CN100374867C - 用于高压电的电光电压传感器 - Google Patents

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Abstract

电光电压传感器，用于测量施加在两个电极(3、4)之间的电压V，包含至少两个沿光路(5)安排的由电光活性材料制造的层(1a、2a)。所述的层由一个光束透射，所述的光束由于电光效应在其相位和/或偏振状态方面受到影响。所述的电光活性层(1a、2a)相对于光束和电场E的取向这样地选择：使得光束(5)在第二层(2a)中受到的影响对抗光束(5)在第一层(1a)中受到的影响。以此方式可以实现有高的半波电压的传感器，从而可以明确地测量高压V。有利地在电极(3、4)之间安排多个第一和第二电光活性层。

Description

用于高压电的电光电压传感器
技术领域
本发明涉及电光电压传感器领域。它涉及电光电压传感器，以及电光电压测量方法。
背景技术
这样的电压传感器例如公知于J.C.Santos，K.Hikada所著的”New Multi-Segment Pockels Device for High-Voltage Measerment”，Proc.ICEE`96(International Conference on Electrical Engineering)，P.1366-1370。由J.C.Santos，K.Hikada说明的传感器含有多个晶体BGO(Bi4Ge3O12)的片，所述的晶体片相互间隔地安排在两个电极之间，要测量的电压施加在所述的两个电极上。圆柱形的介电垫片起间隔BOG片的作用，所述的BOG片以均匀的间距按排先后布置在电极之间。BOG片之间的中间空间和传感器周围用SF6填充。
BOG片用光束照射，所述光束的基于Pockels效应(线性电光效应)与电压V相关地改变。尤其是两个相互正交的光波耦连进BOG晶体中，BOG晶体由于电光活性相互经受与电压信号关联的相移。检测该相移并且该相移起传感器的电压信号的作用。
只要所述相移不超过180°该电压信号就是明确的。相应的最大可明确测定的电压是半波电压Vπ。正常地这样地实施传感器，使明确的范围相应于-90°至+90°相移。这样电压在-Vπ/2至Vπ/2范围之间。在测量较高的电压V时在具有电极之间的各个电光活性的的晶体常规传感器，所述半波电压Vπ很快就被超过。通过Santos和Hikada提出的安排单个的电光活性材料薄片可以明显地降低总的检测相移。在此精确地指示电压V的电极之间的电场上的线积分由各个BOG片中的电场上的(加权的)总和取代。在每个以离散的间距相互安排的BOG片中的相移对总的相移起作用，由此在较高的电压V也不超过半波电压Vπ，从而得到明确的测量结果。
发明内容
本发明的任务是提出前序部分所述类型的变通的电光电压传感器，以及相应的变通的测量方法。应当提出可以明确地测量较高电压的电压传感器。
该任务通过一种电光电压传感器和一种测量方法完成。
上述电光电压传感器，用于测量电压V，其中在两个间隔开安排的电极之间施加电压V并且产生电场E，其中有一条光路在电极之间走行，在电极之间沿该光路先后地安排至少一个第一电光活性层和至少一个第二电光活性层，其中，每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层具有两个双重折射轴ai，1，ai，2，其相应的轴被分别指定一个相应的折射率ni，1，ni，2，并且其中每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层中都各至少有一个折射率ni，1，可以通过电场E改变，由此在每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层中可以影响沿所述光路传播的光的相位和/或偏振状态，其中指数i＝1、2指示第一或第二电光活性层，所述电光电压传感器的特征在于，通过双折射轴a1，1，a1，2确定的相对于光路和电场E的至少一个第一电光活性层的取向和通过双折射的相应的轴a2，1，a2，2确定的相对于光路和电场E的至少一个第二电光活性层的取向这样地选择：在第一电光活性层中光的相位和/或偏振状态影响与在第二电光活性层中光的相位和/或偏振状态影响相互对抗。
在所述测量电压V的方法中，在两个相互间隔开安排的电极之间施加电压V，并且产生电场E，其中在电极之间安排至少一个由光束透射的第一电光活性层，光束的相位和/或偏振状态通过受第一电光活性层中的电场E的影响，并且其中在电极之间安排至少一个由光束透射的第二电光活性层，光束的相位和/或偏振状态受第二电光活性层中的电场E的影响，其特征在于，光束在至少一个第一电光活性层中受到的影响由光束在至少一个第二电光活性层中受到的影响部分抵消。
根据本发明的电压传感器具有两个间隔开的电极，在其间施加测量的电压V。通过施加的电压V产生电场E。在电极之间沿光路先后地安排至少一个第一电光活性层和至少一个第二电光活性层。每两个电光活性层具有至少两个双重折射轴，其中轴各被指定一个相应的折射率。这就是说其偏振方向沿这样的双折射的轴对准直线偏振光“看见”相应折射率。双重折射轴的不同折射率产生相应线偏振光波的不同传播速率，因此也说成(双折射的)一个快光轴和一个慢光轴。因为这两个层都是电光活性的，每个层都至少有一个折射率(和所属的双折射的轴)，所述的折射率以与电场E相关的方式改变。这种折射率的改变的一个结果是在每个所述的层中影响沿光路传播的光的相位(简称：相)和/或偏振状态。
根据本发明的电压传感器的特征在于，通过双折射的相应的轴确定的至少一个第一电光活性层的取向相对于光路和电场E和通过双折射的相应的轴确定的至少一个第二电光活性层的取向相对于光路和电场E这样地选择：在第一层中光的相位影响和/或偏振状态与在第二层中光的相位影响和/或偏振状态相互对抗。
示例地，如果线偏振光以相对于两个双折射轴的呈45°角耦连进第一电光活性层，从而在电光活性层中的光以两个相互正交偏振光波的方式传播，从而可以把该波的对侧相移或者从该层传播出的光的偏振状态作为电压信号测量。另一方面，例如把0°或90°的线偏振光波耦连进第一电光活性层，从而在两个电光活性层中的光以单个线偏振光波的形式传播，从而可以把该波的相位作为电压信号测量。
电光活性层的晶体学的取向是这样选择的：使之产生放大的传感器半波电压Vπ。在传感器的半波电压Vπ大于仅在至少一个第二层不是电光活性方面与所述传感器不同的同类传感器的半波电压的意义上，得到较大的半波电压。
借助折射率改变对透射电光活性层光束可以确定传感器半波电压Vπ。如果传感器，或者准确地说是电光活性层，以适宜的方式由光束透射，从而光束的相位和/或偏振状态与电场相关联地发生改变。从这种光的相位和/或偏振状态的改变可以获得传感器的电压信号。然而由于光的波动性，这样的信号是周期性的，从而在传感器特定的电压即半波电压Vπ以上，电压信号是不明确的。明确的电压测量只能够在0V至Vπ之间(或者-Vπ/2至Vπ/2之间)得到。如果例如把两个光波的相反的相移测量为电压信号，于是就构成包含180°(＝π，按弧度制单位)的在从0V至Vπ的明确相移。如果把单个直线的偏振光波测量为电压信号，相位改变的明确的范围同样地是180°(＝π，按弧度制单位)大小。
如果借助于光束的折射率可以确定半波电压，就可以保证电压传感器的基本功能。从而为领域内普通技术人员公知的各种前提条件，例如关于电场E、光(光路、偏振)和关于其相对安排等等就能够得到满足。
除了电光活性层的取向之外，还可以选择其有效层厚以及组成其层的材料种类，以在达到所希望的半波电压。
在传感器中光束射入电光活性层，在电光活性层中所述光束与电场相关地受到影响，并且然后被检测。然后从透射穿过所述层之后被检测出的光中获得电压信号。光在至少一个第一电光活性层中受到的影响，在至少第二电光活性层中分部分地反向再次进行，这称为部分补偿。由此在较高的电压V时才能够实现相同大小的电压信号，从而产生较大的半波电压Vπ。
在最简单的情况下两个层都用相同的材料制造，例如用BOG制造，其中，沿通过两个电极之间的间隔确定的座标测量，第一BOG层有些薄于第二BOG层。所述的层由光准确地沿该座标透射。晶体BOG层在这种情况下，如此地相互取向：在优选的情况下晶体的[001]方向相互反平行，而[010]方向平行，[100]方向反平行(或者变通地[010]方向反平行，[100]方向平行)。在相同的层厚的情况下，电光诱导的对第一层和第二层中的光的影响会准确地抵消，因为它们不仅是相对抗的，而且是相同大小的。
电光活性材料(电光晶体)具有两个与探究晶体的光束相关的双折射轴(取决于电极几何状态、光路和晶体几何)。所述轴(成对地)相互垂直取向。以适当的方式产生的电场引起双折射相对于此轴发生改变。这就是说，所述轴至少之一所属的折射率与电场E相关地改变。根据本发明对置安排的电光活性层的取向可以良好地通过两个双折射的轴确定。
这样地选择电光活性层的对置的取向，使得第一电光活性层中的电场对在两个电光活性层至少之一上扫描的光束的作用，一部分通过第二电光活性层中的电场对在两个电光活性层至少之一上扫描的光束的作用补偿或者消除。换言之，在两个电光活性层中的所述作用的符号相反。由于电光效应总是存在光的相移，所以总是可以确定这样的作用的符号。
根据本发明的传感器的优点是，在高电压也能够提供明确的电压信号。从而可能达到高压范围(典型地100kV至1000kV)的测量。此外，还可以实现具有非常小的反射损失的这种传感器。
在一个有利的实施形式中两个层都具有相同的晶体材料，并且所述的层这样地取向：从第一层的晶体取向出发通过把第一层绕第一层的双折射轴转动180°得到第二层的晶体取向。这使得能够实现对电压信号相对简单的解释。
有利地所述层可以相同的材料构成。从而把在不同层之间的界面处的反射降低到最小。
在一个特别优选的实施形式中，所述的层用相同的材料构成并且以所述的晶体取向(绕一个双折射轴相互旋转180°)，并且具有有效层厚δ1、δ2，所述有效层厚是相互不同的。通过层厚δ1、δ2的区别可以选择传感器的半波Vπ。
特别优选地在电极之间安排多个成对布置的第一和第二层。由此可以达到准确的并且对电场分布的外部干扰不敏感的电压测量。
特别优选地可以这样地在电极之间安排多个成对布置的第一和第二层：使得借助于电压传感器测定的电压与要测量的电压V之间的偏差最小。传感器的电压信号的偏差，也就是借助于电压传感器测定的电压与要测量的电压V之间的偏差，在允许的极限以下。这样的层的安排可例如借助近似计算或者模拟确定。它可以得到准确测量，并且得到对电场的外部干扰很大程度的不敏感性，电场的外部干扰例如由于传感器附近的雨或者雪，和由于传感器附近的例如相邻的相的横向电场造成。
另一个有利的实施形式的特征在于，把所述的层迭层形地安排在电极之间，其中迭层中第一层和最后的层各与两个电极之一连接。尤其是可以把所述的迭层优选地构成为圆柱形。从而可以实现具有较大的介电牢固性的机械上稳定的结构。
特别有利地还可以这样地构成传感器：使之实质上与温度无关地提供电压信号。这是通过适当的选择安排在电极之间的材料及其有效厚度实现的。
材料系数的相应影响，诸如：
-决定性的电光系数(k)，
-介电常数(e)，和
-热膨胀系数(a)。
可以这样地选择电压信号的测量相关性：使得产生的电压信号的总温度相关性实质上消失。电压信号一般地从检测的光的相位和/或检测的偏振状态获得。
有利地，尤其是与所谓的温度补偿结合，还可以在电极之间安排一或多个非电光活性的间隔层。由此可以为传感器的设计获得较广的自由度。
一个特别有利的实施形式的特征在于，所述的层由晶体的BOG(锗氧化物bi4Ge3O12)构成，其中BOG在第一和第二层中分别地以其[001]方向平行和反平行于光的传播方向取向，并且其中光的传播方向实质上沿由电压V产生的电场E的方向走行。在此晶体的[110]方向有利地沿实质上平行或者反平行的对齐。
特别有利地，可以把电极连同安排在电极之间的层浇铸进硅树脂中。通过该硅罩可以选择具有很小的尺寸和很小和重量的传感器，尽管如此还具有足够的电绝缘性。可以避免昂贵、个大、沉重的典型地用玻璃纤维制造的绝缘管。这种很小的重量和小的尺寸使之能够把所述传感器用于其常规地绝缘的传感器不能够使用的位置或起点。例如，挂在高压输电设备部件上。
有利地所述传感器没计用于测量小于或者等于最高可测量电压Vmax的电压V，其中这样地选择第一和第二层的数据及其有效层厚和构成所述层的材料：使得Vmax小于或者等于传感器的半波电压Vπ。
根据本发明的测量电压V方法，其中电压V施加在两个相互间隔开地安排的电极上并且产生电场E，其中在电极之间至少安排一个第一电光活性层，所述的第一电光活性层由光束透射，所述的光束的相位和/或偏振状态受第一层中的电场E的影响，并且其中，在电极之间至少安排一个第二电光活性层，所述的第二电光活性层由光束透射，所述的光束的相位和/或偏振状态受第二层中的电场E的影响，其特征在于，由至少一个第一层中的光束受到的影响被至少第二层中的光束受到的影响部分抵消。
另外还给出了其它优选的实施形式和优点。
附图说明
下面参照附图借助于优选实施例详细地说明本发明。在附图中：
图1根据本发明的电压传感器，大致示意出并且标出晶体取向；
图2，示意出根据本发明的电压传感器，带有第一和第二电光活性层的对；
图3示意出传输的几何状态的根据本发明的电压传感器；
图4示出出带有硅树脂封装的根据本发明的电压传感器。
附图中采用的标号以及其意义汇总在附图标记列表中。原则上在附图中相同的或者至少有相同作用的部件用相同的标号标出。所说明的实施例例如代表本发明的发明内容并且没有限制的作用。
具体实施方式
在2003年3月28日本申请人在欧洲专利局提交的尚未公开的申请，申请号为03405213.4，题为“Temperatur Kompensierter elektro-optischerSpannungssensor”。该欧洲申请全文引入本说明书作为参照。其中公开的电压传感器、方法和细节、其全部范围应当视作本专利申请的一部分。
电光电压测量的原理和细节可以从现有技术得到，例如上述的EP0682261A2。该文公开的内容引入本说明书中。电光电压测量的检测的其它基本例如在G.A.Massey，D.C.Erickson和R.A.Kadlec的出版物“Applied Optics14，2712-2719，1975中得到。该文公开的内容引入本说明书中。
图1强示意性地示出根据本发明的电压传感器。
在其间施加要测量的电压V的两个电极3、4之间，安排两个由电光活性材料制造的层1a、2a，它们最好是BOG层。电压V产生电场E。第一层1a的层厚是δ1，第二层2a的层厚是δ2.光束5透射两个层1a和2a。光束5的特性的细节，在其的检测方面可以参阅上述的未公开的欧洲申请。
两个电光活性的层1a、2a构成为圆柱形元件，它们在一起构成一个传感器柱，所述传感器柱从电极3伸向另一个电极4。所述传感器柱的总长度在此就相应于电极间距L。在此成立δ1+δ2＝L。在图1中传感器的右方示出两个BOG层1a、2a的取向。[001]方向(沿光5传播的方向，并且由于晶体的对称性与[010]和[100]等效)是相互反平行地对齐的，沿通过电极3、4(或其间距)预定座标，沿所述座标还对齐传感器柱的轴线。用a1，1和a1，2标示传感器相关的第一电光活性层1a的双折射的轴线。类似地用a2，1和a2，2标示传感器相关的第二电光活性层1a的双折射的轴线。对于BOG这些轴线相应于[110]和晶体方向的双折射。两个层1a、2a的相对晶体取向是这样的：第二层2a的晶体取向由第一层1a的晶体取通过把第一层绕双折射的轴线a1，1和a1，2(相应于[110]或
Figure C20041003140000122
旋转180°得到。
第一或第二层的相应轴线a1.1或a2.1是相互平行对齐的，如相应的轴线a1，2，a2，2一样。在第一种情况(a1，1和a2，1)下，与这些轴线平行走行的晶体方向相互反平行地对齐，在第二种情况(a1，1，a2，2)下是平行对齐的。
所述的轴线ai，1或ai，2，在此下标i指示相应的电光活性层，称为“对传感器相关的”双折射轴线，因为至少一个从属于该轴线的折射系数ni，1，ni，2与每个层中的电场E相关地改变。在此透射层1a、2a的光束5受到电光引起的影响。这种影响一般地检测为改变的偏振状态，或者测量为光束5的改变的相位。
哪个晶体方向相应于对传感器相关的双折射轴线对，取决于晶体对称性和光的传播方向以及电场E的方向。有功能的传感器在至少两个，优选地电光活性层中具有这样的双折射轴线对。
基于图1所示的层1a、2a的安排部分地补偿光5在第一和第二层中受到的影响。如果光特性和光的耦连如下面结合图3所述地构成，由此组成光束5的两个相互正交的偏振光波，在第一层1a中相互相移
Γ1＝k1·E·δ1·2π/λ，
并且，在第二层2a中相互相移
Γ2＝k2·E·δ2·2π/λ，
其中λ中光5的波长，并且k1、k2是用于构成第一或第二层的材料的决定性电光系数。在此它们的相反地等于量：
k1＝-k2＝n0 3r41，
这是因为两个层1a、2a由相同的材料制造并且晶体以所述的方式相互取向(180°地绕双折射轴相互旋转)，其中n0是BOG对于消失了的电场(E＝0)的折射率，而r41是相关的晶体BOG的电光张量元(沿第一层1a的取向)。在BOG的情况下并且对于所观察的晶体取向成立公式
ni，1＝n0+(1/2)ki·E und ni，2＝n0-(1/2)ki·E.
从而对于在正交地相互偏振的光波之间在透射过两个层1a、2a之后的总的相移Γ有：
Γ＝k1·E·(δ1-δ2)·2π/λ.
由此可以看出，通过选择层厚δ1、δ2可以相对于层1a、2a中的单个相移Γ1、Γ2或者其和降低总的相移Γ。可以把总的相移Γ标度为电压信号。
可以用数字例进行说明：如果只有第一层1a中电光活性的，而第二层2a没有电光活性(假定其它相同的特性的情况下)，从而可以在电压V为V＝10kV时，总的相移为Γ＝Γ1＝180°。传感器的半波电压为10kV；在此在第二层中不出现相移。然而如果根据本发明，第二层是电光活性的并且如图1所示的构成，半波电压就较高。如果例如选择δ2＝0.9·δ1，在所述的V＝10kV准确地为Γ＝(1-0.9)·180°＝18°，从而半波电压是100kV而不是10kV。以此方式可以按任意的系数放大半波电压Vπ并且从而放大在其中取得明确电压信号的电压范围。
对此情况相反，假定没有第二层并且总电极间距L连同单个的BOG晶体跨接为传感器柱，可以通过两个相应取向的晶体或者层自然地得到更加大的半波电压BOG的提高。
图2，示出本发明的特别有利的实施形式。在此不是在电极3、4之间安排单个两电光活性层1a、2a的对，而是多个的，即四个第一和第二电光活性层1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d。它们有利地成对布置，所以总是有第一和第二层沿光路5先后安排并且在此甚至是相互邻接的。也就是传感器柱由交替安排的第一和第二层的迭层组成。有利地层1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d的晶体取向选择如图1所示的方向。在传感器柱左边的粗箭头示出[001]方向。其它的不同对的双折射的相应轴线的取向在此或是平行地或是反平行地相互取向。在此层厚δ1、δ2对于所有的第一和第二层相同地选择。在图2中电极3、4具有场控制电极3a、4a，和电压输送3b、4b。
通过成对安排的多个第一和第二电光活性层1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d可以达到精确的电压测量，并且有对电场分布的外部影响显著降低了的敏感性。每个层可以具有其自己的层厚(δ1(a)、δ2(a)、δ1(b)、δ2(b))，它们可以与其它的层厚不同。在所述的未公开的欧洲申请中了这样地优化所述安排的方式：使得测量的电压与要测量的电压V的偏差最小。在US 4,939,447专利中和在出版物“Optics Letters 14，290，1989”中说明了其细节。这些文件的公开内容在本文中引作参考。
每个层提供一个部分电压信号，这是对所涉及的层对范围内主导的电场的大小。有利地所有的对都用一个单一的光束5照射。
图3示意出一种电压传感器，其中特别地示出传感器的光分量。标号可以从标号列表中得到。进一步的细节参阅所述的未公开的欧洲专利：在该文中图1所示的传感器地传感器柱与在本文图3中所示的相同。
图3所示的传感器包含三个第一和第二层1a、1b、1c、、2a、2b、2c的对。传感器柱右边的粗箭头示出层的晶体取向，与图1和图2类似。并不是所有的第一层1a、1b、1c和所有的第二层2a、2b、2c、2d都有相同的厚度。中间的层对层1b、2b具有层厚δ1`及δ2`，它们是相应的其它层层1a、1c、2a、2c、的层厚δ1及δ2的两倍。
对于从光5在层对中经受的相移或者偏振状态改变相关的电场是处在层对位置的场。每个层对的总厚度在原则上可以自由地选择，从而至少电压V通过在原则上自由地选择的层对的位置发生的分信号之和逼近。通过一个对每个层地实际上自由地并且个别地选择的相应层对的第一和第二层间层厚差可以几乎任意地加权所述分信号的和。由此可以达到对给定的电场走行优化的传感器结构，从而可以得到精确的测量结果。
所示的实施例是以透射的几何状态。当然也可以得到反射的几何状态。例如在所述的未公开的欧洲申请中的图4和图5示出可能的反射几何状态。
图4示出另一个有利的传感器的实施形式。其特征在于，重要的部分，尤其是场分布电极3a、4a和传感器柱，用硅树脂15包裹。该实施形式的其它细节可以参阅所述的未公开的欧洲申请，其图8至其它构成的传感器柱与本图4相应。
其它的有利的实施形式可以参阅所述的未公开的欧洲申请，尤其是该文的图6和图7。在此当然地可以考虑相应于本发明的传感器柱。
如前文及以下，变通的或者附加的特征是可选项并且可以相互地以及与所述的实施例任意地结合。
如与图2和图3相关联地所示，有利地具有多个第一和第二层的对。优选地所有的对都用同一个光束5探究。光束5还可以具有诸如反射装置和光导纤维之类的装置，借助于所述的光导纤维在透射大电极之间的层之前、之间或者之后引导光。
如上所述，有利地光束5和电场E平行于晶体的高度对称轴之一。也就是双折射轴线ai，1，ai，2有利地相应于晶体的高度对称的轴。在诸如BOG之类的立方形的晶体中，如以上所述，光束5和电场优选地沿[100]方向或者等效的晶体方向([010]、[001])的方向走行。这样的优点是，对该方向正交的场的分量，对于光5的偏振状态或相位没有影响(小的敏感性)。如果[100]方向不沿着光束5的方向和要测量的电场的方向走行，与要测量的电场正交的电场的分量也对光束5的偏振状态或者相位有影响。此外，其它的对齐一般地导致使得有待测量的的电压信号复杂化。晶体高度对称轴和光路以及电场E如前所述，也就是优选地实质上相互平行或者垂直地对齐。电光活性的层的高度对称轴可以与光的传播方向和/或与电场的方向夹0°和数倍的90°角。同样地由光传播方向和电场方向夹角可以为0°和数倍的90°角而不同。关于任意晶体中的电光效应与电场和光传播方向的相关性例如可以参阅J.F.Nye著书“Physical Properties of Crystals”牛津大学出版社，1957或者其它的晶体光学著作。从而领域内普通技术人员可以实现带有不同角度根据本发明的电压传感器。
表达形式“晶体取向”在此一般地指由双折射ai，1，ai，2相关轴定义的电光活性的层。然而电光活性材料在实际上总拥是晶体结构。但是还可以设想，用非晶体的材料(例如气体、液体、非晶固体)提供或者诱导本文考虑的类型的电光活性，其中这些材料尽管没有晶轴，但是却具有双折射轴线。
当然还可以把所述的未公开的欧洲申请中详细讨论的温度补偿与本发明结合。通过相应地选择层的层厚度和材料可以达到这样的温度补偿。尤其是层对或者相应地对第一和第二层交替地采用其相应的比例的电光系数具有正的温度系数的晶体和具有负的温度系数的晶体和适当的介电常数的温度系数。在公开文献EP 0682261A2中说明了各种适当的电光活性材料。该文献的公开内容在本文中引作参考。并不必要求电极3、4之间的一或多个非电光活性的层的安排。
因为既被温度补偿又具有本发明所述的提高的半波电压设计传感器的自由参数的数目是很少的，所述为此有利地对不同的层采用不同的电光活性材料，因为这相应于具有其它温度相关的材料常数。有利地还可以在传感器柱中安排能够导致相应的温度补偿作用的非电光活性的垫片(相应于所述的未公开的欧洲申请中的“间隔媒介”)。例如石英玻璃就适用于这样的间隔层。优选地在两对第一和第二层之间安排这样的中间层，然而也可以安排在一个层对之间。第一和第二电光活性层的所有层厚之和在此情况下小于电极间距L。
相应于一般的语言习惯，在本申请中电光活性也理解为E电场相关性的多数晶体材料中的双折射的改变。该效应可以是线性的(Pockels效应)或者还可以有其它的电场强度相关性，例如平方的相关性。电光活性的材料可以在E＝0时(电场消失)是双折射的，也可以是非双折射的。双折射就是说对两个相互正交的(双折射的)轴线有两个不同的光波“经受”的折射率，所述的光波的偏振沿这样的轴线对齐。双折射的改变可以意味着，只有一个从属于双折射轴线的折射率改变，也可以意味着两个这样的双折射轴线的折射率发生不同的改变，其中后者可以通过在同时降低另一个折射率提高进行，也可以通过相同符号的不同强度的折射率改变进行。
在实施例中总是充分地利用纵向的Pockels效应(实质上平行于电场的光传播方向)。但是在原则上也可以利用横向的Pockels效应(实质上垂直于电场的光传播方向)，并且视电光活性材料的类型和其晶体取向，构成相应的传感器。原则上电光活性层在电极3、4之间的安排可以是任意的。在纵向的Pockels效应时有利地在实施例中选择的安排，从而使光路5平行于电场E走行，并且电光活性的层沿电场间距(沿电场E)先后地安排。在横向的Pockels效应的情况下，同样可以用这种方式安排所述的层，其中具有光学装置，譬如镜或玻璃纤维，借助于它们可以把光束5在出第一层1a后耦连到第二层2a，因为光束5在层内是实质上垂直于传感器柱传播的。在这样的情况下两个层可以还相互精确地相同取向，或者甚至是同一晶体，其中当然其对光路5(准确地说：对通过光路5在相应的层中预定的光传播方向)相对取向不同。变通地，还可以在保持传播方向的情况下把偏振方向旋转90°。在一个变通的安排中在横向的Pockels效应的情况下第一和第二层(在一定的情况下多个相应的对的方式)相对电极间距并排地安排，从而不需要光学装置用于把光5从第一层引导到第二层。在这种情况下，特别适用于借助于多个光束5成对探究所述的层。然而在多数几何状态下以横向的Pockels效应为基础的传感器却具有较大的横向灵敏度(通过与要测量的场不相同的对齐的外部场的影响)。
电极3、4的有效间距L在图示的实施例中是光5在电极之间经过的几何长度。从而L相应于电极3、4之间的几何上的最小距离。如果场电极3a、4a沿径向具有弯曲的剖面，有效间距L也可以例如与电极的几何间距不同，从而场电极3a、4a之间的最小几何间距沿径向的外部区域小于沿径向的内部区域中的，在径向的内部区域中安排电极3、4的透明的部分。还有在不相互平行对齐的电极3、4的情况下电极3之间的几何最小间距一般也不相应于电极3、4的有效间距。电极3、4的有效间距可以取决于光导。
在实施例中确定的有效层厚与各个层的的几何层厚度相符。例如在不平坦的层表面的情况下，或者如果层不是以面平行方式构成时，几何层厚不规律地确定。为此引入“有效厚度”的概念。进一步的说明可以参阅所述的欧洲申请。
尽管有利地第一层和第二层从电极3伸向电极4，然而也可以在层之间安排其它的层(还可以是气体、液体、真空)或者在层之间安排一或两个电极。“在电极3、4之间”的电光活性层的安排意味着，所述的层被电场E穿透。其它的变例和选项可参阅所述未公开的欧洲申请。
所述的特征可以共同地也可以单个地或者以任意组合地具有优越性。
附图标记
1a，1b....第一电光活性层，第一BOG晶体
2a，2b，....第二电光活性层，第二BOG晶体
3           电极
3a          场控制电极
3b          电压输送
4           电极
4a          场控制电极
4b          电压输送
5           光，光束，光路
6a          光导纤维
6b          光反馈纤维
7a，7b      准直器棱镜
8a，8b      偏振器
9           λ/4元件
15          硅树脂
16          薄层(屏蔽)
17               电晕环
ai，1，ai，2     第i个电光活性层的双折射轴
k1               决定性的第一层材料的电光系数
k2               决定性的第二层材料的电光系数
ni，1，ni，2     折射率，第i个电光活性层的双折射轴所属的
E                电场，场线
L                有效电极距离
V                有待测量的电压
Vπ              半波电压
δ1，δ1’       第一电光活性层的有效层厚
δ2，δ2’       第二电光活性层的有效层厚
Γ，Γ1，Γ2     相移

Claims (14)

1.电光电压传感器，用于测量电压V，其中在两个间隔开安排的电极(3、4)之间施加电压V并且产生电场E，其中有一条光路(5)在电极(3、4)之间走行，在电极(3、4)之间沿该光路(5)先后地安排至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)，其中，每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)具有两个双重折射轴ai，1，ai，2，其相应的轴被分别指定一个相应的折射率ni，1，ni，2，并且其中每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)中都各至少有一个折射率ni，1，可以通过电场E改变，由此在每个所述的第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)中可以影响沿所述光路(5)传播的光的相位和/或偏振状态，其中指数i＝1、2指示第一或第二电光活性层，
所述电光电压传感器的特征在于，
通过双折射轴a1，1，a1，2确定的相对于光路(5)和电场E的至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)的取向和通过双折射的相应的轴a2，1，a2，2确定的相对于光路(5)和电场E的至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)的取向这样地选择：在第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)中光的相位和/或偏振状态影响与在第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)中光的相位和/或偏振状态影响相互对抗。
2.如权利要求1所述的电压传感器，其中，借助折射率ni，1改变对沿光路(5)的方向传播的光束可以确定传感器半波电压Vπ，其特征在于，通过双折射的轴a1，1，a1，2确定的相对于光路(5)和电场E的至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)的取向和通过双折射的轴a2，1，a2，2确定的至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)的取向这样地选择：使得所述传感器的半波电压Vπ大于采用具有至少一个比较层而非至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)的相同类型的传感器的情况，其中所述比较层不是电光活性的但是在其它方面与所述至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)相同。
3.如以上权利要求之一所述的电压传感器，
其特征在于，
-通过双折射的轴a1，1，a1，2确定的相对于光路(5)和电场E的至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)的取向，和
-通过双折射的轴a2，1，a2，2确定的取向相对于光路(5)和电场E的至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)
安排在电极(3、4)之间的第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)的材料，和
-如此地选择第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)的有效层厚使得：在第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)中光的相位和/或偏振状态影响部分地补偿在第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)中光的相位和/或偏振状态相影响。
4.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)具有相同的晶体对称性，并且这样地安排第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)，使得第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)的晶体取向从第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)的晶体取向出发通过把第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)绕双折射轴a1，1，a1，2转动180°得到。
5.如权利要求1或者2所述的电压传感器，其特征在于，第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)采用与第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)相同的材料构成。
6.如上权利要求4所述的电压传感器，
其特征在于，
在两个电极(3、4)之间安排至少一个具有有效层厚δ1的第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和至少一个具有有效层厚δ2的第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)其中，成立δ1≠δ2。
7.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
在电极(3、4)之间沿光路(5)安排多个成对布置的第一第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和第二第一电光活性层(2a、2b、2c、2d)。
8.如权利要求7所述的电压传感器，
其特征在于，
在电极(3、4)之间这样地安排多个成时布置的第一第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和第二第一电光活性层(2a、2b、2c、2d)：使得借助于电压传感器测定的电压与要测量的电压V之间的偏差最小。
9.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
在电极(3、4)之间叠层地安排至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)或者多个成对布置的第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)，其中，在叠层中第一层(1a)和最后一层(2a、2c、2d)各与两个电极(3、4)之一连接，尤其在此所述的叠层构成为圆柱形。
10.如权利要求1或者2所述的电压传感器，其特征在于，
可以在光穿出第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)之后检测光的相位和/或偏振状态，其中从检测到的相位和/或检测到的偏振状态可以确定电压信号，其中这样地选择在电极(3、4)之间安排的第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)的材料及其有效厚度：使得温度对检测到的相位和/或检测到的偏振状态的影响实质上得到补偿。
11.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
电极(3、4)之间安排至少一个由非电光活性材料制成的间隔层。
12.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)是晶体BOG的，晶体BOG以其[001]方向实质上沿通过两个电极的间距定义的座标走行，并且至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)是晶体BOG的，晶体BOG的[001]方向实质上与至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)的[001]方向相对抗，并且第一电光活性层和第二电光活性层(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d)中的至少两个层的[110]方向相互实质上是平行或反平行地相互对齐的，并且尤其其中在至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)中和在至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)中光路(5)实质上沿该[001]方向走行。
13.如权利要求1或者2所述的电压传感器，
其特征在于，
至少把电极(3、4)连同至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)和至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)用硅树脂包裹。
14.测量电压V的方法，其中在两个相互间隔开安排的电极(3、4)之间施加电压V，并且产生电场E，其中在电极(3、4)之间安排至少一个由光束透射的第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)，光束的相位和/或偏振状态通过受第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)中的电场E的影响，并且其中在电极(3、4)之间安排至少一个由光束透射的第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)，光束的相位和/或偏振状态受第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)中的电场E的影响，其特征在于，
光束在至少一个第一电光活性层(1a、1b、1c、1d)中受到的影响由光束在至少一个第二电光活性层(2a、2b、2c、2d)中受到的影响部分抵消。
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