RU2032181C1 - Fiber-optic electric-field strength and voltage meter - Google Patents
Fiber-optic electric-field strength and voltage meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2032181C1 RU2032181C1 SU4937159A RU2032181C1 RU 2032181 C1 RU2032181 C1 RU 2032181C1 SU 4937159 A SU4937159 A SU 4937159A RU 2032181 C1 RU2032181 C1 RU 2032181C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodetector
- fiber
- sensor
- optical axis
- optically coupled
- Prior art date
Links
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение касается создания приборов для измерения напряженности электрического поля и напряжения. The invention relates to the creation of devices for measuring electric field strength and voltage.
Известно волоконно-оптическое устройство [1], состоящее из источника излучения и фотоприемника, оптически связанных с датчиком из электрического материала в виде планарного световода на основе, например, Ti : LiNbO3 с нанесенными на его поверхность электродами. Ориентация электрооптического материала такова, что при подаче на электроды напряжения уменьшается показатель преломления области световода, расположенной между электродами. Падающий на эту область луч претерпевает полное внутреннее отражение. Изменение интенсивности света регистрируется фотоприемником.A fiber-optic device [1] is known, consisting of a radiation source and a photodetector, optically coupled to a sensor of electrical material in the form of a planar fiber based on, for example, Ti: LiNbO 3 with electrodes deposited on its surface. The orientation of the electro-optical material is such that when a voltage is applied to the electrodes, the refractive index of the fiber region located between the electrodes decreases. A ray incident on this area undergoes total internal reflection. The change in light intensity is recorded by a photodetector.
Известно волоконно-оптическое устройство на основе электрооптического эффекта Поккельса, содержащее излучатель и фотоприемник, оптически связанные посредством волоконных световодов с датчиком, состоящим из поляризатора, чувствительного элемента и анализатора. Линейно поляризованный свет после поляризатора падает на электрооптический кристалл, в котором пропорционально величине приложенного электрического напряжения возникает поворот плоскости поляризации, в результате после анализатора свет оказывается амплитудно модулированным пропорционально приложенному к кристаллу напряжению, а фотоприемник регистрирует изменение интенсивности света. A fiber-optic device based on the electro-optical Pockels effect is known, comprising an emitter and a photodetector optically coupled by means of fiber optical fibers to a sensor consisting of a polarizer, a sensing element and an analyzer. Linearly polarized light after the polarizer falls on an electro-optical crystal in which a rotation of the plane of polarization occurs proportionally to the applied voltage, as a result, after the analyzer the light turns out to be amplitude-modulated in proportion to the voltage applied to the crystal, and the photodetector detects a change in light intensity.
Перечисленные аналоги имеют наиболее удобную структуру, представляющую собой излучатель, с выхода которого излучение подводится по передающему волоконному световоду к датчику, включающему модулирующий элемент и с выхода которого по приемному волоконному световоду промодулированное излучение поступает на фотоприемник. The listed analogues have the most convenient structure, which is an emitter, from the output of which the radiation is supplied through a transmitting fiber to a sensor that includes a modulating element and from the output of which the modulated radiation is transmitted to a photodetector through a receiving fiber.
Недостатками таких устройств являются наличие модовой и хроматической дисперсии в тракте передачи, трудности согласования передающего и приемного световодов с модулирующим элементом, наличие ярко выраженной зависимости модуляционных характеристик от температуры. The disadvantages of such devices are the presence of mode and chromatic dispersion in the transmission path, the difficulties of matching the transmitting and receiving optical fibers with a modulating element, the presence of a pronounced temperature dependence of the modulation characteristics.
Известно устройство для измерения напряженности электрического поля и напряжения [2] , выбранное в качестве прототипа, которое содержит источник монохроматического света, модулирующий элемент, выполненный из электрооптического монокристалла с сформированной на нем регулярной доменной структурой, на противоположные грани модулирующего элемента нанесены плоские электроды, после модулирующего элемента размещена диафрагма, центр которой совпадает с осью светового пучка. Через диафрагму проходит только первый дифракционный максимум. Интенсивность света, прошедшего через диафрагму, регистрируется фотоприемником. A device is known for measuring electric field strength and voltage [2], selected as a prototype, which contains a monochromatic light source, a modulating element made of an electro-optical single crystal with a regular domain structure formed on it, flat electrodes are applied to opposite faces of the modulating element, after the modulating element placed diaphragm, the center of which coincides with the axis of the light beam. Only the first diffraction maximum passes through the diaphragm. The intensity of the light transmitted through the diaphragm is detected by a photodetector.
Недостатками такого устройства являются низкая чувствительность, определяемая длиной пути луча в кристалле модулирующего элемента, недостаточная достоверность измерения, определяемая характеристиками среды распространения светового излучения от передатчика до приемника, непригодность прототипа для измерений при значительном удалении модулирующего элемента от источника и приемника излучения. The disadvantages of this device are low sensitivity, determined by the path length of the beam in the crystal of the modulating element, insufficient measurement reliability, determined by the characteristics of the propagation medium of light radiation from the transmitter to the receiver, the unsuitability of the prototype for measurements with a significant distance of the modulating element from the radiation source and receiver.
Целью изобретения является повышение достоверности измерений за счет введения дополнительного измерительного канала, отличающегося от основного длиной λ волны оптической несущей, повышение чувствительности измерительного датчика и увеличение полосы пропускания измерителя. The aim of the invention is to increase the reliability of measurements by introducing an additional measuring channel that differs from the main wavelength λ of the optical carrier, increasing the sensitivity of the measuring sensor and increasing the bandwidth of the meter.
Это достигается тем, что волоконно-оптический измеритель содержит источник излучения и фотоприемник, между которыми расположен датчик с модулирующим элементом, выполненным из электрооптического монокристалла, в котором сформирована регулярная доменная структура, на две противоположные грани которого, перпендикулярные осям доменов, нанесены плоские электроды, установленные между четырех диафрагм. This is achieved by the fact that the fiber-optic meter contains a radiation source and a photodetector, between which there is a sensor with a modulating element made of an electro-optical single crystal in which a regular domain structure is formed, on the two opposite faces of which are perpendicular to the axes of the domains, flat electrodes mounted between four diaphragms.
Использование двухволнового излучателя с длинами волн λ1 и λ2 , фотоприемника, пространственно разделяющего световые потоки с длинами волн λ1 и λ2 посредством голографической дифракционной решетки, сформированной в стеклянном блоке, на два фотодиода p-i-n-типа, сформированных в этом же блоке и электрически соединенных с блоком обработки сигналов, датчика, в котором перед модулирующим элементом установлено интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча и γ -объединитель, позволяет повысить достоверность измерений. Применение в датчике двух треугольных призм для увеличения пути света в модулирующем элементе обеспечивает повышение чувствительности датчика. Передача излучения к датчику по волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления, применение в датчике микрообъектива и градиентных стержневых линз для фокусировки и формирования световых пучков и вывод промодулированного излучения от датчика по волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления позволяют увеличить широкополосность измерителя.Using a two-wave emitter with wavelengths λ 1 and λ 2 , a photodetector spatially separating light fluxes with wavelengths λ 1 and λ 2 by means of a holographic diffraction grating formed in a glass block, into two pin-type photodiodes formed in the same block and electrically connected to the signal processing unit, a sensor, in which an interference device for separating channels into two identical measuring arms and a γ-coupler is installed in front of the modulating element, which improves reliability spine measurements. The use of two triangular prisms in the sensor to increase the path of light in the modulating element provides an increase in the sensitivity of the sensor. The transmission of radiation to the sensor through a fiber with a gradient profile of the refractive index, the use of a micro lens and gradient rod lenses in the sensor for focusing and the formation of light beams, and the output of the modulated radiation from the sensor through a fiber with a gradient profile of the refractive index can increase the broadband of the meter.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый измеритель отличается тем, что источник излучения выполнен двухволновым с длинами волн λ1 и λ2 , подводимых по передающему волоконному световоду с градиентным профилем показателя преломления к датчику, на входе которого закреплен микрообъектив с градиентными стержневыми линзами, формирующий световой поток, выходящий из световода на интерференционное устройство разделения каналов на два идентичных измерительных плеча датчика, причем световой поток в первом измерительном плече датчика попадает на градиентную стержневую линзу, расположенную на оптической оси микрообъектива, и формируется ею в виде параллельного пучка, который дифрагирует на расположенном вблизи выходного торца градиентной стержневой линзы модулирующем элементе, за которым на оптической оси микрообъектива расположены первая диафрагма, градиентная стержневая линза и треугольная призма, возвращающая световой поток через градиентную стержневую линзу, расположенную между призмой и модулирующим элементом, на модулирующий элемент, где происходит повторная дифракция, после которой световой поток попадает на волоконно-оптический γ-объединитель через расположенные между ним и модулирующим элементом вторую диафрагму и градиентную стержневую линзу, после чего вводится γ -объединителем вместе со световым потоком, имеющим длину волны λ2 и прошедшим по второму измерительному плечу в приемный световод, идентичный передающему. Причем на выходе приемного световода установлен фотоприемник, пространственно разделяющий световые потоки с длинами волн λ1 и λ2 посредством голографической дифракционной решетки, сформированной в стеклянном блоке, на два фотодиода p-i-n-типа, сформированных в этом же блоке и электрически соединенных с блоком обработки сигналов. Таким образом, предлагаемый измеритель соответствует критерию "новизна" и "существенные отличия". На чертеже представлена конструкция предлагаемого измерителя.Comparative analysis with the prototype shows that the proposed meter is characterized in that the radiation source is made of a two-wavelength wavelength λ 1 and λ 2 supplied through a transmitting optical fiber with a gradient profile of the refractive index to the sensor, at the input of which a micro lens with gradient rod lenses is fixed, forming the luminous flux emerging from the fiber to the interference device for separating the channels into two identical measuring arms of the sensor, the luminous flux in the first meter The sensor arm hits the gradient rod lens located on the optical axis of the micro-lens and is formed by it in the form of a parallel beam, which diffracts on the modulating element located near the output end of the gradient rod lens, behind which the first diaphragm, the gradient rod lens, and a triangular prism that returns the light flux through a gradient rod lens located between the prism and the modulating element to the modulating element, where repeated diffraction occurs, after which the light flux enters the fiber-optic γ-combiner through the second diaphragm and the gradient rod lens located between it and the modulating element, after which the γ-combiner is introduced together with the light flux having a wavelength of λ 2 and passed through the second measuring arm into a receiving fiber identical to the transmitting one. Moreover, a photodetector is installed at the output of the receiving fiber, which spatially separates light fluxes with wavelengths λ 1 and λ 2 by means of a holographic diffraction grating formed in a glass block into two pin-type photodiodes formed in the same block and electrically connected to the signal processing block. Thus, the proposed meter meets the criteria of "novelty" and "significant differences". The drawing shows the design of the proposed meter.
Волоконно-оптический измеритель состоит из двухволнового излучателя 1 с длинами волн, например λ1 = 0,85 мкм и λ2 = 1,3 мкм, выполненным, например, на основе полупроводниковых излучателей ИЛПН-204 и ИЛПН-206, передающего волоконного световода 2 с градиентным профилем показателя преломления, например, ОВМГ-01-1, датчика 3, содержащего микрообъектив 4, выполненный на основе градиентных стержневых линз типа "Селфок", на оптической оси которого размещено интерференционное устройство разделения каналов, сформированное в стеклянном блоке из стекла типа К8, на одну грань которого, расположенную под углом 45о к оптической оси микрообъектива, оптимального для работы многослойного интерференционного фильтра, отклоняющего световой поток с длиной волны λ2 на 90о для обеспечения минимума вносимых потерь в проходящий световой поток и минимума переходных помех между оптическими каналами, нанесен интерференционный фильтр 5, выполненный, например, 18-слойным, а на другую нанесено зеркало 22. При этом угол между интерференционным фильтром и зеркалом составляет 90о для обеспечения параллельности световых потоков с длинами волн λ1 и λ2, поступающих на модулирующий элемент, поэтому угол среза этой грани 45о + 90о = =135о к оптической оси микрообъектива. Измеритель также содержит восемь стержневых градиентных линз 6-13 типа "Селфок", модулирующий элемент 14 на основе электрооптического монокристалла, например, LiNbO3, в котором сформирована регулярная доменная структура и на противоположные грани которого, перпендикулярные осям доменов, нанесены плоские электроды 15, выполненные, например, из серебра, четыре диафрагмы 16-19, две треугольные призмы 20, 21, выполненные, например, из стекла К8, γ -объединитель 23, выполненный, например, сплавным из двух световодов, приемного волоконного световода 24, аналогичного передающему, фотоприемник 25, выполненный в виде стеклянного блока, например, из стекла К8, на одной из граней которого сформирована голографическая дифракционная решетка, а на противоположной грани - два фотодиода p-i-n-типа, электрически соединенные с блоком 26 обработки сигналов, который включает, например, однокаскадный усилитель с истоковым повторителем в качестве согласующего устройства и персональный компьютер типа IBM PC для обработки полученных от датчика сигналов программными методами.The fiber-optic meter consists of a two-wave emitter 1 with wavelengths, for example, λ 1 = 0.85 μm and λ 2 = 1.3 μm, made, for example, on the basis of semiconductor emitters ILPN-204 and ILPN-206, transmitting fiber optical fiber 2 with a gradient profile of the refractive index, for example, ОВМГ-01-1, of a sensor 3 containing a micro lens 4, made on the basis of self-focus gradient rod lenses, on whose optical axis there is an interference channel separation device formed in a glass block made of K8 glass , on one face of which, disposed at an angle of 45 ° to the optic microlens axis, optimal for a multilayer interference filter, diverting the light flux with the wavelength λ 2 at 90 to provide a minimum insertion loss in the passing luminous flux and low crosstalk between the optical channels, an interference filter 5 is applied, made, for example, 18-layer, and a mirror 22 is applied to the other. Moreover, the angle between the interference filter and the mirror is 90 ° to ensure parallel light s fluxes with wavelengths λ 1 and λ 2 entering the modulating element, and hence the angle of cut of this face 45 about + 90 = 135 to the optical axis of the microlens. The meter also contains eight Self-type rod-shaped gradient lenses 6-13, a modulating element 14 based on an electro-optical single crystal, for example, LiNbO 3 , in which a regular domain structure is formed and on the opposite faces of which are perpendicular to the axes of the domains, flat electrodes 15 are made, made , for example, from silver, four diaphragms 16-19, two triangular prisms 20, 21, made, for example, from K8 glass, a γ-coupler 23, made, for example, alloyed from two optical fibers, a receiving optical fiber 24, anal to the transmitter, the photodetector 25, made in the form of a glass block, for example, of K8 glass, on one side of which a holographic diffraction grating is formed, and on the opposite side are two pin-type photodiodes electrically connected to the signal processing unit 26, which includes, for example, a single-stage amplifier with a source follower as a matching device and a personal computer such as IBM PC for processing software-received signals from the sensor.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
Генерируемый излучателем 1 свет с длинами волн λ1 и λ2 вводится в передающий волоконный световод 2, по которому передается к датчику 3, где поступает на микрообъектив 4, формирующий параллельный пучок, падающий на интерференционный фильтр 5, установленный под углом 45о к оптической оси микрообъектива 4, где излучение с длиной волны λ1 поступает на первое измерительное плечо, а излучение с длиной волны λ2 , отражаясь от зеркала 22, поступает на второе измерительное плечо датчика, идентичное первому. При этом в первом измерительном плече излучение поступает на градиентную стержневую линзу 6, которая фокусирует световой пучок на модулирующем элементе 14. Под действием электрического напряжения, приложенного к электродам 15, происходит изменение показателя преломления Δ n в электрооптическом материале модулирующего элемента. Так как оси соседних доменов направлены навстречу одна другой, то изменения показателя преломления в соседних доменах имеют разные знаки. В результате модулирующий элемент представляет для проходящего через него света дифракционную решетку с периодом, равным периоду доменной структуры, и амплитудой изменения показателя преломления соседних доменов 2 Δ n. Причем интенсивность первого дифракционного максимума пропорциональна квадрату функции Бесселя нулевого порядка
Yо 2(Г), где Г = 2 πΔ nl/ λ ;
λ - длина волны света;
l - длина пути света в кристалле;
Δ n - изменение показателя преломления кристалла под действием приложенного напряжения.The generated transmitter 1 light having wavelengths λ 1 and λ 2 is injected into a transmitting optical fiber 2, through which is transmitted to the sensor 3, which enters the microlens 4 that forms a parallel beam incident on the interference filter 5 mounted at an angle of 45 ° to the optical axis a micro-lens 4, where radiation with a wavelength of λ 1 enters the first measuring arm, and radiation with a wavelength of λ 2 , reflected from the mirror 22, enters the second measuring arm of the sensor, identical to the first. In this case, in the first measuring arm, the radiation enters the gradient rod lens 6, which focuses the light beam on the modulating element 14. Under the action of an electric voltage applied to the electrodes 15, the refractive index Δ n in the electro-optical material of the modulating element changes. Since the axes of neighboring domains are directed towards one another, the changes in the refractive index in neighboring domains have different signs. As a result, the modulating element represents a diffraction grating for the light passing through it with a period equal to the period of the domain structure and the amplitude of the change in the refractive index of neighboring domains 2 Δ n. Moreover, the intensity of the first diffraction maximum is proportional to the square of the zero-order Bessel function
Y o 2 (G), where G = 2 πΔ nl / λ;
λ is the wavelength of light;
l is the path length of light in the crystal;
Δ n is the change in the refractive index of the crystal under the action of the applied voltage.
Диафрагма 16 пропускает только ту часть излучения, которая попадает в первый дифракционный максимум, градиентная стержневая линза 7 формирует световой поток, возвращаемый призмой 20 через градиентную стержневую линзу 8, формирующую параллельный пучок на модулирующий элемент 14, где происходит повторная дифракция, первый максимум которой пропускается диафрагмой 17 и вводится градиентной стержневой линзой 9 в γ -объединитель 23, который объединяет световые потоки с длинами волн λ1 и λ2, прошедшие по двум идентичным плечам измерителя, и вводит их в приемный волоконный световой 24, по которому излучение подводится к фотоприемнику 25, где происходит пространственное разделение потоков с разными длинами волн λ1 и λ2 на два фотодиода. При этом сигналы с фотодиодов поступают на блок обработки сигналов 26, где преобразуются в удобную для снятия информации форму с последующей их обработкой на персональном компьютере IBM PC программными методами.The diaphragm 16 transmits only that part of the radiation that falls into the first diffraction maximum, the gradient rod lens 7 forms the luminous flux returned by the prism 20 through the gradient rod lens 8, forming a parallel beam to the modulating element 14, where re diffraction occurs, the first maximum of which is transmitted by the diaphragm 17 and input rod lens of gradient γ -obedinitel 9 to 23, which combines light fluxes with wavelengths λ 1 and λ 2, for the past two identical shoulders meter and enters h light receiving fiber 24, through which radiation is applied to the photodetector 25, where there is a spatial separation of streams of different wavelengths λ 1 and λ 2 for two photodiodes. In this case, the signals from the photodiodes are fed to the signal processing unit 26, where they are converted into a form convenient for taking information, followed by their processing on an IBM PC personal computer using software methods.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4937159 RU2032181C1 (en) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | Fiber-optic electric-field strength and voltage meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4937159 RU2032181C1 (en) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | Fiber-optic electric-field strength and voltage meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2032181C1 true RU2032181C1 (en) | 1995-03-27 |
Family
ID=21575005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4937159 RU2032181C1 (en) | 1991-02-05 | 1991-02-05 | Fiber-optic electric-field strength and voltage meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2032181C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
| RU2677126C2 (en) * | 2014-02-21 | 2019-01-15 | Абб Швайц Аг | Interferometric sensor |
| RU2724099C1 (en) * | 2019-07-19 | 2020-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные системы" | Fibre-optic sensor of electric field intensity |
-
1991
- 1991-02-05 RU SU4937159 patent/RU2032181C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Красюк В.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г. и др. Световодные датчики, М.: Машиностроение, 1990, с.154-157. * |
| 2. Авторское свидетельство СССР N 1327014, кл.G 01R 13/40, 1985. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2539114C1 (en) * | 2013-07-23 | 2015-01-10 | Открытое акционерное общество "Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы" | Fibre-optic voltage meter |
| RU2677126C2 (en) * | 2014-02-21 | 2019-01-15 | Абб Швайц Аг | Interferometric sensor |
| US10725073B2 (en) | 2014-02-21 | 2020-07-28 | Abb Power Grids Switzerland Ag | Interferometric sensor |
| RU2724099C1 (en) * | 2019-07-19 | 2020-06-22 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные системы" | Fibre-optic sensor of electric field intensity |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5475489A (en) | Determination of induced change of polarization state of light | |
| CN101009519B (en) | A monitoring instrument for diffraction grating light signal with dual channel structure | |
| US7176671B2 (en) | Current measuring device | |
| US6362615B1 (en) | Electro-optic voltage sensor for sensing voltage in an E-field | |
| EP0175358A2 (en) | Optical sensing equipment | |
| US4444503A (en) | Ring interferometer with a mode diaphragm | |
| RU2032181C1 (en) | Fiber-optic electric-field strength and voltage meter | |
| US5589931A (en) | System to determine environmental pressure and birefringent-biased cladded optical sensor for use therein | |
| WO1996030734A1 (en) | Integrated birefringent-biased pressure and temperature sensor system | |
| RU2762530C1 (en) | Interferometric fiber-optic gyroscope | |
| CN108168687A (en) | A kind of polarization interference formula defence area type all -fiber vibrating sensor | |
| CA1153578A (en) | Device for birefringence measurements using three selected sheets of scattered light (isodyne selector, isodyne collector, isodyne collimator) | |
| JPS5960699A (en) | Optical sensor | |
| CN100380099C (en) | Optical fiber sensor | |
| RU2334965C2 (en) | Fibre-optical measuring system (versions) | |
| JPH0953999A (en) | Optical external force detector | |
| JPS6252808B2 (en) | ||
| SU1404956A1 (en) | Device for measuring instensity of variable electric fields | |
| JP2507790B2 (en) | Semiconductor laser FM modulation characteristic measuring device | |
| JPS6235657B2 (en) | ||
| JPS5862799A (en) | Light-applied measuring apparatus | |
| JP2023012760A (en) | electric field sensor | |
| SU1737387A1 (en) | Light guide optic attenuation meter | |
| JPS61118633A (en) | Optical fiber sensor | |
| JPS6135940Y2 (en) |