DE69109535T2

DE69109535T2 - Gerichteter, polarimetrischer Feldsensor.

Info

Publication number: DE69109535T2
Application number: DE69109535T
Authority: DE
Inventors: Francesco Simonelli
Original assignee: Pirelli Cavi SpA
Current assignee: Pirelli and C SpA
Priority date: 1990-05-25
Filing date: 1991-05-21
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2011-05-22
Also published as: CA2043255C; IT9020433A1; EP0458255B1; IT9020433A0; EP0458255A3; DE69109535D1; BR9102265A; EP0458255A2; US5272433A; IT1248820B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen polarimetrischen Feldsensor. Zum Messen von Feldern, besonders elektrischer oder magnetischer Felder, können polarimetrische optische Sensoren verwendet werden. Solche Sensoren verwenden die Veränderungen des Polarisationszustands eines durch doppelbrechende Kristalle übertragenen optischen Signals.
Solche Sensoren sind besonders brauchbar, da das sensible Element, die Sonde, sehr klein sein kann und aus dielektrischem Material bestehen kann, so daß das Feld nicht beeinträchtigt wird und bei Hochspannungsleitern oder dergleichen kein Sicherheitsrisiko entsteht.
Bekannte Sensoren können zwar an dem Punkt, an dem die Sonde angebracht ist, Feldstärken ausreichend exakt messen, doch können sie über die Richtung des Feldes keine ausreichende Information liefern. Das heißt, sie können keine Information über die Stärke des Felds in einer odere mehreren Richtungen im Verhältnis zur Lage der Sonde erfassen und liefern.
Während es möglich ist, im Falle einer gut definierten Feldkonfiguration aus dem gemessenen Wert nach einer entsprechenden Kalibrierung und bei einer vorgegebenen Lage der Sonde die tatsächliche Verteilung des Felds zu erhalten, liefert der Sensor im Falle einer im wesentlichen unbekannten Feldkonfiguration, wie zum Beispiel in der Nähe eines geladenen Körpers mit unregelmäßiger Form oder mit einer unregelmäßigen Ladungsverteilung nicht genug Information zur Bestimmung des Felds.
Der Vorteil eines zur Erfassung nur einer Komponente eines zu messenden elektrischen Felds in einer exakt festgelegten Richtung fähigen Richtungssensors, ohne daß die Messung durch andere Komponenten des Felds beeinflußt wird, wurde in einem Artikel mit dem Titel "Electromagnetic field components: their measurement using linear electrooptic and magnetooptic effects" ("Elektromagnetische Feldkomponenten: Ihre Messung unter Verwendung linearer elektro-optischer und magneto-optischer Effekte") in: Applied Optics, Vol. 14, Nr. 11, S. 2712-2719, im November 1975 veröffentlicht. Die Messung zweier Komponenten eines elektrischen Felds wurde in dem Artikel mit dem Titel "Simultaneous measurement of two orthogonal components of electric field using a Pockels device" ("Simultane Messung zweier orthogonaler Komponenten elektrischer Felder unter Verwendung einer Pockels-Vorrichtung") in: Review of Scientific Instruments, Vol. 60, Nr. 7, S. 1252-1257 im Juli 1989 veröffentlicht.
Nach dieser Veröffentlichung, siehe Fig. 5 auf S. 1255, wird der aus dem elektro-optischen Kristall austretende Lichtstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt, und jeder Strahl wird durch einen eigenen Analysator geleitet.
Jeder der beiden aus dem elektro-optischen Kristall austretenden Lichtstrahlen enthält jeweils im wesentlichen die eine der beiden elektrischen Komponenten des elektrischen Felds betreffende Information.
Das bedeutet, daß im Fall eines starken elektrischen Felds sich die beiden Komponenten gegenseitig so beeinflussen, daß keine präzisen Meßdaten erhalten werden.
Eine bekannte Lösung zum Messen von drei Komponenten eines unbekannten elektrischen Felds ist im europäischen Patent 0 453 693 (veröffentlicht am 30.10.91) beschrieben, doch muß dazu dem elektro-optischen Kristall eine kugelförmige Konfiguration gegeben werden, und es können nur Kristalle mit kubischer kristallographischer Symmetrie verwendet werden. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Eigenschaften eines Sensors zu identifizieren, der auch im Fall eines starken elektrischen Felds von drei Komponenten desselben ohne die Einschränkungen der bekannten Vorrichtungen eine präzise Richtungsmessung vornehmen kann.
Erfindungsgemäß ist ein polarimetrischer Feldrichtungssensor vorgesehen mit einem Meßsignalsender, einem Meßsignalempfänger, einer Sonde, Lichtleitern, die die Sonde mit dem Sender und dem Empfänger verbinden, wobei die Sonde einen elektro-optischen Kristall zur Veränderung des Polarisationszustandes des durch ihn hindurchtretenden optischen Signals bei Vorhandensein eines zu messenden Feldes, die Fasern, welche unabhängige optische Meßsignale in den Kristall übertragen und von ihm empfangen, und Einrichtungen zur Polarisation der Meßsignale aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der elektro-optische Kristall eine Kristallstruktur hat, die drei Einfallsebenen bereitstellt, wobei in jeder dieser Ebenen die Änderung der Brechungseigenschaften entlang zweier in derselben Ebene liegenden orthogonalen Achsen durch eine einzelne Feldkomponente unabhängig von den anderen Feldkomponenten hervorgerufen wird, die Sonde ein Gehäuse aufweist, in dem die Enden der drei Lichtleiter mit den entsprechenden Kollimatoreinrichtungen untergebracht sind, wobei eine der Fasern orthogonal zu einer der Schnittebenen des elektrooptischen Kristalls orientiert ist und die anderen Fasern parallel zu dieser einen Faser angeordnet und auf entsprechenden Prismen zur Ablenkung der durch sie hindurchtretenden optischen Signale auf die entsprechenden Ebenen des Kristalls justiert sind, die drei Ebenen des Kristalls, auf die die optischen Signale gerichtet sind, aufeinander orthogonal stehen und die Polarisationseinrichtungen in einem Winkel von 45º zu den Orthogonalachsen orientiert sind, längs derer die Brechungsindices des Kristalls durch die gewünschte Feldkomponente verändert werden.
Die abhängigen Patentansprüche beziehen sich auf besondere Ausführungsformen der Erfindung.
Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung im einzelnen anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektrischen polarimetrischen Feldübertragungssensors,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines elektrischen polarimetrischen Feldreflexionssensors,
Fig. 3 die Sonde des Sensors von Fig. 2 teilweise in Schnittdarstellung,
Fig. 4 die Elemente der Sonde eines Sensors in Explosionsdarstellung, wobei die Komponenten nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform angeordnet sind,
Fig. 5 die Elemente der Sonde eines Sensors in Explosionsdarstellung, wobei die Komponenten nach einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform angeordnet sind,
Fig. 6 die Elemente der Sonde eines Sensors in Explosionsdarstellung, wobei die Komponenten nach einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform angeordnet sind,
Fig. 7 eine Seitenansicht der Sonde eines Sensors, der auf mehrere Komponenten des Felds anspricht, und
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer auf drei Komponenten des Felds ansprechenden Sonde.
Wie in Fig. 1 dargestellt, umfaßt ein polarimetrischer elektrischer Feldsensor eine über Lichtleiter 2 an eine Sonde 3 angeschlossene Vorrichtung 1 zum Emittieren und Empfangen eines optischen Meßsignals, die in einem von einer externen Konfiguration geladener Körper 4 erzeugten elektrischen Feld E angeordnet wird.
Die Vorrichtung 1 enthält eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals über einen Lichtleiter 2a an die Sonde 3; das optische Signal wird in der Sonde durch eine erste Polarisiereinrichtung polarisiert und wird dann durch einen elektro-optischen Kristall und eine zweite Polarisiereinrichtung und schließlich in einen zweiten Lichtleiter 2b geleitet.
Wenn der erste und der zweite Lichtleiter 2a und 2b der Art sind, daß sie die Polarisierung beibehalten, können die Polarisiereinrichtungen als Alternative entfernt sein, das heißt, sie können in der Vorrichtung 1 oder in einer Entfernung von der Sonde untergebracht sein; eine solche Anordnung ist praktikabel, wenn sichergestellt werden kann, daß die Polarisierung des Signals nicht durch unerwünschte auf die Faser einwirkende äußere Effekte so verändert wird, daß die Genauigkeit der Messung beeinträchtig wird. Solche Effekte können zum Beispiel auftreten, wenn die Fasern ziemlich lang sind.
Aufgrund des elektro-optischen Effekts werden die Polarisationseigenschaften des durch den Kristall geleiteten Signals vom elektrischen Feld verändert, und das Signal wird dann über den zweiten Lichtleiter 2b an die Vorrichtung 1 zurückgeleitet, wo die Veränderungen der Intensität des zurückgeleiteten Signals aufgrund von durch das Feld verursachten Veränderungen des Polarisationszustands analysiert werden, so daß der Wert des elektrischen Felds E ermittelt werden kann.
Bei einer in Fig. 2 dargestellten alternativen Ausführungsform ist der Sondenkristall an der Endoberfläche, die der Seite gegeüberliegt, an der das Signal eintritt, mit einer reflektierenden Beschichtung versehen.
Das Signal wird über einen Lichtleiter 2 an die Sonde geleitet und wird von der Polarisiereinrichtung polarisiert, durch den Kristall geleitet und reflektiert; das Meßsignal wird in entgegengesetzter Richtung wieder durch den Kristall der Polarisiereinrichtung geleitet und kehrt zur Vorrichtung 1 über den gleichen Lichtleiter 2 zurück, in dem das Signal an die Sonde geleitet wurde.
Das rückkehrende Signal kann in der Vorrichtung 1 getrennt werden und so in einer der oben beschriebenen ähnlichen Weise analysiert werden.
Wie in Fig. 1 und 2 dargestellt, kann die Achse a der Sonde 3 mit Bezug zum elektrischen Feld E frei ausgerichtet werden. Außerdem haben die Komponenten der Sonde, wie unten erörtert, ihrerseits eine Ausrichtung und weisen ein anisotropes Verhalten auf.
Ein Beispiel des Aufbaus der Sonde 3 ist detaillierter in Fig. 3 dargestellt für den Fall, daß eine Sonde mit Reflexion arbeitet. Sie weist ein in zwei geeignete Teile 5a, 5b unterteiltes Gehäuse 5 auf, an das eine in einer entsprechenden Ummantelung 6 untergebrachte optische Faser 2 angeschlossen ist.
Das Ende der Faser 2 wird in eine Stützbuchse 7 eingeführt, die ihrerseits an eine Sammellinse 8 anschließt.
Auf der anderen Seite der Linse 8 kommt der Reihe nach eine Polarisiereinrichtung 9, eine Verzögerungsplatte 10 und ein Kristall 11, der auf seiner Endfläche mit einer reflektierenden Beschichtung 12 versehen ist.
Um die Sonde für eine einzelne Komponente des Felds sensibel zu machen, ist der Kristall 11 ein elektro-optischer Richtungskristall, das heißt, er hat eine kristalline Struktur, die mindestens eine Ebene aufweist, in der die einzelne Feldkomponente eine Veränderung der Brechungseigenschaften entlang zweier im rechten Winkel zueinander in der Ebene liegender Achsen verursacht.
Ein solcher Kristall ist außerdem so geschnitten und so in der Sonde ausgerichtet, daß in ihm die Ausbreitung des Meßsignals, wie in Fig. 4, 5 und 6 gezeigt, im rechten Winkel zur oben genannten Ebene erfolgt.
Eine solche Bedingung wird mit Bezug auf die optischen Hauptachsen x-y-z der verwendeten kristallinen Materialien identifiziert.
Wie bekannt ist, sind diese Achsen die Achsen, entlang derer die Felder E und D einer sich im Kristall ausbreitenden elektromagnetischen Welle parallel sind. Sie bilden ein rechtwinkliges 3-Achsen-System und sind in einem anisotropen Material immer eindeutig identifizierbar.
Die Kristalle, die die obigen Bedingungen erfüllen, können dadurch identifiziert werden, daß sie eine bestimmte Kristallstruktur aufweisen und daß sie zu einer bestimmten Symmetriegruppe gehören, die nach internationalen Bestimmungen identifiziert werden können.
Geeignete Kristalle können aus den folgenden ausgewählt sein:
monokline Kristalle: Klasse 2, y-Schnitt und z-Schnitt;
orthorhombisch: Klasse 222, x-Schnitt, y-Schnitt, z- Schnitt und Klasse 2mm, z-Schnitt;
tetragonal: Klasse 4, z-Schnitt, Klasse 4, z-Schnitt, Klasse 422 x-Schnitt und y-Schnitt, Klasse 4mm, z- Schnitt, Klasse 42m, x-Schnitt, y-Schnitt oder z-Schnitt; rhomboedrisch: Klasse 32, x-Schnitt;
hexagonal: Klasse 622, x-Schnitt oder y-Schnitt, Klasse 6m2, x-Schnitt oder y-Schnitt;
kubisch: Klasse 43m, x-Schnitt, y-Schnitt oder z-Schnitt und Klasse 23, x-Schnitt, y-Schnitt oder z-Schnitt.
Die angegebenen Schnittebenen (x-Schnitt, y-Schnitt, z- Schnitt) sind die Ebenen, zu denen die entsprechende Richtung der optischen Ausbreitung im rechten Winkel steht, und die Kristalle müssen im Sensor so ausgerichtet sein, daß die Anordnung dieser Ebenen im Verhältnis zur Richtung des Meßlichts angemessen ist.
Bei den oben genannten kubischen Kristallen kann die Schnittebene, d.h. die die Fläche 11a enthaltende Ebene, auf die das optische Meßsignal im rechten Winkel auftrifft, im rechten Winkel zu einer der Richtungen, x, y oder z, stehen (d.h., sie ist eine Ebene mit den Miller-Indices (100), (010) bzw. (001)), während bei den tetragonalen Kristallen in den Klassen 4, 4 und 4mm nur die z-Ebene akzeptabel ist; in Klasse 422 sind die Ebenen x und y und in der Klasse 42m die Ebenen x, y und z akzeptabel.
Bei den orthorhombischen Kristallen in Klasse 222 sind die akzeptablen Schnittebenen die durch die drei Richtungen x, y und z definierten Ebenen, während in Klasse 2mm nur die auf der z-Richtung senkrecht stehende Ebene akzeptabel ist; bei rhomboedrischen Kristallen ist die zu verwendende Schnittebene die auf der x-Achse senkrecht stehende Ebene; bei hexagonalen Kristallen ist die auf der x- oder der y-Achse senkrecht stehende Ebene und bei monoklinen Kristallen die auf der yoder der z-Achse senkrecht stehende Ebene akzeptabel.
Unter den oben genannten Kristallgruppen werden die folgenden bevorzugt:
Monoklin Klasse 2: Ca&sub2;Nb&sub2;O&sub7;
Orthorhombisch:
Klasse 222: KNA(C&sub4;H&sub4;O&sub6;) H&sub2;O (Rochelle-Salze)
Klasse 2mm: LiB&sub3;O&sub5;, KB&sub5;O&sub8; H&sub2;O und isomorphe Verbindungen
Tetragonal:
Klasse 4mm: BaTiO&sub3;;
Klasse 42m: KH&sub2;PO&sub4; und isomorphe Verbindungen (auch als KDP bekannt)
Rhoboedrisch:
Klasse 32: SiO&sub2; (Quarz)
Hexagonal:
Klasse 6m2: GaSe, α-ZnS, CdS, CdSe Kubisch:
Klasse 23: Bi&sub1;&sub2;GeO&sub2;&sub0; und isomorphe Verbindungen
Klasse 43m: Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2; und isomorphe Verbindungen; CdTe, GaAs,
GaP, β-ZnS, ZnTe, CuCl, CuBr.
Zur Verwendung in der Sonde geeignete Kristalle sind die geforderten Eigenschaften aufweisende Kristalle, die außerdem im wesentlichen für Licht mit der für das Meßsignal verwendeten Wellenlänge durchlässig sein müssen.
Die Kristalle sollten daher eine Halbwertslänge der Lichtintensität haben, die nicht weniger ist als die Länge des optischen Pfads im Kristall der Sonde; bei einigen Anwendungen können jedoch Kristalle mit einer diesen Wert übersteigenden Dämpfung verwendet werden, wenn die Ausgangsintensität des Kristalls für die Messung ausreichend ist.
Als Beispiel ist in Fig. 4 ein kubischer x-Schnitt-Kristall perspektivisch dargestellt, wobei die Schnittebene 11a zur x-Richtung senkrecht ist und die Ausbreitungsrichtung des Signals parallel zur x-Achse ist.
In Kombination mit einem solchen Kristall 11 ist die Polarisiereinrichtung 9 in der durch den Pfeil P angezeigten Polarisierungsachse angeordnet, die in einer mit der z- oder der y-Achse parallelen Richtung ausgerichtet ist, das heißt in einem 45º-Winkel zur rechtwinkligen Achse, entlang der die Brechungsindices des Kristalls 11 durch die erwünschte Komponente Ex des elektrischen Felds verändert werden.
Im Fall eines kubischen Kristalls wäre ein y-Schnittoder z-Schnitt-Kristall für die Messung der Feldkomponente geeignet, die zur entsprechenden y- oder z-Richtung der Ausbreitungsrichtung im Kristall parallel ist.
Als Alternative ist es zum Beispiel bei der Verwendung eines GaSe-Kristalls (hexagonal 6m2), wobei m senkrecht auf der y-Achse sieht und die Richtung der Lichtausbreitung im Kristall parallel zu y verläuft (y-Schnitt), wie in Fig. 5 dargestellt, möglich, die x-Komponente (Ex) des Felds, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, zu messen, indem die Polarisiereinrichtung in Ausrichtung mit der Polarisationsachse P, in einem 45º-Winkel zu x und z angeordnet wird.
Eine solche Anordnung ist zum Beispiel dann nützlich, wenn die Form der Sonde bei der Positionierung im Meßbereich Probleme bereitet, da das Ansprechverhalten in der zur längeren Abmessung der Sonde senkrechten Richtung ausgenützt werden kann.
In einem weiteren in Fig. 6 dargestellten Beispiel wird ein Kristall verwendet, der aus Quarz (SiO&sub2;) (rhomboedrisch, Klasse 32), oder Galliumselenid (GaSe) (hexagonal, Klasse 6m2) besteht; in beiden Fällen ist die Endfläche 11a senkrecht zur x-Achse, das heißt, der Kristall ist x-geschnitten.
Die Polarisiereinrichtung 9 ist mit der Polarisationsachse P und in einem Winkel von 45º zur y- und z-Achse ausgerichtet; die gemessene Feldkomponente ist die Komponente Ex entlang der x-Achse.
Die Verzögerungsplatte 10 dient zur Erzeugung einer Phasenverschiebung zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Polarisierungen, wobei ihre Doppelbrechungsachsen in einem 45º-Winkel zur Polarisierungsebene liegen.
Das Ansprechverhalten des Sensors hängt von der von der Platte verursachten Phasenverschiebung ab, und so ist es durch die Platte 10 möglich, eine konstante Phasenverschiebung zu bewirken, die zur vom gemessenen elektrischen Feld verursachten veränderbaren Verschiebung hinzutritt, wodurch ein Betrieb nahe eines erwünschten Werts des elektrischen Felds möglich wird, wie zum Beispiel in einem linearen Bereich der Ansprechkurve.
Aufgrund des im wesentlichen cosinusartigen Verlaufs der Ansprechkurve einer polarimetrischen Sonde ist die zu verursachende Verschiebung gleich einer viertel Wellenlänge, wenn ein Betrieb in einem linearen Ansprechbereich nahe eines Null- Durchschnittswert des Felds erwünscht ist. Bei der Reflexionssonde von Fig. 2 und 3 wird die Platte 10 zweimal vom Meßsignal durchquert, und sie ist so angeordnet, daß eine Verschiebung um ein Achtel einer Wellenlänge bei jeder Durchquerung erzeugt wird, so daß die Gesamt-Phasenverschiebung nach zwei aufeinanderfolgenden Durchquerungen das erwünschte Viertel einer Wellenlänge beträgt.
Bei dem nicht-reflexiven Sensor von Fig. 1, bei dem die Verzögerungsplatte 10 nur einmal vom Meßsignal durchquert wird, wird eine Phasenverschiebung um eine viertel Wellenlänge verursachende Platte verwendet, um einen Betrieb nahe eines Null-Feldwerts zu ermöglichen.
In Fällen, wo die Sonde bei verschiedenen Feldwerten betrieben werden soll, wird das Material und die Dicke der Verzögerungsplatte so ausgewählt, daß die erwünschte Phasenverzögerung gemäß bekannter Techniken erreicht wird.
Die Verzögerungsplatte wird unabhängig von der Phasenverzögerung aus doppelbrechendem Material gefertigt. Um einen Richtungssensor zu erhalten, wird eine solche Platte entweder aus nicht-elektro-optischem anisotropem doppelbrechendem Material, z.B. Glimmer, erzeugt, wobei zwei Achsen linearer Doppelbrechung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und in einem Winkel von 45º zur Polarisierungsachse verlaufen, oder aus einem elektro-optischen anisotropen doppelbrechenden Material, dessen Doppelbrechungseigenschaften durch die gleiche Feldkomponente (und nur durch diese) modifiziert werden, die auf den Sondenkristall wirkt.
Wenn die Platte aus nicht-elektro-optischem Material hergestellt wird, hat ihre Ausrichtung keine Auswirkungen auf die Richtungssensibilität des Sensors.
Wenn auf der anderen Seite ein elektro-optisches Material verwendet wird, kann dieses aus den folgenden ausgewählt werden:
Tetragonal:
Klasse 4 und 4 (z-Schnitt)
Orthorhombisch:
Klasse 2mm (z-Schnitt)
Rhoboedrisch:
Klasse 32 (x-Schnitt)
Hexagonal:
Klasse 6m2 (x-Schnitt oder y-Schnitt)
Ein bevorzugtes Material für die Verzögerungsplatte ist x-geschnittener Quarz.
Eine durch ein elektrisches Feld E bei einem x-geschnittenen Quarz in der x-Richtung verursachte Doppelbrechung erzeugt eine Veränderung der Brechungsindices der Hauptachsen y, z, wodurch so eine durch das elektrische Feld modulierte Phasenverzögerung erzeugt wird. Wenn die Hauptachsen einer Verzögerungsplatte aus einem solchen Material parallel zu den Doppelbrechungsachsen des sensiblen Kristalls 11 sind, wird eine solche Phasenverzögerung zu der vom Feld im Kristall erzeugten Phasenverzögerung addiert, wodurch die Sensibilität der Sonde in der erwünschten Richtung erhöht wird, ohne daß andere Feldkomponenten erfaßt werden.
Bei diesen Voraussetzungen ist die Platte so ausgerichtet, daß ihre Doppelbrechungsachsen in einem Winkel von 45º zur Polarisationsachse P liegen.
Bei Kristallen 11, die die Feldkomponente in der Ausbreitungsrichtung des optischen Meßsignals messen und bei denen die erzeugte Doppelbrechung in einem Winkel von 45º zu den Achsen liegt, müssen die y- und die z-Achse der Quarz Verzögerungsplatte in einem Winkel von 45º zur optischen Hauptachse des Kristalls 11 sein, wie das zum Beispiel bei dem kubischen Kristall von Fig. 4 der Fall ist.
Wenn die erzeugte Doppelbrechung entlang der Hauptachse verläuft (Fig. 6), müssen die Achsen der Verzögerungsplatte mit diesen ausgerichtet sein, und die Achse P der Polarisiereinrichtung muß in einem Winkel von 45º zu beiden liegen (z.B. bei GaSe, x-Schnitt).
Wenn in der Sonde eine Verzögerungsplatte mit einer anderen Ausrichtung oder andere Materialien als die oben erörterten verwendet werden, wird im Sensor ein Richtungsfehler erzeugt, das heißt, ein zusätzliches Ansprechen auf weitere Feldkomponenten zur erwünschten Feldkomponente, das von 10% bis 100% der erwünschten Komponente reichen kann; bei vielen Anwendungen, bei denen nicht nur die Größe des Felds, sondern auch seine Richtung unbekannt ist, wie zum Beispiel bei der Messung der Feldkonfiguration in der Umgebung eines unter Hochspannung stehenden Körpers oder Geräts, ist es erforderlich, daß die Verzögerungsplatte die oben genannten Richtungskriterien erfüllt, da ein Fehler bei der Messung zu unbrauchbaren Ergebnissen führen könnte.
Wie in Fig. 3 dargestellt, wurde ein zur Messung einer Komponente des elektrischen Felds geeigneter Sensor unter Verwendung eines Kristalls aus Wismut-Germanat (Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;, kubisch, Klasse 43m, auch als BGO bekannt) hergestellt, der eine prismatische Form mit einer Länge von 10mm hatte und einem Querschnitt von 3x3mm. Der Kristall wurde so geschnitten, daß die größere Abmessung in der z-Richtung liegt, während die kleineren Kanten in der x- und y-Richtung liegen (den optischen Hauptachsen entsprechend), wie durch die Referenzachsen in der Figur hervorgehoben ist.
Das Meßsignal wird entlang der z-Richtung des Kristalls in diesen hinein übertragen.
Die Verzögerungsplatte ist aus 1 mm dickem x-geschnittenem Quarz mit einer Querschnittsfläche von 3x3 mm; die y- und z-Achse der Platte sind in einem 45º-Winkel zu der x- und der y-Achse des BGO-Kristalls.
Die Polarisiereinrichtung ist aus 1 mm dickem Glas mit einer Querschnittsfläche von 3x3 mm; die Polarisationsachse ist parallel zur x- oder zur y-Achse des BGO-Kristalls (in einem Winkel von 45º zur y- und z-Achse der Quarzplatte).
Das das Meßsignal bildende Licht wird über eine Faser 2 des Multimoden-Typs 50/125 in die Sonde geleitet und wird durch eine Linse 8 mit einem verstellbaren Brechungsindex und einem Durchmesser von 2 mm fokussiert.
Das Sondengehäuse ist ganz aus dielektrischem Material gefertigt. Die Sensibilität der Sonde ist so, daß es in Kombination mit geeigneten bekannten Emissions-, Empfangs- und Signalverarbeitungseinrichtungen möglich ist, elektrische Felder im Bereich zwischen einigen wenigen V/mm bis zu einigen kv/mm mit Frequenzen im Bereich von der allgemeinen Stromnetzfrequenz (< 50 Hz) bis zu atmosphärischen Impulsen (> 500 kHz) mit einem Richtungsfehler von weniger als 1% in Luft zu messen.
Eine Sonde mit dem oben genannten Aufbau spricht so auf eine einzige Feldkomponente an, die parallel oder im rechten Winkel zur Ausbreitungsrichtung des optischen Meßsignals ist, die günstigerweise mit der Längsachse der Sonde übereinstimmt. Wenn deshalb die Sonde selbst in ein unbekanntes elektrisches Feld gebracht wird und in einer vorbestimmten Richtung ausgerichtet ist, ist es möglich, eine Anzeige über die Komponente des elektrischen Felds in dieser Richtung zu bekommen.
Wenn die Sonde danach in eine andere Richtung ausgerichtet wird, oder wenn sie in eine andere Lage gebracht wird, ist es dann möglich, das Feld in dieser neuen Richtung oder Lage zu messen, bis die Konfiguration des erwünschten Felds im Verhältnis zu bestimmten Meßvoraussetzungen erreicht wird.
Wenn erwünscht ist, mit einer einzigen Sonde den Wert aller Vektorkomponenten des Felds gleichzeitig zu bestimmen, ist die Verwendung einer Sonde des in Fig. 7 in Seitenansicht und in Fig. 8 in einer Explosionsdarstellung gezeigten Typs günstig: Bei einer solchen Sonde empfängt ein elektro-optischer Kristall 13 in kubischer Form entsprechende Meßsignale aus drei unabhängigen Leitungen 14, 15 und 16 an drei aufeinander senkrecht stehenden Endflächen; jede Faser ist für sich in einer Buchse 17 eingefaßt, und der austretende Lichtstrahl wird durch eine entsprechende Linse 18 parallel gerichtet.
Damit die Fasern 14, 15 und 16 an ihrem Anschlußpunkt zur Sonde parallel zueinander verlaufen, können zwei von ihnen günstigerweise mit einem ensprechenden Prisma 19 versehen werden, das den Lichtstrahl um 90º umlenkt.
Im optischen Pfad des von den Fasern ausgehenden Lichts ist jeweils eine Polarisiereinrichtung 20 und eine Verzögerungsplatte 21, während die Endflächen des Kristalls 13, die derjenigen gegenüberliegen, durch die das Meßsignal eintritt, jeweils mit reflektierenden Beschichtungen 22 versehen sind.
Bei einem solchen Aufbau sind im Kristall 13 drei Meßsignale in den drei Richtungen, wodurch es möglich wird, die vollständige Konfiguration des Felds zu erfassen, mit einer besonders kleinen Sonde, die nur geringe Störungen im gemessenen Feld verursacht und die außerdem die drei Komponenten an einem einzigen Punkt mißt, wodurch die erforderliche Genauigkeit erzielt wird.
Zum Durchführen der Messung in den drei Richtungen muß der Kristall 13 ein elektro-optischer Kristall sein: (i) der, wie oben beschrieben, für die Wellenlänge(n) der Meßsignale durchlässig ist; (ii) der drei aufeinaner senkrecht stehende Richtungen aufweist; und (iii) für den die Bedingung der Gerichtetheit zutrifft, das heißt, daß für jede solche Richtung in der Kristallstruktur eine entsprechende Ebene vorgesehen ist, in der die Modifikation der Brechungseigenschaften entlang zweier im rechten Winkel zueinander stehender Achsen in der Ebene nur von einer Komponente des Felds verursacht wird, so daß für jede Ausbreitungsrichtung drei unabhängige Feldkomponenten gemessen werden. Für diesen Zweck sind die folgenden Kristalle geeignet:
Kubisch:
Klasse 43m und 23 (x-Schnitt, y-Schnitt, z-Schnitt)
Orthorhomobisch:
Klasse 222 (x-Schnitt, y-Schnitt, z-Schnitt)
Tetragonal:
Klasse 42m (x-Schnitt, y-Schnitt, z-Schnitt)
Kristalle für dreidirektionale Sensoren sind vorzugsweise kubische Kristalle der Klassen 43m und 23; solche Kristalle sind nicht natürlich doppelbrechend und haben entlang der drei Achsen eine gleiche Sensibilität.
Wenn nur von zwei Feldvektorkomponenten Messungen gewünscht werden, das heißt, wenn eine bidirektionale Sonde erwünscht ist, kann die Sonde einen dem gezeigten ähnlichen Aufbau haben, und für die Kristalle 13 können die gleichen Materialien verwendet werden, wobei jedoch eine Faser und die entsprechende Polarisiereinrichtung und Verzögerungsplatte fehlen.
Bei allen diesen ein-, zwei- oder dreidirektionalen Sensoren hat die Schnittebene der Kristalle vorzugsweise eine Toleranz, die geringer ist als 5/10 eines Grads im Verhältnis zur theoretischen kristallographischen Ebene. Eine gleiche Toleranz wird für den Einfallwinkel des optischen Signats auf eine solche Ebene benötigt. Dadurch wird ein Richtungsmeßfehler von 1 bis 2% garantiert, das heißt das Ansprechverhalten auf Feldkomponenten, die von den erwünschten abweichen, ist 1 bis 2% der Sensibilität für die richtige Richtung, was für die meisten Anwendungen brauchbar ist, ohne daß dadurch bei der Herstellung des Kristalls unverhältnismäßig große Schwierigkeiten auftreten.
Um eine größere Meßgenauigkeit mit einem Richtungsfehler von weniger als 0,1 bis 0,3% zu erzielen, muß eine Toleranz beim Schneiden der Oberfläche und beim Einfallswinkel des optischen Signals so gewählt werden, daß ein Winkelfehler von weniger als 6' auftritt.
Für die Polarisierungsachse der Polarisierungseinrichtung 9 wirkt sich ein bescheidener Neigungswinkelfehler nicht beträchtlich auf die Richtungsgenauigkeit aus; ein häufig angenommener Toleranzwert reicht von 0,1º bis 1º.
Viele Abänderungen des oben beschriebenen Sensors können vorgenommen werden, ohne daß dadurch von Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Claims

1. Polarimetrischer Feldrichtungssensor mit

- einem Meßsignalsender (1),

- einem Meßsignalempfänger (1),

- einer Sonde (3),

- Lichtleitern (2, 2a, 2b; 14, 15, 16), die die Sonde (3) mit dem Sender (1) und dem Empfänger (1) verbinden, wobei die Sonde (3)

- einen elektro-optischen Kristall (11, 13) zur Veränderung des Polarisationszustandes des durch ihn hindurchtretenden optischen Signals bei Vorhandensein eines zu messenden Feldes,

- die Fasern (14, 15, 16), welche unabhängige optische Meßsignale in den Kristall (11, 13) übertragen und von ihm empfangen, und

- Einrichtungen (9, 20) zur Polarisation der Meßsignale aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der elektro-optische Kristall (11, 13) eine Kristallstruktur hat, die drei Einfallsebenen bereitstellt, wobei in jeder dieser Ebenen die Änderung der Brechungseigenschaften entlang zweier in derselben Ebene liegenden orthogonalen Achsen durch eine einzelne Feldkomponente unabhängig von den anderen Feldkomponenten hervorgerufen wird,

- die Sonde (3) ein Gehäuse aufweist, in dem die Enden der drei Lichtleiter (14, 15, 16) mit den entsprechenden Kollimatoreinrichtungen (18) untergebracht sind, wobei eine der Fasern orthogonal zu einer der Schnittebenen des elektrooptischen Kristalls (11, 13) orientiert ist und die anderen Fasern parallel zu dieser einen Faser angeordnet und auf entsprechenden Prismen (19) zur Ablenkung der durch sie hindurchtretenden optischen Signale auf die entsprechenden Ebenen des Kristalls (11, 13) justiert sind,

- die drei Ebenen des Kristalls (11, 13), auf die die optischen Signale gerichtet sind, aufeinander orthogonal stehen und

- die Polarisationseinrichtungen (9, 20) in einem Winkel von 45º zu den Orthogonalachsen orientiert sind, längs derer die Brechungsindices des Kristalls durch die gewünschte Feldkomponente verändert werden.

2. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-optische Kristall aus folgenden Kristallen ausgewählt ist:

- kubisch: Klasse 43m und 23 x-Schnitt, y-Schnitt oder z- Schnitt;

- orthorhombisch: Klasse 222 x-Schnitt, y-Schnitt oder z- Schnitt;

- tetragonal: Klasse 42m x-Schnitt, y-Schnitt oder z- Schnitt;

wobei die entsprechenden Schnittebenen orthogonal zur Ausbreitungsrichtung des optischen Meßsignals innerhalb des Kristalls (11, 13) orientiert sind.

3. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektro-optische Kristall (11, 13) ein kubischer Kristall der Klasse 43m oder 23 ist.

4. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde Verzögerungsplatten (21) aus doppelbrechendem Material aufweist, die im Strahlengang des optischen Meßsignals angeordnet und so gestaltet sind, daß sie zwei orthogonal polarisierten optischen Meßsignalen eine konstante, vorbestimmte Phasenverschiebung verleihen, wobei jede Verzögerungsplatte (21) mit ihren optischen Doppelbrechungsachsen im wesentlichen in einem Winkel von 45º zur Polarisationsebene orientiert ist.

5. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsplatte (21) aus nicht-elektro-optischem doppelbrechendem Material besteht.

6. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsplatte (21) aus elektro-optisshem doppelbrechendem Material besteht und so orientiert is, daß ihre Doppelbrechungseigenschaften von derselben Feldkomponente geändert werden, auf die auch der elektro-optische Kristall (11, 13) anspricht.

7. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsplatte (21) aus einem elektro-optischen anisothropen doppelbrechenden Material besteht, das aus folgenden Kristallen ausgewählt ist:

- tetragonal: Klasse und 4 und 4, z-Schnitt;

- orthorhombisch: Klasse 2mm, z-Schnitt;

- rhomboedrisch: Klasse 32, x-Schnitt;

- hexagonal: Klasse 6m2, x-Schnitt, y-Schnitt.

8. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein x-Schnitt-Quarz ist.

9. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (11, 13) in einem Winkel von 45º zu den optischen Hauptachsen Doppelbrechung induziert und das optische Meßsignal sich parallel zu der Komponente des zu messenden Feldes ausbreitet bzw. die optischen Meßsignale sich jeweils parallel zu den Komponenten des zu messenden z-eldes ausbreiten und die Verzögerungsplatte (21) mit der y- und der z-Achse in einem Winkel von 45º zu den optischen Hauptachsen des doppelbrechenden Kristalls (11, 13) orientiert ist.

10. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (11, 13) eine Doppelbrechung hat, die längs seiner optischen Hauptachsen hervorgerufen wird und die Verzögerungsplatte (21) mit der y- und der z-Achse längs der optischen Hauptachsen des doppelbrechenden Kristalls orientiert ist.

11. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebene des elektrooptischen Kristalls (11, 13) eine Orientierungstoleranz von weniger als 5/10 Grad mit Bezug auf die vorgeschriebene theoretische Ebene aufweist.

12. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittebene des elektrooptischen Kristalls (11, 13) eine Orientierungstoleranz von weniger als 6' mit Bezug auf die vorgeschriebene theoretische Ebene aufweist.

13. Polarimetrischer Feldrichtungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsebene eine Orientierungstoleranz von weniger als 1º mit Bezug auf die vorgeschriebene theoretische Ebene aufweist.