Устройство для измерения напряженности переменных электрических полей

 

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

. р

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„80„„1404956 А 1 (gg 4 G 01 R 15/07 29/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ пе е ум(я

),.и

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ а

С:

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4087191/24- 21 (22) 04.07.86 (46) 23.06.88. Бюл. N- 23 (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт источников тока (72) В.П. Аванесян, А.И. Бусыгин, А.В. Жигачев, В. С. Королев, А.М.Назиров и С.ИеФофанов (53) 621.317.6 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1092416, кл. G 01 R 13/40, 1982.

Патент США В 4117399, кл. 324-96, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСТИ ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПОЛЕЙ (57) 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 эле8 9$ 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 пЕ-17п асд Ф /2, где ф„- начальный фазовый сдвиг, определяющий положение рабочей точки на передаточной характеристике преобразования чувствительного элемента 6, и — коэффициент преломления материала ППП 7. Устройство имеет повышенную точность измерений.

1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1404956

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 микролинз и сравнение апертур систем: собственно волокно (a), во" локно-собирающая микролинза (б) и волокно-рассеивающая 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 из электрооптического монокристалла, прямоугольную поворотную призму 7, фокусирующий объектив 8, выходной оптический световод 9 с рассеивающей микролинзой 10, фотоприемник 30

11, усилитель 12, индикатор 13 и диэлектрический корпус 14, в котором установлены все оптические элементы устройства за исключением оптических световодов, выполненный в виде моно-- 35 ,блока, в котором они жестко закреплены и зафиксированы после оптической юстировки. Направление поляризации поляризатора параллельно одной из кристаллографических осей Х и Y щ о и составляет угол 45 с ребром прямоугольной поворотной призмы (фиг.2).

Расположение всех оптических элементов осуществляется последовательно по ходу светового потока (от ис- 45 точника к приемнику), причем каждый последующий элемент в соответствии с возрастанием номера позиции располагается вслед за предыдущим.

Устройство выполнено в виде двух 50 основных частей, соединенных друг с другом световодом, например, воло конно-оптическим кабелем. В состав одной (активной) части входят монохроматический источник 1 света, в качестве которого служит полупроводниковый лазерный диод, работающий в

ИК-диапазоне, фотоприемник 11 в виде быстродействующего р-г-п фотодиода, смещенного в обратном направлении, малошумящий широкополосный усилитель 12 на транзисторах и индикатор

13. Источник и йотопоиемник снабжены оптическими соединителями,позволяющими стыковать их с волоконно-оптическим кабелем. Эта часть устройства 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 иэ 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 не вносит искажений. Все оптические элементы предварительно юстируются по световому потоку источника 1 и затем механически жестко фиксируются. Чувствительный элемент квадратного сечения из кристалла КЭР (дигидрофосфата калия) залит специальным компаундом в виде цилиндрической капсулы со свободными торцами и помещен в тот же корпус. Световой поток пропускается параллельно оси Е 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 жесткоro, герметичного моноблока также снабжена оптическими соединениями с волоконно-оптическим кабелем, соосно с волокнами которого расположены соответствующие объективы, коллимирующий 4 и фокусирующий 8.

Микролинзы 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.3) что позволяет ввести в чувствительный элемент более однородный световой поток и

О cos 2 О(И

cos 8

Фо п> 2

tg—

2 2

Фо Г

tg — = и ч n -2.

3

14049 вывести из него большую часть светового потока, уменьшив влияние температурных или механических смещений оптических элементов относительно

5 оптической оси светового потока.

Устройство работает следующим образом.

Монохроматический источник 1 пос тоянно излучает световой поток на 10 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 поворотной 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 13.

Световой поток, плоскость поляризации которого направлена под углом

В = 45 к ребру прямоугольной поворотной призмы, претерпевая двукратное отражение, приобретает сдвиг фаз.

Сдвиг фаз при однократном отражении З0 может быть подсчитан по формуле Френеля с ф,/2— подставив 8= 45, получают

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 и.

При отсутствии электрического поля сдвиг фаз Ф между 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.

56

При наличии электрического поля, имеющего составляющую коллинеарную оптической оси Z чувствительного элемента 6, последний становится двулучепреломляющим для данного направления света, в результате чего между данными ортогональными поляризациями, соответствующими обыкновенному 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: где I и I — интенсивность и начальная интенсивность светового потока;

Фо — начальный сдвиг фаз, задаваемый призмой 7; — коэффициент, определяемый параметрами выбранного электрооптического материала;

Š— значение напряженности электрического поля, и называется рабочей кривой (фиг.3).

Таким образом; при малых значениях напряженности эта зависимость линейна.

При измерении монополярных импульсных электрических полей исходная точка Io 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 Io на середине линейного участка. Сдвиг осуществляется выбором материала (его показателя преломления), из которого изготовлена прямоугольная поворотная призма.

Формула изобретения

Устройство для измерения напряженности переменных электрических

5 14 полей, содержащее связанные оптически последовательно монохроматический источник света, входной оптический световод, поляризатор, установленный перед первым торцом чувствительного элемента, выполненного из электрооптического монокристалла, фокусирующий объектив, связанный через выходной оптический световод с фотоприемником, к выходу которого подключен вход усилителя, выход которого соединен с входом индикатора, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений и чувствительности устройства, в него введены коллимирующий объектив, расположенный между торцом входного оптического световода и поляризатором, и прямоугольная поворотная призма, которая закреплена своей гипотенузной гранью на втором торце чувствительного элемента и выполнена из материала с коэффициентом преломления на длине волны монохроматического ис04956 6 точника света, определяемым по формуле п n -2 - tgPz/2, 5 где ф — начальный фазовый сдвиг, определяющий положение рабочей точки на передаточной характеристике преобразования чувствительного эле- мента;

n — - коэффициент преломления материала призмы.

15

2 . Устроиство no B 1, o T JI H ч а ю щ е е с я тем, что в качестве входного и выходного оптических световодов использован дву20 жильный волоконно-оптический кабель, в котором на выходном торце входного оптического волокна сформирована фокусирующая микролинза, а на входном торце выходного оптического во25 локна — рассеивающая микролинза.!

404956 сл 7ni-ng

Составитель В.Степанкин

Редактор Н. Бобкова Техред A. Êðàâ÷óê Корректор В.Бутяга

Заказ 3098/48 Тираж 772 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. р л П оектная 4