Способ измерения напряженности электрического поля Советский патент 1988 года по МПК G01R29/12 G01R15/24 

о

.-

Ичобротенне относится к электрооптике; и может быть использовано при измерении напряженности электрического поля.

Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности электрического поля.

Сущность способа заключается в том, что линейно поляризованный све- товой поток модулируют по фазе и пропускают через электрооптическую среду, при этом амплитуду оптической фазовой модуляции выбирают равной или большей, чем максимальный поворот плоскости поляризации, вызываемый измеряемым электрическим полем анализируют прошедший свет, формируют разность выходных электрических сигналов и регистрируют длительность положи- тельных и отрицательных Значений сигнала разности, заключенных в каждом периоде оптической фазовой манипуляции. По их длительности судят о напряженности, а по соотношению длитель- ностей - о направлении измеряемого электрического поля.

Оптическая фазовая манипуляция разворачивает во времени угол поворота плоскости поляризации света от отрицательного угла, соответствующего напряженности максимального отрицательного электрического поля - Ед, до максимального положительного угла

соответствующего полю Е.,. При этом

гл

каждый период фазовой модуляции делится :ia два временных отрезка Т, и c j, В отсутствие измеряемого поля эти отрезки равны. При воздействии электрическим полем на электрооптическую среду последняя вызывает поворот плоскости главной оси эллипса поляризации прошедшего света, причем угол поворота пропорционален напряженности

электрического поля в случае эффекта Поккельса и квадрату напряженности в случае эффекта Керра, Измеряемое электрическое поле Е вызывает сдвиг момента деления выходного сигнала. Этот сдвиг пропорционален измеряемом

полю и его можно фиксировать, изме- ряя временные интервалы 9 и 9 или измеряя разность амплитуд выходных сигналов в каждом периоде фазовой модуляции.

При осуществлении второго вариант способа модулируют по фазе линейно поляризованный световой поток и пропускают его через электрооптическую

5

зв20 гь- 25

а.

35

ти ю Q ооав му

45

та

среду. Амплитуду фазовой модуляции выбирают равной или большей, чем максимальный поворот плоскости поляризации, вызываемый измеряемым электрическим полем; анализируют прошедший свет и регистрируют разность амплитуд выходных сигналов, заключенных в каждом периоде фазовой модуляции. По абсолютной величине разности судят о напряженности, а по знаку разности - о направлении измеряемого электрического поля.

На фиг.1 показано устройство для реализации предлагаемого способаJ на фиг.2 - временная диаграмма, иллюстрирующая способ; на фиг.З - вариант выполнения электронного блока устройства.

Устройство для реализации способа содержит последовательно связанные оптически источник 1 света, например оптический квантовый генератор, поляризатор 2, оптический фазовый модулятор 3, чувствительный электрооптический элемент 4, помещенный в область измеряемого поля, компенсатор 5, анализатор 6, в качестве которого использована призма Волостона, с выходами которой оптически соединены фо-- Топриемники 7, подключенные на вход электронного блока 8. С входом блока 8 связан первый выход блока 9 управления, второй выход которого соединен с управлякщими входом оптического фазового модулятора.

Электронный блок 8 может содержать компаратор 10 напряжения, счетчик,П импульсов и генератор 12. Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Световой поток, излучаемый оптическим квантовым генератором 1, проходит через поляризатор 2 и модулируется оптическим фазовым модулятором 3. Модулированный сигнал проходит через электрооптический элемент 4, который поворачивает плоскость главной оси эллиптически поляризованного света пропорционально измеряемому полю. Далее световой поток проходит через компенсатор 5, а анализатором 6 световой поток делится на две составляющие с взаимно ортогональной поляризацией, которые попадают на со- ответствукядие фотоприемники 7, включенные в балансный блок фоторегистрации. Сигн разбаланса регистрируется электронным блоком 8. Блок 9 управле,314

ния задает временной закон изменения поляризации.

Способ иллюстрируется временными диаграммами (фиг.2). Диаграммы а-з соответствуют случаю, когда измеряемое поле Е 0, диаграммы а -з - отличному от нуля измеряемому полю Е,. .

В случае Е О сигнал модуляции имеет пилообразную форму (диагр. а). Так как кроме модуляции нет никаких воздействий на поворот плоскости по- .ляризации света, проходящего через оптическую систему,- то и угол поворота плоскости поляризации следует закону модуляции (диагр. б). При этом анализатор расположен так, что при отсутствии модуляции интенсивности прошедших через анализатор составляющих равны. При модуляции момент равенства интенсивностей прошедших анализатор лучей с взаимно ортогональными векторами поляризации соответствует прохождению через нуль модулирующего сигнала. При этом в начальный момент модуляции интенсивность первого луча минимальна, второго - максимальна. В конечный момент периода модуляции ситуация противоположна (диагр. в, г). Далее выделяется разность сигналов фотоприемников, соответствуняцая разности интенсивностей I ( н 1 прошедших Через анализатор составляющих. Разность сигналов (диагр. д) фотоприемников повторяет сигнал модуляции и обращается в нуль в тот же момент времени, что и сигнал модуляции, т.е. на половине периода.

В случае Е О на угол поворота плоскости поляризации, кроме сигнала .модуляции, вследствие электрооптического эффекта воздействует измеряемое поле Еу. Поэтому поворот плоскости поляризации уже не следует закону модуляции (диагр. а ), а оказывается смещенным на величину угла, на который повернулась плоскость поляризации под действием измеряемого поля (диагр. б ). Интенсивности пропюдших через анализатор лучей определяются с помощью закона Малюса (диагр, в , г ) для случая, когда измеряемое электрическое поле поворачивает плоскость поляризации света на угол 8 рад.

Как видно из диаграммы д , разность интенсивностей прошедших через

1406

анализатор лучей и соответствующая ей разность сигналов фотоприемников делят период модуляции на временные отрезки, величина которых пропорциональна величине измеряемого электрического поля. Момент деления периода модуляции на заключительном этапе (диагр. д ) эквивалентен моменту про10

хождения через нуль угла поворота

плоскости поляризации на диаграмме б . Диаграммы е, ж, з, е , ж , з относятся к примеру реализации способа при выполнении электронного блока 8 согласно схеме на фиг.З.

Диаграмма е иллюстрирует работу компаратора 10 напряжения, вход которого соединен с выходом балансного блока фоторегистрации, а выходной сигнал которого управляет счетчиком 11, счетный вход которого соединен с генератором 12, вьфабатывающим фиксированную частоту (диагр, ж). В результате этого временной интервал

преобразуется в число импульсов фиксированной частоты, которое также пропорционально измеряемому электрическому полю ЕХ

В случае линейного электрооптичес™

кого эффекта Поккельса формула для определения напряженности измеряемого электрического поля имеет вид

uvz,.;-«т;.

21 X + 2

3 в случае квадратичного злектроопти- ческого эффекта Керра

Ц

5- (.) 21 т; +

где и - полуволновое напряжение

материала, 1 - длина оптического- пути в

материалеJ . 9 , 7 - временные интервалы, на

которые делится период модуляции;

В - постоянная Керра материала.

При преобразовании временного интервала в число импульсов, как это имеет место в устройстве, реализующем способ, формулы преобразуются следующим образом

Е

21

(2N ,). ЧТ

щ

В. ЛЫ . 21 4т

где N - число импульсов, соответствующее интервалу ; f - частота кварцевого генератора;Т - период модуляции, равный

+, .

Таким образом, при реализации способа по первому варианту электронный

1401406 Ф о

рмула изобретения

Способ измерения напряженности электрического поля, заключающийся Б том, что линейно поляризованный световой поток пропускают сквозь электрооптическую среду, находящуюся в области измеряемого электрического

блок 8 регистрирует времена разбалан- ю поля, вьщеляют из потока на выходе из

электрооптической среды составляющие с взаимно ортогональной поляризацией и преобразуют составляющие светового потока с взаимно ортогональной поля- g ризацией в выходной электрический сигнал.

са в каждом периоде фазовой модуляции, причем эти времена пропорциональны напряженности измеряемого электрического поля, а соотношение этих времен, заключенных в каждом периоде фазовой модуляции, позволяет определить направление измеряемого поля.

При реализации способа по второму варианту электронный блок 8 регистрирует постоянную составляющую выходного сигнала, величина которого пропорциональна напряженности измеряемого электрического поля, а знак указывает направление измеряемого поля.

Способ позволяет снизить погрешность, обусловленную нестабильностью источника излучения и фотоприемника, обеспечивает представление результата в цифровом виде, что повышает точность и упрощает обработку результатов измерений.

1401406 Ф о

рмула изобретения

Способ измерения напряженности электрического поля, заключающийся Б том, что линейно поляризованный световой поток пропускают сквозь электрооптическую среду, находящуюся в области измеряемого электрического

поля, вьщеляют из потока на выходе из

электрооптической среды составляющие с взаимно ортогональной поляризацией и преобразуют составляющие светового потока с взаимно ортогональной поля- ризацией в выходной электрический сигнал.

о-тличающийся тем.

что, с целью повьщ1ения точности измерений, линейно поляризованный световой поток модулируют по среде с амплитудой модуляции, превьппающей максимальный поворот вектора поляризации под действием измеряемого злектричес- кого поля, находят разность выходных электрических сигналов, полученных преобразованием составляющих светового потока с взаимно ортогональной поляризацией, регистрируют длительности положительного и отрицательного значений разности выходных электрических сигналов и по ним судят о величинеполя.

и направлении измеряемого

1 tiW

-li

Изобретение относится к электрооптике и служит для повышения точности измерения напряженности электрического поля. Линейно поляризованный свет модулируют по фазе и пропускают через электрооптическую среду Амплитуду фазовой модуляции выбирают равной или большей, чем максимальный поворот плоскости поляризации, вызываемый измеряемым полем. Анализируют прошедший свет и регистрируют длительность выходных сигналов, заключённых в каждом периоде фазовой макч™ пуляции. По длительности судят о напряженности, а по соотношению длительностей - о направлении электрического поля. 3 ил.

/0

f J/- Г,

t1

фа.