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Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor für Spannung und elektrisches Feld
basierend auf dem Pockels-Effekt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Funktion des vorliegenden Spannungs- und elektrischen-Feld-Sensors basiert auf
dem elektrooptischen Pockels-Effekt, der beispielsweise bei den folgenden Materialien
auftritt: LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;, KDP, ADP und Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;. Bei dem Pockels-Effekt verändert
sich die Polarisationsebene des polarisierten Lichts, wenn Licht durch solch ein
Material bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes fällt. Der Pockels-Effekt tritt
typischerweise bei kristallinen Materialien auf, die kein Symmetriezentrum aufweisen.
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Die Verteilung des Brechungsindex des Kristalls, der als optischer Sensor verwendet
wird, wird durch die zu messende Spannung geändert. Die resultierende Differenz des
Brechungsindex hängt von der Intensität des elektrischen Feldes ab. Die Differenz des
Brechungsindex erzeugt eine Phasendifferenz zwischen zueinander senkrecht
polarisierten Komponenten des linear polarisierten Lichtes, das durch das Material fällt.
Abhängig von Struktur und Orientierung des Kristalls tritt ein longitudinaler oder
transversaler Effekt auf. Beim longitudinalen Effekt sind der Weg des Strahls und das
elektrische Feld parallel und beim transversalen Effekt sind sie senkrecht zueinander.
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Ein Meßsystem basierend auf dem Pockels-Effekt weist typisch einen optischen Sensor,
Glasfasern und eine Elektronikeinheit auf, die die durch die Spannung des zu
messenden elektrischen Feldes modulierte Infrarotstrahlung durch die Glasfasern zum
Sensor überträgt. Informationen über die Spannung oder das elektrische Feld wird
durch Messen der Intensitätsänderungen der durch den Sensor zurückgegebenen
Strahlung erhalten.
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Ein Spannungssensor, der hintereinander einen Polarisator, eine Wellenplatte, einen
Kristall aus Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0; und einen Analysator aufweist, ist in IEEE Transactions on Power
Delivery, Vol PWRD-2, Nr. 1 (Januar 1987, Seiten 87-93) beschrieben. Ein
elektrischer Feldsensor mit einer dünnen Schutzbeschichtung aus Silikon ist in der
GB 2212907A beschrieben.
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Optische Spannungssensoren basierend auf dem Pockels-Effekt werden für verschiedene
Hochspannungsmessungen entwickelt. Die meisten der Ausführungsbeispiele sind
konstruiert, um in dem Frequenzbereich von 50-60 Hz zu arbeiten. Einige
Demonstrationsbeispiele wurden auch ausgeführt, um auch schnelle
Spannungsänderungen zu messen. Probleme der Hochfrequenz-Ausführungsbeispiele
waren die Hochfrequenz-Hochspannungs-Haltbarkeit und der Frequenzbereich des
Meßsystems. Beispielsweise werden beim Hochfrequenztrocknen 13,56 MHz Frequenz
und 10 kV Spannung verwendet.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Technologie zu
vermeiden und eine vollständig neue Art eines optischen Sensors für Spannung und
elektrisches Feld basierend auf dem Pockels-Effekt zu ermöglichen. Die Erfindung
basiert auf dem Füllen der inneren Struktur des Sensors, die den Kristall umgibt, mit
Silikon, so daß Luftlücken im Sensor vermieden werden.
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Insbesondere ist der erfindungsgemäße Sensor charakterisiert durch den
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.
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Die Erfindung liefert herausragende Vorteile.
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Silikon ist leicht an Oberfiächen keramischer Materialien und optischer Komponenten
anbringbar. Silikon schützt vor Feuchtigkeit, verbessert die Spannungsfestigkeit und
erhöht die Frequenz-Ansprechbarkeit im Bereich von 300 Hz - 30 MHz, dämpft die
Vibration des in dem Sensor verwendeten Kristalls. Die Verwendung von Silikon macht
es möglich, die Sensitivität und Dynamik des Sensors zu verbessern, während dessen
Spannungsfestigkeit nicht verschlechtert wird. Messungen haben ergeben, daß die
Spannungsfestigkeit durch die Verwendung von Silikon ungefähr fünffach erhöht
wurde. Gleichzeitig wurde der Meßbereich des Sensors vergrößert. Das verwendete
Silikon hat solche Qualitäten (kleiner Extinktionskoeffizient), daß es durch ein
intensives Hochfrequenzfeld nicht aufgeheizt wird, was dessen Verwendung auch sehr
geeignet in optischen Sensoren für Hochfrequenz-Trockner macht.
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Im folgenden wird die Erfindung unter Zuhilfenahme der folgenden
Ausführungsbeispiele im Detall erläutert, die in den beiliegenden Zeichnungen
illustriert sind, in denen
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Figur 1 eine schematische Darstellung eines Meßsystems ist, das einen
erfindungsgemäßen Sensor verwendet;
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Figur 2 ein alternatives Meßsystem ist, das einen erfindungsgemäßen Sensor verwendet;
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Figur 3 das optische Signal des erfindungsgemäßen Sensors in Bezug zur zu messenden
Spannung repräsentiert;
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Figur 4 eine Seitenansicht der Grundkomponenten des erfindungsgemäßen Sensors
zeigt;
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Figur 5 eine Querschnitts-Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sensors ist;
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Figur 6 eine Querschnitts-Seitenansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Sensors ist;
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Figur 7 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung des
elektrischen Feldes ist;
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Figur 8 eine Querschnitts-Seitenansicht eines dritten erfindungsgemäßen Sensors ist;
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Figur 9 eine Querschnitts-Seitenansicht eines vierten erfindungsgemäßen Sensors ist;
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Figur 10 eine Querschnitts-Aufsicht auf einen fünften erfindungsgemäßen Sensor ist;
und
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Figur 11 eine Querschnitts-Seitenansicht des in Figur 10 gezeigten Sensors ist.
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Das in Figur 1 gezeigte optische Meßsystem weist einen optischen Sensor 10,
Glasfasern 20 und eine Elektronikeinheit 30 auf, die die durch die zu messende
Spannung modellierte Infrarotstrahlung durch die Glasfasern 20 zu dem
Spannungssensor 10 überträgt. Durch Messung der Intensitätsänderungen der durch den
Sensor 10 zurückgegebenen Strahlung wird Information über die Spannung oder das
elektrische Feld erhalten. Verzerrungen des Meßsignals durch die Abschwächung der
Strahlung, die möglicherweise in dem gesamten Meßsystem auftritt, werden in der
Elektronikeinheit 30 kompensiert.
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Die Funktionsweise des optischen Sensors für Spannung und elektrisches Feld basiert
auf dem elektrooptischen Pockels-Effekt. In Übereinstimmung mit dem Effekt ändert
sich die Polarisationsebene des polarisierten Lichts, wenn das Licht bei Vorhandensein
eines elektrischen Feldes durch ein Material fällt, das den Pockels-Effekt zeigt. Ein
Sensor, der solch ein aktives Material verwendet, kann so benutzt werden, um eine
Hochfrequenzspannung zu messen, ohne elektrische Leistung an den Sensor anzulegen.
Der optische Sensor ist von der zu messenden Spannung durch die Glasfasern isoliert,
da ein galvanisch mit der Meßeinrichtung verbundener Sensor einen Nebeneffekt auf
das Meßergebnis haben würde. Der optische Sensor unterscheidet sich von anderen
ähnlichen Sensoren, die nach den gleichen Prinzipen arbeiten, durch seine
Geschwindigkeit (30 MHz) und insbesondere durch seine Konstruktion. Die
Konstruktion des Sensors 10 ist im Detail in den Figuren 4 bis 9 illustriert.
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Im folgenden wird die Theorie des Effekts im Detail beschrieben.
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In Übereinstimmung mit dem Pockels-Effekt führt ein elektrisches Feld zu einer
Änderung des Brechungsindex eines Materials, die proportional zu dem elektrischen
Feld ist.
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(1) Δn = n&sub0;³rij,kEk,
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wobei Δn = die durch das elektrische Feld hervorgerufene Veränderung
des Brechungsindex, welche Veränderung zwischen zwei
zueinander senkrecht polarisierten Komponenten einer
Lichtwelle erzeugt wird, die den Kristall durchqueren,
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n&sub0; = der Brechungsindex des Kristalls, wenn kein elektrisches
Feld vorhanden ist,
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rij,k = der lineare elektrooptische Koeffizient, wobei die Indizes i
und j die Ebenen des elektrischen Feldes (der Polarisation)
der optischen Welle repräsentieren, und die Werte 1, 2 und
3 annehmen, und k (1, 2 oder 3) die Richtung des an den
Kristall angelegten elektrischen Feldes angibt, und
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Ek = das an den Kristall angelegte elektrische Feld ist.
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Aufgrund der Symmetrien des Kristalls kann das Indexpaar (ij) durch sechs
Kombinationen (11) = 1, (22) = 2, (33) = 3, (24) = 4, (13) = 5, (12) = 6 ersetzt
werden, so daß Gleichung (1) geschrieben werden kann als
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(2) Δn = n&sub0;³rh,kEk, h = 1, 2, 3, 4, 5 oder 6.
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Die Grundkomponenten eines typischen Sensors zur Messung von Spannung und
elektrischen Feldes unter Verwendung des Pockels-Effektes sind in Figur 4 gezeigt.
Licht fällt über einen Polarisator 1 und eine Phasenverschiebungsplatte 2 durch ein
optisches Sensorelement 3. Das optische Sensorelement 3 zeigt den Pockels-Effekt.
Eine Phasendifferenz zwischen den zueinander senkrecht polarisierten Komponenten des
linear polarisierten Lichts wird durch die zu messende Spannung erzeugt. Die
Phasendifferenz führt zu einer Veränderung der Polarisationsebene des Lichts. Die
Änderung der Polarisationsebene wird durch den zweiten Polarisator 4 erfaßt, der als
Analysator dient. Die durch das Sensorelement 3 empfangene elektrische Intensität
bestimmt die Intensität des durch den Analysator 4 fallenden Lichtes. Wenn die
Polarisationsebenen des Polarisators 1 und des Analysators 4 zueinander senkrecht sind
und die Phasenverschiebungsplatte 4 eine Phasenverschiebung von 90º hervorruft, wird
die Intensität des ausfallenden Lichtes durch den folgenden Ausdruck gegeben.
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(3) P = P&sub0;/2 (1-π/VπXV&sub0;sinωt)
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wobei
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P = die Intensität des ausfallenden Lichtes
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P&sub0; = die Intensität des einfallenden Lichtes,
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Vπ = die Halbwellenspannung, d. h. die Spannung, die eine Drehung der
Polarisationsebene um 90º im Sensor hervorruft,
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V&sub0;sinωt = die Wechselspannung mit Frequenz ω (V&sub0; ist die Amplitude
und t die Zeit) ist, die an das Sensorelement angelegt wird.
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Kristalle, die den Pockels-Effekt zeigen, d.h. LiNbO&sub3;, LiTaO&sub3;, KDP, ADP wurden als
Material des optischen Sensors verwendet. Die durch das elektrische Feld
hervorgerufene Änderung des Brechungsindex hängt von der Kristallsymmetrie ab.
Beispielsweise erzeugt in einem Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;-Kristall mit einer Dimension d in der Ebene
des elektrischen Feldes und 1 in Richtung der Lichtwelle, ein [110]-orientiertes
elektrisches Feld eine 180º-Phasendifferenz zwischen den [110] und [001]-orientierten
Komponenten des linear polarisierten Lichtes, wenn die über den Kristall angelegte
Spannung
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(4) Vπ = (λ/2n&sub0;³r&sub4;&sub1;)(d/1),
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ist, was eine Drehung der Polarisationsebene um 90º erzeugt.
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Gemäß Figur 2 hat ein Sensor 11 in einem alternativen Meßsystem ein Prisma zur
Ablenkung des Strahls. Ein Sen sor dieser Art wird im Detail in den Figuren 10 und 11
beschrieben. In diesen Figuren sind allgemeine Teile der Elektronikeinheit 31
repräsentiert: eine Lichtquelle emittiert das Licht in die Glasfasern 20, ein Lichtdetektor
erfaßt das von dem Sensor 11 über die Glasfasern zurückgestrahlte Licht und der
Verstärker zur Verstärkung des erfaßten Signals. In Hochfrequenz-
Ausführungsbeispielen muß der Verstärker in der Lage sein, in einem
Hochfrequenzbereich von beispielsweise 10 MHz - 30 MHz zu arbeiten. Bei Sensoren
für Hochspannungstests ist die Fähigkeit zur Funktion im Frequenzbereich
von 20 Hz - 30 MHz erforderlich.
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Gemäß Figur 3 wird der minimale meßbare Spannungspegel durch die Charakteristik
des Sensors und das Signal/Rausch-Verhältnis des Lichtdetektors und des Verstärkers
bestimmt. Die maximal meßbare Spannung ist durch die Durchbruchsfestigkeit des
Sensors bestimmt. Der Kristall in dem Sensor wird eingestellt, um in der Theorie eine
lineare Funktionsweise des Sensors bis zu 3 kV zu zeigen, wenn die zu messende
Spannung durch Drähte direkt mit den leitenden Oberflächen des Kristalls verbunden
ist. Die Figur zeigt die Abhängigkeit der durch den Sensor gefallenen Lichtintensität
von dem gemessenen elektrischen Feld, wenn eine λ/4-Phasenverschiebungsplatte
(wobei λ die Wellenlänge des Lichts ist) zur Einstellung des Arbeitspunktes auf dem
linearen Teil der Kurve verwendet wird. Das Sensor-Ausgangssignal ist bezüglich der
gemessenen Spannung beinahe linear, wenn die mit den leitfähigen Oberflächen des
Kristalls verbundene Spannung Vmax ≤ 1/6Vλ/2 ist.
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Die berechnete Auflösung des gesamten Meßsystems war 0,5 V im Frequenzbereich
von 30 Hz - 100 kHz und 10 V im Frequenzbereich von 100 kHz - 30 MHz und die
abgeschätzte Genauigkeit war ±0 5 / (30 Hz - 100 kHz) und ± 1,0 / (100 kHz -
30 MHz).
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Gemäß Figur 4 sind die Grundkomponenten des erfindungsgemäßen Sensors in der
durch den Lichtstrahl passierten Reihenfolge der Polarisator 1, die
Phasenverschiebungsplatte 2, der Kristall 3 und der als Analysator dienende
Polarisator 4. Der bei dem Ausführungsbeispiel anwendbare Kristall 3 ist so orientiert,
daß das zu messende elektrische Feld die benötigte Veränderung der Ebene des linear
polarisierten Lichts erzeugt, das durch den Kristall fällt. Die Polarisatoren 1, 4 und die
optische Phasenverschiebungsplatte 2 sind so orientiert, daß die Änderung der durch
den gesamten Sensor fallenden Lichtintensität direkt proportional zu der gemessenen
Spannung ist.
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In Figur 5 sind die Grundkomponenten in den tatsächlichen Sensor eingefügt.
Zusätzlich ist der Sensor zur Potentialteilung mit einem Kondensator 6 und einem Draht
7 versehen, um das Meßsignal zu dem Kristall des Sensors 3 zu leiten. Der Innenraum
des Sensors ist mit Silikon 5 gefüllt. Als isolierendes Material 9 des Kondensators 6
wird vorzugsweise Keramik oder alternativ Polypropylen verwendet. Leitfähige
Platten 16 des Kondensators 6 sind auf der Oberfläche der Keramik 9 ausgebildet.
Insbesondere geeignete Keramik für die Erfindung ist das kommerziell erhältliche
Produkt Makor mit einer Dielektrizitätskonstante ε von 5,6. Durch Verwendung dieses
Ausführungsbeispiels wird eine gute Spannungsfestigkeit und eine geeignete Auflösung
bei Hochfrequenzanwendungen erreicht.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 verwendet eine symmetrische
Potentialaufteilung auf beiden Seiten des Kristalls 3.
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Bei dem Sensor für das elektrische Feld gemäß Figur 7 wird kein das elektrische Feld
aufteilender Kondensator verwendet, sondern das Feld wird durch Drähte 7 direkt zu
der Kristallfläche 3 gebracht. Die gesamte Sensorstruktur ist durch zwei
halbkreisförmige leitfähige Gehäuseteile 7 umgeben, die voneinander isoliert sind. Der
Innenraum des Sensors ist mit Silikon 5 gefüllt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 entspricht dem in Figur 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel ohne Potentialteilungskondensator 6. Das Feld wird durch Drähte
7 zu Metallisierungen 14 gebracht, die direkt auf der Kristalloberfläche 3 angebracht
sind. Der Innenraum des Sensors ist mit Silikon gefüllt. Messungen haben demonstriert,
daß aufgrund der Verwendung von Silikon die Spannungsfestigkeit des Sensors
ungefähr fünffach verbessert ist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 9 wird die zu messende Spannung durch
Drähte 7 zu einer leitfähigen Kugel oder Platte 12 gebracht, die mit einer Entfernung
von dem Kristall 3 angeordnet ist. Da die innere Struktur mit Silikon 5 gefüllt ist, dient
die Lücke zwischen Platte 12 und Kristall 3 als Potentialteiler. Das elektrische Feld ist
innerhalb des Silikons eingeschlossen, da Silikon eine kleinere Dielektrizitätskonstante
als der Kristall aufweist: ε = 2,9 < εcrystal = 16. Silikon 5 hat eine hohe
Spannungsfestigkeit und außerdem ist dessen Extinktionskoeffizient klein, so daß das
Silikon auch bei einem intensiven Hochfrequenzfeld nicht aufgewärmt wird.
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Der Sensor gemäß Figuren 10 und 11 entspricht in seinen Grundkomponenten den in
Figur 4-9 gezeigten Sensoren. Der Hauptunterschied ist das Prisma 15, das das durch
den Kristall 3 gelaufene Licht zurückwirft. Wie üblich sind Polarisatoren 1 und 4 im
Lichtweg und die Phasenverschiebungsplatte 2 ist im Lichtweg zwischen dem ersten
Polarisator 1 und dem Kristall 3 angeordnet.
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Im folgenden sind die Eigenschaften der signifikanten Komponenten der Erfindung
beispielhaft angegeben:
Kristall 3
Bi&sub4;Ge&sub3;O&sub1;&sub2;:
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- 43m-Kristall Symmetrie; kubisch
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- Brechungsindex n = 2,0975 (633 nm)
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- Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex (dn/dT)/n = 2 10&supmin;&sup5;/K
(633 nm)
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- thermischer Expansionskoeffizient (dH/dT)/h = 1 10&supmin;&sup6;/K
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- r&sub4;&sub1; = 0,95 10&supmin;¹²m/V
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-n&sub0;³r&sub4;&sub1; = 8,8 10&supmin;¹²m/V (631 nm)
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- Richtung des Lichtweges: [1-10]
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- Richtung des elektrischen Feldes [110]
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- Auf beiden [110]-Flächen des Kristalls wurde ein Chrom/(Gold)-Film
aufgedampft
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- Dimensionen des Kristalls: 3 x 7 x 10 mm
Phasenverschiebungsplatte 2
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- λ/4-Phasenverschiebungsplatte
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- Quarz
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- Durchmesser 5 mm
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- Dicke 3 mm oder Kubus 3 x 3 x 3
Polarisatoren 1 und 4
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Option 1 (Ausführungsbeispiel gemäß Figur 10-11)
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- Polarisationskubus
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- Wellenlänge: 830 nm
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- Größe A = B = C = 5 mm
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Option 2 (Ausführungsbeispiel gemäß Figuren 4-9)
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- Polarisationsfilm
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- Wellenlänge: 830 nm
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- Größe: Durchmesser 5 mm, Dicke 1 mm.
Glasfasern 20:
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Option 1 (Figuren 10-11)
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- Ensign Pickford: HCP-MO400T-10
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- Durchmesser des Kerns 400 um
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- nicht verkabelt
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Option 2 (Figuren 4-9)
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- Ensign Pickford: HCP-MO200T-A02VZ-07
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- 200/230 um (Kern/Umhüllung)
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- verkabelt; doppelt verkabelt
Potentialteilerkondensatoren
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- Keramikmaterial Makor oder
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- Polypropylen oder
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- Teflon
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- Durchmesser 40 mm, Höhe 10 - 60 mm
Gehäuse
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- Gehäusematerial: gegossener Kunststoff mit Harzfüllung, Keramik oder
Teflonrohr
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- Die Struktur des Sensors ist vollständig isolierend
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- Glasfasern sind mit dem Gehäuse mittels Quetschhülsen verbunden. Die
Quetschhülsen sind speziell für dieses Ausführungsbeispiel konstruiert
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- Selfoc-Mikrolinsen sind in Glaskeramikgehäusen angeordnet
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- Komponenten sind in einer V-Nut angeordnet
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- Der Kristall ist so konstruiert, daß natürliche Vibrationen schnell gedämpft
werden
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- Auf den Oberflächen der Kristalle wurde ein Chrom/Gold-Film
aufgedampft
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- Als Polarisatoren wurden kubische Polarisatoren oder
Dünnschichtpolarisatoren, die in geeignete Größe und Form geschnitten
sind, verwendet
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- Innere Hohlräume der Sensoren wurden mit Silikon(Tabelle 1) aufgefüllt.
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Im folgenden wird eine Tabelle angegeben, die die Eigenschaften des isolierenden
Materials 9 (Glaskeramik) und Silikon 5 zur Anwendung für die Erfindung illustriert.
Tabelle 1
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Anstelle der in den obigen Beispielen erwähnten Infrarotstrahlung können bei der
Erfindung auch andere Wellenlängen verwendet werden.