DE3326736A1

DE3326736A1 - Magnetfeld-messvorrichtung

Info

Publication number: DE3326736A1
Application number: DE19833326736
Authority: DE
Inventors: Mitsuo Kokubunji Matsumoto
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-07-27
Filing date: 1983-07-25
Publication date: 1984-02-09
Also published as: GB8319967D0; GB2125960B; JPS5919875A; JPH0224349B2; GB2125960A; DE3326736C2; US4539521A

Description

Magnetfeld-Meßvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen eines Magnetfeldes, eines elektrischen Stromes und dergleichen unter Verwendung des Faraday-Effektes (magnetooptischer Effekt), insbesondere eine bestimmte Art einer Meßvorrichtung / welche den Faraday-Drehungswinkel feststellt/ um diesen zu messen.

Bisher ist eine Vorrichtung bekannt, welche den durch eine Hochspannungsvorrichtung oder eine elektrische Starkstromvorrichtung fließenden Strom unter Verwendung der Tatsache mißt, daß die Polarisationsebene von polarisiertem Licht, das eine magnetooptische Substanz (Faraday-Rotor) durchsetzt, in Abhängigkeit von dem durch den elektrischen Strom, der die magnetooptische Substanz umfließt, gedreht wird. Eine solche Vorrichtung ist vorteilhafter als eine solche, die Stromtransformatoren verwendet, und zwar deshalb, weil sie leicht von der Hochspannung der elektrischen Vorrichtung isoliert werden kann und daß sie das in der Vorrichtung erzeugte Magnetfeld nicht stört. Außerdem ist die Frequenzcharakteristik der Vorrichtung besser als diejenige einer Vorrichtung, die Stromtransformatoren verwendet.

Da aber die bekannte Meßvorrichtung den Drehwinkel der Polarisationsebene in Form einer Lichtintensität mißt, wird das Meßergebnis durch den Verlust in den optischen Wegen beeinflußt. Außerdem sind die Meßergebnisse nicht dem Drehwinkel der polarisierten Ebene proportional, und in einem Falle, in welchem die Meßergebnisse unter Verwendung eines fotoelektrischen Wandlers, wie einer Fotodiode, in elektrische Signale umgewandelt werden, neigen die elektrischen Signale dazu, durch eine Drift in den Charakteristiken des Wandlers, die durch Temperaturveränderung oder dergleichen hervorgerufen werden, abzuweichen.

Diese Schwierigkeiten der die Faraday-Wirkung verwendenden bekannten Vorrichtung werden in Verbindung mit Fig. 1 näher erläutert.

In Fig. 1 liefert eine Laser-Lichtquelle 1 einen Laser-Lichtstrahl 8, der eine elektromagnetische Welle mit einer elektrischen Feldkomponente E₁ besitzt und die in einer Ebene (oder einer Polarisationsebene) mit einer Frequenz CJ schwingt. Das so durch die elektrische Feldkomponente E₁ dargestellte Laser-Licht wird einem Faraday-Rotator 2 zugeführt.

Ein orthogonales Koordinatensystem mit X-, Y- und Z-Achsen wird an der Eingangsseite des Faraday-Rotators 2 angenommen, wobei sich die Z-Achse entlang der Mittellinie des Rotators 2 erstreckt. Ferner werden orthogonale Koordinaten ξ und V| an der Ausgangsseite des Faraday-Rotators 2 angenommen, die sich rechtwinklig zu der sich entlang der Mittellinie des Rotators 2 erstreckenden Z-Achse erstrecken.

Die elektrische Feldkomponente E₁ des Laser-Lichtstrahles 8, die von der Laser-Lichtquelle geliefert wird, wobei die Polarisationsebene des Lichtstrahles unter einem Winkel von 45° zur X-Achse angeordnet ist, durchsetzt dann den Faraday-Rotator 2 in Richtung Z-Achse, und er wird dann einem Wollastonprisma 4 zugeführt. Das Wollastonprisma 4 spaltet das linear polarisierte Licht in zwei Komponenten 9 und 10 auf.

Ein elektrischer Leiter 3 ist um den Faraday-Rotator 2 gewunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Ein durch den Leiter 3 fließender elektrischer Strom E induziert in Richtung Z-Achse ein magnetisches Feld H , das dem Strom I proportional ist. Das magnetische Feld H₁₇ dreht die Polarisationsebene des den Faraday-Rotator 2 durchsetzenden Laser-Lichtes um einen Winkel F° aus seiner Originalposition, die einen Winkel von 45° zur X-Achse bildet. D. h., der Licht-Ausgang E₉, der von dem Faraday-Rotator 2 geliefert wird, ist ein linear

polarisiertes Licht mit einer Polarisationsebene, die um einen Winkel von 45° + F° von der X-Achse aus gedreht ist.

Der Winkel F, der durch den Rotator 2 gedreht worden ist, wird durch die folgende Gleichung definiert:

wobei V, die Verdet'sehe Konstante der den Faraday-Rotator bildenden magnetooptischen Substanz ist und wobei L die Länge des Faraday-Rotators entlang der Z-Achse darstellt. Unter Verwendung dieser Beziehung kann das Magnetfeld H und somit der dem Magnetfeld H₁₇ proportionale Strom I durch

Cl

Feststellung des gedrehten Winkel F der Polarisationsebene gemessen werden.

Unter der Annahme, daß die Amplitude der elektrischen Feldkomponente E von der Laser-Lichtquelle 1 gelieferten, linear polarisierten Lichtes gleich a ist, wird das Laser-Licht mit einer einzigen Frequenz Lj folgendermaßen ausgedrückt:

E = a sin ωΐ

Da die Polarisationsebene der Komponente des elektrischen Feldes E₁ unter einem Winkel von 4 5° in Bezug auf die X-Achse angeordnet ist, können die X-Achsen-Komponente E und die Y-Achsen-Komponente E des elektrischen Feldes E₁ folgendermaßen ausgedrückt werden:

K ⁼

^Ey ⁼ 72 ^sin

Wenn das Laser-Licht den Faraday-Rotator durchsetzt hat, ist dessen Polarisationsebene um einen Winkel F° gedreht worden, Wie es oben beschrieben ist, und es können deshalb die Komponenten E>- und Έ,-η entlang den ζ- und η —Achsen des

3226736

Licht-Ausganges E„ der von dem Faraday-Rotator ausgegeben wird, folgendermaßen ausgedrückt werden:

/ ν

cosF
sinF

/2

-sinF

cosF

- sinF) sin

-^(sinF + cosF) sinojt

(2)

Somit ist der Licht-Ausgang E₂ mit den Komponenten E £- und E -η auch ein linear polarisiertes Licht mit einem gedrehten Winkel θ = 45° + F der Polarisationsebene, der nach der folgenden Gleichung errechnet wird:

Ferner kann aus der Gleichung (2) die Amplitude Je_o J des Licht-Ausganges E_ berechnet werden, zu:

= a

Diese Gleichung zeigt, daß die Amplitude des Licht-Ausganges E₀ gleich der Amplitude des Laser-Licht-Einganges ist.

Das Wollaston-Prisma 4 spaltet den Licht-Ausgang E₂ in zwei Komponenten 9 und 10 auf, die ζ -Achsen und -n -Achsen-Komponenten E'r und E₇I sind. Die Komponenten 9, d. h. die Komponente E_r wird von einer Fotodiode 5 aufgenommen, während die Komponente 10, d. h. die Komponente En , von einer anderen Fotodiode 6 aufgenommen wird. Die Fotodioden 5 und 6 wandeln die Komponenten 9 und 10 in elektrische Signale Ip und 1-^ um, die proportional den Lichtintensitäten Ej- I² E_1nJ² der beiden Komponenten 9 bzw. 10 sind. Eine

elektronische Schaltung 7 errechnet und

(I - IJ/(I + IJ. Since IE I = 4(cosF - sinF) und η ξ η ξ ' ξ' /2

^cosF> '

«J¹

I + I_c IE I² + |E_C(²·

_ (sinF + cosF)² - (cosF - sinF) ² ~ (sinF + cosF)² + (cosF - sinF)²

In der bekannten Vorrichtung nach Fig. 1 wird der gemessene Wert in Form von sin2F ausgedrückt, wie es in Gleichung 3 angegeben ist. Dieser Wert ist nicht proportional dem Faraday-Rotationswinkel F. Infolgedessen ist eine andere Schaltung zur Errechnung der folgenden Beziehung erwünscht:

T-T

¹¹ ^η g

F = ¹
₂

₂sxn ^ ₊

Da ferner das gleiche Ergebnis für eine Änderung von F von 180° erhalten wird, besteht eine andere Schwierigkeit darin, daß der Meßbereich F auf t 90° beschränkt ist.

Die schwerwiegendste Schwierigkeit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung liegt darin, daß die Charakteristiken der Fotodioden 5 und 6 zum Driften neigen, wenn die Dioden die Lichtintensitäten Ie^ I² I^e»J² iⁿ elektrische Signal Ir und Ιγ, umwandeln. Genauer gesagt, es fließt in jeder Fotodiode neben dem elektrischen Signal I>- oder I^ ein Dunkelstrom. Der Dunkelstrom verändert sich in Abhängigkeit von der Temperaturänderung der Fotodiode und verursacht dadurch eine Drift in den Betriebseigenschaften der Fotodiode. Wenn die nachteilige Wirkung des Dunkelstromes ausgeschaltet werden soll, muß zusätzlich zu der in Fig. 1 ge-

zeigten Schaltung eine komplizierte Schaltung vorgesehen werden.

Außerdem müssen, wenn eine genaue Messung erwünscht ist, die fotoelektrischen ümwandlungsverhältnisse der beiden Dioden 5 und 6 gleich sein. Jedoch ist es unter Berücksichtigung der Änderung der Charakteristiken der Fotodioden über viele Jahre äußerst schwierig, die fotoelektrischen Umwandlungsverhältnisse der beiden Dioden gleichzuhalten.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Magnetfeld-Meßvorrichtung, mit welcher die oben beschriebenen Schwierigkeiten der bekannten Vorrichtung im wesentlichen ausgeschaltet werden können.

Durch die Erfindung soll auch eine Magnetfeld-Meßvorrichtung geschaffen werden, bei welcher eine optische Überlagerungsempfänger-Technik für die Demodulation verwendet wird und mit der ein elektrisches Meßsignal mit einem dem Faraday-Rotationswinkel proportionalen Phasenwinkel erhalten werden kann, das somit dem zu messenden Magnetfeld proportional ist.

Durch die Erfindung soll auch eine Magnetfeld-Meßvorrichtung geschaffen werden, deren elektrisches Meßsignal frei vom übertragungsverlust des Laser-Lichtes und von der Drift in den Betriebseigenschaften der fotoelektrischen Wandler ist.

Diese und weitere Ziele der Erfindung können durch eine Magnetfeld-Meßvorrichtung erhalten werden, die folgende Elemente enthält:

eine Laser-Lichtquelle, einen Faraday-Rotator, welcher das Laser-Licht von der Laser-Lichtquelle aufnimmt und einen Ausgang mit Laser-Licht liefert, der mit einer zu messenden Größe moduliert ist, einen optischen Analysator, welcher den Licht-Ausgang vom Faraday-Rotator aufnimmt und eine Komponente des in einer vorbestimmten Richtung polarisier-

ten Lichtausganges extrahiert, einen fotoelektrischen Wandler zur Umwandlung der extrahierten Komponente in ein elektrisches Signal, wobei die Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Laser-Lichtquelle ein Laser-Licht mit zwei Komponenten erzeugt, und zwar mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz, die in zueinander senkrechten Richtungen polarisiert sind, und daß die Meßvorrichtung zusätzlich eine Lichtstrahl-Aufspaltvorrichtung enthält, welche das Laser-Licht in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt, daß ein erster optischer Analysator vorgesehen ist, welcher aus dem ersten Teil des Laser-Lichtes eine Komponente extrahiert, die in Bezug auf die X-Achse und die Y-Achse unter einem Winkel von 45° polarisiert ist und eine Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz aufweist, daß ein Viertelwellen-Plättchen vorgesehen ist, welches den zweiten Teil des Laser-Lichtes von der Lichtstrahl-Aufspaltvorrichtung aufnimmt und einen Ausgang liefert, dessen optische Hauptachse unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die X-Achse und die Y-Achse eingestellt ist, daß ein Faraday-Rotator vorgesehen ist, welcher den Ausgang des Viertelwellen-Plättchens aufnimmt und einen Ausgang liefert, dessen Polarisationsrichtung um einen Winkel gedreht ist, der einem einwirkenden Magnetfeld entspricht, daß ein zweiter optischer Analysator vorgesehen ist, welcher aus dem Ausgang des Faraday-Rotators eine Komponente mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz aufweist und der durch den gedrehten Winkel der Polarisationsrichtung in dem Faraday-Rotator in der Phase moduliert ist, daß ein erster fotoelektrischer Wandler und ein zweiter fotoelektrischer Wandler vorgesehen sind, welche die Ausgänge des ersten optischen Analysators und des zweiten optischen Analysators in erste bzw. zweite elektrische Signale umwandelt, und daß eine Schaltungsan-Ordnung vorgesehen ist, welche das erste Signal und das zweite Signal miteinander vergleicht, um einen Ausgang zu erzeugen, der dem auf den Faraday-Rotator einwirkenden Magnetfeld direkt proportional ist.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Beispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Kon- ° struktion einer bekannten Magnetfeld-

Meßvorrichtung unter Verwendung des Faraday-Effektes,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optisehen Systems, das einen wesentlichen Teil der erfindungsgemäßen Magnetfeld-Meßvorrichtung darstellt,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, welches eine elektrische Schaltung zeigt, die einen anderen Teil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung

bildet,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Wellenformen und der Seiten des Auftretens von elektrischen Signalen in der in Fig. 3 gezeigten Schaltung und

Fig. 5 ein Schaltbild der Konstruktion einer anderen Ausführung der Erfindung.

Ein einen Teil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung dar-25

stellendes optisches System wird zunächst in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben. Eine 2-Frequenz-Laser-Lichtquelle sendet in Richtung der Z-Achse ein linear polarisiertes Laser-Licht mit einer X-Achsen-Komponente E_v aus, das mit

einer Lichtfrequenz von CJ schwingt, und sie sendet eine 30

Y-Achsen-Komponente E aus, die mit einer anderen Lichtfrequenz 60 +Anschwingt. Eine geeignete Zweifrequenz-Laser-Lichtquelle, welche den Zeemann-Effekt verwendet, ist auf dem Markt erhältlich. Da die Frequenzdifferenz im Ausgang der Laser-Lichtquelle in der Größenordnung von β

2 if χ 1.2 χ 10 (rad/s) liegt, kann irgendeine bekannte Fotodiode auf die Frequenzdifferenz ansprechen. An Stelle der oben erwähnten Laser-Lichtquelle, welche den Zeemann-

Effekt verwendet, kann eine normale Seiten-Mode-Laser-Vorrichtung für diesen Zweck verwendet werden, die zwei Frequenzkomponenten von 60 unduj-+/\to erzeugt, die in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen linear polarisiert sind. Ferner kann als Laser-Lichtquelle 11 eine Vorrichtung verwendet werden, die einen optischen Freqüenz-Umtaster, wie eine Bragg-Zelle enthält, der in der Lage ist, eine Frequenz LJ +Δω zu erzeugen, die auf einer Frequenz u> basiert.

Der Ausgang der Laser-Lichtquelle 11, der zwei Frequenzkomponenten enthält, die in senkrecht aufeinander stehenden Richtungen polarisiert sind, sendet in Richtung der Z-Achse einen Lichtstrahl durch eine Strahlaufspaltvorrichtung 12, die das Laser-Licht in zwei Teile aufspaltet. Ein Teil des Laser-Lichtes mit zwei Komponenten E_v und E„ , wie es in

Λ X

Fig. 2 gezeigt ist, durchsetzt dann ein Viertelwellen-(A /4)-Plättchen 15. Der andere Teil des von der Strahl-Aufspaltvorrichtung 12 gelieferten Laser-Lichtes durchsetzt einen optischen Analysator 13.

Wenn angenommen wird, daß die Amplituden der beiden Komponenten E_v und E.. des ersten Teiles des von der Strahl-Auf-

Λ χ

spaltvorrichtung 8 gelieferten Laser-Lichtes beide -w betragen, werden die Komponenten Ε_χ und E folgendermaßen ausgedrückt:

ν = ^a
x /2

E = -7= sin(o)+Au))t
Υ /2

Wenn das linear polarisierte Licht mit den Komponenten E_v

und E_v, die durch die Gleichung (4) ausgedrückt sind, das ob ^x

Viertelwellen-Plättchen 15 durchsetzt, deren optische Hauptachse in einer Richtung angeordnet ist, die in Bezug auf die X-Achse einen Winkel von 45° bildet, wird die

12
Komponente E in ein rechts kreisförmig polarisiertes Licht

E umgewandelt, dessen X-Achsen- und Y-Achsen-Komponenten E_x,.. und E_x... durch E_x.,, = ττ sin co t und E_x.,. = ·=■ cosot ausde-

KX Kx ΚΛ Z Kx Z

drückt werden, während die Komponente Ε_γ in ein links kreisförmig polarisiertes Licht E umgev

Achsen- und Y-Achsen-Komponenten E

förmig polarisiertes Licht E umgewandelt wird, dessen X-

Tjcos

t und E_x.. = -^ sin (u>

JjX /

„_Tv und E_x „ durch E_{x v} = U^ )t umgewandelt wird.

Infolgedessen werden die resultierenden X-Achsen- und Y-Achsen-Komponenten E_v' und E ' des von dem Viertelwellen-

Λ. X

Plättchen 15 gelieferten Laser-Lichtes folgendermaßen ausgedrückt:

E ' = E_n + E_x

+ cos (ω+Δω) t]

E ' =
γ

₀ + E_T = 7r[cosü)t + sin (ω+Δω) t] Ky Ly ζ

(5)

Wenn die Komponenten E ' und E ' des von dem Viertelwellen-

X χ

Plättchen 15 gelieferten Laser-Lichtes einen Faraday-Rotator 16 durchsetzen, wird der Polarisationswinkel des Laserlichtes um einen Winkel von F° gedreht, wie es vorher beschrieben worden ist, sodaß die Ausgangskomponenten E" und E " des Faraday-Rotators 16 ausgedrückt werden durch

E "
Y

cosF -sinF

sinF cosF

E ' χ

E ' Υ

16)

Aus Gleichung (6) ergibt sich

E " = E ¹COSF - E 'sinF xx Υ

(7)

Durch Einsetzen der Gleichungen (5) in Gleichung (7) wird erhalten:

^Ex" ⁼ 2"f^cosF (l-sinAiüt) - sinFcosΔωt] sinωt

- sinF (l+sinΔωt) ]cosωt

= P_x" I sin (_Ut +ό)

^cosFcosAü)t - sinF

b ' -t- λ-

cosF (l-sinΔωt) -

E "I = -Wl - sin(Δωt + 2F) (8)

X /2

Ein auf der Ausgangsseite des Faraday-Rotators 16 vorgesehener anderer optischer Analysator 17 ist so ausgebildet, daß er nur die X-Achsen-Komponente E " in Richtung auf die Fotodiode 18 hindurchläßt. Bei Empfang der X-Achsen-Komponente Ε_χ" liefert die Fotodiode 18 ein elektrisches Signal I , das der optischen Intensität tE "I ² proportional ist, die wiedergegeben wird durch

₂

I_x = |Ε_χ"|² = ^-[1 - sin (A_Wt- 2F)] (9)

Wenn die ^lio-Frequenzkomponente des elektrischen Signals Ι_χ durch ein Filter extrahiert wird, wie es später noch beschrieben wird, kann ein elektrisches Signal mit einer Frequenz Λο , das mit dem zweifachen Faraday-Rotationswinkel F in der Phase moduliert ist, erhalten werden. Eine Technik zum Extrahieren einer Frequenzkomponente gleich der Differenz zwischen zwei Lichtfrequenzen u> und oj> +At^> wird im folgenden optische Überlagerungsempfänger-Technik genannt.

Der andere des von der Strahl-Aufspaltvorrichtung 12 zum op tischen Analysator 13 gelieferten Laser-Lichtes wird auch linear polarisiert mit einer X-Achsen- und einer Y-Achsen-Komponente wie E und E_v. Der optische Analysator 13 ist so ausgebildet, daß er ein linear polarisiertes Licht, und zwar in einer Richtung von 45° in Bezug auf die X-Achse polarisiertes Licht, hindurchläßt. Infolgedessen wird der Ausgang des optischen Analysators 13, der mit E _f bezeichnet ist, durch folgende Gleichung ausgedrückt: 10

ref /2^ιχ y

+ sin(u)+Au))t]
15

= %\ (1 + cosΔωt) sinojt + ΞinΔωtcosωt]

= |E |sin(cot

. . sinΔωt
wobei tan₆ =

l^Erefl ⁼ 72^{y/l + CQsAü)t} ⁽¹⁰⁾

Das Licht E _f vom optischen Analysator 13 wird einer Fotodiode 14 zugeführt, welche ein elektrisches Signal I liefert, das der optischen Intensität IE J ² proportional ist.

I _ = |E .I² = Vd + cosAwt) (11)

ref ' ref¹ 2

Durch Extraktion der Frequenzkomponente Ad aus dem elektrischen Signal I kann ein elektrisches Bezugssignal der rei

Frequenz Λ co erhalten werden.

Eine elektronische Schaltung, die einen anderen Teil der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung darstellt, wird nun im einzelnen in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben.

in Fig. 3 sind die Fotodioden 14 und 18 der Fig. 2 erneut dargestellt. Die Fotodiode 14 liefert das elektrische Bezugssignal I _f der Gleichung 11, und es extrahiert ein Filter 19, das mit dem Bezugssignal I ^ gespeist wird, die FrequenzkomponenteAcc . Der Ausgang a des Filters 19 ist eine Sinuswelle ohne Gleichstromkomponente, wie es durch eine Kurve (a) in Fig. 4 gezeigt ist. Der Ausgang a durchsetzt einen Nullpunkt-Detektor 21, sodaß die Wellenform in gewünschter Weise geändert wird. Jedes Mal dann, wenn der Ausgang des Filters 19 von einem negativen Wert zu einem positiven Wert hinaufgeht und einen Nullpunkt passiert, schaltet der Nullpunkt-Detektor 21 einen 3-Stufen-Zähler Die Weiterschaltung des Zählers 23 ändert aufeinanderfolgend den Zustand des Zählers 23 in der Reihenfolge von 1, und 3, wie es durch die Kurve (b) in Fig. 4 gezeigt ist, und wenn der Zustand von 3 auf 1 geändert wird, liefert der Zähler 23 einen Ausgangsimpuls C, wie es durch die Kurve (c) in Fig. 4 gezeigt ist, um die Klemme R einer Flip-Flop-Schaltung 25 und damit auch diese zurückzustellen.

Andererseits wird eine andere Frequenzkomponente Δ co aus dem elektrischen Ausgangssignal I_v extrahiert, das von der Fotodiode 18 geliefert wird, das durch den doppelten Faraday-Rotationswinkel F, wie er in Gleichung (9) definiert ist, in der Phase moduliert ist. Die Frequenzkomponente von Δ co hat eine Sinus-Form, wie es in Kurve (d) in Fig. 4 gezeigt ist. Jedes Mal wenn ein anderer Nullpunkt-Detektor einen Nullpunkt feststellt, durch den die Sinuswelle, die durch die Kurve (d) in Fig. 4 gezeigt ist, von einem negativen Wert zu einem positiven Wert aufsteigt, schaltet ein Nullpunkt-Detektor 22 einen anderen Dreistufen-Zähler 24.

Die Weiterschaltung des Zählers 24 ändert aufeinanderfolgend den Zustand des Zählers 24 in der Reihenfolge 1, 2 und 3, wie es durch die Kurve (e) in Fig. 4 gezeigt ist, und wenn

Jozo / Jb

der Zustand von 3 zu 1 geändert wird, liefert der Zähler 24 Ausgangsimpulse f , wie sie durch die Kurve (f) in Fig. 4 gezeigt sind. Die Ausgangsimpulse f werden der Einstellklemme S einer Flip-Flop-Schaltung 25 zugeführt. Das Zeit-Intervall, in welchem die Flip-Flop-Schaltung 25 rückgestellt wird, beträgt 3,5Cl" - 2F (rad), während das Zeitintervall, in welchem die Flip-Flop-Schaltung 25 eingestellt wird, 2,5fr + 2F (rad) beträgt, wie es durch die Kurve (g) in Fig. 4 gezeigt ist.

Die Flip-Flop-Schaltung 25 liefert einen Ausgang g, wie er durch die Kurve (g) in Fig. 4 gezeigt ist, der einen Wert von +3,5V besitzt, wenn die Flip-Flop-Schaltung 25 eingestellt ist, und einen Wert von -2,5V besitzt, wenn die Flip-Flop-Schaltung 25 rückgestellt ist. Ein RC-Tiefpaß 26 nimmt den Ausgang g der Flip-Flop-Schaltung 25 auf, und liefert eine mittlere Gleichspannung v, wie sie durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird:

ν= ³·5(2.5π + 2F) - 2.5(3.5π - 2F)

6π

- ^2F /w\
•~ ~ ^(V) (12)

die exakt proportional dem Faraday-Rotationswinkel F ist. Wie sich aus Gleichung (12) ergibt, besitzt die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ein weiteres vorteilhaftes Merkmal in_sofern, als die gemessenen Ergebnisse nicht durch die Änderung der überlagerungs-Frequenz-DifferenzAcJ beeinflußt werden. Da ferner die Gleichstromkomponenten der elektrischen Signale I _f und I durch die Filter 19 und 20 ausgeschaltet werden, sind die gemessenen Ergebnisse nicht durch die Drift in den Betriebseigenschaften der Fotodioden 14 und 18 beeinträchtigt. Die Nullpunkt-Detektoren 21 und 22 stellen Nullpunkte f est^, und zwar unabhängig von den Amplituden der Δ cj -Frequenzkomponenten a und d der elektrischen Signale E ^ und Ι_χ/ und es wird deshalb die Präzision der Messung weder durch die Intensität,des von der Laser-Quelle

11 gelieferten Laser-Lichtes noch durch die Änderung in den Charakteristiken der Fotodioden 14 und 18, die durch Alterung hervorgerufen wird, beeinträchtigt.

Die Ausführung der Erfindung mit einer elektrischen Schaltung, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, besitzt einen Meßbereich von +1.5^- (rad) für den Faraday-Rotationswinkel F. Jedoch kann der Meßbereich gegebenenfalls vergrößert werden, in dem die Anzahl von Stufen in den Zählern 23 und 24 erhöht wird.

Eine andere Ausführung der Erfindung, bei welcher ein Strom I, der durch einen Höchstspannungsleiter 27 fließt, gemessen wird, ist in Fig. 5 dargestellt. In dieser Ausführung sind mehrere Windungen einer optischen Monomode-Faser 30 um den Leiter 27 gewunden, sodaß der durch den Leiter 27 fließende Strom I aus dem Rotationswinkel der Polarisationsebene eines Laser-Lichtes bestimmt wird, welches die optische Faser 30 durchsetzt. Im einzelnen erzeugt in dieser Ausführung eine Zweifrequenz-Laser-Lichtquelle 11 ein Laser-Licht mit einer Komponente, die mit einer Lichtfrequenz Ou schwingt, und eine andere Komponente, die mit einer Lichtfrequenz U) +Δοschwingt, wobei beide Komponenten rechtwinklig zueinander verlaufen. Das von der Quelle 11 gelieferte Laser-Licht wird dann durch eine die Polarisationsebene beibehaltende optische Faser 28 zu einer Strahl-Aufspaltvorrichtung 12 übertragen. In der Strahl-Aufspaltvorrichtung 12 wird das Laser-Licht in zwei Teile aufgespalten, von denen ein Teil durch ein Viertelwellen-Plättchen 15 in die optische Monomode-Faser 30 mit der Faraday-Wirkung übertragen wird, während der andere Teil in einen optischen Analysator 13 geliefert wird. Der Ausgang der optischen Faser 30, dessen Polarisationsebene unter der Wirkung des Faraday-Effektes gedreht worden ist, tritt dann in einen anderen optischen Analysator 17 ein, welcher nur eine vorbestimmte Polarisationskomponente Ε_χΙ1 der Gleichung (8) extrahiert. Die Komponente E " wird dann durch eine andere optische Faser 31 einer Fotodiode 18 zugeleitet, welche die Kompo-

nente E " in ein elektrisches Signal I der Gleichung (9) χ a

umwandelt, das mit der DifferenzfrequenzAcO schwingt. Die optische Faser 31 kann das in der optischen Intensität modulierte Signal (9) korrekt übertragen und zwar unabhängig von seiner Länge, in einem Falle, in welchem der Frequenzbereich höher AcJ ist. Da ferner die Messung nach der vorliegenden Erfindung auf einem Prinzip beruht, das nicht durch den optischen Verlust in der Faser 31 beeinträchtigt wird, können die in der Faser modulierten Daten 2F der Gleichung (9) über eine große Entfernung durch die Faser 31 übertragen werden.

Ein anderer Teil des von der Strahl-Aufspaltvorrichtung gelieferten Laser-Lichtes wird von dem optischen Analysator aufgenommen, welcher nur eine Komponente E _f aufnimmt, deren Amplitude durch die Gleichung (10) angezeigt ist. Der Ausgang des optischen Analysators 13 wird durch eine weitere optische Faser 29 zu einer anderen Fotodiode 14 geliefert, welche den Ausgang in ein elektrisches Signal I _f der Gleichung (11) umwandelt. Die optische Faser 29 kann die Bezugsphasen-Daten korrekt übertragen und zwar unabhängig von der Länge der optischen Fasern 29, wenn der Frequenzbereich höher als ^co· Infolgedessen kann ein gemessener Wert des Stromes I, der durch den Höchstspannungs-Leiter 27 fließt, genau zu einer Station 32 übertragen werden, die von dem Leiter 27 entfernt angeordnet ist, und zwar unabhängig von den Fällen, in denen ein Rauschen durch einen Blitz intensiv ist.

Wenn bisher eine Faraday-Rotation in einer optischen Monomode-Faser 30 über eine große Entfernung zur Station 32 übertragen worden ist, sind die Rotationsdaten F gestört worden, während das Licht übertragen wurde, und es konnten keine korrekten Daten in der Station 32 erhalten werden.

Nach der Erfindung können die Faraday-Rotationsdaten mit hoher Präzision übertragen werden, und zwar unabhängig von dem optischen Verlust und von der Veränderung in dem Polarisationszustand, der durch die lange Übertragungsleitung

1 hervorgerufen wird, sodaß der Strom I, der durch den

Höchstspannungsleiter fließt, genau gemessen werden kann.

Claims

i\ 3 6

PATENTANSPRUCH

Magnetfeld-Meßvorrichtung mit einer Laser-Lichtquelle, mit einem Paraday-Rotator, welcher das Laser-Licht von der Laser-Lichtquelle aufnimmt und einen Ausgang mit Laser-Licht liefert, der mit einer zu messenden Größe moduliert ist, mit einem optischen Analysator, welcher den Lichtausgang vom Faraday-Rotator aufnimmt und eine Komponente des in einer vorbestimmten Richtung polarisierten Lichtausganges extrahiert, und mit einem fotoelektrischen Wandler zur Umwandlung der extrahierten Komponente in ein elektrisches Signal, dadurch g e k e nnz e i c h η e t , daß die Laser-Lichtquelle (11) ein Laser-Licht mit zwei Komponenten mit einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz erzeugt, die in zueinander senkrechten Richtungen polarisiert sind, und daß die Meßvorrichtung zusätzlich eine Lichtstrahl-Aufspaltvorrichtung (12) enthält, welche das Laser-Licht in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufteilt, daß ein erster optischer Analysator (13) vorgesehen ist, welcher aus dem ersten Teil des Laser-Lichtes eine Komponente extrahiert, die in Bezug auf die X- und Y-Achsen unter einem Winkel von 45° polarisiert ist und deren optische Intensität mit einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz moduliert ist und eine Bezugsphase aufweist, daß ein Viertelwellen-Plättchen (15) vorgesehen ist, welches den zweiten Teil des Laser-Lichtes von der Lichtstrahl-Aufspaltvorrichtung (12) aufnimmt und einen Ausgang liefert, dessen Haupt-Achsrichtung unter einem Winkel von 45° in Bezug auf die X- und Y-Achsen eingestellt ist, daß ein Faraday-Rotator (16) vorgesehen ist, welcher den Ausgang des Viertelwellen-Plättchens (15) aufnimmt und einen Ausgang liefert, dessen Polarisationsrichtung um einen Winkel gedreht ist, der einem einwirkenden Magnetfeld entspricht, daß ein zweiter optischer Analysator (17) vorgesehen ist, welcher aus dem Ausgang des Faraday-Rotators eine vorbestimmte

Polarisationskomponente extrahiert, deren optische Intensität mit einer Frequenz gleich der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz moduliert ist und die durch den gedrehten Winkel der Polarisationsrichtung in dem Faraday-Rotator in der Phase moduliert ist, daß ein erster fotoelektrischer Wandler (14) und ein zweiter fotoelektrischer Wandler (18) vorgesehen sind, welche die Ausgänge des ersten optischen Analysators (13) und des zweiten optischen Analysators (17) in erste bzw. zweite elektrische Signale umwandeln, und daß eine Schaltungsanordnung (19 bis 25) vorgesehen ist, welche die Phasendifferenz zwischen dem ersten elektrischen Signal und dem zweiten elektrischen Signal vergleicht, um einen Ausgang zu erzeugen, der dem auf den Faraday-Rotator einwirkenden Magnetfeld direkt proportional ist.