外部干擾，譬如，可通過隔絕傳感器的隔離器的表面不清潔，或通過靠近傳感器的運動的導電物體來引起。
在所示的幾何圖形中電光活性介質1(BGO)的決定性的電光系數k1為k1=n03r41,]]>其中n0是BGO晶體1的折射指數，r41是重要的結晶的BGO1的電光張量元。對BGO總計k1＝9.8pm/V(P.A.Williams等，應用光學35，3562-3569，1996)。根據所述的Williams等的著作對BGOk1的相對溫度依賴性總計為(1/k1)·(k1/T)＝1.54×1-4/℃.
根據J.Link，J.Fontanella，應用物理期刊51，4352，1980，BGO的介電常數ε1的相對溫度依賴性計為(1/ε1)·(ε1/T)＝1.8×10-4/℃.
由于在圖1中采用的間隔介質2是石英玻璃因而沒有電光活性，并具有可忽略的它的介電常數ε2的溫度依賴性(至少在對典型應用重要的在-40℃到80℃之間的溫度范圍內，參見例如《導電材料和應用》，由Arthur R.von Hippel.編著，Cambridge，Maaa.MIT，1954)，對合適厚度d1、d2的溫度補償的計算是簡單的。
圖2示出一條計算出的曲線，該曲線說明了溫度補償的可能性。在垂直軸上承受BGO1中的電場強度E1的相對溫度依賴性(1/E1)·(E1/T)。在水平軸上承受BGO的有效厚度d1。此外假設間隔介質是石英玻璃，并以L＝d1+d2＝200mm為前提，其中L是電極3、4相互間的有效間距。在圖2中示出的曲線能這樣推斷出，對d1＝84mm(則d2＝116mm)BGO1中的電場強度E1的相對溫度依賴性(1/E1)·(E1/T)精確計為-1.54×10-4/℃，因此可準確抵消決定性的電光系數k1的溫度依賴性。所以通過所述的有效厚度d1、d2的選擇可達到，補償溫度對光5的探測到的偏振態的影響。
選擇d1＝20mm得出(1/E1)·(E1/T)＝-1.75×10-4/℃，因此總是能給出一個很好的補償。為了在-40℃到85℃的溫度區間內保持在最大誤差為±0.2％以內(IEC標準級0.2)，(1/E1)·(E1/T)必須位于-(1.54±0.3)×10-4/℃的范圍里。這就允許d1在0mm到130mm之間的范圍里選擇。
當取代BGO采用其它電光活性介質1時，在采用這種介質時決定性的電光系數k1不是隨著溫度增加而是減小，(1/E1)·(E1/T)必須為正數，或更精確的多項式(ε1/ε2)·(ε2/T)-ε1/T必須為正(ε1/ε2)·(ε2/T)-ε1/T＞0.
通過堿性玻璃或堿土金屬玻璃用作間隔介質2可滿足這個條件。ε2和ε2/T的值可通過在寬范圍里合適的材料選擇來改變，譬如，到ε2＝12和ε2/T=5×10-3/℃。參見譬如所述的出版物《(介電材料和應用)》，由由Arthut R.von Hippel．編著，Cambridge，Maaa.MIT，1954。考慮譬如K2O，Na2O，Li2O和/或B2O3作為SiO2里的添加物。
當考慮到介質1、2的有限膨脹時，能獲得對溫度補償的厚度d1、d2更精確的結果。通過將傳感器的絕緣計算在內，其它的修正也是可能的。另外下面示出具有硅樹脂的傳感器的覆蓋物，該覆蓋物影響電場分布并具有溫度依賴性。所述的修正能譬如借助電場分布的數值模擬來進行。
有效厚度d1在圖1的實施例中與BGO元素的總長度相符。在電光活性介質1和/或間隔介質2以其它形式形成和/或放置的情況中，譬如，以具有不光滑表面和/或具有沒有垂直對準磁場方向的平面的元素的形式，介質1、2中的一個的厚度不能簡單的按幾何圖形定義。因而在這種情況中必須計算或以其他方式確定有效厚度d1、d2。有效厚度d1、d2理解為一個這樣的厚度，這個厚度關于考慮到的量(k，ε和可能的其他參數)的溫度依賴性具有相同效應，像一個放置在電極3、4問的圓柱體形的片元素一樣，該元素具有相應幾何圖形的厚度的垂直對準磁場方向的平面(參見附圖1)。
對溫度補償不必需在幾個單個元素中分別放置介質1、2。原則上也可以采用一個唯一的BGO晶體(N＝1)，和/或在唯一的元素中放置間隔介質2。但是一個電極3、4問的幾個(N≥2)元素的、對稱的和均勻的分布對于電壓測量的準確性，和尤其是對于電壓測量對電場的外部干擾的不敏感性是有利的。這些元素、尤其是電光活性介質1的元素這樣有利地放置，關于電極3、4問的電場的線性積分 和關于在電光活性介質l的單個元素中存在的局部磁場的總和(如果可能加權的)∑aiE1，x(xi)之間的偏差是最小的∫E1,x(x)·dx-ΣaiE1,x(xi)≈0]]>在專利US4939447和出版物光學快報14，290，1989中給出了細節。對此在說明書中強調引用這些文章的公開內容。
這些元素的優化放置能通過計算、也能通過模擬或實驗來找到。借助兩種簡單的放置能達到十分好的結果(1)介質1的所有元素具有相同的厚度δ1，而介質2的外部的兩個元素具有相同的厚度δ2′，這個厚度是介質2可能的其它元素的厚度δ2的一半大。
(2)如圖1所示，介質1的所有元素具有相同的厚度δ1，并且介質2的所有元素具有相同的厚度δ2。
接著有利地應用在上面等式中指出地加權系數aI，當電光活性介質1的單個元素具有不同的有效厚度時和/或當可能單獨考慮不同元素的作用時。最后可能的是，譬如如圖1所示，不是通過唯一的光束5穿透所有元素，而是當應用幾束光束時，這些光束分別穿透一個元素或幾個元素。
電極3、4間至少兩種介質1、2的這種放置的另一個較大的優點在于，通過這種放置也可能唯一地測量高壓V。可能擁有一個大的傳感器的半波電壓Vπ，然而盡管如此會具有一個高絕緣的穩定性。因為在電極3、4間的整個距離L上固定地聚集態物質以介質1、2的形式放置，以致具有可比較的介電常數的材料放置在電極3、4間，從而在電極3、4間不會出現電場強度的大躍變。
圖3示出一條計算出的曲線，該曲線說明，傳感器的半波電壓Vπ如何隨著厚度d1變化，其中d1+d2選擇為等于L＝200mm的常數。介質1、2再次為BGO和石英玻璃。當BGO1中的兩個相互垂直偏振的光波傳播時，如圖1給出的關系，對這些光波間的電光感應的相位移適用Γ＝k1·V·2π/λ，其中λ是光5的波長。當λ＝800nm時對V＝20kV得出相位移Γ＝π/2，因此Vπ＝40kV(在透射幾何圖形中，如圖1所示)。大于40kV的電壓因此也不再可唯一地測量。
如果現在，如圖1示出，使用兩個介質1、2，那么得出相移Γ*，這個相位移明顯大于上面給出地相移ΓΓ*＝Γ·ε2d1/(ε2d1+ε1d2)對d1＝20mm和d2＝180mm得出Γ*＝0.025·Γ，因此取代Vπ＝40kV得出Vπ＝800kV。半波電壓Vπ因而迅速地提高。圖3給出了對于不同d1的半波電壓Vπ。另一個達到較大的半波電壓Vπ的可能性是應用較長波長λ的光5。
圖4示出傳感器的一個其它的可能結構。這個結構繼續與圖1所示的結構相符。他可以從此出發來描述。介質2的外部的兩個元素具有相同的厚度δ2′，這個厚度是介質2其它元素的厚度δ2的一半大，而介質2放置在兩個BGO晶體1之間(參見上面的元素簡單放置的版本(1))。取代透射(圖1)傳感器在圖4中工作在反射中。在元素組的一端，優選地在高壓端，放置一個反射棱鏡12，該棱鏡將光束5導回組中。因此光束5兩次穿透介質1、2。通過兩次穿透半波電壓Vπ相對透射配置(圖1)減半。也就是說，與上面討論的實施方案相比很可能Vπ＝20kV取代Vπ＝40kV。
λ/4元素9能放置在，如圖4所示，輸入端，或也可在輸出端(未示出)。在電極3放置了一個分光器10，該分光器用于輸入耦合和輸出耦合光束5。在分光器10處有利地放置一個偏轉棱鏡11。反射幾何圖形的較大的優點在于，在高壓端上不必放置一個光輸入管道(光纖)，這些管道可能消除了兩電極3、4間的勢能。
在圖5中示出了傳感器的一個其它的可能結構。這個結構繼續適應于圖4所示的結構并同樣是反射配置。他可以從此出發來描述。取代，如圖4中，光束通過分光器10繼續集中在組中輸入耦合，光束5在反射棱鏡12的轉向之前和之后傳播到兩條明顯有距離的、實質上相互平行的路徑上。因此不必需分光器10，并同樣不需要偏轉棱鏡11。
圖6說明了傳感器的一個其它的有利的實施方案。圖1、4和5中示出的光學細節在此部分不描述。圖6示出的傳感器工作在透射中，但能同樣好的工作在反射中，如圖4或5示例性地示出。此處示出的是N＝3的情況，也就是存在三個BGO元素。電極3、4這里包含未示出的透明部分，通過這部分光到達組中并輸出耦合。另外電極3、4每個含有一個場控電極3a、4a，這些電極在側面高出這些組并與各自的透明部分導電地連接。這些場控電極實質上是片狀構成的。另外電極3、4每個含有一個電壓輸入管道3b、4b，這些管道實質上是桿狀的。為了傳感器的機械穩定性這個傳感器具有幾個(有利的3、4、5、6、7或8個)絕緣棒13，這些絕緣棒相互機械地連接場控電極3a、4a。
圖7示出了一個其它的有利的實施方案，該方案特別適合用于測量十分高的電壓。這個傳感器實質上由兩個串聯的傳感器組成，這兩個傳感器，如圖示，能例如類似于圖6示出的那樣。待測量的勢能施加在一個傳感器部分的電極3和另一個傳感器部分的電極4之間。在一個傳感器部分的電極4′和另一個傳感器部分的電極3′之間放置一個金屬的連接桿14，這個桿導電地并相互機械地連接兩個傳感器部分。也可能，還有更多地，就是說3、4或5個傳感器部分共同組成一個傳感器。當一個傳感器含有幾個串聯的傳感器時，也可能借助幾個光束5或也只借助一個光束5來驅動這些傳感器。接著有利地傳感器高壓端的最后一個子傳感器反射地構造而其他的透射地構造。
取代為克服高電壓采用兩個或多個傳感器棒也可能，選擇一個較大的電極距離L。接著有利地采用多于，也就是說多于N＝2，即3、4或5或更多得電光活性介質1的元素。
圖8示出了一個其它的有利的實施方案。在此放棄光學的細節描述，而是更多地深入研究傳感器的絕緣。
在傳感器的高壓端放置了一個電暈環17。電極3、4的電壓輸入管道3b、4b，場控電極3a、4a和介質1、2覆蓋硅樹脂15。有利的是傳感器的基本部分注入到硅樹脂15里。硅樹脂覆蓋層15外部有利地具有薄層16，該層構成了屏蔽。有利的是整個硅樹脂覆蓋層15是一整塊構成的。場控電極3a、4a實質上是片狀的。他們實質上按照這樣片狀構成的，他們在面向各自的其它電極4、3的那一面實質上是平的，并實質上是圓的。以這種方式電極3、4間的電場E是十分均勻的并平行伸展。
在場控電極3a、4a和介質1、2的區域里硅樹脂覆蓋層15是圓柱體狀或桶狀構成的。硅樹脂覆蓋層15的直徑有利地是比場控電極3a、4a的直徑大，尤其是大1.1倍到6倍，并且有利地是場控電極3a、4a的直徑的兩倍到四倍大，或更一般地，是電極3、4的最大徑向延伸的兩倍到四倍大。有利地是這樣選擇硅樹脂覆蓋層15的厚度或其直徑，硅樹脂覆蓋層15上的外部電場強度在施加電壓V時最大計為35kV/mm，尤其是最大計為30kV/mm，在特殊情況中，用硅樹脂鍍膜是足夠的，或覆蓋硅樹脂15，該硅樹脂包圍這個傳感器，其中該硅樹脂在有些地方可能僅僅厚1mm。
硅樹脂覆蓋層15有這個優點，相對傳統的絕緣具有小尺寸和輕重量。此外它是不需管理的。傳統的氣體隔絕的絕緣必需經常監控壓力，在借助硅樹脂覆蓋層15絕緣時就不需監控壓力。此外在氣體隔絕的絕緣時氣體密度必需優化執行，一個具有硅樹脂覆蓋層15的傳感器不需要這種執行。相對固定的絕緣物質，如用作填充材料的聚亞安脂，硅樹脂有這樣的優點，硅樹脂的介電常數不同于聚亞安脂的介電常數具有一個明顯較小的溫度依賴性。
一個為工作電壓為240kV而設置的傳感器能有利地具有下列參數-電極距離L＝200mm-在實質上片狀地區域里的電極直徑100mm-介質1＝BGO-介質2＝石英玻璃-d1＝80mm，劃分為兩個每個厚40mm的元素-d2＝120mm，分為三個元素1×60mm，2×30mm-硅樹脂覆蓋層直徑300mm在電極區域里-硅樹脂覆蓋層直徑80mm在電壓輸入管道區域里-薄層長度5cm對于工作電壓為550kV的傳感器有利地含有兩個這種對于工作電壓為240kV的傳感器(比較圖7)。
模擬計算示出，具有本發明的傳感器棒和硅樹脂覆蓋層15的傳感器具有對電場的外部干擾的高不敏感性。譬如，一個這種的傳感器，如上面描述的對于工作電壓為240kV的傳感器，在傳感器桿附近的硅樹脂覆蓋層15上的厚度為1mm的水膜處電壓信號相對沒被干擾的狀態的相對偏差明顯在1％以下。一個放置在傳感器棒的中間高度處的40mm長的水膜引起例如一個只有0.04％的相對壓降。一個在傳感器2m處的接地的金屬圓柱體，該圓柱體平行于傳感器棒并超過該傳感器棒大約1m，產生一個只有0.04％的相對壓升。
其它的上面和下面提及的交替的或附加的特征是可選的并相互以及與在說明書中所述的實施例是可任意結合的。
電光活性介質1可以是任意一種電光活性物質，優選地一個電光活性的晶體。在已公開的EP0682261A2中給出了各種各樣的合適的電光活性物質。這個規定的公開內容在此在說明書中強調引用。
間隔介質2可以是氣態的，液態的或有利的是固定的聚集態的。它也可是真空。該介質可以是有電光效應的或沒有電光效應的。有利地介質1、2也這樣選擇，這些介質只具有小的折射指數區別。這樣避免界面處的大的反射損失。譬如，在上述有BGO1和石英玻璃2的例子中，BGO1的折射指數在800nm時為2.07，石英玻璃的折射指數在800nm時為1.46，反射損失總計為每次反射大約3％。如果第二個介質2是氣體，譬如SF6，這樣得到每次反射大約12.1％的反射損失。
為了得到在裝有傳感器處的其它自由度也可考慮下列類型的組代替采用單個的BGO片也能采用BGO晶體的成對放置，其中這對中的一個子晶體相對另一個子晶體晶體學不一樣的定向。這個定向這樣選擇，通過電光效應一個子晶體中的光5的偏振態的改變通過在這對中的另一個子晶體中的光5的偏振態的改變部分再次取消，也就是說部分撤消。尤其是，這些子晶體能相互相反地定向并具有相互不同的厚度。因而能實現半波電壓Vπ的放大。當然這些子晶體能由不同的電光活性物質組成。來自第二個子晶體的元素也能理解為間隔介質2的元素。
介質1、2能有利地借助透明的粘合劑相互連接。
電極3、4間也能放置其他的電光活性物質和/或其他的用作間隔介質2的物質，或幾種不同的物質用作電光活性介質1和/或用作間隔介質2。本領域技術人員可從上述直接清楚了解，如何構造一個具有多于兩種介質的本發明的傳感器。
電極3、4有利地是透明的。在此透明是指對所應用的光5的波長是透光的。但是也可考慮，使用不透明的電極3和/或4，其中然后光5例如在間隙、小孔處在電極3和/或4中輸入耦合和/或輸出耦合。
電極3、4的有效距離L在圖1的實施例中是幾何長度，這個長度是光5在電極3、4間所覆蓋的長度。因此L與電極3、4間的幾何最小距離相符。但有效距離L能例如與電極的幾何距離相區別，當場控電極3a、4a在半徑方向具有一個彎曲的剖面，以致場控電極3a、4a間的最小幾何距離在半徑外部區域小于半徑內部區域，這里放置電極3、4的透明部分。在不是相互平行放置的電極3、4的情況中電極間的幾何最小距離一般也不適應于電極3、4的有效距離L。電極3、4的有效距離L取決于光導向。
介質1、2的有效厚度d1、d2在圖1、4、5、6、7的實施例中與涉及到的介質1、2的單個元素的幾何總厚度一致。但是有效厚度d1、d2也能偏移一個這樣的幾何厚度。譬如，當介質的元素是不共面的，或當介質的元素雖然如實施例中是共面的，但是基于電極3、4間的距離有角度地放置。介質1、2的有效厚度d1、d2取決于光導向。
介質1、2的有效厚度d1、d2給出這一個幾何總厚度，這個介質1、2可能有這個厚度，如果這個介質是放置在電極間以一個或多個共面構成的元素的形式，并如介質1、2以它的實際形式有相同效用。在此相同效用是指，在施加相同的電壓V時引起光5的偏振態的同樣的變化。因此共面元素的定位這樣選擇，共面平面的法線是沿著電極3、4間的有效距離L。
對有效距離d1適用d1＜L。它繼續適用d1+d2＜L或d1+d2≤L。介質1、2的不同元素的厚度(尤其是電光活性介質1)在傳感器棒內變化，譬如以獲得不均勻的場分布計算和實現更精確的測量。
光5優選地具有一個小的相干長度。優選地光束5穿透整個傳感器棒(組)，由于通過這個棒只需要一個光輸入管道和光的反饋。但是也能詢問分別具有光束5的一個或幾個元素。
視電光活性介質1的類型及其晶體定向而定傳感器也是可構造的，在這些傳感器中光束5，如所示的實施方案，不平行于傳感器棒的角度或不平行于由電壓V產生的電場的場力線傳播(縱向Pockels效應)。譬如光5能垂直于傳感器棒的角度或垂直于由電壓V產生的電場的場力線傳播(橫向Pockels效應)。在電光活性介質1的幾個元素的情況中優選地穿透每個具有獨立光束的元素。但是光束5借助反射介質和/或光纖也能一起穿透電光活性介質1的幾個或所有元素。一般地一個這樣的傳感器但是具有大的橫振敏感性(通過外部與待測量的磁場一樣沒有相同定向的磁場的影響)。
光輸入纖維6a能是多模式纖維或有利地也能是保持偏振的單模式纖維。后者進行線性偏振并有這種優點，這種纖維對彎曲感應的強度損失更不易受影響。
硅樹脂覆蓋層15當然不僅能用作溫度補償的傳感器的絕緣，還能應用于一個任意的其他的優選電光的電壓傳感器。尤其對電光電壓傳感器，在該傳感器處在電極3、4間放置一個傳感器棒，特別是一個含有一個或幾個固定的聚集態介質1、2的傳感器棒。
取代硅樹脂覆蓋層15也能采用絕緣管，優選地由加強玻璃纖維的塑料制成的，用于傳感器的絕緣。一個這種絕緣管用絕緣填充物來填充，這種絕緣填充物例如是氣態的，例如SF6或N2，或固體物質，例如聚亞安脂。在絕緣管中放置傳感器，這個傳感器譬如由兩個，三個或多個串聯的傳感器組成(比較圖7)。
當實質上補償了本發明的溫度對探測到的光5的偏振態的影響時，或實質上抵消了相對的溫度影響時，這應意味著，實現溫度影響的減小，特別是通過補償使溫度影響這樣小，以至于相對沒補償的傳感器至少減小一個系數為2或3或5或一個數量級。
所述的特征能有利地一起或也能單獨或以任意結合。
參考符號表1 電光活性介質，電光晶體，BGO晶體2 間隔介質，石英玻璃3 電極3a 場控電極3b 電壓輸入管道4 電極4a 場控電極4b 電壓輸入管道5 光，光束6a 光輸入纖維6b 光反饋纖維7a，7b 準直器透鏡8a，8b 偏振器9 λ/4元素10 分光器11 轉向棱鏡12 反射棱鏡13 絕緣桿14 連接桿15 硅樹脂16 薄層(屏蔽)17 電暈環d1電光活性介質的有效厚度d2間隔介質的有效厚度E 電場，場力線K1電光介質決定性的電光系數K2間隔介質決定性的電光系數L 有效電極間隔T 溫度V 待測量的電壓
Vπ半波電壓α 熱膨脹系數δ1電光活性介質元素的有效厚度δ2，δ2′間隔介質元素的有效厚度ε1電光活性介質的介電常數ε2間隔介質的介電常數Γ，Γ*相位移
權利要求
1.電光電壓傳感器，用于測量電壓V，其中電壓V施加在兩電極(3，4)間并產生一個電場，其中電極(3，4)相互隔開放置，而且其中在電極(3，4)間放置電光活性介質(1)，在該介質中光(5)是可穿透的，電光活性介質(1)中的光(5)的偏振態可受電場影響并在射出電光活性介質(1)后是可探測的，其中由探測到的偏振態可確定電壓V，其特征在于，在兩個電極(3，4)間放置間隔介質(2)，其中具有有效厚度d1的電光活性介質(1)和具有有效厚度d2的間隔介質(2)放置在兩電極(3，4)間，并且其中有效厚度d1、d2這樣選擇，使得實質上補償溫度對探測到的光(5)的偏振態的影響。
2.如權利要求1所述的電壓傳感器，其特征在于，間隔介質(2)的有效厚度d2和電光活性介質(1)的有效厚度d1這樣選擇，使得實質上補償與溫度有關的間隔介質(2)和電光活性介質(1)的材料常數的溫度依賴性對探測到的光(5)偏振態的影響。
3.如權利要求2所述的電壓傳感器，其特征在于，與溫度有關的材料常數是-決定性的電光系數(k)，-介電常數(ε)及，-熱膨脹系數(α)。
4.如權利要求1或2所述的電壓傳感器，其特征在于，間隔介質(2)的有效厚度d2和電光活性介質(1)的有效厚度d1這樣選擇，使得電光活性介質(1)的介電常數ε1的溫度依賴性和間隔介質(2)的介電常數ε2的溫度依賴性以及-如果間隔介質(2)是沒有電光活性的或光(5)不能穿透間隔介質(2)電光活性介質(1)的決定性的電光系數k1的溫度依賴性，以及，-如果電光活性介質(1)和間隔介質(2)均是電光活性的，并能使光(5)穿透電光活性介質(1)的決定性電光系數k1和間隔介質(2)的決定性電光系數k2的溫度依賴性，對探測到的光(5)的偏振態的影響實質上相互抵消。
5.如權利要求4所述的電壓傳感器，其特征在于，如果光(5)也穿透間隔介質(2)，那么適用d1·[(k1/T)·E1+k1·(E1/T)]+d2·[(k2/T)·E2+k2·(E2/T)]≈0并且如果光(5)不能穿透間隔介質(2)或間隔介質(2)沒有電光活性，那么適用(k1/T)·E1+k1·(E1/T)≈0，其中E1是電光活性介質(1)的電場強度和E2是間隔介質(2)的電場強度，并尤其是其中所述的電場強度作為E1≈ε2·V/(ε2·d1+ε1·d2)和E2≈ε1·V/(ε2·d1+ε1·d2)近似。
6.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，間隔介質(2)是透明的，而且是固定的聚集態，并且光既能穿透間隔介質(2)又能穿透電光活性介質(1)。
7.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，間隔介質(2)具有消失的決定性電光系數k2和/或它的決定性電光系數k2的消失的溫度依賴性k2/T，并且尤其具有一個可忽略的它的介電常數ε2的溫度依賴性ε2/T。
8.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，在電極(3，4)間放置一組有N個電光活性介質(1)的元素和(N+1)個間隔介質(2)的元素，其中N是滿足N≥1的整數，并且其中分別在兩相鄰的間隔介質(2)的元素間放置一個電光活性介質元素，其中該組中的第一個和最后一個元素與兩電極(3，4)的每一極接觸，并且特別是，其中每個元素實質上是具有實質上相同的圓筒直徑的圓柱體形的。
9.如權利要求8所述的電壓傳感器，其特征在于，電光活性介質(1)的元素具有一個如此的有效厚度并這樣放置在電極(3，4)間，借助電壓傳感器確定的電壓與待測量的電壓V的偏差是最小的。
10.如權利要求8所述的電壓傳感器，其特征在于，電光活性介質(1)的元素有所有同樣的有效厚度δ1＝d1/N，并且或者(a)間隔介質(2)的元素具有有效厚度δ2＝d2/N，其中但是在該組中間隔介質(2)的外端的兩個元素有有效厚度δ2＝d2/(2·N)，或者(b)間隔介質(2)的元素具有有效厚度δ2＝d2/(N+1)。
11.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，電極(3，4)與電光活性介質(1)和間隔介質(2)一起注入硅樹脂里。
12.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，電極(3，4)與電光活性介質(1)和間隔介質(2)一起注入硅樹脂里，其中硅樹脂在電極(3，4)、電光活性介質(1)和間隔介質(2)的區域里實質上是圓柱體狀或桶狀構成的，并具有電極(3，4)的最大半徑延伸的在1.1倍到6倍間，特別是在2倍到4倍間大的直徑。
13.如權利要求11或12所述的電壓傳感器，其特征在于硅樹脂(15)在電極(3，4)、電光活性介質(1)和間隔介質(2)的區域里實質上是圓柱體狀或桶狀構成的，并且電極(3，4)具有導電能力的電壓輸入管道(3b，4b)，該管道實質上是桿狀構成的，同時注入硅樹脂里，其中硅樹脂(15)在電壓輸入管道(3b，4b)的區域里實質上是圓柱體狀構成的并具有比在電極(3，4)、電光活性介質(1)和間隔介質(2)的區域里小的直徑，尤其硅樹脂外部具有屏蔽。
14.如前述權利要求之一所述的電壓傳感器，其特征在于，電光活性介質(1)是結晶的BGO，該BGO以它的
方向平行于光(5)傳播方向定向，光(5)的傳播方向實質上是沿著通過電壓V產生的電場，并且間隔介質(2)是石英玻璃。
15.用于測量電壓V的方法，其中電壓V施加在兩個相互間隔放置的電極(3，4)間并產生一個電場，其中光(5)射入放置在電極(3，4)間的電光活性介質(1)，其中光(5)的偏振態在電光活性介質(1)中受電場影響并且光射出電光活性介質(1)后被探測并由探測到的偏振態確定電壓V，其特征在于，在兩電極(3，4)間放置間隔介質(2)，其中間隔介質(2)的有效厚度d2和電光活性介質(1)的有效厚度d1這樣選擇，使得實質上補償溫度對探測到的光(5)的偏振態的影響。
全文摘要
電光電壓傳感器在施加待測量的電壓V的兩電極(3，4)間具有電光活性介質(1)和間隔介質(2)。介質(1，2)和介質的厚度d
文檔編號G01R15/24GK1534300SQ20041003140
公開日2004年10月6日 申請日期2004年3月29日 優先權日2003年3月28日
發明者K·博納特, A·弗蘭克, H·布蘭德勒, K 博納特, 伎, 嫉呂 申請人:Abb研究有限公司