基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器及探頭的制作方法
【專利摘要】一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，它包括兩端開口的石英管，在石英管的前端設(shè)置有金屬密封蓋，在金屬密封蓋位于石英管中的內(nèi)端面上設(shè)置有金屬反射鏡；還包括設(shè)置于石英管后端的金屬導(dǎo)電管，在金屬導(dǎo)電管的一端固定有玻璃基板，玻璃基板、金屬導(dǎo)電管和金屬密封蓋與石英管共同形成一個封閉的內(nèi)腔，在內(nèi)腔中填充液晶；在金屬導(dǎo)電管中插入保偏光纖，保偏光纖前端面與保偏光纖軸向垂直；在位于金屬導(dǎo)電管中的保偏光纖上設(shè)置有光纖光柵；在保偏光纖前端面和玻璃基板之間設(shè)置有偏振片。一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器，它包括光纖耦合器以及通過光纖耦合器連接在一起的偏振激光器，基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭和光電探測器。
【專利說明】基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器及探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及一種電壓傳感器，尤其涉及一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器及探頭。

【背景技術(shù)】
[0002]信息科技與電子自動化越來越成為人類社會重點發(fā)展方向并成為了不可或缺的一部分，各類電子產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用，并普及覆蓋了人類活動的各個領(lǐng)域。對于信息科技或者電子技術(shù)而言，無論是傳輸還是傳感，電壓是最為基本的參數(shù)之一，也是最為重要的參數(shù)之一。因此測量和傳輸電壓信號對于信息科技與電子技術(shù)是必不可少的。
[0003]傳統(tǒng)測量電壓或者傳輸信息是通過電子芯片來完成的，一般會通過電子電路進(jìn)行電壓測量、采集以及傳輸。然而，在一些特殊的應(yīng)用場合，例如電磁場、輻射場等，傳統(tǒng)的電子測量方法往往受到干擾非常大，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時，一般不會超過幾公里就必須建設(shè)中繼站來補償信號的損失。
[0004]采用光纖技術(shù)能夠克服電磁干擾的困惑，在遠(yuǎn)程傳輸時，由于光信號衰減非常微弱，因此可以達(dá)到上百公里的傳輸距離，是傳統(tǒng)電子方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法企及的。
[0005]液晶，即液態(tài)晶體(Liquid Crystal, LC)，是相態(tài)的一種，因為具有特殊的理化與光電特性，20世紀(jì)中葉開始被廣泛應(yīng)用在輕薄型的顯示技術(shù)上。將液晶技術(shù)與光纖傳感技術(shù)有效結(jié)合在一起是至今尚未發(fā)掘的重大潛在技術(shù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本方案是將液晶技術(shù)與光纖傳感技術(shù)有效結(jié)合在一起，設(shè)計完成了一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器及探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的有效測量與遠(yuǎn)程傳輸，具有廣闊的市場前景和較高的實用價值。
[0007]本方案所采用的技術(shù)措施是:一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是它包括兩端開口的石英管，在石英管的前端設(shè)置有金屬密封蓋，在金屬密封蓋位于石英管中的內(nèi)端面上設(shè)置有金屬反射鏡；還包括設(shè)置于石英管后端的金屬導(dǎo)電管，在金屬導(dǎo)電管的一端固定有玻璃基板，玻璃基板、金屬導(dǎo)電管和金屬密封蓋與石英管共同形成一個封閉的內(nèi)腔，在內(nèi)腔中填充液晶；在金屬導(dǎo)電管中插入保偏光纖，保偏光纖前端面與保偏光纖軸向垂直；在位于金屬導(dǎo)電管中的保偏光纖上設(shè)置有光纖光柵；在保偏光纖前端面和玻璃基板之間設(shè)置有偏振片。
[0008]本方案的具體特點還有，在金屬密封蓋上設(shè)置有第二電極，在金屬導(dǎo)電管上設(shè)置有第一電極。
[0009]光纖光柵為在保偏光纖上刻寫的布拉格光柵,邊模抑制比達(dá)到20dB以上。
[0010]偏振片的偏振方向與保偏光纖的偏振方向相同，保證進(jìn)入到液晶的激光功率達(dá)到最大值。
[0011]偏振激光器采用了單偏振激光器，光電探測器采用了銦鎵砷光電探測器。
[0012]本方案的有益效果是:光纖光柵以及垂直切斷的保偏光纖插入到金屬導(dǎo)電管內(nèi)，激光通過保偏光纖傳輸?shù)奖Ｆ饫w前端面，保偏光纖前端面與偏振片固定在一起，從而使得保偏光纖中的激光輸出為固定方向的偏振光。偏振光穿過玻璃基板進(jìn)入到液晶內(nèi)，到達(dá)金屬反射鏡的激光被反射原路返回，經(jīng)過液晶、玻璃基板與偏振片重新回到保偏光纖內(nèi)。玻璃基板與金屬導(dǎo)電管固定在一起，再與第一電極連接在一起，構(gòu)成了液晶的電極之一；金屬反射面通過金屬密封蓋與第二電極連接在一起，構(gòu)成了液晶的另一電極。當(dāng)電壓通過第一電極與第二電極加載到液晶上時，液晶的排列狀態(tài)發(fā)生改變，從而改變液晶的透光率，對在其中傳輸?shù)钠窦す庑纬烧{(diào)制，根據(jù)這種調(diào)制即可計算出加載到傳感器的電壓大小。石英密封管一端與金屬反射鏡及金屬密封蓋封裝固定在一起，另一端與金屬導(dǎo)電管、偏振片、玻璃基板以及保偏光纖等固定封裝在一起，共同構(gòu)成了一個容納了液晶的密封腔，既起到密封作用，還起到保護(hù)保偏光纖以及相關(guān)組件的作用。外部待測電壓通過第一電極與第二電極加載到液晶兩個端面上形成電場，電場改變液晶分子排列，從而改變其光學(xué)特性。傳感系統(tǒng)根據(jù)液晶的光學(xué)特性的改變即可測量得出外部電壓值。
[0013]本申請還提供了一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器，其特征是它包括光纖耦合器以及通過光纖耦合器連接在一起的偏振激光器，基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭和光電探測器。
[0014]基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭和光纖耦合器之間通過保偏光纖光纜連接。
[0015]本方案的有益效果是，偏振激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光纖耦合器、保偏光纖光纜到達(dá)基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，外界電壓通過電極加載到傳感器內(nèi)部，影響和調(diào)制激光，返回的激光經(jīng)過保偏光纖光纜和光纖耦合器到達(dá)光電探測器將光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而實現(xiàn)了電壓信號的測量。光纖光柵用來消除光纜衰減引起的測量誤差。由于光纜的彎曲等問題往往會造成到達(dá)傳感器探頭的光強發(fā)生變化，探頭反射信號同樣也會經(jīng)過光纜到達(dá)光電探測器，同樣會發(fā)生衰減。這種光強度上的衰減往往會被誤以為加載到探頭上的待測電壓的變化值，從而造成不可預(yù)知的測量誤差。光纖光柵被內(nèi)置在傳感器探頭內(nèi)部作為系統(tǒng)損耗的參考校正使用，如圖7所示，控制偏振激光器發(fā)出的激光波長掃描移動到光纖光柵的中心波長處，獲得最大電壓作為參考電壓，可以得出整個光路的本身損耗，然后再將激光中心波長移動到光柵光譜以外進(jìn)行待測電壓測量，此時就可以將測量結(jié)果中扣除整個光路的損耗值，得出的是待測電壓造成的液晶透光率的凈損耗值，從而消除了測量誤差。
[0016]外界電壓與激光信號的關(guān)系:液晶的組成物質(zhì)是一種有機(jī)化合物，也就是以碳為中心所構(gòu)成的化合物。同時具有兩種物質(zhì)的液晶，是以分子間力量組合的，它們的特殊光學(xué)性質(zhì)，又對電磁場敏感，極有實用價值。假設(shè)有三個不同的電壓Vl、V2、V3，Vl<V2〈V3，則如圖3所示，當(dāng)施加在液晶上的電壓為Vl時，由于液晶分子排列造成了進(jìn)入其中并在其中傳輸?shù)墓鈴姸瓤焖偎p，因此光強沿傳播路徑上的光強變化如圖4所示。當(dāng)電壓變?yōu)閂2時，由于電壓作用指示液晶分子排列發(fā)生變化，造成液晶的透過率變高，因此得到圖6所示光強變化。當(dāng)電壓變?yōu)閂3時，由于電壓作用致使液晶分子排列進(jìn)一步改變，因此在這種情況下光的透過率極高，光損耗小，從而獲得圖8所示光強變化曲線。綜上所述，液晶的透光率與施加在兩端的電場呈一定關(guān)系，由此根據(jù)光強衰減程度同樣可以反算出施加電壓的大小，即為該專利技術(shù)的傳感機(jī)理。本專利技術(shù)中傳感探頭方案選用了反射鏡式，因此激光在液晶內(nèi)部傳播路徑為往返一周。入射的激光經(jīng)過液晶衰減后原路返回，到達(dá)探測器進(jìn)行光電探測，得到的電信號強度與施加在探頭上的電壓強度一一對應(yīng)，從而實現(xiàn)電壓的遠(yuǎn)程測量。本專利利用光纖結(jié)合液晶的透光率與電壓的關(guān)系，實現(xiàn)了采用光纖進(jìn)行電壓遠(yuǎn)程測量，探頭為無源器件，方便實用，傳輸距離大大超出傳統(tǒng)的電壓測量與電壓信號傳輸?shù)膫鬏斁嚯x，能夠達(dá)到上百公里，且不受電磁干擾。采用了光纖光柵與液晶測量電壓的探頭結(jié)合在一起，作為電壓測量的參考，消除了光纖光纜的彎曲損耗等造成的絕對電壓測量誤差。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為傳感器探頭結(jié)構(gòu)圖；圖2為傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3為電壓Vl下液晶分子排列不意圖；圖4是電壓Vl下液晶內(nèi)光強裳減不意圖；圖5為電壓V2下液晶分子排列不意圖；圖6電壓V2下液晶內(nèi)光強裳減不意圖；圖7為電壓V3下液晶分子排列不意圖；圖8電壓V3下液晶內(nèi)光強衰減示意圖；圖9為電壓與液晶內(nèi)光透射率曲線圖；圖10為參考掃描過程信號圖。
[0018]圖中:1_保偏光纖,2-偏振片,3-玻璃基板,4-液晶,5-石英管,6-金屬反射鏡，7_金屬密封蓋,8-金屬導(dǎo)電管,9-第一電極,10-第二電極,11-光纖光柵，12-偏振激光器，13-光纖稱合器,14-保偏光纖光纜，15-基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，16-電極，17-光電探測器。

【具體實施方式】
[0019]實施例1:
如圖1所示，一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，它包括兩端開口的石英管5，在石英管5的前端設(shè)置有金屬密封蓋7，在金屬密封蓋7位于石英管5中的內(nèi)端面上設(shè)置有金屬反射鏡6 ;還包括設(shè)置于石英管5后端的金屬導(dǎo)電管8，在金屬導(dǎo)電管8的一端固定有玻璃基板3,玻璃基板3、金屬導(dǎo)電管8和金屬密封蓋7與石英管5共同形成一個封閉的內(nèi)腔，在內(nèi)腔中填充液晶4 ;在金屬導(dǎo)電管8中插入保偏光纖1，保偏光纖I前端面與保偏光纖I軸線垂直；在位于金屬導(dǎo)電管8中的保偏光纖I上設(shè)置有光纖光柵11 ;在保偏光纖I前端面和玻璃基板3之間設(shè)置有偏振片2。在金屬密封蓋7上設(shè)置有第二電極10，在金屬導(dǎo)電管8上設(shè)置有第一電極9。
[0020]光纖光柵11以及垂直切斷的保偏光纖I插入到金屬導(dǎo)電管8內(nèi)，激光通過保偏光纖I傳輸?shù)奖Ｆ饫wI前端面，保偏光纖I前端面與偏振片2固定在一起,從而使得保偏光纖I中的激光輸出為固定方向的偏振光。偏振光穿過玻璃基板3進(jìn)入到液晶4內(nèi)，到達(dá)金屬反射鏡6的激光被反射原路返回，經(jīng)過液晶4、玻璃基板3與偏振片2重新回到保偏光纖I內(nèi)。玻璃基板3與金屬導(dǎo)電管8固定在一起，再與第一電極9連接在一起，構(gòu)成了液晶4的電極之一；金屬反射鏡6通過金屬密封蓋7與第二電極10連接在一起，構(gòu)成了液晶4的另一電極。
[0021]將金屬反射鏡6與金屬密封蓋7固定在一起，并保持導(dǎo)電聯(lián)通；金屬密封蓋7通過導(dǎo)線連接第二電極10。金屬密封蓋7與第二電極10選用銅材料制成，金屬反射鏡6為不銹鋼鏡面。金屬反射鏡6與金屬密封蓋7固定在一起后再與石英管5固定在一起，并保持密封。
[0022]將刻有光纖布拉格光柵的保偏光纖I端面切成直角，并插入到金屬導(dǎo)電管8內(nèi)，密封固定在一起。偏振片2固定在保偏光纖I前端面處，使得光纖內(nèi)的光透過偏振片2發(fā)射出來。
[0023]金屬導(dǎo)電管8靠近保偏光纖I前端面與偏振片2的一端與玻璃基板3固定連接在一起，玻璃基板3經(jīng)過導(dǎo)電處理，能夠與金屬導(dǎo)電管8導(dǎo)電聯(lián)通，金屬導(dǎo)電管8選用銅管，夕卜徑尺寸與石英管5內(nèi)經(jīng)相等，內(nèi)徑尺寸與保偏光纖I直徑相等。金屬導(dǎo)電管8與第一電極9通過導(dǎo)線連接在一起。
[0024]金屬導(dǎo)電管8、保偏光纖1、偏振片2、玻璃基板3固定在一起后插入到充滿液晶4的石英管5內(nèi)，并固定密封。玻璃基板3與金屬反射鏡6共同構(gòu)成液晶4的兩端電場。
[0025]如圖3-8所示，當(dāng)電壓通過第一電極9與第二電極10加載到液晶4上時，液晶4的排列狀態(tài)發(fā)生改變，從而改變液晶4的透光率，對在其中傳輸?shù)钠窦す庑纬烧{(diào)制，根據(jù)這種調(diào)制即可計算出加載到傳感器的電壓大小。石英管5 —端與金屬反射鏡6及金屬密封蓋7封裝固定在一起，另一端與金屬導(dǎo)電管8、偏振片2、玻璃基板3以及保偏光纖I等固定封裝在一起，共同構(gòu)成了一個容納了液晶4的密封腔，既起到密封作用，還起到保護(hù)保偏光纖I以及相關(guān)組件的作用。外部待測電壓通過第一電極與第二電極加載到液晶4兩個端面上形成電場，電場改變液晶分子排列，從而改變其光學(xué)特性。傳感系統(tǒng)根據(jù)液晶的光學(xué)特性的改變即可測量得出外部電壓值。
[0026]實施例2:本實施例與實施例1相同之處不再贅述，不同之處是:
如圖2所示，本申請還提供了一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器，它包括光纖耦合器13以及通過光纖稱合器13連接在一起的偏振激光器12,基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭15和光電探測器17?；谝壕Ш凸饫w技術(shù)的電壓傳感器探頭15和光纖稱合器13之間通過保偏光纖光纜14連接。
[0027]偏振激光器12與光纖稱合器13 —端口連接,輸出激光通過保偏光纖光纜14到達(dá)基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭15，基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭15在外接電壓調(diào)制下改變了激光在基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭15內(nèi)部的傳輸損耗，并將激光反射原路返回，返回激光經(jīng)過光纖耦合器13進(jìn)入到光電探測器17，光電探測器17進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電信號，并反算出加載到基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭15上的電壓值。偏振激光中心波長掃描光纖光柵11，在光纖光柵11的中心波長處反射率接近100%反射，在光電探測器17端可以獲得參考電壓Vref，因此根據(jù)這個反射信號的光強度可以判斷出整個光路的損耗，從而對測量值進(jìn)行校正參考，消除外部干擾。
[0028]具體實施時，光纖采用了普通保偏光纖，光纖光柵11為在保偏光纖I上刻寫的布拉格光柵，邊模抑制比達(dá)到20dB以上。偏振片2的偏振方向與保偏光纖I的偏振方向相同，保證進(jìn)入到液晶的激光功率達(dá)到最大值。偏振激光器12采用了單偏振激光器，保偏光纖I采用了熊貓保偏光纖，光電探測器17采用了常規(guī)銦鎵砷光電探測器。
【權(quán)利要求】
1.一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是它包括兩端開口的石英管，在石英管的前端設(shè)置有金屬密封蓋，在金屬密封蓋位于石英管中的內(nèi)端面上設(shè)置有金屬反射鏡；還包括設(shè)置于石英管后端的金屬導(dǎo)電管，在金屬導(dǎo)電管的一端固定有玻璃基板，玻璃基板、金屬導(dǎo)電管和金屬密封蓋與石英管共同形成一個封閉的內(nèi)腔，在內(nèi)腔中填充液晶；在金屬導(dǎo)電管中插入保偏光纖，保偏光纖前端面與保偏光纖軸向垂直；在位于金屬導(dǎo)電管中的保偏光纖上設(shè)置有光纖光柵；在保偏光纖前端面和玻璃基板之間設(shè)置有偏振片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是，在金屬密封蓋上設(shè)置有第二電極，在金屬導(dǎo)電管上設(shè)置有第一電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是光纖光柵為在保偏光纖上刻寫的布拉格光柵，邊模抑制比達(dá)到20dB以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是偏振片的偏振方向與保偏光纖的偏振方向相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是偏振激光器采用了單偏振激光器，光電探測器采用了銦鎵砷光電探測器。
6.一種基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器，其特征是它包括光纖耦合器以及通過光纖耦合器連接在一起的偏振激光器，基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭和光電探測器，所述基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭是如權(quán)利要求1所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭，其特征是基于液晶和光纖技術(shù)的電壓傳感器探頭和光纖耦合器之間通過保偏光纖光纜連接。
【文檔編號】G01R19/00GK104316748SQ201410611379
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月4日
【發(fā)明者】劉寶玉, 劉正先, 田永超, 曾伍陽, 楊勇, 申會文, 趙首領(lǐng) 申請人:重慶萬泰電力科技有限公司