CN1077539A

CN1077539A - 测量电压和/或电场强度的方法和传感器

Info

Publication number: CN1077539A
Application number: CN93101957A
Authority: CN
Inventors: 迪克·皮埃尔; 霍尔格·希尔什
Original assignee: NWB HIGH VOLTAGE SYSTEMS GmbH
Current assignee: NWB HIGH VOLTAGE SYSTEMS GmbH
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1993-10-20
Anticipated expiration: 2013-02-23
Also published as: JPH07507627A; JP3253621B2; CA2130825C; ATE152837T1; ZA931069B; RU2121147C1; US5559442A; DE4205509A1; HU9402435D0; ES2103466T3; HU218051B; EP0628169B1; CN1052304C; DE59306405D1; EP0628169A1; HUT68112A; CA2130825A1; DE9302488U1; WO1993017346A1

Abstract

本发明涉及一种测量电压和/或电场的方法，它利用晶体(1)所具有的光电效应(纵向光电效应)来实现，为此沿Z方向的偏振光波(17′)的垂直于传播方向(Y方向)，在晶体(1)内沿X轴方向上，将产生一个电场强度的梯度，根据该梯度可获得晶体(1)的折射率n的相应的梯度，由此在该晶体(1)内出现该光波(17′)的取决于场强变化的偏转，所出现的这一偏转可用来测出电压或场强。这里同样地描述一种合适的传感器。

Description

本发明涉及一种测量电压和/或电场强度的方法，以及采用该方法的一种传感器。

公知的这类方法和相应使用的传感器是基于这样一种原理，即利用不同晶体的线性光电效应。

由此公知的测量方法和传感器是基于这样的原理，即对于光波可通过的晶体一定的折射系数是可随晶体中产生的电场强度而变化的。例如铌酸锂晶体或磷酸二氢钾晶体就显示出这种所谓的光电效应。例如在一个晶体薄片的平面上布置两个平行而相互间隔开的测量电压用的电极，例如在电极上施加待测的电压，则将所产生的折射率的有条件的变化作为所测电压的量度。

用于测出折射率的公知装置是干涉测量仪或偏振测定仪。在第一种方法中，光波的相位被调制，并迭加到一个基波上，它导致输出耦合光波的强度变化。而在后一种偏振仪中，偏振光波的偏振取决于折射率的变化，并且其强度变化由一个起偏器确定。

这两种公知的装置都要相当高的技术开支。此外由所利用的材料带来可行性问题，除了要求这种材料具有高的光电效应外，在其纯光电效应以外，不仅出现压电效应，而且还显示光弹性效应，它们和该纯光电效应共同显示出相同的表现型式。因此该材料的惯性导致在低频区一方面与光电效应迭加，另一方面与压电和光弹性效应迭加，这个过渡区进一步以谐振现象为特征，该现象由晶体振荡而产生。

因此必须要求一个宽频带测量系统只使用纯光电效应，也就是说，相应的压电/光弹性效应必须可以忽略不计。

在偏振测定装置中，必须同时满足两个系数才能实现上述情况，而在干涉测量装置中只一个系数就足够了。因此为建立一个宽频带干涉测量系统，可供利用的材料比一个宽频带偏振测量系统多得多。而后者相对于一个干涉测量仪的技术耗费显然高得多。对此还必须使用积分光学元件，而且必须以一定的模式以及以一定的偏振状态向它们提供光功率，因此，在实际采用这种工艺时，则必须使用一种具有偏振的光波导体（HiBi纤维）。

本发明的任务是提供一种方法和采用这种方法的传感器，它能保持干涉测量方法的优越性，即只需利用一个唯一的光电系数。此外其制造成本低，既不必使用积分光学工艺，又不必利用专门的光波导体。

这一任务是通过权利要求1和8中所表述的特征实现的。本发明的方法利用晶体所呈现的光电效应测量电压和/或电场强度，在该晶体中穿过一偏振光波，并沿着该光行程传播，利用沿该光行程伸延平行地接有电压或可接有电压的电极，晶体中的场强和晶体的折射率被改变或可变化，并且根据折射率的变化而产生的光波的变化，将这一变化用来作为电极上所加电压的量度，这些电极（5，6及7，8）是如此布置的，即在晶体（1）上这些加有电压（9;10、11）的电极（5，6及7、8）沿着相交于光波（17）的扩展方向（即晶体（1）的y或x方向）的光行程（21），呈现晶体（1）的Z轴方向上电场强度（Ez）的梯度和折射率（n）的梯度，从而该光波（17）在晶体（1）内随电压偏转，并且这一偏转（偏转范围（26））程度被测定。

根据本发明的使用上述方法的传感器装置，由一个平板形晶体（1）构成，它的平面（2，3）沿晶体的x和y轴方向延伸，它的厚度（4）沿其z轴方向延伸，在平面（2，3）上各相互对置一对长条形电极（5，6及7，8），它们之间具有间距（13），互相沿x或y方向布置，其中每对相互交叉放置的电极（5，8及6，7）是电气地连接在一起的，并且沿y或x方向具有的晶体（1）的端面（16，20）被用作输入及输出耦合点。

本发明的特点尤其表现在，光波只穿过晶体，而且必须输入和输出相耦合，待输出或被输出耦合的光波的偏转可以简单的手段确定和利用。

本发明的进一步优点将在从属权利要求中给出，下面将根据在附图中展示的实施例作进一步说明。

图1是根据本发明在晶体上施加电压的一个透视图;

图2是根据图1的晶体的顶视图，和

图3是图1的晶体的正视图;

图4是沿x方向的折射率曲线;

图5是沿x方向场强Ez曲线;

图6是一个偏转光波的可能曲线;和

图7是置于电场中的两个半球罩之间的一个传感器布置。

图1中晶体1是例如由铌酸锂制成，它的两个平面-上表面2和下表面3沿x和y轴方向延伸，它的厚度4则沿着晶体1的Z轴方向延伸。由X-，Y-和Z-方向确定的座标总是与晶轴相关，两个平面2和3中均各有一对沿y轴方向延伸的、长条形电极5、6以及7、8。而电极对5、6和另一对电极7、8相互对准。这两对电极5、6及7、8连接到一个电压源9，其中互相呈对角线放置的电极5，8和6，7共同与点10或11中的一个点相连接。这样一方面在电极5和7之间，另一方面在电极6和8之间建立了一个沿Z方向的电场Ez;但这两个电场Ez相应于电压源9的连接是相互反向的，因此根据线性光电效应的定义原理，例如晶体1的折射率n在一种情况下增大，而在另一种情况下减小（所谓纵向光电效应）。

相应的区域12通常大于距离13，该距离是按图4所示位于平面2或3内平行伸延的电极对5、6和7、8之间距离，该区域内有一个沿x轴方向随一定的场强梯度14持续变化的场强。对应这一变化，折射系数n也沿x轴方向变化，如图4中所指明的，得到一个对应的折射系数梯度15。

一个垂直于y轴方向的端面16用作与沿z轴方向的一个偏振光波17耦合。在此实施例中，耦合输入点18选在该端面16的中心。相应地，耦合输出点19可以位于另一端面20上。当然按照所要求的测量结果，这些耦合输入和输出点18，19也可以选在晶体1的其它位置。

采用上述的装置测量电压或电场可按下述方案实现：

沿晶体1的正y轴方向，偏振光波17沿z轴方向传播，相应于一光电系数γ₃₃（只近似于与频率无关的铌酸锂的系数），其折射率n等于：

n＝n_e-1/2n³ _eγ₃₃E_z（1）

式中，n_e＝2200，它代表超常的折射率，E_z代表沿晶体Z轴方向扩展的外部电场。

假如Ez沿x座标的场强分量变化，则该折射率n是一个位置的函数。沿y轴方向入射的光波17的光的传播则通过光程函数方程（Eikonalgleichung）来表示：

｜grad φ（x）｜²＝n（x）²（2）

其中φ（x）是光波的相函数，则光波符合下列辐射方程：

d/ds（n（x）·dr/ds）＝grad n（x）（3）

式中s是沿着光行程以及辐射传播的行程，r是图6中用线条或点划线表示的光波17可能的偏转的位置矢量。

由公式（3）可解出该光束位置函数的近似值：

x＝1/α·（cols h（αY）-1）（4）

α＝-1/2n² _eγ₃₃dEz（x）/dx （5）

小的偏转角ψ在晶体1的光波17′的出口处计算，该晶体具有穿透光行程21或者长度L，偏转角的值为：

ψ＝-1/2n³ _eγ₃₃dEz（x）/dxL （6）

根据公式（6）可清楚地看到，对于光波17的光电偏转，场强Ez的梯度是决定性的因素。一个这样的场强分布曲线将通过所述的四电极装置实现。

通过光波17的合适的输入耦合和输出耦合，在一个处理单元22中可以接收到一个随时间变化的相应的场强分布曲线，例如一个强度调制的光信号，它们是与作用到电极5、6及7、8上的电压及相应的场强相符合的。

如图6所示，光波17的输入耦合是通过一根装在端面16上的光波导体23实现的，而光波的输出耦合是通过一根装在端面20上的光波导体24完成的。在输出侧的光波导体24的芯体或芯体直径25最好小于可能的偏转区26。这样在从光波导体24到光波导体23的对中装置上，该偏转可根据在光波导体24中入射光功率的强度变化量来加以检测。

根据图7，为了测量在场27中的电场，在此实施例中具有一个由两个半球壳构成的装置，电位面28和29由至少一面导电的材料构成，在它们之间装有如前所述的晶体1，这些电极代替电压源9与电位面28，29相连接。在现有的电场27中，将在该电位面28，29上感应出一个电压，它表示该处具有的场强的量度，并能够被测出。因此在这种测量装置和测量方法中，传感器不必连接一个外部电压或电压源，使得原来会出现的场畸变不再可能出现。

充分利用所输出的或待输出耦合的光波17′的偏转，其有益效果是通过光电二极管或二极管阵列或其它光敏器件获得的，也可以通过图6中所示的光阑30来实现。

本发明的方法和为应用该方法所得到的本发明的传感器可用于直流或低频、高频电压情况，也可用于相应的直流或交变场的情况。

正如在图1及有关说明所表述的，在晶体轴x和y相对于按图1旋转90°时，本发明的方法和使用本方法的传感器仍完全能发挥作用。

Claims

1、利用晶体所呈现的光电效应测量电压和/或电场强度的方法，在该晶体中穿过一偏振光波，并沿着该光行程传播，利用沿该光行程平行地延伸的接有电压或可接有电压的电极，晶体中的场强和晶体的折射率被改变或可变化，并且根据折射率的变化而产生的光波的变化，将其用来作为在电极上所加电压的量度，其特征在于：这些电极(5，6及7，8)是如此布置的，即在晶体(1)上这些加有电压(9；10，11)的电极(5，6及7，8)沿着相交于光波(17)的扩展方向(晶体(1)的y或x轴方向)的光行程(21)，呈现晶体(1)的Z轴方向上电场强度(Ez)的梯度和折射率(n)的梯度，从而该光波(17)在晶体(1)内随电压偏转，并且这一偏转(偏转范围(26))状态被测出。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于，在一个小平板形晶体（1）上，其平面（2，3）沿晶体的x-y方向延伸，其厚度（4）沿晶体的Z轴延伸，在每个平面（2，3）上各相对设置一对沿y或x方向延伸且沿x及y方向间隔一段距离（13）布置的电极（5，6及7，8），在晶体（1）的端面（16）上光波（17）从间距（13）的区域（12）里的点（18）沿y及x方向入射。

3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于：沿晶体（1）的Z轴方向使用一偏振光波（17）。

4、根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于：该光波（17）是经由一个光波导体（23）耦合输入的。

5、根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于：被偏转的光波（17′）的输出是通过位于输入端对两端面（20）上的光波导体（24）实现的，它的光导芯体（25）小于穿过光波（17）的偏转范围（26），因此该偏转引起耦合输出的光波（17′）的光强度的变化。

6、根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于：为测量场强，在电场（27）中具有两个相互间隔开的电位面（28，29），所述晶体（1）布置在这两个面之间，并与之相连接。

7、根据权利要求6的方法，其特征在于：作为电位面采用了球体或半球体（28，29）。

8、根据权利要求1至7之一为实施该方法所用的传感器，其特征在于：它是由一个平板形晶体（1）构成，它的平面（2，3）沿其x和y轴方向延伸，它的厚度（4）沿其Z轴方向延伸，在平面（2，3）上各相互对置一对长条形电极（5，6及7，8），它们之间具有间距（13），互相沿y或x方向布置，其中每对相互交叉放置的电极（5，8及6，7）电气地连接在一起，并且两个沿y或x方向具有的晶体（1）的端面（16，20）被用作输入及输出耦合点。

9、根据权利要求8的传感器，其特征在于：该晶体（1）由铌酸锂制成。