Устройство для измерения напряженности переменных электрических полей Советский патент 1988 года по МПК G01R15/24 G01R29/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при изучении мощных электромагнитных явлений.

Цель изобретения - повышение точности измерения и чувствительности устройства.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг.2 - положение чувствительного элемента из электрооптического кристалла относительно прямоугольной поворотной призмы; на фиг, 3 - представлены конфигурация ми кролянз и сравнение апертур систем: собств енно волокно (а), во- локно-собирающая микролинза (б) и

волокно-расс ивающая микролинза (в)

Устройство для измерения напряженности переменных электрических полей содержит монохроматический источник 1 света, входной оптический световод 2, с фокусирующей микролинзой 3, коллимирующий объектив 4, поляризатор 5, чувствительный элемент 6 и з электрооптического монокристалла, прямоугольную поворотную призму 7, фокусирующий объектив 8, выходной оптический световод 9 с рассеивающей микролинзой 10, фотоприемник 11, усилитель 12, индикатор 13 и диэлектрический корпус 14, в котором установлены все оптические элементы устройства за исключением оптических световодов, выполненный в виде моно- .блока., в котором они жестко закреплены и зафиксированы после оптической юстировки. Направление поляризации поляризатора параллельно одной из кристаллографических осей X и Y и составляет Угол 45° с ребром прямоугольной поворотной призмы (фиг,2) Расположение всех оптических эле- .ментов ос1тцествляется последовательно по ходу светового потока (от ис- точника к приемнику), причем каждый последукмций элемент в соответствии с возрастанием номера позиции располагается вслед за предыдущим.

Устройство выполнено в виде двух основных частей, соединенных друг с другом световодом, например, волоконно-оптическим кабелем, В состав одной (активной) части входя-т монохроматический источник 1 света, в качестве которого служит полупроводниковый лазерный диод, работающий в ИК-диапазоне, фотоприемник 11 в виде быстродействующего p-i-n фотодиода.

смещенного в обратном направлении, малошумящий широкополосный усилитель 12 на транзисторах и индикатор 13, Источник и (Ьотопоиемник снабжены оптическими соединителями,позволяющими стыковать их с волоконно-оптическим кабелем. Эта часть устрой- ства работает в активном режиме и питается от стабилизированного источника питания. В состав второй (пас- сивной) части устройства входят диэлектрический корпус 14, выполненный в виде моноблока из материала с малым значением диэлектрической проницаемости и являющийся несущей конструкцией, в которой закреплены механически все оптические элементы (объективы 4 и 8, поляризатор 5, чувствительный элемент 6 и призма 7), Пассивная часть устройства помещается в измеряемое поле и практически н вносит искажений. Все оптические элементы предварительно юстируются по световому потоку источника 1 и затем механически жестко фиксируются. Чувствительный элемент квадратного сечения из кристалла KDP (дигидрофос- фата калия) залит специальным компаундом в виде цилиндрической капсулы со свободными торцами и помещен в тот же корпус. Световой поток пропускается параллельно оси Z кристалла KDP, а положение прямоугольной призмы относительно чувствительного элемента показано на фиг.2, Призма 7 жестко фиксируется после юстировки. Поляризатор пленочного типа вклеен между двумя стеклянными дисками и позволяет вращать его вокруг оси симметрии в процессе юстировки, после которой также фиксируется.

Пассивная часть устройства в виде механически жесткого, герметичного моноблока также снабжена оптическими соединениями с волоконно-оптическим кабелем, соосно с волокнами которого расположены соответствующие объективы i коллимирующий 4 и фокусирующий 8.

Микро|1;инзы 3 и 10 сформированы на торцах волоконно-оптических световодов 2 и 9 оплавлением в зоне электрической дуги. Апертура входного волокна в этом случае меньше, а выходного волокна больше апертуры собственно волокна (фиг.З), что позволяет ввести в чувствительный элемент более однородный световой поток и

вывести из него большую часть светового потока, уменьшив влияние температурных или механических смещений оптических элементов о тносительно оптической оси светового потока.

Устройство работает следующим образом.

Монохроматический источник 1 постоянно излучает световой поток на заданной длине волны, который вводится во входной оптический световод 2, фокусируется микролинзой 3 и после объектива 4 образуется световой поток с малой расходимостью. Этот световой поток поляризуется поляризатором 5 и пропускается через чувствительный элемент 6 дважды с помощью поворртной призмы 7, затем с помощью объектива 8 и микролинзы 10 вводится в выходной оптический световод 9 и попадает на фотоприемник 11, уси- ливается усилителем 12 и регистрируется индикатором t3.

Световой поток, плоскость поляризации которого направлена под углом б 45 к ребру прямоугольной поворотной призмы, претерпевая двукратно отражение, приобретает сдвиг фаз. Сдвиг фаз при однократном отражении может быть подсчитан по формуле Френеля

cos0i/sin20--L П

tgФ„/2

подставив 6 45, получают

tg

Фо

f

При двукратном отражении полученный фазовый сдвиг в 2 раза больше и Определяется выражением

Для выбора положения исходной точки на рабочей характеристике устройства, задаваемым начальным фазовым сдвигом, используется материал с необходимым показателем преломления п.

При отсутствии электрического поля сдвиг фаз фдмежду двумя ортогональными поляризациями в световом луче задается прямоугольной поворотной призмой 7, световой поток на входе фотоприемника 11 постоянен и соответствует исходной точке на рабочей характеристике.

При наличии электрического поля, имеющего составляющую коллинеарную оптической оси Z чувствительного элемента 6, последний становится дву- лучепреломляющим для данного направления света, в результате чего между данными ортогональными поляризациями, соответствующими обыкновеннону и необыкновенному лучам,возникает дополнительный фазовый сдвиг, пропорциональный напряженности оптического поля. Вследствие этого точка на рабочей характеристике сдвигается и происходит изменение светового потока на входе фотоприемника 11, которое регистрируется индикатором 13. Причем интенсивность света связана с напряженностью электрического поля Е следующим соотношением:

I

IQ COS2 (.

I- +O E),

5

0

5

0

5

0

где I и I- 5

интенсивность и начальная интенсивность светового потока Фо - начальный сдвиг фаз,

задаваемый призмой 7; 0 - коэффициент, определяемый параметрами выбранного электрооптического материала; Е - значение напряженности электрического поля, и называется рабочей кривой (фиг.З).

Таким образом, при малых значениях напряженности эта зависимость линейна.

При измерении монополярных импульсных электрических полей исходная точка IQ на рабочей характеристике устройства сдвигается в ту или иную сторону в зависимости от направления измеряемого электрическо- го поля. Это делается для расширения диапазона измерения, чтобы использовать всю длину линейного участка рабочей характеристики, а не половину, в случае выбора исходной точки 1о на середине линейного участка. Сдвиг осуществляется выбором материала (его показателя преломления) , из которого изготовлена прямоугольная поворотная призма.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения напряженности переменных электрических

. 5

полей, содержащее связанные оптически последовательно монохроматический источник света, входной оптический световод, поляризатор, установленный перед первым торцом чувствительного элемента, выполненного из электрооп- тическоЬо монокристалла, фокусирующий объектив, связанный через выходной оптический световод с фотоприем- НИКОМ, к выходу которого подключен вход усилителя, выход которого соединен с входом индикатора, отличающее ся тем, что, с целью повышения точности измерений и чув- ствительности устройства, в него введены коллимирующий объектив, расположенный между торцом входного оптического световода и поляризатором, и прймоугольная поворотная призма, ко- торая закреплена своей гипотенузной гранью на втором торце чувствительного элемента и выполнена из материала с коэффициентом преломления на длине волны монохроматического не-

точника света, определяемым по формуле

п V п -2 tgt,/2.

Фо начальный фазовый сдвиг,

определяющий положение рабочей точки на передаточной характеристике преобразования чувствительного эле- ментаV

п - коэффициент преломл ения материала призмы.

2. Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что в качестве входного и выходного оптических световодов использован двужильный волоконно-оптический кабель в котором на выходном торце входного оптического волокна сформирована фокусирующая микролинза, а на входном Торце выходного оптического волокна - рассеивающая микролинза.

Изобретение относится к области электроизмерительной техники. Устройство для измерения напряженности переменных электрических полей содержит установленные в диэлектрическом корпусе 14 коллимирующий объектив 4, поляризатор 5, чувствительный элеJ 5 / / / / мент 6 из электрооптического монокристалла и прямоугольную поворотную призму (ППП) 7. Через двужильный волоконно-оптический кабель, на входном торце которого находится фокусирующая микролинза (МЛ) 3, а на выходном рассеивающая МЛ 10, одна часть устройства соединена с другой, включающей монохроматический источник 1 света (МХИС), фотоприемник 11, усилитель 12 и индикатор 13. ППП 7 закреплена гипотенузной гранью на торце чувствительного элемента 6 и выполнена из материала с .коэффициентом преломления на длине волны МХИС 1, .определяемым по формуле /п etg , где начальньм фазовый сдвиг, определяющий положение рабочей точки на передаточной характеристике преобразования чувствительного элемента 6j п - коэффициент преломления материала ППП 7. Устройство имеет повьшенную точность измерений. 1 з.п. ф-лы, 3 ил. (Л 4; со СП Од Фиг.1

Фиг 2

s

Hj Пг

ni Пг .

/

/

/

4 ч Ч ч

//

/X

/ L

фиг.З

fy arc3invnt-nf

X

X