Бесконтактный термостабильный датчик напряженности постоянных и переменных электрических полей на основе электрооптического эффекта в кристалле bi12sio20 (bso)

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам детектирования и измерения напряженности электрического поля. Устройство состоит из источника света видимого диапазона, поляризатора, электрооптического кристалла группы силленитов Bi₁₂ SiO₂₀ определенной длины, анализатора и фотоприемника. Детектирование и измерение напряженности электрического поля осуществляется за счет измерения при помощи анализатора и фотоприемника изменения за счет продольного или поперечного электрооптического эффекта поляризации света, проходящего через кристалл.

Область техники:

Полезная модель относится к устройствам детектирования и измерения напряженности как постоянных, так и переменных электрических полей.

Уровень техники:

Имеющиеся датчики напряженности высоких электрических полей, применяющиеся в электроэнергетике, обладают рядом существенных недостатков. Это, как правило, дорогостоящие и громоздкие устройства, работающие на принципе непосредственного контакта с токоведущими частями установок. Это накладывает жесткие условия на электроизоляцию и безопасность подобных устройств.

Бесконтактные электрооптические датчики напряженности электрического поля, например, на кристаллах LiNiO₃, не имеют непосредственного контакта с токоведущими частями, портативны и обеспечивают высокую точность измерений (патент США 5963034, 5243186, Kondo, M., et al" "Reflection type Electro-Optic Electric Field Sensor with LiNb03 Optical Waveguide," 1994 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp.774-777 (1994), Choi, Y.K., et al., "Measurement of Low Frequency Electric Field Using Ti: LiNb03 Optical Modulator," IEEE Proceedings-J, vol.140, pp.137-140 (Apr. 2, 1993)). Существенным недостатком подобных датчиков является их низкая термостабильность, так как в электрооптических кристаллах электрооптические коэффициенты сильно зависят от температуры (M. Sulc "Temperature dependence of electro-optic coefficients of LiNb03 crystals" Photonics, Devices, and Systems II. Edited by Hrabovsky, Miroslav; Senderakova, Dagmar; Tomanek, Pavel. Proceedings of the SPIE, Volume 5036, pp.275-279 (2003)). Подобные датчики при работе требуют дополнительной калибровки при изменении температуры.

Предлагается простое, портативное и относительно дешевое при серийном производстве устройство оптического датчика постоянных и переменных электрических полей с высокой термостабильностью, включающее в себя кристалл Bi₁₂SiO₂₀ (BSO), обладающий электрооптическим эффектом.

Раскрытие полезной модели:

Предлагается использовать линейный электрооптический эффект в кристалле группы силленитов Bi₁₂SiO₂₀ (BSO) для детектирования и измерения напряженности электрического поля. Линейный электрооптический эффект заключается в изменении показателя преломления и ориентации оптических осей вещества под действием электрического поля. В результате при прохождении исходно линейно поляризованного света сквозь электрооптический кристалл будет меняться выходная поляризация, что и детектируется при помощи анализатора поляризации и фотоприемника. Так как изменение поляризации пропорционально величине напряженности электрического поля, то по величине выходного сигнала можно судить о напряженности электрического поля - как переменного, так и постоянного. В случае измерения переменного поля выходная интенсивность будет промодулирована по амплитуде с частотой, равной частоте измеряемого электрического поля. Типичная конструкция подобного датчика представлена на фиг.1.

Кристаллы BSO являются оптически активными, в отличие от кристаллов LiNiО₃. Оптическая активность кристаллов BSO позволяет осуществить температурную стабилизацию электрооптического эффекта. Механизм явления следующий: температурные изменения оптической активности и электрооптических коэффициентов взаимно компенсируют друг друга. При этом величина оптической активности зависит от длины кристалла сильнее, чем набег фазы по длине кристалла за счет электрооптического эффекта. Таким образом, можно для каждой длины волны света подобрать такую длину кристалла, при которой наступит полная взаимная компенсация температурных изменений оптической активности и электрооптических коэффициентов. Длины кристалла BSO, обеспечивающие температурную стабилизацию для различных длин волн света, изображены на фиг.2.

Описание чертежей:

Фиг.1 Типичная конструкция датчика электрического поля на основе электрооптического эффекта. 1 - электрооптический кристалл, 2 - скрещенные поляризаторы, 3 - направление вектора внешнего электрического поля, 4 - входной луч света, 5 - выходной луч света, 6 - фотодетектор, 7 - лазер.

Фиг.2 Зависимость длины кристалла силиката висмута (BSO), при которой наступает полная взаимная компенсация температурных изменений оптической активности и температурных изменений электрооптических коэффициентов от длины волны распространяющегося сквозь кристалл света.

Осуществление полезной модели:

В качестве основного элемента датчика используется кристаллическая пластина кристалла силленита (Bi₁₂SiO₂₀ ) определенной длины, при которой обеспечивается температурная стабильность измерений за счет взаимной компенсации температурных изменений электрооптического коэффициента и оптической активности.

Зависимость длины кристаллической пластины, обеспечивающей температурную компенсацию, от длины волны света приведена на фиг.2. Конструкция датчика приведена на фиг.1. Входной, изначально эллиптически поляризованный свет проходит входной поляризатор, приобретая линейную поляризацию. Затем свет проходит электрооптический кристалл BSO, находящийся во внешнем электрическом поле. За счет линейного электрооптического эффекта происходит поворот плоскости поляризации света пропорционально внешнему электрическому полю, что анализируется выходным поляризатором и детектируется фотодиодом.

Конструкция термостабильного бесконтактного электрооптического датчика напряженности как постоянного, так и переменного электрического поля, отличающаяся тем, что в качестве чувствительного к электрическому полю элемента используется электрооптический кристалл группы силленитов Bi₁₂SiO₂₀ определенной длины, которая обеспечивает температурную стабилизацию электрооптического эффекта в кристалле Bi₁₂SiO₂₀ за счет взаимной компенсации на такой длине температурных изменений оптической активности и температурных изменений электрооптических коэффициентов.