JPH02502760A - 主及び副光学センサを備えた装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 主及び副光学センサを備えた装置 本発明は変動性物理パラメータを測定するための装置に関しており、該装置は、 少なくと６１つの励起光ビームを生成するのに適した光放射手段と、少なくとも １つの励起ビームを受容し且つその偏光状態が前記物理パラメータの値に依存す る少なくとも１つの対応する修正ビームを生成する、前記物理パラメータの影響 を受ける第１の光学センナと、前記第１のセンナから出た少なくとも１つの修正 ビームを受容し且つ前記パラメータに依存する少なくとも１つの主電気信号を生 成する検出手段とを備えている。

この種の装置は多数の用途で公知であるが、特に交流電圧を測定することにおい て公知である。

測定している物理パラメータとは無関係に、温度のような妨害作用が測定値に影 響を及ぼすことは頻繁に起こり、この妨害は、発見することが重要である程度に 当該パラメータに影響したり、または測定値を劣化し、従って訂正を必要とした りする。

全ての場合において、１つの解決策は、例えば温度の値を表わす追加情報を提供 するのに適した温度センサのような第２のセンサを設置することからなる。

主物理パラメータを測定するようにされた第１のセンサが光学式のものであるな らば、経験的には、やはり光学式のセンサを使用することにより妨害を測定する ことが適当であろう。

しかしながら、この方法は一般に、（特に妨害が温度である場合には）妨害の変 化は極めて低い周波数で発生するが故に、第２のセンサ（例えば光学温度計）に は偏光または位相が変調される光源を備える必要があるが、主物理パラメータを 測定するために使用される第１のセンサは一般に不変調の光源で間に合うので、 装置が複雑すぎて実現できなくなる。

このために、本発明の目的は、変動性パラメータを測定するための主光学センサ と、妨害を測定するための副光学センサとを併用するが、前記副センサのために 特別の光源を備える必要のない装置を提供することである。

このためには、本発明の装置は、変動性物理パラメータを測定することを目的と し、少なくとも１つの励起光ビームを生成するのに適した光放射手段と、少なく とも１つの前記励起ビームを受容し且つその偏光状態が前記物理パラメータの値 に依存する少なくとも１つの対応する修正ビームを生成する、前記物理パラメー タの影響を受ける第１の光学センサと、前記第１のセンサから出る少なくとも１ つの修正ビームを受容し且つ前記パラメータに依存する少なくとも１つの主電気 信号を生成する検出手段とを具備しており、必然的に、２つの修正ビームを入手 可能とするビームセパレータを包含し、更に、妨害に応答し且つこの妨害に変化 があるならば、前記物理パラメータの変化よりも緩慢なこの妨害の変化を受ける 第２の光学センサを包含し、前記第２のセンサが、２つの修正ビームの一方を受 容し且つその偏光状態が前記パラメータ及び妨害の両方に依存する二重修正ビー ムを生成し、前記検出手段が、前記二重修正ビームを検出し且つ前記パラメータ 及び妨害の両方に依存する追加電気信号を生成する追加手段を包含し、更に、該 装置が、前記主信号と前記追加信号との間の差によって妨害を表わす信号を抽出 する処理手段を包含することを特徴とする。

この装置は特に、第１のセンサが温度のような妨害に望ましくない感度を示す場 合に使用可能である。この場合、第１及び第２のセンサは妨害に対して共通の環 境、例えば同じ熱的環境に置かれ、処理手段は、前記物理パラメータを表わす訂 正信号を発信するために、妨害（例えば温度）を表わす信号を少なくとも主信号 または主信号から誘導される信号と結合する手段を包含する。

単純な実施態様においては、第２のセンサは、その複屈折率が妨害に依存する複 屈折プレートを包含することができる。

本発明の装置の１つの用途としては、物理パラメータが振動電圧である場合を考 えることができる。

この場合には、第１のセンサは、細長い形状を有し且つそれぞれ電極によって被 覆された２つの面を端部とし、前記電極の少なくとも一方は光透過性であり、測 定されるべき交流電圧が両電極を直接横断して与えられるビスマス９Ｂｉ４Ｇｅ ＊０＋ｚの結晶を備えていると有利である。

更に、特に妨害に対してより高い免疫性を得るために、結晶軸（０，０，１）が 少なくとも１つの励起ビームの方向と平行となるように、結晶が配向されること が望ましい。

本発明の他の特性及び長所は、非限定的な実施態様及び添付の図面の参照による 以下の説明から明らかとなるであろう。

第１区は本発明の装置の光学部分を示す線図である。

第２図は本発明の装置のための処理回路の線図である。

第１図に示した装置は、交流電圧Ｖのような変動性物理パラメータを測定するこ とを目的とされている。

この装置はまず、光源１ａによって構成される光′放射手段と、ロション偏光器 １ｂと、四分の一波長板ＩＣとを具備している。光源は、偏光の度合が小さい光 を生成するようにされており、その光をロション偏光器が２つの直線偏光ビーム に分割する。四分の一波長板の軸は偏光器１ｂの軸に対して４５°に位置してお り、かかる板を備える必要性は該装置に使用される特定のタイプの光学センサに 依存するように、四分の一波長板は偏光器１ｂによって放出されたビームの直ａ ｍ光状態を円偏光状態に変換する役目のみをする。この場合には、１ａ〜１ｃの 素子セットは、２つの円偏光励起光ビーム２ａ及び２ｂを生成する。

次いでこの装置は、変動性物理パラメータ、即ちその周波数スペクトルがゼロで ない周波数例えば５０Ｈｚの単一スペクトルラインを包含する可変物理量を構成 する交流電圧Ｖの影響を受ける光学センサ３を包含する。

光学センサ３は、例えばゲルマニウム酸ビスマスＢｉ＜Ｇｅ５Ｏ＋　２の結晶の ようなポッケルス効果のある電気光学的結晶によって構成される。この結晶は、 電場が全く印加されていないときには等方性であり、電場が印加されるとその影 響で異方性（−次複屈折）になる、前記構成においては、結晶の光軸は四分の一 波長板１ｃの軸と同じ方向にある。

この結晶は、細長い形状を有し且つそれぞれが透明な電極３ａ及び３ｂによって 被覆された２つの平面を端部としており、測定されるべき交流電圧■はこれらの 電極を直接に横断して与えられる。

電極３ａによって被覆されている光学センサ３の面は励起ビーム２ａ及び２ｂを 受容し、励起ビーム２ａ及び２ｂは該センナを通過し、ｔｆ！３ｂによって被覆 されている面を通って、その偏光状態が常に電圧Ｖの瞬時値に依存する対応する 修正ビーム４ａ及び４ｂの形態で該センサから出る。

更にこの装置は、つオラストンアナライザ５ａと２つの光受容素子５例えば２つ の光ダイオード５ｂ及び５ｃとによって構成される主検出手段を包含するのが好 ましい。

アナライザ５ａは、その光軸が電圧がかけられた結晶の天然軸と同じ方向になる ように配向される。このアナライザは、修正ビーム４ａの直交成分を分割しく便 宜上、本明細書では主ビームと記す）、その各々の強度はダイオード５ｂ及び５ ｃによって検出され、ダイオード５ｂ及び５ｃはその像を対応する電気信号１ｂ 及びＩｃの形態で提供する６便宜的にこれらの信号をまとめて「主信号」を構成 するとして記すが、これらの信号の各々は主信号の成分の１つを構成する。

偏光器１ｂはビームスプリッタとして作用し、２つの励起ビーム２Ｂ及び２ｂを 与え、センサ３は、測定されるべきパラメータの影響を直接に受けるゲルマニウ ム酸ビスマスの結晶であることを除き、前記装置°は、交流電圧Ｖのような電圧 を測定するための既に公知のタイプの通常の偏光測定装置である。

しかしながら１例えば激しい温度変化を免れ得ない環境においてかかる装置を使 用すると、理想的には電圧Ｖを表わすべきである主修正ビーム４ａの偏光状態が 温度とともに変化するような、センサ、即ちこの場合にはゲルマニウム化ビスマ スの結晶の怒度が温度に依存する問題が生じる。

この現象を考慮に入れ、しかもその影響を訂正するために、本発明は、温度に敏 感であり且つ「第２のビームｊと称されるもう一方の修正ビーム４ｂの経路上に 置かれる第２の光学センサ６を提供する。これによって、その偏光状態が電圧Ｖ 及び第２の光学センサの温度の両方に依存する二重修正ビーム４ｃが生成される 。

例えば石英プレートのような複屈折プレートによって構成される第２の光学セン サは、ビーム４ｂの偏光状態を温度に依存して修正するので、ビーム４ａ及び４ ｃの偏光状態は必然的に温度に別様に依存する。もし第２のセンサがある温度ま たは所与の範囲の温度に対して非作動状態のままであるならば、ビーム４ａ及び ４ｃは、前記温度または前記範囲の温度に対しては同じ偏光状態を有する。

その二重依存の故に、ビーム４ｃは、この場合には電圧Ｖである測定されるべき パラメータの値の関数として変調される。即ち、本発明は、測定されるべき物理 パラメータの影響を受けるセンサ３を光変調器として使用し、それによって第１ に、唯一の光源１ａのみを使用することを可能とし、第２に、追加変調器を備え ることを無意味とする。第２の光学センサ６が測定されるべき物理パラメータの 変化よりも緩慢な変化を受ける場合に制限される装置にはその有効性に潜在的な 欠点がある。しかしながら、この条件は、測定されるべきパラメータが５０Ｈｚ の交流電圧である場合には優に達せられる。

当業者には容易に理解されるように、ビームセパレータは、ロション偏光器に代 えて、修正ビーム４ａの経路上に設置され且つ第２のビーム４ｂを生じるのに適 した半透明プレートによって構成することができる。

アナライザ５ａとダイオード５ｂ及び５ｃとに加え、検出手段は、二重修正ビー ム４ｃがアナライザ５ａを通過した後に二重修正ビーム４ｃを検出し、且つ測定 された物理パラメータ及び温度の両方に依存する追加電気信号１ｄを生成する役 目をする追加ダイオード５ｄを包含する。

更にこの装置は処理手段を包含する。この処理手段の１つの可能な実施態様を第 ２図を参照して説明する。かかる手段は、第２の光学センサの温度を表わす信号 を抽出するために、追加信号１ｄと主信号１ｂ及び／またはＩｃとの差に応答す る。

この方法は、ポッケルス効果センサの場合に全くそうであるように、第１のセン サ３が温度に対して望ましくない感度を有する場合にはかなり有利である。

第１及び第２のセンサが共通の温度環境に置かれている曝りは、温度の干渉作用 に対する訂正を含む測定されるべきパラメータの信号を得るために、温度を表わ す信号を少なくとも主信号または主信号から誘導される信号と結合することが可 能となる。

即ち本発明は、精度の高いポッケルス効果電圧センサを提供できる。

かかる装置において、ゲルマニウム酸ビスマスの結晶は温度依存性であるが、ゲ ルマニウム酸ビスマスの結晶によって構成されることが有利であるセンサ３は、 その結晶軸（０，０，１）が少なくとも１つの励起ビーム、例えばビーム４ａの 方向と平行であるように配向されることが好ましい、この配置は特に、外部的な 電気妨害には無関係に電圧Ｖに対してのみ感度を示し、且つその感度が使用され た結晶の形状には無関係であるセンサを得るのに役立つ。

第２図は、本発明の教示に従って温度補償されるゲルマニウム酸ビスマス結晶を 使用するポッケルス効果交流電圧センサのための処理回路の線図である。

この処理回路は、それぞれ光検出器５ｂ、５ｃ及び５ｄによって生成される主信 号の第１の成分１ｂ、第２の成分１ｃ及び追加信号１ｄとを受信する。

これらの信号の値は、式： ％式％） によって与えられる。

上記式において、Ｉｏは光源１ａの強度に関係する大きさであり、Ｋ及びａは２ つの比例定数であって、Ｋは第１の光学センサ３に依存し且つ８は第２のセンサ ６に依存しており、■は測定されるべき交　　瞬時値であり、Ｔはセンサ３及び ６と、センサ６によって生成される移相が４５°である温度との温度差である。

該装置の通常操作条件を表わす平均温度は、Ｔがゼロである温度を選択するのが 好ましい。

信号１ｂ及びＴａは、第１の増幅器７ａがこれらの和Ｔｏを表わす信号を生成し 、且つ第２の増幅器７ｂがこれらの差１ｏ−ｓｉｎ（２・に・Ｖ）を表わす信号 を生成するように接続された２つの増幅器に与えられる。

上記和及び差の信号は関数発生器８に送信され、関数発生器８は、差信号を和信 号で除算した比のアークサインの半分を表わす出力信号、即ちに−Ｖを生成する 。

追加信号１ｄはゼロ交差検出器９に与えられ、ゼロ交差検出器９は、追加信号Ｉ ｄにおいてゼロ交差が発生するごとに、和Ｋ・Ｖ−１−ａ４は、Ｉｄにおけるゼ ロ交差においてはゼロであるので、鴎≦こに雀烏路１０内に記憶された信号は− ａ４と表わされる。

！耐藝ａ￥Ｊ回路１０によって出力され且つ低域フィルタ１１によってろ波され た信号−ａ４は、四象限アナログ乗算器１２の一方の入力に与えられる。アナロ グ乗算器１２のもう一方の入力は、関数発生器８から信号に−Ｖを受信するよう に接続されている。

乗算器１２からの出力信号−１４４−Ｖは、増幅器１３の利得２によって増幅さ れ、同時にこの増幅器内で関数発生器８からの出力信号に加えられるので、増幅 器１３からの出力信号は大きさに−Ｖ　−ｙ−ａ４−に−Ｖトａｈ　サｔＬ　ル 。

結果として、この出力信号は、以下の作用から得られる訂正を含む信号に−Ｖの 温度訂正形を構成する。

センサ３の感度の温度変化は全体としてバフラメータにの変化として表され得、 パラメータには、一定値に０を維持するのではなくで、値Ｋ　”　Ｋ　ｏ・（ｔ ＋ｂ−Ｔ）（式中、ｂはセンサ３を製造する材料に依存する既知または容易に測 定可能な定数である）をとる。

利得９は、ｇ−ｂ／ｈとなるように選択され、結果として、Ｋ−ｖ−ｙ・ａ４４ −Ｖで表わされる増幅器１３からの出力信号は、Ｋｏ・Ｖ・（１−ｂ”・７２） と表わされる。ｂ２・Ｔ２の大きさは非常に小さいので、従って増幅器１３から の出力信号は、Ｔに対応する温度を無視して、Ｋｏ・Ｖで表されると考えてよい 。

Ａ「 国際調査報告 国際調査報告

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. １．変動性物理パラメータを測定するための装置であって、少なくとも１つの励 起光ビームを生成するのに適した光放射手段と、少なくとも１つの励起ビームを 受容し且つその偏光状態が前記物理パラメータの値に依存する少なくとも１つの 対応する修正ビームを生成する、前記物理パラメータの影響を受ける第１の光学 センサと、前記第１のセンサから出る少なくとも１つの修正ビームを受容し且つ 前記パラメータに依存する少なくとも１つの主電気信号を生成する検出手段とを 備えており、２つの修正ビームを入手可能とするビームセパレータを包含し、更 に、妨害に応答し且つ前記妨害に変化があれば、前記物理パラメータの変化より も緩慢な前記妨害の変化を受ける第２の光学センサを包含しており、前記第２の センサが、２つの修正ビームの一方を受容し且つその偏光状態が前記パラメータ 及び妨害の両方に依存する二重修正ビームを生成し、前記検出手段が、前記二重 修正ビームを検出し且つ前記パラメータ及び妨害の両方に依存する追加電気信号 を生成する追加手段を包含しており、該装置が更に、前記主信号と前記追加信号 との間の差によって妨害を表わす信号を抽出する処理手段を包含することを特徴 とする装置。
2. ２．前記第１のセンサが前記妨害に対して望ましくない感度を示し、前記第１及 び第２のセンサが、前記妨害に対して同じ環境に置かれており、前記処理手段が 、前記バラメータを表わす訂正信号を発信するために、前記妨害を表わす信号を 少なくとも主信号または主信号から誘導される信号と結合する手段を包含するこ とを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ３．前記妨害が温度であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. ４．前記第２のセンサが、その複屈折率が妨害に依存する複屈折プレートからな ることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. ５．前記物理パラメータが交流電圧であることを特徴とする請求項１から４のい ずれか一項に記載の装置。
6. ６．前記第１のセンサがゲルマニウム酸ビスマスＢｉ４Ｃｅ３Ｏ１２の結晶を備 えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. ７．前記第１のセンサが、細長い形状を有し且つそれぞれ電極によって被覆され た２つの平面を端部とし、前記電極の少なくとも一方が光透過性であり、 前記測定されるべき 交流電圧前記電極を直接横断して与えられることを特徴とする請求項５または６ に記載の装置。
8. ８．前記結晶が、該結晶の軸（０，０，１）が少なくとも１つの前記励起ビーム の方向と平行となるように配向されることを特徴とする請求項７に記載の装置。