DE3742878A1

DE3742878A1 - Optischer magnetfeldsensor

Info

Publication number: DE3742878A1
Application number: DE19873742878
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Bosselmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-07
Filing date: 1987-12-17
Publication date: 1989-07-06

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Magnetfeldsen sor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effek tes.

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung P 37 26 411.7) ist ein faseroptischer Magnetfeldsensor bei dem die magnetfeldab hängige Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisier ten Lichtstrahls, der sich in einer Lichtleitfaser ausbreitet, gemessen wird. Dieser faseroptische Magnetfeldsensor enthält eine Lichtquelle zur Erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahls, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorge gebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert sowie eine optische Ver zweigungseinrichtung zur Aufteilung des Lichtstrahls in wenig stens einen Meßstrahl und wenigstens einen Referenzstrahl, so daß den Meßstrahlen jeweils ein Referenzstrahl zugeordnet ist. Zur Führung des Meßstrahls ist eine Lichtleitfaser vorgesehen, die zugleich als magnetfeldempfindliche faseroptische Meß strecke dient. Dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl ist jeweils eine Analysatoreinrichtung zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung zu geordnet, wobei für die Analysatoreinrichtung eines Meßstrahls und die Analysatoreinrichtung des Referenzstrahls ein gemein samer Phasendetektor vorgesehen ist. Außerdem sind noch optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen vor gesehen, welche die Lichtleitfaser in zueinander entgegenge setzten Richtungen durchlaufen. Die Verdet-Konstanten von Lichtleitfasern sind jedoch relativ klein, so daß zur Messung schwacher Magnetfelder ein langer Lichtweg erforderlich ist. Bei der Messung von Magnetfeldern mit kreisförmigen Feld linien, wie sie beispielsweise von stromführenden gerad linigen Leitern erzeugt werden, wird deshalb die Lichtleit faser der Meßstrecke zu einer Meßspule aufgewickelt. Diese Vor gehensweise ermöglicht zwar eine weitgehende Miniaturisierung dieses Magnetfeldsensors, ist jedoch nur für die Messung von Magnetfeldern mit kreisförmigen Feldlinien geeignet. Bei homo genen Magnetfeldern ist es erforderlich, die Lichtleitfaser beispielsweise mäanderförmig zu verlegen, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen.

Das dem Gegenstand des Hauptpatents zugrundeliegende Meß prinzip, nämlich die Kombination eines Heterodyn-Empfangs mit einem Meßverfahren, das auf der Grundlage eines reziproken Lichtweges beruht, ist jedoch nicht auf die Verwendung einer Lichtleitfaser als magnetfeldempfindliche optische Meßstrecke beschränkt. Die magnetfeldempfindliche optische Meßstrecke muß nur ein magnetooptisches Bauelement enthalten, das im Magnet feld eine Faraday-Drehung der Polarisationsebene des Meßstrahls hervorruft.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Magnetfeldsensor anzugeben, dessen Gestaltungsmöglichkeiten gegenüber dem Gegenstand des Hauptpatentes erweitert sind.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk malen des Hauptanspruchs. Die Gestaltung der magnetfeldempfind lichen Meßstrecke ist somit nicht mehr auf die Verwendung von Lichtleitfasern beschränkt. Somit können für die magneto- optischen Bauelemente auch optische Materialien verwendet wer den, die eine gegenüber Lichtleitfasern höhere Verdet-Konstante haben und somit einen verkürzten Lichtweg erfordern. Dadurch ist eine weitergehende Miniaturisierung des im Magnetfeld anzu ordnenden sensitiven Teils des Magnetfeldsensors ermöglicht. Die Gestaltung und Auswahl des magneto-optischen Bauteiles richtet sich dabei nach dem jeweiligen Einsatzzweck. Anstelle der Forderung nach einer hohen Verdet-Konstante kann beispiels weise auch die Forderung nach einer möglichst kleinen Tempe raturabhängigkeit im Vordergrund stehen. Als magneto-optische Bauteile sind sowohl Kristalle mit hoher Verdet-Konstante, vorzugsweise Bi₁₂SiO₂₀-Einkristalle und ZnSe-Kristalle, als auch Gläser mit niedrigem Temperaturkoeffizienten, insbeson dere SF6-Flintglas, geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen 5 bis 8, die gegenüber den Ausfüh rungsformen des Hauptpatents derart abgewandelt sind, daß sie nicht auf die Verwendung von Lichtleitfasern als magnetfeld empfindliche optische Meßstrecke beschränkt sind.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur ein optischer Magnetfeld sensor gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

Gemäß Fig. 1 enthält ein optischer Magnetfeldsensor eine Lichtquelle 1, die einen linear polarisierten Lichtstrahl 2 emittiert, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit um die Ausbreitungsrichtung des Licht strahls 2 rotiert. Mit einer optischen Verzweigungseinrichtung 5 wird der Lichtstrahl 2 in einen Meßstrahl 10 und einen Referenzstrahl 12, der einer Analysatoreinrichtung 22 zuge leitet wird, zerlegt. Der Meßstrahl 10 wird in ein magneto- optisches Bauteil 70 eingekoppelt, das als optische magnetfeld empfindliche Meßstrecke dient. Das magneto-optische Bauteil 70 ist in einem Magnetfeld H angeordnet, wobei die Empfindlichkeit am größten ist, wenn die Ausbreitungsrichtung des Meßstrahls 10 parallel zum Magnetfeld H verläuft. Der Meßstrahl 10 wird an der Koppelfläche 73 in das magneto-optische Bauteil 70 ein gekoppelt, durchquert das magneto-optische Bauteil und tritt an der gegenüberliegenden Koppelfläche 74 aus. Der Koppelfläche 74 ist ein Spiegel 9 zugeordnet, an dem der Meßstrahl 10 reflek tiert und ein Meßstrahl 11 erzeugt wird, der das optische Bauteil 70 in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch wird ein nahezu reziproker Lichtweg geschaffen, durch den die intrin sischen zirkularen Doppelbrechungseigenschaften weitgehend kompensiert werden. Dieser reziproke Lichtweg kann auch durch Verspiegelung der Koppelfläche 74 erreicht werden. Mittels einer im Lichtweg zwischen der Verzweigungseinrichtung 5 und dem magneto-optischen Bauteil 70 angeordneten Verzweigungsein richtung 6 wird der Meßstrahl 11 zu einer Analysatoreinrichtung 21 weitergeleitet. Die Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 können auch in einem einzigen Strahlteiler zusammengefaßt sein. In den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 wird mit Analysatoren jeweils eine in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung polarisierte Komponente des Meßstrahls 11 bzw. des Referenzstrahls 12 her ausgefiltert. Mittels in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 enthaltenen Lichtempfängern, beispielsweise Fotodioden, wer den die Intensitäten dieser Komponenten in elektrische Signale umgewandelt. Diesen elektrischen Signalen ist jeweils eine Schwingung aufgeprägt, die z.B. zur Rauschunterdrückung mittels eines ebenfalls in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 je weils enthaltenen Bandpaßfilters ausgefiltert werden kann. Die am Ausgang der Analysatoreinrichtung 21 und 22 anstehenden elektrischen Signale werden einem Phasendetektor 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal proportional zur Phasendifferenz Φ zwischen diesen Signalen ist. Diese Phasendifferenz Φ enthält neben der durch den Faraday-Effekt bedingten Phasenverschiebung Φ _F auch apparativ bedingte konstante Anteile Φ _o und Φ _o′, die beispielsweise durch die Stellung der in den Analysatoreinrich tungen 21 und 22 enthaltenen optischen Analysatoren kompensiert werden können.

Da es sich um kein interferometrisches Verfahren handelt, ist eine hohe zeitliche Kohärenz des Lichtstrahls 2 nicht erfor derlich. Somit kann in der Lichtquelle 1 beispielsweise auch eine LED verwendet werden.

Als magneto-optisches Bauteil 70 sind alle Werkstoffe geeignet, die im Magnetfeld eine Faraday-Rotation der Polarisationsebene des sich in ihnen ausbreitenden Lichts zeigen. Zur Miniaturi sierung des Magnetfeldsensors sind Gläser oder Kristalle mit großer Verdet-Konstante, beispielsweise Bi₁₂SiO₂₀-Einkristalle oder ZnSe-Kristalle geeignet (T. Mitsui, K. Hosoe, H. Usami, S. Miyamoto, "Development of Fiber-Optic Voltage Sensors and Magnetic-Field Sensors", IEEE Trans. on Power Delivery, 1987, Vol. 2, No. 1, Seiten 87-93). Für Anwendungszwecke, bei denen das magneto-optische Bauteil 70 stark schwankenden Umgebungs temperaturen ausgesetzt ist, ist als Werkstoff vorzugsweise SF6-Flintglas vorgesehen (K. Kyuma, S. Tai, M. Nunoshita, T. Takioka, Y. Ida, "Fiber Optic Measuring System for Electric Current by Using a Magnetooptic Sensor", IEEE Journ. of Quantum Electr., 1982, Vol. QE18, No. 10, Seiten 1619-1623).

Ein reziproker Lichtweg kann auch dadurch bewirkt werden, daß der Lichtstrahl mittels optischer Verzweigungseinrichtungen in zwei Teillichtstrahlen verlegt wird. Aus diesen Teillichtstrah len werden vor Eintritt in das magneto-optische Bauteil 70 mittels weiterer Verzweigungseinrichtungen zwei Meßstrahlen er zeugt, die in Analogie zur Ausführungsform gemäß Fig. 3 des Hauptpatents an den gegenüberliegenden Koppelflächen 73 und 74 in das magneto-optische Bauteil 70 eingekoppelt werden.

Dabei sind sowohl zur Führung der Lichtstrahlen als auch zur Strahlteilung insbesondere faseroptische Bauelemente geeignet, da diese einen mechanisch unempfindlicheren Aufbau ermöglichen.

Claims

1. Optischer Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes mit

a) einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines linear polarisier ten Lichtstrahls (2), dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert,
b) einer optischen Verzweigungseinrichtung (5 und 6) zur Auf teilung des Lichtstrahls (2) in wenigstens einen Meßstrahl (10) und wenigstens einen Referenzstrahl (12),
c) den Meßstrahlen (10) ist jeweils ein Referenzstrahl (12) zugeordnet,
d) der Meßstrahl (10) durchquert ein magneto-optisches Bauteil (70),
e) dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl (12) ist jeweils eine Analysatoreinrichtung (21 bzw. 22) zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polari sationsrichtung zugeordnet,
f) der Analysatoreinrichtung (21) eines Meßstrahls und der Analysatoreinrichtung (22) des zugeordneten Referenzstrahls (12) ist ein gemeinsamer Phasendetektor (30) zugeordnet und es sind
g) optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen (10 und 11) vorgesehen, die das magneto-optische Bauteil (70) in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen.

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als magneto-optisches Bau teil (70) ein Bi₁₂SiO₂₀-Einkristall vorgesehen ist.

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als magneto-optisches Bau teil (70) ein ZnSe-Kristall vorgesehen ist.

4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das magneto-optische Bau teil (70) aus einem SF6-Flintglas besteht.

5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß einer Koppel fläche des magneto-optischen Bauteils (70) ein Spiegel (9) zugeordnet ist, der den Meßstrahl (10) in das magneto-optische Bauteil (70) reflektiert.

6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß eine optische Verzweigungseinrichtung vorgesehen ist, die den Lichtstrahl in zwei Teillichtstrahlen zerlegt, denen jeweils weitere Ver zweigungseinrichtungen zugeordnet sind, die Meßstrahlen erzeugen, die an den gegenüberliegenden Koppelflächen (73 und 74) des magneto-optischen Bauteils (70) eingekoppelt werden.

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß als Verzwei gungseinrichtungen (5, 6) bidirektionale optische Faserkoppler vorgesehen sind.

8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß als Licht quelle (1) ein Zeeman-Laser vorgesehen ist.