CN100390549C

CN100390549C - 电磁场感测元件及其装置

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Publication number: CN100390549C
Application number: CNB2003101013509A
Authority: CN
Inventors: 黄卯生; 薛文崇; 曾文仁; 冯劲敏; 梁文烈
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2003-10-15
Publication date: 2008-05-28
Anticipated expiration: 2023-10-15
Also published as: CN1607393A

Abstract

本发明揭示一电磁场感测元件及其装置，包含一可依一施加的电场强度改变经其传送的光波幅度的光调制器、一将感测的电磁场信号转换为电信号并施加一对应的电场强度于该光调制器的电磁场感测元件、一用于产生光波的光源、一将该光源产生的光波传送至该光调制器的第一光纤、一将一光输入信号转换成一电信号的光检测器、及一将该光调制器输出的光波传送至该光检测器的第二光纤。

Description

电磁场感测元件及其装置

技术领域

本发明是关于一种电磁场感测元件及其装置，特别是关于一种可同时测量待测电磁场的电场信号及磁场信号的感测元件及其装置。

背景技术

传统的电磁场感测装置(如天线)是使用电缆线传输信号。然而，由于电缆线本身是导体，因此待测的电磁场会受传输信号的电缆线干扰。为了解决此干扰问题，从而有所谓光电式电场感测装置的开发。

光电式电场感测装置一般是使用Nd:YAG激光当光源，并使用铌酸锂(LiNbO₃)晶体为基材，并在铌酸锂晶体上成长光波导以形成干涉信号(参考IEEE Transactions on electromagnetic compatibility，vol.34，No.4，1992，pp.391-396)。另外日本Tokin公司也发表了十余篇相关技术的专利，其内容主要包括电场感测装置中的光调制器设计制作及以光纤进行温度补偿等(参考专利号EP0664460B1，EP0668506A1，EP0668507A1等)。但是这些论文与专利都仅是针对电场感测装置，完全没有讨论磁场感测装置。

图1是现有光电式电场感测装置的示意图。如图1所示，现有光电式电场感测装置10是由一个电场天线12来检测待测电磁场中的电场信号。该电场天线12的输出端连结至一光调制器14，且该光调制器14包含一光输入波导16、两光相位调变波导18及一光输出波导20。该光调制器14是使用一铌酸锂晶体，且光相位调变波导18上方各有一电极24、26。

自光源发出的半导体激光光波自第一光纤22导入光输入波导16并分光进入光相位调变波导18，再合并到光输出波导20。当电极24及电极26间有电压差时，则造成光相位调变波导18的折射率改变，使得行经两光相位调变波导18的激光光波的相位發生改变(即改变兩路激光的相位差)，因此光输出波导20的干涉光的输出强度将随电极24、26间的电位差而变化。当天线12接收到电场信号，其输出电场信号将调制光输出波导20的输出激光的强度，因此电场信号在光调制器14上即可转换成光信号，再经由第二光纤28传送至光检测器30，而不需要用电缆线连接，可解决干扰问题。

然而，由于电场测量的电场信号并不能代表在近場條件下的整个电磁场，因此測量近場時必须藉由一磁场感测装置进一步测量磁场。再者，这种光电式电场感测装置会因环境的温度变化而产生零点漂移。而使用导线连接温度感测装置再经由回馈控制电场感测装置的温度虽可以克服漂移问题，但是导线也会影响待测电磁场，因此有必要发展一种无导线的补偿技术。

发明内容

本发明的主要目的是提供电磁场感测元件及其装置，其可测量待测电磁场的电场信号及磁场信号。

为了达到上述目的，本发明揭示电磁场感测元件及其装置。该装置包含一可依一施加的电场强度改变经其传送的光波幅度的光调制器、一将感测的电磁场信号转换为电场信号并施加一对应的电场强度于该光调制器的电磁场感测元件、一用于产生光波的光源、一将该光源产生的光波传送至该光调制器的第一光纤、一将一光输入信号转换成一电信号的光检测器、及一将该光调制器输出的光波传送至该光检测器的第二光纤。

根据本发明的该电磁场感测元件包含一第一导线段、一设置于该第一导线段末端的第一光开关、一设置于该第一导线段另一末端的第二光开关、一经由第一光开关与该第一导线段连接的第二导线段、一经由第二光开关与该第一导线段连接的第三导线段。当该第一光开关及该第二光开关同时导通时，即形成一可感测磁场的环形天线，而当该第一光开关及该第二光开关同时不导通时，即形成一可感测电场的线形天线。

与现有技术相比较，由于本发明使用由光开关控制的电磁场感测元件，因此可由单一电磁场感测元件测量待测电磁场的电场信号及磁场信号。

根据本发明的电磁场感测装置，包含一光调制器，依一施加的电场强度改变经其传送的光波幅度；一电磁场感测元件，用于将感测的电磁场信号转换为电场，并施加于该光调制器，该电磁场感测元件包含一第一线段；一设置于该第一线段末端的第一光开关；一设置于该第一线段的另一末端的第二光开关；一经由该第一光开关与该第一线段连接的第二线段；一经由该第二光开关与该第一线段连接的第三线段；当该第一光开关及该第二光开关同时导通时形成一用于感测磁场的环形天线，而当该第一光开关及该第二光开关同时不导通时形成一用于感测电场的线形天线；一激光源，用于产生激光光波；一第一光纤，用于将该光波传送至该光调制器；一第二光纤，连接至该光调制器；一光检测器，用于将该第二光纤所传送的光波转换成一电信号。

附图说明

本发明将依照附图来说明，其中：

图1是现有光电式电场感测装置的示意图；

图2是本发明的光电式电磁场感测装置的示意图；

图3是本发明的光调制器的剖面图；

图4是本发明的电磁场感测元件的示意图。

图中元件符号说明：

40光学式电磁场感测装置

50光调制器

51光输入波导

52光相位调变波导

53光输出波导

54、55、56电极

70电磁场感测元件

71第一导线段

72第二导线段

73第三导线段

74第一光开关

75第二光开关

76、77光纤

80半导体激光光源

82第一光纤

84光检测器

86第二光纤

88激光波长控制器

90基板

具体实施方式

图2是本发明的光学式电磁场感测装置40的示意图。如图2所示，本发明的光学式电磁场感测装置40包含一光调制器50、一电磁场感测元件70、一半导体激光光源80、一第一光纤82、一光检测器84及一第二光纤86。该光调制器50可依一施加的电场强度改变经其传送的光波幅度，而该电磁场感测元件70用于将感测到的电磁场信号转换为电场信号，并施加一对应的电场强度于光调制器50。该半导体激光光源80是用于产生激光光波，而该第一光纤82是用于将半导体激光光源80产生的激光光波传送至光调制器50。该光检测器84用于将一光输入信号转换成一电信号，而该第二光纤86用于将光调制器50输出的光波传送至光检测器84。此外，该光调制器50包含一光输入波导51、两光相位调变波导52及一光输出波导53。

电磁场感测元件70包含一第一导线段71、一设置于该第一导线段71末端的第一光开关74、一设置于第一导线段71另一末端的第二光开关75、一经由第一光开关74与第一导线段71连接的第二导线段72、一经由第二光开关75与第一导线段71连接的第三导线段73。当第一光开关74及第二光开关75导通时，由第一导线段71，第二导线段72及第三导线段74共同形成一可感测磁场信号的环形天线，而当第一光开关74及第二光开关75不导通时，第二导线段72及第三导线段74即形成一可感测电场信号的线形天线。光纤76、77是用于传送控制第一光开关74及第二光开关75的开关信号。

图3是光调制器沿A-A线的剖面图。如图3所示，光相位调变波导52上方各有一电极54、55，且电极54、55之间有一电极56。该电极54、55是电连接至电场感测元件50的一输出端，而电极56则电连接至另一输出端。当电磁场感测元件70感测到待测电磁场的信号后，即将待测电磁场信号转换成一电场信号，并在电极54、55及56之间施加一对应该电场信号的电场强度。实施上，由于电光晶体之切割方式可能不同，因此电极之排列方式可能会相异于图3所示者。唯，该等电极之功能均系用以传送该电磁场感测组件70之感测信号至该光相位调变波导52。

自半导体激光光源80发出的半导体激光光波自第一光纤82导入光输入波导51并分光进入光相位调变波导52，再合并到光输出波导53。当电极54、55与电极56之间有电压差时，则造成光相位调变波导52的折射率改变，使得行经二光相位调变波导52的激光光波的相位差改变，因此光输出波导52的干涉光的输出光强度将随电极54、55及电极56间的电位差而变化。

图4是本发明的电磁场感测元件70的示意图。如图4所示，电磁场感测元件70是制作于一基板90上(例如云母材质的基板)，而其形状可为环形、圆形，四方型，或其他適當結構。此外，在三维电磁场测量上，可将三组电磁场感测元件70安装在相互垂直的立方体的三个表面上，配合三組光調制器，即可实现三维电磁场的测量。

电磁场感测元件70感测到电磁场后，电磁场信号即調制到輸出的激光信号上。温度漂移会造成兩路激光的固有相位差的漂移，從而造成电磁场信号調制靈敏度及線性度的變化。这将使信号大小改变而造成测量误差。当温度变化导致波导光程差改变，进而使干涉信号位准漂移时，本发明即可通过检测输出光信号的平均位准，并取光检测器84转换的电信号的直流成份，由激光波长控制器88回馈至激光光源产生器80控制光波波长，使得干涉位准保持固定(即保持该光调制器50的输出位准)。

与现有技术相比，由于本发明使用由光开关控制的电磁场感测元件，因此可由单一电磁场感测元件量测待测电磁场的电场信号及磁场信号。此外，本发明还藉由检测输出光信号的平均位准，并取光检测器转换的电信号的直流成份回馈至激光光源产生器控制光波波长，有效地克服了温度漂移的问题。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上，然而本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰。因此，本发明的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims

1.一种电磁场感测元件，其特征在于其包含：一第一导线段；一设置于该第一导线段末端的第一光开关；一设置于该第一导线段的另一末端的第二光开关；一经由该第一光开关与该第一导线段连接的第二导线段；一经由该第二光开关与该第一导线段连接的第三导线段；当该第一光开关及该第二光开关同时导通时形成一用于感测磁场的环形天线，而当该第一光开关及该第二光开关同时不导通时形成一用于感测电场的线形天线。

2.如权利要求1所述的电磁场感测元件，其特征在于其是制作于一云母材质的基板上。

3.如权利要求1所述的电磁场感测元件，其特征在于所述第一光开关或该第二光开关是通过一光纤传送开关信号。

4.如权利要求1所述的电磁场感测元件，其特征在于所述第二线段及该第三导线段是设置成一直线。

5.如权利要求1所述的电磁场感测元件，其特征在于所述第一导线段、该第二导线段及该第三导线段是设置成一环形。

6.如权利要求7所述的电磁场感测元件，其特征在于所述环形是四方形或圆形。

7.一种电磁场感测装置，其特征在于其包含：

一光调制器，依一施加的电场强度改变经其传送的光波幅度；

一电磁场感测元件，用于将感测的电磁场信号转换为电场，并施加于该光调制器，该电磁场感测元件包含一第一线段；一设置于该第一线段末端的第一光开关；一设置于该第一线段的另一末端的第二光开关；一经由该第一光开关与该第一线段连接的第二线段；一经由该第二光开关与该第一线段连接的第三线段；当该第一光开关及该第二光开关同时导通时形成一用于感测磁场的环形天线，而当该第一光开关及该第二光开关同时不导通时形成一用于感测电场的线形天线；

一激光源，用于产生激光光波；

一第一光纤，用于将该光波传送至该光调制器；

一第二光纤，连接至该光调制器；

一光检测器，用于将该第二光纤所传送的光波转换成一电信号。

8.如权利要求7所述的电磁场感测装置，其特征在于所述电磁场感测元件是制作于一云母材质的基板上。

9.如权利要求7所述的电磁场感测装置，其特征在于所述第二导线段及该第三导线段是设置成一直线。

10.如权利要求7所述的电磁场感测装置，其特征在于所述第一导线段、该第二导线段及该第三导线段是设置成一环形。

11.如权利要求10所述的电磁场感测装置，其特征在于所述环形是四方形或圆形。

12.如权利要求7所述的电磁场感测装置，其特征在于所述光检测器可将输出光信号的平均位准回馈至该激光光源产生器，以控制光波波长。