Способ и чувствительный элемент для измерения электрических напряжений и/или напряженностей электрического поля

 

Изобретение касается способа измерения электрических напряжений или электрических полей при применении кристалла, имеющего электрооптический эффект (эффект Покеля). Для этого создается поперек к направлению распространения (Y - направление) поляризованной в Z - направлении световой волны градиент напряженности электрического поля в кристалле в X - направлении, из которого вытекает соответствующий градиент показателя преломления n кристалла. В результате этого происходит зависимое от напряженности поля отклонение световой волны в кристалле, которое используется при выходе как мера для напряжения или напряженности поля. Также описывается соответствующий чувствительный элемент. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение касается способа измерения электрических напряжений и/или напряженностей электрического поля и чувствительного элемента для осуществления этого способа согласно органичительных частей формулы изобретения 1 и 8. Известные способы и соответственно используемые чувствительные элементы этого типа основываются на принципе использования линейного электрооптического эффекта различных кристаллов.

Уже известны способы измерения и чувствительные элементы для этого, основывающиеся на том принципе, что коэффициент преломления определенных, проницаемых для световых волн кристаллов можно изменять в зависимости от производимой в кристалле напряженности поля. Этот так называемый электрооптический эффект показывают, например, кристаллы из ниобата лития или дигидрофосфата калия. Два электрода, расположенные на поверхности кристаллической пластинки параллельно и на расстоянии друг от друга, присоединяют, например, для измерения напряжения к измеряемому напряжению, а обусловленное в результате этого изменение показателя преломления принимается как мера для подаваемого напряжения.

Для определения индексов преломления известны интерферометрические или поляриметрические устройства. В первом способе модулируется фаза световой волны и накладывается на контрольную фазу, что приводит к изменению интенсивности отводимой световой волны. При использовании поляриметрического устройства поляризация поляризованной световой волны изменяется в зависимости от показателя преломления, а изменение интенсивности устанавливается посредством поляризатора.

Для обоих известных устройств требуются относительно высокие технические затраты. Кроме того, проблемы реализации появляются из-за применяемых материалов. Помимо требования относительно высоких электрооптических эффектов материалов, в них наряду с чистым электрооптическим эффектом появляются соответственно как пьезоэлектрический, так и эластооптический эффект, которые вместе показывают такую же картину, что и чистый электрооптический эффект. Инерционность материала приводит затем к тому, что в зоне низких частот электрооптический эффект, с одной стороны, и пьезоэлектрический и эластооптический эффект, с другой стороны, накладываются друг на друга. Переходная зона отличается далее резонансными явлениями, вытекающими из вибраций кристаллов.

Для широкополосной системы измерения, следовательно, должно выдвигаться требование относительно исключительного использования чистого электрооптического эффект, т. е. соответствующие пьезоэлектрические - эластооптические эффекты не должны приниматься во внимание.

При поляриметрической системе такое положение вещей должно иметь место одновременно для двух коэффициентов, в то время как при интерферометрической системе достаточно одного коэффициента. В соответствии с этим в распоряжении имеются значительно больше материалов для создания широкополосной интерферометрической системы измерения, чем для широкополосной поляриметрической системы измерения. Этому противопоставляются однако значительные технологические затраты интерферометра. Для этого должны быть использованы далее интегрированно-оптические элементы конструкции, к которым должны подводиться оптическая мощность с определенным типом волны и с определенным состоянием поляризации. При практическом использовании этой технологии требуется поэтому применение сохраняющего поляризацию проводника световой волны (HiBi - волокно) с настоятельной необходимостью.

Посредством данного изобретения должна быть решена задача, заключающаяся в том, чтобы предложить способ и чувствительный элемент для осуществления этого способа, с помощью которого или с помощью которых в принципе должны быть сохранены преимущества интерферометрического способа, а именно необходимость оценки только лишь одного единственного электрооптического коэффициента. Кроме того, технические затраты должны сохраняться небольшими в результате того, что не должны использоваться ни интегрированно-оптическая технология, ни специальный проводник световой волны.

Решается эта задача посредством признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения 1 и 8.

Данное изобретение характеризуется, в частности, тем, что световая волна посылается только через кристалл, то есть должна быть введена и отведена. Отклонение отведенной или отводимой световой волны можно устанавливать и оценивать с помощью простых средств.

Другие предпочтительные детали данного изобретения указаны в зависимых пунктах формулы изобретения и ниже поясняются более подробно на основе наглядно показанных в чертеже примеров осуществления. На рисунках показано: Фиг. 1: вид в перспективе используемого способа согласно изобретению, присоединяемого к напряжению, кристалла; фиг. 2: вид сверху на кристалле согласно фиг. 1; фиг. 3: вид торцевой стороны кристалла согласно фиг. 1; фиг. 4: ход кривой показателя преломления n в X - направлении; фиг. 5: ход кривой напряженности поля E_Z в X - направлении; фиг. 6: возможный ход кривой отклоненной световой волны; фиг. 7: расположение чувствительного элемента между двумя предусмотренными в электрическом поле шаровыми полусферами.

На фиг. 1 цифрой 1 обозначен кристалл, например из ниобата лития. Его обе поверхности - верхняя поверхность 2 и нижняя поверхность 3 - проходят в направлении X и Y - осей, а его толщина 4 - в направлении Z оси кристалла 1, как это показано с помощью системы координат. Ниже данные о координатах X-, Y- и Z - направления относятся постоянно к осям кристалла. Обе поверхности 2 и 3 снабжены соответственно парой простирающихся в Y - направлении, полосообразных электродов 5, 6 или 7, 8. При этом одна пара электродов 5, 6 противостоит другой паре электродов 7, 8 конгруентно. Обе пары электродов 5, 6 или 7,8 присоединены к источнику напряжения 9, в результате того, что соответственно диагонально противостоящие друг другу электроды 5, 8 и 6, 7 соединены с соответственно одним из полюсов 10 или 11 этого источника. Благодаря этому между электродами 5 и 7, с одной стороны, и между электродами 6 и 8, с другой стороны, образуется электрическое поле E_Z в Z - направлении; однако эти электрические поля E_Z соответственно подключению к источнику напряжения 9 направлены друг против друга. По определению линейного электрооптического эффекта поэтому, например показатель преломления n кристалла 1 в одном случае увеличивается, а в другом случае - уменьшается (так называемый Покель-эффект). Соответственно в зоне 12, которая, как правило, несколько больше, чем расстояние 13 между проходящими параллельно друг другу электродами 5, 6 и 7, 8 на поверхности 2 или 3 согласно фиг. 4 образуется непрерывно изменяющаяся напряженность поля с определенными градиентами напряженности поля 14 в Х - направлении. Соответственно изменяется также и коэффициент преломления n в X - направлении, и получают соответствующий градиент 15, как представлено на фиг. 4.

Одна из вертикально находящихся к Y - направлению торцовых поверхностей 16 служит для ввода поляризованной в Z - направлении световой волны 17. Точка ввода 18 в примере осуществления выбрана соосно к торцовой поверхности 16. Соответственно точка отвода 19 может быть предусмотрена на другой торцовой поверхности 20. В зависимости от желаемого результата измерения эти точки ввода и отвода 18, 19 однако могут быть выбраны или предусмотрены также на других местах кристалла 1.

Измерение напряжения (или напряженности) поля с вышеназванным расположением может осуществляться следующим образом.

При распространении поляризованной в Z - направлении световой волны 17 в положительном Y - направлении кристалла 1 появляется показатель преломления n с одним электрооптическим коэффициентом r₃₃ (единственный в хорошем приближении независимый от частоты коэффициент ниобата лития): n = n_e - 1/2n³_er₃₃E_z (1) причем n_e = 2,200 описывает экстраупорядоченный (индекс) показатель преломления, а E_Z - наружное электрическое поле вдоль Z - направления кристалла.

Если изменяется составляющая напряженности поля E_Z вдоль координаты X, то показатель преломления является функцией места. Распространение света падающей в Y - направленности световой волны 17 можно тогда описать посредством уравнения Эйконала: (gradФ(x)²) = n(x)² (2) с фазовой функцией Ф(x) оптической волны. Световая волна следует, таким образом, уравнению излучения d/ds/n(x) · dr/ds/ = gradn(x) (3) с длиной пути S вдоль светового участка или распространения лучей с радиусом-вектором r. Возможное отклонение световой волны 17 изображено на фиг. 6 штриховой или штрихпунктирной линией.

Из решения уравнения /3/ для функции места светового луча следует приближенно: x = 1/α/·/cosh/αy/-1/ (4)
α = -1/2n²_er₃₃dE_z(x)/dx (5)
Небольшие углы отклонения ϕ можно оценивать с учетом вычисления при выходе световой волны 17' из кристалла 1 с пронизанными лучами световым участком 21 или длиной L:
ϕ = -1/2n³_er₃₃dE_z(x)/dxL/ (6)
На примере уравнения /6/ становится ясно, что для электрооптического отклонения световой волны 17 определяющим является градиент напряженности поля E_Z. Подобный ход кривой напряженности поля осуществляется посредством описанного устройства с четырьмя электродами.

В результате соответствующего ввода и отвода световой волны 17 можно получить соответственно временному ходу кривой напряженности поля, например модулированный по интенсивности оптический сигнал на единице оценки 22, что соответствует поданному на электроды 5, 6 или 7, 8 напряжению или соответствующей напряженности поля.

Ввод световой волны 17, как показано на фиг. 6, может осуществляться через соответствующий световод 23, связанный с торцовой поверхностью 16, а отвод - через световод 24, соединенный с торцовой поверхностью 24. Предпочтительно, чтобы ядро или диаметр ядра 25 предусмотренного на стороне отвода световода 24 было меньше, чем возможная область отклонения 26. В результате этого при представленном центрированном расположении световода 24 к световоду 23 можно узнать отклонение через изменение интенсивности светового потока, проникающего в световод 24.

Для измерения электрического поля можно, согласно фиг. 7, в поле 27 установить устройство из двух, в примере осуществления выполненных как шаровые полусферы эквипотенциальных поверхностей 28 и 29, и по меньшей мере из электропроводящего с одной стороны материала, между которыми - как описано - расположен вышеназванный кристалл 1. Электроды вместо источника напряжения 9 соединены с эквипотенциальными поверхностями 28, 29. При имеющемся электрическом поле 27, на эквипотенциальных поверхностях 28, 29 индицируется электрическое напряжение, представляющее собой меру для имеющейся там напряженности поля, и которое может быть измерено. Поэтому при такой системе измерения и методике измерения чувствительный элемент присоединен не к наружному напряжению или источнику напряжения так, что обусловленные в ином случае в искажения поля не могут больше появляться.

Оценка отклонения отведенной или отводимой световой волны 17' осуществляется преимущественно через фотодиод или посредством диодной строки или посредством прочих фотоэлементов, в данном случае, через бленду 30, как показано на фиг. 6.

Предложенный способ и применяемый при этом чувствительный элемент согласно изобретению можно использовать для постоянного тока или для низкочастотных и высокочастотных напряжений, или также для соответствующих полей постоянного тока или переменных полей.

Как вытекает из описания фиг. 1, предложенный способ и чувствительный элемент для осуществления этого способа может быть полностью работоспособным в том случае, если оси кристалла X и Y повернуты на 90^o по отношению к изображению, представленному на фиг. 1.

Формула изобретения

1. Способ для измерения электрических напряжений или напряженностей электрического поля при применении появляющегося в кристалле электрооптического эффекта, согласно которому пропускают поляризованную световую волну через кристалл и изменяют по ходу света напряженность поля в кристалле и тем самым показатель преломления кристалла посредством противолежащих друг над другом поверхностей электродов, проходящих параллельно к ходу света и присоединенных к напряжению или потенциалу, в соответствии с приложенной к ним разностью напряжений или потенциалов и используют изменение световой волны, создаваемое изменением показателя преломления, в качестве меры для подаваемого на электроды напряжения или потенциала, отличающийся тем, что присоединенные к измеряемому напряжению или измеряемому потенциалу электроды в направлении плоскости, образованной осями X-Y, устанавливают таким образом, что при приложенном напряжении или потенциале в кристалле по ходу света появляется проходящий поперек к направлению распространения световой волны в направлении оси X или оси Y кристалла градиент электрической напряженности поля в направлении оси Z кристалла и тем самым градиент показателя преломления в направлении оси Z, причем световую волну в кристалле отклоняют возникающими градиентами в зависимости от напряжения или потенциала в направлении оси X или Y и это отклонение используют для определения измеряемого напряжения или потенциала, приложенного к электродам.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на имеющем форму пластинки кристалле, поверхности которого проходят в направлении осей X-Y, а толщина которого проходит в направлении оси ZZ, на каждой поверхности напротив друг друга устанавливают соответственно по одной паре проходящих в направлении оси Y или X и в направлении оси X или Y на расстоянии друг от друга электродов, а световая волна проникает на торцевой стороне кристалла в точке, находящейся в зоне расстояния в направлении оси Y или X.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что применяют поляризованную в направлении оси Z кристалла световую волну.

4. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что световую волну вводят через световод.

5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что отвод отклоненной световой волны осуществляют на противоположной вводу торцевой стороне через световод, светопроводящий керн которого меньше зоны отклонения отводимой световой волны, так что отклонение вызывает изменение силы света отводимой световой волны.

6. Способ по одному из пп. 1-5, отличающийся тем, что для измерения напряженности поля в электрическое поле помещают на расстоянии друг от друга две потенциальные поверхности, а кристалл располагают между ними и подключают к ним.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве потенциальных поверхностей применяют сферические или полусферические насадки.

8. Чувствительный элемент для измерения электрических напряжений или напряженностей электрического поля при применении появляющегося в кристалле электрооптического эффекта, выполненного с возможностью пропускания поляризованной световой волны через кристалл и изменения по ходу света напряженности поля в кристалле и тем самым показателя преломления кристалла посредством последовательно противолежащих поверхностей электродов, проходящих параллельно к ходу света и присоединенных к напряжению или потенциалу, в соответствии с приложенной к ним разностью напряжений или потенциалов и использования изменения световой волны, создаваемого изменением показателя преломления, в качестве меры для подаваемого на электроды напряжения или потенциала, отличающийся тем, что он содержит имеющий форму пластинки кристалл, поверхности которого расположены в направлении плоскости, образованной осями X и Y, а толщина которого расположена в направлении оси Z, причем на поверхности пластинок кристалла расположены попарно противолежащие друг другу, полосообразные и параллельные друг другу электроды, расположенные на расстоянии друг от друга в направлении оси Y или X, при этом соответственно диагонально противолежащие друг другу электроды электропроводяще соединены между собой, а соответственно противолежащие друг другу торцевые поверхности кристалла в направлении оси Y или X являются местом ввода или отвода.

9. Чувствительный элемент по п.8, отличающийся тем, что кристалл состоит из ниобата лития.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7