DE19902279A1

DE19902279A1 - Vorrichtung und Verfahren zur optischen Messung einer Komponente eines elektrischen Feldes sowie Verwendung der Vorrichtung

Info

Publication number: DE19902279A1
Application number: DE19902279A
Authority: DE
Inventors: Stephan Mohr; Peter Kraemmer; Michael Willsch; Thomas Bosselmann; Uwe Linnert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1999-01-21
Publication date: 1999-11-04

Abstract

Die Vorstellung und das Verfahren sind zur optischen Messung mindestens einer Komponente (E¶1¶) eines elektrischen Feldes oder einer elektrischen Spannung (U¶1n¶) vorgesehen. Dabei reagiert mindestens ein Sensorelement (S¶1¶) auf die Komponente (E¶1¶) des elektrischen Feldes mit einer Dimensionsänderung. Eine mit dem Sensorelement (S¶1¶) mechanisch verbundene optische Faser (30) enthält wenigstens ein Bragg-Gitter (B¶1¶), an dem ein Sendelichtsignal (L¶S¶) einer Lichtquelle (10) durch die Einwirkung der Komponete (E¶1¶) des elektrischen Feldes beeinflußt wird. Aus dieser Beeinflussung wird in Mitteln (40, 50) zur Detektion und Auswertung die Komponente (E¶1¶) des elektrischen Feldes bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer Komponente eines elektrischen Feldes oder einer elektrischen Spannung. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur optischen Messung mindestens einer Kom ponente eines elektrischen Feldes oder einer elektrischen Spannung. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf eine Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens.

Eine elektrische Meßgröße kann mit einer optischen Vorrich tung bzw. einem optischen Verfahren erfaßt werden. Dies gilt insbesondere für die optische Bestimmung eines elektrischen Stroms unter Ausnutzung des Faraday-Effekts. Eine elektrische Spannung kann unter Ausnutzung des Pockels-Effekts mit optischen Mitteln erfaßt werden. Dabei wird die zu messende elektrische Spannung an einen elektrooptischen Kristall angelegt, der in Folge ein Lichtsignal, das durch ihn hin durchgestrahlt wird, in seinen Polarisationseigenschaften modifiziert. Diese Modifikation läßt sich auf die ursächliche Meßgröße, die elektrische Spannung, zurückführen.

Solange die beiden elektrischen Potentiale, als deren Differenz sich die zu messende elektrische Spannung ergibt, direkt an den elektrooptischen Kristall herangeführt werden können, ist eine Spannungsdetektion nach dieser Methode möglich. Ein in dieser Hinsicht begrenzender Faktor sind die geometrischen Abmessungen des elektrooptischen Kristalls, die sich im allgemeinen in der Größenordnung einiger Millimeter bis höchstens einiger Zentimeter bewegen. Gerade im Bereich der öffentlichen elektrischen Energieübertragung und -ver teilung, einem unter anderem auf Grund der inhärent gegebenen hohen elektromagnetischen Verträglichkeit potentiellen Ein satzfeld optischer Meßverfahren, ist jedoch oft ein Abstand von mehreren Metern zwischen diesen beiden Potentialpunkten gegeben. Es gibt Überlegungen, diesen großen Abstand mittels einer elektrooptischen Faser zu überbrücken. Eine diesbezüg liche Umsetzung, die auch eine kommerzielle Nutzung erwarten lassen könnte, ist bislang allerdings noch nicht erfolgt.

Andererseits sind Ausführungsformen optischer Meßvorrich tungen angegeben worden, die die zu messende elektrische Spannung nicht direkt über den elektrooptischen Effekt, son dern indirekt über den Umweg einer Längenänderung der zwi schen den beiden Potentialpunkten verlaufenden optischen Faser ermitteln. Die Längenänderung der Faser wird dabei durch die elektrische Spannung bzw. durch das ihr zuzuord nende elektrische Feld bewirkt. Dazu kann die Faser bei spielsweise um ein piezoelektrisches Element gewickelt werden, das sich unter Einfluß eines elektrischen Feldes oder einer anliegenden elektrischen Spannung ausdehnt. Eine mechanische Kopplung zwischen der Faser und dem piezo elektrischen Element führt dann zu der angesprochenen Längenänderung der optischen Faser. Diese wird bei den bekannten Ausführungsformen jeweils interferometrisch detektiert.

In EP 0 316 619 B1 wird ein derartiger faseroptischer Sensor zum Messen einer Richtungskomponente des elektrischen Feldes offenbart. Das piezoelektrische Element besitzt in den offen barten Ausführungsformen jeweils verschiedene geometrische Gestalt, beispielsweise die Gestalt einer Scheibe, eines Zylinders oder eines Quaders. Eine optische Faser wird entweder um das piezoelektrische Element gewickelt oder in dieses eingebettet. Als bevorzugte piezoelektrische Mate rialien werden dabei Kristalle vorgegebener Kristallklassen angegeben. Zur Detektion der Längenänderung der optischen Faser sind ein Zweimodeninterferometer oder ein Polarisa tionsinterferometer vorgesehen.

In EP 0 316 635 B1 ist ein faseroptischer Spannungssensor offenbart, der mehrere der in EP 0 316 619 B1 offenbarten Sensorelemente beinhaltet. Die einzelnen Sensorelemente sind nur für eine Richtungskomponente der jeweiligen lokalen elektrischen Feldstärke sensitiv. Sie sind entlang eines Verbindungswegs zwischen zwei Raumpunkten mit unterschied lichem elektrischen Potential hintereinander angeordnet. Die optische Faser wird beispielsweise wiederum um jedes dieser Sensorelemente geführt und erfährt damit eine gesamte Längenänderung, die in erster Näherung proportional zum Linienintegral des elektrischen Feldes längs des Verbin dungsweges zwischen den beiden Potentialpunkten ist. Das Linienintegral des elektrischen Feldes, das der zu messenden elektrischen Spannung entspricht, wird dabei durch eine Summe angenähert. Die Summanden sind Produkte aus den von den einzelnen Sensorelementen detektierten lokalen elektrischen Feldkomponenten und den Sensorabmessungen längs des Verbin dungswegs. Als Detektionsmittel für die Längenänderung der optischen Faser offenbart auch die Schrift EP 0 316 635 B1 nur interferometrische Meßvorrichtungen wie beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer oder auch ein Fabry-Perot- Interferometer.

Da die in den beiden genannten europäischen Schriften offen barten Ausführungsformen Temperaturabhängigkeiten aufweisen, sind zusätzlich zwei Ausführungsvarianten mit einer Tempera turkompensation angegeben worden.

Bei der ersten Ausführungsvariante zur optischen Spannungs messung mit Temperaturkompensation gemäß der EP 0 433 824 B1 wird ein zusätzlicher piezoelektrischer Modulator, der im wesentlichen aus den gleichen piezoelektrischen Sensor elementen wie der eigentliche Sensor zur Erfassung der elektrischen Spannung aufgebaut ist, vorgesehen. Außerdem befindet sich der Modulator auf der gleichen Temperatur wie der eigentliche Sensor zur Erfassung der optischen Spannung.

Bei der zweiten Ausführungsvariante zur optischen Erfassung einer elektrischen Spannung mit Temperaturkompensation mit Hilfe der oben genannten Meßvorrichtungen offenbart die DE 42 29 449 A1 einen faseroptischen Quarz-Spannungs-Sensor, dessen piezoelektrisches Element aus Quarz-Material mit be stimmten vorgegebenen Eigenschaften besteht. Es werden nur solche Quarz-Schnitte verwendet, bei denen sich die Tempera turabhängigkeit zweier piezoelektrischer Koeffizienten gegen seitig aufheben. Auch bei dieser und der vorgenannten Aus führungsvariante sind jeweils interferometrische Detektions mittel für die Längenänderung der Faser vorgesehen.

Allgemein besitzen Interferometer einen Aufbau, bei dem es sehr stark auf eine hohe Justagegenauigkeit ankommt. Darüber hinaus kann es bei einem Interferometer zu Problemen mit der Meßgenauigkeit kommen, wenn die optische Faser externen Störeinflüssen wie z. B. mechanischen Vibrationen ausgesetzt wird.

Aus dem Übersichtsaufsatz "In-fibre Bragg grating sensors" von Y.J. Rao, Meas. Sci. Technol. 8 (1997), Seiten 355 bis 375, ist ein Sensor auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters bekannt. Mit Hilfe eines Faser-Bragg-Gitters läßt sich eine Längenänderung einer optischen Faser detektieren. Ein Bragg- Gitter, das zunächst in eine optische Faser eingebracht wird, stellt im wesentlichen eine periodische lokale Modulation des Brechnungsindex' im Kern der optischen Faser dar. Diese Modulation des Brechnungsindex im Kern wird im folgenden auch mit "Kernindex-Modulation" bezeichnet.

Die lokal begrenzte Kernindex-Modulation stellt eine Diskon tinuität für einfallendes Licht dar, an der es zu Teil- oder auch Totalreflexionen bei bestimmten Wellenlängen kommt. Welche Wellenlängen oder welche Wellenlängenanteile hiervon betroffen sind, hängt dabei von der Ausbildung der Kernindex- Modulation des Bragg-Gitters ab. Durch die Ausbildung der Kernindex-Modulation wird das Bragg-Gitter folglich auf eine bestimmte Wellenlänge oder ein bestimmtes Wellenlängenspek trum abgestimmt.

Da eine Längenänderung der optischen Faser die lokale Periode der Kernindex-Modulation beeinflußt, verändert sich auch der Wellenlängengehalt des reflektierten Lichtsignals. Die ent sprechende Modifikation im Wellenlängengehalt kann somit als Maß für die Längenänderung der optischen Faser herangezogen werden. Mit diesem Meßprinzip lassen sich neben Dehnung/ Stauchung auch andere physikalische Meßgrößen wie Temperatur, Druck, Schall, Beschleunigung, hohe Magnetfelder oder auch Kraft detektieren. Eine Weiterbildung des Sensors auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters für eine Detektion eines elek trischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannung ist dem genannten Übersichtsaufsatz jedoch nicht zu entnehmen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der Angabe einer Vorrichtung und eines Verfahrens der einleitend jeweils bezeichneten Art, die ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verhalten bei Einwirkung von Störgrößen auf die optische Faser aufweisen und die mit einer geringeren Justagegenauigkeit auskommen.

Zur Lösung der die Vorrichtung betreffenden Teilaufgabe wird eine Vorrichtung entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer Komponente eines elektrischen Feldes handelt es sich um eine Vorrichtung, welche

a) mindestens ein Sensorelement,
- a1) das auf die Komponente des elektrischen Feldes am Ort des Sensorelements mit einer Formänderung reagiert,
b) mindestens eine optische Faser,
- b1) die mit dem mindestens einen Sensorelement mechanisch in Verbindung steht und
- b2) die wenigstens ein Bragg-Gitter enthält,
c) mindestens eine Lichtquelle zur Einspeisung mindestens eines Sendelichtsignals in die optische Faser und
d) d) Mittel zur Detektion und Auswertung mindestens eines durch das Bragg-Gitter beeinflußten Lichtsignals umfaßt.

Zur Lösung der das Verfahren betreffenden Teilaufgabe wird ein Verfahren entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 11 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur optischen Messung mindestens einer Komponente eines elektrischen Feldes handelt es sich um ein Verfahren, bei welchem

a) mindestens eine optische Faser mit mindestens einem Bragg-Gitter versehen wird,
b) die optische Faser mechanisch mit mindestens einem Sensorelement so verbunden wird, daß eine Formänderung des Sensorelements, die durch die am Ort des Sensor elements vorliegende Komponente des elektrischen Feldes hervorgerufen wird, eine Längenänderung der optischen Faser am Ort des Bragg-Gitters bewirkt,
c) mindestens ein Sendelichtsignal in die optische Faser einspeist wird,
d) mindestens ein in dem Bragg-Gitter aufgrund der Längen änderung der optischen Faser beeinflußtes Lichtsignal detektiert und ausgewertet wird.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß die Über tragung einer Meßinformation mittels optischer Wellenlängen wesentlich unempfindlicher gegenüber externen Störgrößen einflüssen ist als die Meßgrößenübermittlung in Form von Intensitäts- oder Phasencodierung des Lichtsignals in der optischen Faser. Störgrößen wie beispielsweise mechanische Vibrationen führen in erster Linie zu veränderten Intensi täts- und/oder Phasenwerten im Lichtsignal. Die Lichtwellen länge des Lichtsignals bleibt dagegen auf der Übertragungs strecke weitestgehend unberührt von diesen äußeren Einflüs sen. Allgemein bezeichnet man Meßvorrichtungen mit dieser Eigenschaft auch als "streckenneutral".

Auch ein Sensor auf Basis eines Faser-Bragg-Gitters weist diese vorteilhafte Eigenschaft auf, da bei ihm die Meßgröße eine Codierung einer Wellenlänge bzw. eines Wellenlängen gehalts bewirkt. Interferometrische Meßvorrichtungen nach dem Stand der Technik werten dagegen Phaseninformationen aus, die leichter durch Störgrößen verfälscht werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Bragg-Gitters zur Detektion einer Längenänderung der optischen Faser, die aus der Form änderung des Sensorelements resultiert, besteht im Vergleich zu einer interferometrischen Detektion in der einfacheren Aufbautechnik. Der beträchtliche Justageaufwand, der mit einem Interferometeraufbau stets einhergeht, entfällt bei einer Detektion über das Bragg-Gitter komplett. Dadurch ist auch der Betrieb stabiler, da die empfindliche Justage eines Interferometers eine ebenfalls unerwünschte zusätzliche Angriffsmöglichkeit für Störgrößen bietet. Ein Austausch der interferometrischen Detektionsmittel entsprechend des Standes der Technik gegen eine Detektion, die sich der Bragg-Gitter bedient, bietet folglich ganz wesentliche Vorteile.

Besondere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung und des Verfahrens nach der Erfindung ergeben sich aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.

Das Material für das Sensorelement ist bevorzugt piezoelek trisch. Hierbei sind Quarz, Lithiumniobat (LiNbO₃), Lithium tantalat (LiTaO₃), ein piezoelektrisches Polymer wie z. B. Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder auch eine Piezokeramik geeignete Ausgangssubstanzen für das Sensorelement. Bei einem einkristallinen Material, wie beispielsweise bei Quarz, ist für das Sensorelement ein Ausgangskörper, der mit verschie dener Orientierung aus dem anisotropen Kristall geschnitten worden ist, möglich.

Im einfachsten Fall ist es denkbar, daß nur ein einziges Sensorelement vorgesehen ist. In diesem Fall wird nur eine Komponente des elektrischen Feldes, und zwar die, die am Ort des einen Sensorelements eine Formänderung desselben her vorruft, erfaßt. Die Komponente des elektrischen Feldes wird im folgenden auch mit "Feldkomponente" bezeichnet. Auf Grund der genannten Formänderung resultiert in einem dem einen Sensorelement zugeordneten Faser-Bragg-Gitter beispielsweise eine Verschiebung einer zugehörigen Bragg-Wellenlänge. Diese Verschiebung läßt sich als Maß für die ursächliche Komponente des elektrischen Feldes detektieren. Je nach geometrischen Abmessungen kann daraus auch die elektrische Spannung zu mindest in Näherung abgeleitet werden. Unter Einhaltung der Bedingungen für die dielektrische Festigkeit der Vorrichtung ist es außerdem auch möglich, die zu messende elektrische Spannung über elektrische Zuführungen und Kontakte direkt an das Sensorelement anzulegen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind mehrere Sensorelemente vorgesehen, die in Reihe längs eines Verbindungswegs zwischen zwei Punkten mit unterschiedlichem elektrischen Potential angeordnet sind. Jedes Sensorelement erfährt dabei eine Formänderung, die dem am jeweiligen Ort herrschenden elektrischen Feld entspricht. Diese Formänderung wird wie beim Stand der Technik (EP 0 316 635 B1) in eine Längenänderung der optischen Faser umgesetzt. Vorteilhaft ist die optische Faser an den Stellen, an denen sie mit den einzelnen Sensorelementen in Verbindung steht, jeweils mit Bragg-Gittern insbesondere mit jeweils unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge versehen. Dadurch bewirken die lokalen Längenänderungen der optischen Faser eine Verschiebung jeweils unterschiedlicher Bragg-Wellenlängen, die über das Mittel zur Detektion voneinander separiert werden.

Die einzelnen Verschiebungen der Bragg-Wellenlängen sind dabei ein Maß der am Ort der jeweils zugehörigen Sensor elemente herrschenden Feldstärke. Eine anschließende Aus wertung nähert ein Linienintegral des elektrischen Felds zwischen den beiden Punkten mit unterschiedlichem elektri schen Potential, und damit die elektrische Spannung, durch eine Summation von Einzelbeiträgen der Sensorelemente an.

Der Verbindungsweg, entlang dem die einzelnen Sensorelemente angeordnet sind, kann dabei sowohl gerade als auch gekrümmt ausgebildet sein. Bevorzugt sind die Sensorelemente jeweils nur für diejenige Feldkomponente des elektrischen Feldes sensitiv, die in Richtung des Verbindungswegs weist. Dadurch wird verhindert, daß auch Feldkomponenten bei der Auswertung mitberücksichtigt werden, die zur Bildung des Linienintegrals keinen Beitrag leisten.

Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, eine zu mes sende elektrische Spannung über elektrische Zuführungen und Kontakte direkt an das erste und das letzte Sensorelement anzulegen.

Eine vorteilhafte Vorrichtungsvariante sieht in der optischen Faser im Bereich eines Sensorelements mehr als ein Bragg- Gitter vor. Aufgrund von Verstärkungs- und/oder Redundanz effekten wird dadurch eine höhere Meßgenauigkeit erreicht.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrich tung befindet sich zwischen den einzelnen Sensorelementen jeweils mindestens ein Distanzelement. Die Distanzelemente können mechanisch stabil oder auch flexibel ausgeführt sein. Vorteilhaft weisen sie eine höhere Dielektrizitätskonstante als die Sensorelemente auf. Dadurch wird eine Feldüberhöhung im Bereich der Sensorelemente und somit eine Verstärkung des Meßeffekts erreicht. Die Distanzelemente bestehen für den Fall, daß die Sensorelemente aus Quarz vorgesehen sind, bevorzugt aus üblichen Isolierstoffen mit einer Dielektrizi tätskonstante größer als 5. Beispiele sind Sinterkorund oder Steatit. Falls die Sensorelemente aus einer Piezokeramik bestehen, kann als Material für die Distanzelemente auch ein beliebiges Metall verwendet werden.

Die Distanzelemente sind in einer weiteren vorteilhaften Fortbildung aus einem piezoelektrischen Material, insbe sondere aus dem gleichen wie die Sensorelemente selbst. Dadurch läßt sich ein unterschiedliches Temperaturverhalten von Distanz- und Sensorelementen vermeiden. Im Gegensatz zum Stand der Technik (EP 0 316 635 B1 oder EP 0 433 824 B1) führen piezoelektrische Distanzelemente im vorliegenden Fall nicht zu einer unerwünschten Feld-Empfindlichkeit in einem Bereich zwischen den Sensorelementen, da die optische Faser hier keine Bragg-Gitter aufweist. Längenänderungen der optischen Faser in diesem Bereich werden somit nicht detektiert.

Gemäß einer anderen Vorrichtungsweiterbildung ist die Licht quelle als Breitbandlichtquelle ausgeführt, so daß ein von ihr emittiertes Lichtspektrum alle Bragg-Wellenlängen der in die optische Faser eingebrachten Bragg-Gitter umfaßt. Diesbezüglich geeignete Breitbandlichtquellen sind eine SLD (Superlumineszenzdiode), eine ELED (edge-emitting light emitting diode), eine SFS (superflourescent fibre source) oder ein TFL (tuneable fibre laser). Das emittierte bzw. überstrichene Wellenlängenspektrum dieser Lichtquellen hat dann vorzugsweise eine Halbwertsbreite von bis zu 200 nm. Lichtquellen mit einem noch größeren Emissionsspektrum sind ebenfalls geeignet. Im Zusammenhang mit einem TFL ist unter dem Emissionsspektrum hier derjenige Wellenlängenbereich zu verstehen, den der TFL überstreicht. Es können auch mehr als eine Lichtquelle vorgesehen sein, die zeitlich und/oder spektral versetzt zueinander Licht in die optische Faser einspeisen.

Weitere Ausführungsformen betreffen die Ausgestaltung der Bragg-Gitter. Eine Ausführungsform sieht vor, jedes Bragg- Gitter auf ein Wellenlängenspektrum (Halbwertsbreite ≦ 50 nm) abzustimmen, das mehr als eine einzige Wellenlänge umfaßt. Bevorzugt sind die Bragg-Gitter jedoch auf eine Wellenlänge (Halbwertsbreite ≦ 2nm) abgestimmt. Die lokale Ausdehnung der zugrundeliegenden Kernindex-Modulation bewegt sich dabei zwischen 0,1 und 50 mm. Einfallendes Licht, dessen Wellen längengehalt dem Wellenlängenspektrum oder der Wellenlänge des Bragg-Gitters entspricht, wird entweder teil- oder total reflektiert.

Demzufolge resultieren im allgemeinen Fall ein reflektiertes Lichtsignal und ein durchgelassenes (=transmittiertes) Lichtsignal. Das reflektierte Lichtsignal besteht aus dem Wellenlängenspektrum oder der Wellenlänge, auf das oder die das betreffende Bragg-Gitter abgestimmt ist, dem trans mittierten Lichtsignal fehlt dagegen gerade dieser Licht anteil zumindest teilweise. Sowohl reflektiertes als auch transmittiertes Lichtsignal tragen damit die Information über die Meßgröße. Deshalb sind Ausführungsformen möglich, bei denen entweder eines der beiden oder auch beide genannten Lichtsignale detektiert und ausgewertet werden.

Die Detektion der beiden genannten Lichtsignale erfolgt bevorzugt wellenlängenselektiv, so daß sie auf ihren Wellen längengehalt hin analysiert werden können. Insbesondere kann dabei ein Spektrometer verwendet werden. Andere Mittel zur wellenlängenselektiven Detektion sind ebenso möglich.

Eine vorteilhafte Variante ergibt sich außerdem, wenn neben den für die Detektion der Komponenten der elektrischen Feld stärke bestimmten Bragg-Gittern in der gleichen optischen Faser weitere Bragg-Gitter vorgesehen sind. Die Wellenlängen bzw. die Wellenlängenspektren, auf die diese zusätzlichen Bragg-Gitter abgestimmt sind, unterscheiden sich von denen der zur Erfassung des elektrischen Feldes vorgesehenen Bragg- Gitter. Die zusätzlichen Bragg-Gitter dienen dann der Detektion weiterer Meßgrößen, wie z. B. der Temperatur. Damit läßt sich die Meßgrößenerfassung ohne großen zusätzlichen apparativen Aufwand beispielsweise temperaturkompensiert durchführen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind mehr als eine optische Faser vorgesehen, die alle jeweils mindestens ein Bragg-Gitter enthalten. Eine Trennung der Meßinformatio nen der einzelnen Bragg-Gitter kann dann sowohl durch das oben beschriebene Verfahren mit jeweils unterschiedlichen Bragg-Wellenlängen (=Wellenlängenmultiplexverfahren), als auch durch ein Zeitmultiplexverfahren erfolgen. Bei der letztgenannten Methode unterscheiden sich einzelnen Bragg- Gitter nicht durch ihre Bragg-Wellenlänge, sondern durch eine unterschiedliche Lichtlaufzeit zwischen Lichtquelle, Bragg- Gitter und den Mitteln zur Detektion und Auswertung. Das Zeitmultiplexverfahren kann auch bei Ausführungsformen mit nur einer optischen Faser verwendet werden.

Vorteilhafte Verfahrensausführungsformen, die sich aus den entsprechenden Unteransprüchen ergeben, weisen im wesent lichen die gleichen Vorteile auf wie die obengenannten jeweils korrespondierenden Vorrichtungsweiterbildungen.

Die vorstehenden Ausführungen belegen, daß die erfindungs gemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft zur optischen Messung einer elektrischen Spannung verwendet werden kann/können.

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merk male sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur optischen Messung einer Feld komponente mit einem Faser-Bragg-Gitter und

Fig. 2 eine Vorrichtung zur optischen Spannungsmessung mit mehreren Faser-Bragg-Gittern.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Komponente E₁ eines elektrischen Feldes. Kernstück ist dabei ein piezoelektrisches Sensorelement S₁, das mit einer opti schen Faser 30 verbunden ist. Am Ort des Sensorelements S₁ befindet sich ein Bragg-Gitter B₁ mit einer Bragg-Wellenlänge λ₁ in der optischen Faser 30.

Das Bragg-Gitter B₁ ist ausgebildet durch Einbringen einer lokalen Kernindex-Modulation in die optische Faser 30. Durch eine vorzugebende örtliche Modulationsperiode wird das Bragg- Gitter B₁ auf die Bragg-Wellenlänge λ₁ abgestimmt. Ein von einer Lichtquelle 10 erzeugtes und über einen Koppler 20 in die optische Faser 30 eingespeistes Sendelichtsignal L_s wird dann im Spektralbereich der Wellenlänge λ₁ an dem Bragg- Gitter B₁ reflektiert. Ein Wellenlängengehalt des Sende lichtsignals L_s umfaßt dazu die Bragg-Wellenlänge λ₁ sowie weitere Spektralbereiche.

Auf diese Weise entsteht ein reflektiertes Lichtsignal L_R mit der Wellenlänge λ₁, das in Richtung Lichtquelle 10 zurück läuft, am Koppler 20 jedoch in Richtung eines Mittels zur Detektion, hier eines Spektrometers 40, umgeleitet wird.

Auf einer der Lichtquelle 10 abgewandten Seite des Bragg- Gitters B₁ liegt dagegen ein transmittiertes Lichtsignal L_T vor, das sich aus Wellenlängenanteilen des Sendelichtsignals L_s zusammensetzt, die von der Bragg-Wellenlänge λ₁ verschie den sind. Diese Wellenlängenanteile passieren das Bragg- Gitter B₁ ungehindert. Auch das transmittierte Lichtsignal L_T wird dem Spektrometer 40 zugeleitet und dort wellenlängen selektiv detektiert. Insbesondere wird eine Lücke im Wellen längenspektrum detektiert, die sich gerade an der Stelle der Bragg-Wellenlänge λ₁ befindet.

Wird das Bragg-Gitter B₁ über das Sensorelement S₁ mit einer Meßgröße, hier der Komponente E₁ des elektrischen Feldes, beaufschlagt, so werden beide Lichtsignale L_R und L_T jeweils in ihrem Wellenlängengehalt beeinflußt. Beim reflektierten Lichtsignal L_R verschiebt sich die Bragg-Wellenlänge λ₁ selbst, beim transmittierten Lichtsignal L_T dagegen die besagte Lücke im Wellenlängenspektrum. Dank der Detektion beider Verschiebungen im Spektrometer 40 erfolgt in einer nachgeschalteten elektronischen Einheit 50 die Bestimmung eines Meßsignals M für Komponente E₁ des elektrischen Feldes redundant.

Die elektronische Einheit 50 ist neben der Auswertung der Verschiebungen auch für eine Ansteuerung der Lichtquelle 10 vorgesehen. Bei anderen nicht dargestellten Ausführungsformen kann die elektronische Einheit 50 für diesen Zweck auch in zwei Teile zerfallen. Dies wird in Fig. 1 durch die gestri chelte Linie in dem Zeichnungssymbol, das die elektronische Einheit 50 symbolisiert, angedeutet.

Das Sensorelement S₁ und die optische Faser 30 sind mecha nisch fest miteinander verbunden. Das Sensorelement S₁ be sitzt dazu eine Bohrung, durch die die optische Faser 30 hindurchgeführt ist. Das Bragg-Gitter B₁ in der optischen Faser 30 befindet sich genau im Bereich dieser Bohrung. Bei anderen nicht dargestellten Ausführungsformen kann die Faser jedoch auch um das Sensorelement S₁ gewickelt werden oder in einer Nut an der Oberfläche des Sensorelements S₁ eingebettet werden. Das Bragg-Gitter B₁ befindet sich auch bei diesen nicht dargestellten Ausführungsformen dann jeweils im Kon taktbereich der optischen Faser 30 mit dem Sensorelement S₁.

Wegen der Piezoelektrizität des Sensorelements S₁ und der festen mechanischen Verbindung mit der optischen Faser 30 ruft die zu messende Komponente E₁ des elektrischen Feldes zunächst eine Formänderung des Sensorelements S₁ und in Folge eine Längenänderung der optischen Faser 30 hervor. Diese Längenänderung führt auch zu einer Modifikation der Kern index-Modulation im Bragg-Gitter B₁, so daß sich schließlich die oben bereits angesprochenen Verschiebungen im Wellen längengehalt des reflektierten Lichtsignals L_R und des trans mittierten Lichtsignals L_T ergeben. Diese Verschiebungen sind dann jeweils proportional zur ursächlichen Komponente E₁ des elektrischen Feldes.

In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist mindestens ein zusätzliches Bragg-Gitter vorgesehen, das der Temperatur erfassung dient.

In Fig. 2 ist eine Meßvorrichtung zur optischen Erfassung einer elektrischen Spannung U_1n, die zwischen zwei Punkten P_n und P₁ mit unterschiedlichem Potential anliegt, dargestellt. Sie umfaßt mehrere Sensorelemente S_i (mit 1 ≦ i ≦ n) zwischen denen sich jeweils Distanzelemente D_j (mit 1 ≦ j ≦ n-1) befin den. Hierbei bezeichnen "i" und "j" Laufindizes, die aus der Menge der natürlichen Zahlen Werte von 1 bis n bzw. (n-1) annehmen können. Alle Sensorelemente S_i sind mit der opti schen Faser 30 verbunden, die am Ort der Sensorelemente S_i jeweils Bragg-Gitter B_i (mit 1 ≦ i ≦ n) mit jeweils unter schiedlichen Bragg-Wellenlängen λ_i (mit 1 ≦ i ≦ n) beinhaltet.

Die einzelnen Bragg-Gitter B_i werden durch jeweils ver schiedene lokale Kernindex-Modulationen der optischen Faser 30 gebildet. Dabei bestimmt eine örtliche Periode der je weiligen Kernindex-Modulation die Bragg-Wellenlänge λ_i.

Trifft das Sendelichtsignal L_s auf eines der Bragg-Gitter B_i, so wird ein Wellenlängenanteil, der der zugehörigen Bragg- Wellenlänge λ_i entspricht, reflektiert. Das Wellenlängen spektrum des Sendelichtsignals L_s umfaßt alle Bragg-Wellen längen λ_i. Deshalb ist im Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine von der elektronischen Einheit 50 angesteuerte Super lumineszenzdiode (SLD) als Lichtquelle 10 vorgesehen. Diese Diodenart emittiert ein sehr breitbandiges Wellenlängen spektrum.

Die Sensorelemente S_i und die optische Faser 30 sind so miteinander verbunden, daß eine Formänderung jedes der Sensorelemente S_i unmittelbar eine lokale Längenänderung, z. B. eine Dehnung oder eine Stauchung, der optischen Faser 30 zur Folge hat. Unter dem Einfluß von zu messenden Kompo nenten E_i (mit 1 ≦ i ≦ n) eines elektrischen Feldes verändern die piezoelektrischen Sensorelemente S_i ihre geometrische Form, womit auch Längenänderungen in der optischen Faser 30 einhergehen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Sensor elemente S_i die bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 be schriebene Gestalt auf. Die optische Faser 30 wird jeweils durch Bohrungen in den Sensorelementen S_i geführt. Die jeweiligen Bragg-Gitter B_i befinden sich an denjenigen Stellen der optischen Faser 30, an denen sie im Inneren der Sensorelemente S_i verläuft.

Die jeweiligen lokalen Längenänderungen der optischen Faser 30 bewirken, daß sich die Wellenlängen λ_i, auf die die Bragg- Gitter B_i jeweils abgestimmt sind, verschieben. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 werden im Ausführungs beispiel von Fig. 2 die Wellenlängenverschiebungen nur anhand des an den Bragg-Gittern B_i reflektierten Lichtsignals L_R ermittelt. Dies erfolgt wiederum über eine wellenlängen selektive Detektion im Spektrometer 40 und eine nachgeschal tete Auswertung in der elektronischen Einheit 50.

In der elektronischen Einheit 50 wird aus den einzelnen Ver schiebungen der Bragg-Wellenlängen λ_i auf die zugrundelie genden Komponenten E_i des elektrischen Feldes zurückge schlossen. Da die so bestimmten Komponenten E_i des elektri schen Feldes entlang eines Verbindungswegs V zwischen den beiden Punkten P_n und P₁ verlaufen, läßt sich mit ihrer Hilfe die elektrische Spannung U_1n annähern. Die Annäherung erfolgt dabei durch eine Summation von Produkten der bestimmten Feld komponenten E_i mit Wegstrecken x_i (mit 1 ≦ i ≦ n) . Die elektro nische Einheit 50 errechnet ein Meßsignal M für die elektri sche Spannung U_1n gemäß:

Dabei entsprechen die Wegstrecken x_i im wesentlichen den Abmessungen der Sensorelemente S_i entlang des Verbindungswegs V. Die Wegstrecken x_i sind somit Teilstrecken des Verbin dungswegs V. Im in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsstrecke V eine gerade Linie. In anderen nicht dargestellten Ausführungsformen kann die Verbindungs strecke V jedoch auch beliebig gekrümmte Formen annehmen. Die Verbindungsstrecke V wird dann durch die Teilstrecken x_i als Polygonzug nachgebildet.

Sowohl bei geradem als auch bei gekrümmtem Verbindungsweg V wird die Näherung gemäß Gleichung (1) um so exakter, je mehr Sensorelemente S_i bzw. Teilstrecken x_i vorgesehen sind. Ein resultierender Fehler wird außerdem um so kleiner, je ge ringer die Abmessungen der Distanzelemente D_j entlang des Verbindungswegs V sind.

Die Distanzelemente D_j dienen bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 der Entkopplung zwischen den einzelnen Sensorelemen ten S_i. Analog zu den Sensorelementen S_i wird die Faser 30 auch durch Bohrungen innerhalb der Distanzelemente D_j ge führt. Da im Bereich der Distanzelemente D_j keine Bragg- Gitter in der optischen Faser 30 vorgesehen sind, findet hier auch keine Erfassung von Komponenten des elektrischen Feldes statt.

Deshalb ist es von Vorteil, wenn das elektrische Feld durch eine geeignete Materialwahl für die Distanzelemente D_j in den Bereichen der Sensorelemente S_i konzentriert wird. Dies erreicht man insbesondere durch die Wahl eines Materials, das eine höhere Dielektrizitätskonstante als das Material der Sensorelemente S_i aufweist. Im vorliegenden Fall bestehen die Sensorelemente S_i aus Quarz und die Distanzelemente D_j aus Steatit.

Claims

1. Vorrichtung zur optischen Messung mindestens einer Kom ponente (E₁, E₂, E_i, E_n) eines elektrischen Feldes umfassend:

a) mindestens ein Sensorelement (S₁, S₂, S_i, S_n),
- a1) das auf die Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) des elektrischen Feldes am Ort des Sensorelements (S₁, S₂, S_i, S_n) mit einer Formänderung reagiert,
b) mindestens eine optische Faser (30),
- b1) die mit dem mindestens einen Sensorelement (S₁, S₂, S_i, S_n) mechanisch in Verbindung steht und
- b2) die wenigstens ein Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) enthält,
c) mindestens eine Lichtquelle (10) zur Einspeisung mindestens eines Sendelichtsignals (L_s) in die optische Faser (30) und
d) Mittel (40, 50) zur Detektion und Auswertung mindestens eines durch das Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) beeinflußten Lichtsignals (L_R, L_T).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das mindestens eine Sensor element (S₁, S₂, S_i, S_n) aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere aus Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, aus einem Polymer oder einer Piezokeramik, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensorelemente (S₁, S₂, S_i, S_n) vorgesehen sind, die entlang eines Verbindungs wegs (V) zwischen zwei Punkten (P₁, P₂) mit unterschiedlichem elektrischen Potential angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (30) wenigstens am Ort jedes Sensorelements (S₁, S₂, S_i, S_n) wenigstens ein Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) mit vorbestimmter Bragg-Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ_i, λ_n) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensorelementen (S₁, S₂, S_i, S_n) jeweils Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) mit unter schiedlicher Bragg-Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ_i, λ_n) zugeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß zwischen den Sensorelementen (S₁, S₂, S_i, S_n) jeweils mindestens ein Distanz element (D₁, D₂, D_j, D_n-1) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß Distanzelemente (D₁, D₂, D_j, D_n-1) vorgesehen sind, die eine mindestens gleich große Dielektri zitätskonstante wie die Sensorelemente (S₁, S₂, S_i, S_n) auf weisen.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (10) eine Breitbandlichtquelle vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Detektion des beeinflußten Lichtsignals, insbe sondere eines reflektierten Lichtsignals (L_R) oder eines transmittierten Lichtsignals (L_T), ein wellenlängenselektives Mittel, insbesondere ein Spektrometer (40), vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel zur Auswertung eine elektronische Einheit (50) vorgesehen ist.

11. Verfahren zur optischen Messung mindestens einer Kom ponente (E₁, E₂, E_i, E_n) eines elektrischen Feldes, bei dem

a) mindestens eine optische Faser (30) mit mindestens einem Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) versehen wird,
b) die optische Faser (30) mechanisch mit mindestens einem Sensorelement (S₁, S₂, S_i, S_n) so verbunden wird, daß eine Formänderung des Sensorelements (S₁, S₂, S_i, S_n), die durch die am Ort des Sensorelements (S₁, S₂, S_i, S_n) vorliegende Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) des elektrischen Feldes hervor gerufen wird, eine Längenänderung der optischen Faser (30) am Ort des Bragg-Gitters (B₁, B₂, B_i, B_n) bewirkt,
c) mindestens ein Sendelichtsignal (L_s) in die optische Faser (30) einspeist wird,
d) mindestens ein in dem Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) aufgrund der Längenänderung der optischen Faser (30) beeinflußtes Lichtsignal (L_R, L_T) detektiert und ausgewertet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch ge kennzeichnet, daß für das mindestens eine Sensorelement (S₁, S₂, S_i, S_n) ein piezoelektrisches Material, insbesondere Quarz, LiNbO₃, LiTaO₃, ein Polymer oder eine Piezokeramik, vorgesehen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, daß die optische Faser (30) wenigstens am Ort jedes Sensorelements (S₁, S₂, S_i, S_n) mit wenigstens einem Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) mit vorbestimmter Bragg-Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ_i, λ_nn) versehen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß mehrere Sensorelemente (S₁, S₂, S_i, S_n) entlang eines Verbindungswegs (V) zwischen zwei Punkten (P₁, P₂) mit unterschiedlichem elek trischen Potential angeordnet werden.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensorelementen (S_i, S₂, S_i, S_n) jeweils Bragg-Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) mit unter schiedlicher Bragg-Wellenlänge (λ₁, λ₂, λ_i, λ_n) zugeordnet werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß zwischen die Sensorelemente (S₁, S₂, S_i, S_n) jeweils Distanzelemente (D₁, D₂, D_j, D_n-1) eingefügt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß Distanzelemente (D₁, D₂, D_j, D_n-1) vorgesehen werden, die eine mindestens gleich große Dielek trizitätskonstante wie die Sensorelemente (S₁, S₂, S_i, S_n) auf weisen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da durch gekennzeichnet, daß ein breit bandiges Sendelichtsignal (L_s) in die optische Faser (30) einspeist wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß in dem Bragg- Gitter (B₁, B₂, B_i, B_n) aus dem Sendelichtsignal (L_s) ein reflek tiertes Lichtsignal (L_R) und ein transmittiertes Lichtsignal (L_T) erzeugt werden, von denen jeweils ein Wellenlängengehalt durch die Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) des elektrischen Feldes verändert wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch ge kennzeichnet, daß das reflektierte Lichtsignal (L_R) oder das transmittierte Lichtsignal (L_T) oder beide wellenlängenselektiv detektiert werden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß aus wenig stens einem veränderten Wellenlängengehalt ein Meßsignal (M) für die Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) des elektrischen Feldes bestimmt wird.

22. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur optischen Messung einer elektrischen Spannung (U_1n), der die mindestens eine Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) eines elektrischen Feldes zugeordnet ist.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 21, da durch gekennzeichnet, daß eine elek trische Spannung (U_1n), der die mindestens eine Komponente (E₁, E₂, E_i, E_n) eines elektrischen Feldes zugeordnet ist, optisch gemessen wird.