Способ измерения напряженности электрического поля

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19101 04 С 01 К 2 5 0 ЗОБ ЕНИ ОП ИДЕТЕЛЬСТВУ Н АВТОРСН к:Ь ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНий И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕННОСЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ(57) Изобретение относится к злеоптике и служит для повышения точности измерения напряженности зле трического поля, Линейно поляризованный свет модулируют по фазе и пропускают через электрооптическую среду.Амплитуду фазовой модуляции выбирают равной или большей, чем максимальный поворот плоскости поляризации, вызываемый измеряемым полем. Анализируют прошедший свет и регистрируют дли.тельность выходных сигналов, заключенных в каждом периоде фазовой манипуляции. По длительности судят о иапо- ряженности, а по соотношению длительностей - о направлении электрического поля. 3 ил.Изобретение относится к электрооптике и может быть использовано приизмерении напряженности электрического поля,Цель изобретения - повышение точности измерения напряженности электрического поля.Сущность способа заключается втом, что линейно поляризованный световой поток модулируют по фазе и пропускают через электрооптическую среду, при этом амплитуду оптической фазовой модуляции выбирают равной илибольшей, чем максимальный поворотплоскости поляризации, вызываемый измеряемым электрическим полем, анализируют прошедший свет, формируют разность выходных электрических сигналови регистрируют длительность положительных и отрицательных значений сигнала разности, заключенных в каждомпериоде оптической фазовой манипуляции. По их длительности судят о нап-.ряженности, а по соотношению длительностей - о направлении измеряемогоэлектрического поля,Оптическая фазовая манипуляцияразворачивает во времени угол поворота плосКости поляризации света от от- ЗОрицательного угла, соответствующегонапряженности максимального отрицательного электрического поля - Е,до максимального положительного угла,соответствующего полю Е, При этомкаждый период фазовой модуляции делится на два временных отрезка Г, иВ отсутствие измеряемого поля этиотрезки равны. При воздействии электрическим полем на электрооптическуюсреду последняя вызывает поворот плоскости главной оси эллипса поляризации прошедшего света, причем угол поворота пропорционален напряженностиэлектрического поля в случае эффектаПоккельса и квадрату напряженности вслучае эффекта Керра. Измеряемоеэлектрическое поле Е вызывает сдвигмомента деления выходного сигнала.Этот сдвиг пропорционален измеряемомуполюи его можно фиксировать, измеряя временные интервалы 9, и 7 илиизмеряя разность амплитуд выходныхсигналов в каждом периоде фазовоймодуляции.При осуществлении второго варианта 55способа модулируют по фазе линейнополяризованный световой поток и пропускают его через электрооптическую среду. Амплитуду фазовой модуляциивыбирают равной илн большей, чем максимальный поворот плоскости поляризации, вызываемый измеряемым электрическим полем, анализируют прошедшийсвет и регистрируют разность амплитудвыходных сигналов, заключенных в каждом периоде фазовой модуляции. По абсолютной величине разности судят онапряженности, а по знаку разности. -о направлении измеряемого электрического поляНа фиг.1 показано устройство дляреализации предлагаемого способа, нафиг.2 - временная диаграмма, иллюстрирующая способ; на фиг.З - вариантвыполнения электронного блока устройства,Устройство для реализации способасодержит последовательно связанныеоптически источниксвета, напримероптический квантовый генератор, поляризатор 2, оптический фазовый модулятор 3, чувствительный электрооптический элемент 4, помещенный в областьизмеряемого поля, компенсатор 5, анализатор б, в качестве которого использована призма Волостона, с выходами которой оптически соединены фотоприемники 7, подключенные на входэлектронного блока 8, С входом блока8 связан первый выход блока 9 управления, второй выход которого соединенс управляющими входом оптического фазового модулятора,Электронный блок 8 может содержатькомпаратор 10 напряжения, счетчик, 11импульсов и генератор 12.Устройство, реализующее способ,работает следующим образом.Световой поток, излучаемый оптическим квантовым генератором 1, проходит через поляризатор 2 и модулируется оптическим фазовым модулятором 3. Модулированный сигнал проходитчерез электрооптический элемент 4,который поворачивает плоскость главной оси эллиптически поляризованногосвета пропорционально измеряемомуполю. Далее световой поток проходитчерез компенсатор 5, а анализатором6 световой поток делится на две составляющие с взаимно ортогональнойполяризацией, которые попадают на соответствующие фотоприемники 7, включенные в балансный блок фоторегистрации. Сигнал разбаланса регистрируетсяэлектронным блоком 8, Блок 9 управле55 21Е =- - ( - -1);21 йТ Ег- ( - 1) В 2 Ы 21 ЕТ 3 1 ч 0140 ния задает временной закон изменения поляризации.Способ иллюстрируется временными диаграммами (фиг,2). Диаграммы а-з соответствуют случаю, когда измеряе 51 мое поле Е= О, диаграммы а -з отличному от нуля измеряемому полю ЕхеВ случае Е = 0 сигнал модуляции имеет пилообразную форму (диагр, а). Так как кроме модуляции нет никаких воздействий на поворот плоскости по,ляризации света, проходящего через оптическую систему, то и угол поворо та плоскости поляризации следует закону модуляции (диагр. 6). При этом. анализатор расположен так, что при отсутствии. модуляции интенсивности прошедших через анализатор составляющих равны, При модуляции момент равенства интенсивностей прошедших анализатор лучей с взаимно ортогональными векторами поляризации соответствует прохождению через нуль моду лирующего сигнала. При этом в начальный момент модуляции интенсивность первого луча минимальна, второго - максимальна. В конечный момент периода модуляции ситуация противоположна (диагр. в, г). Далее выделяется разность сигналов фотоприемников, соответствующая разности интенсивностей 1 ц 1 прошедших .через анализатор составляющих. Разность сигналов (диагр. д) фотоприемников повторяет35 сигнал модуляции и обращается в "нуль" в тот же момент времени, что и сигнал модуляции, т.е. на половинепериода.40В случае Е Ф 0 на угол поворота плоскости поляризации, кроме сигнала ,модуляции, вследствие электрооптического эффекта воздействует измеряемое поле Е. Поэтому поворот плоскости45 поляризации уже не следует закону модуляции (диагр, а ), а оказывается смещенным на величину угла, на который повернулась плоскость поляризации под действием измеряемого поля (диагр. б). Интенсивности прошедших через анализатор лучей определяются/ с помощью закона Малюса (диагр. в г ) для случая, когда измеряемое1электрическое поле поворачивает плоскость поляризации света на угол Р 8 рад.Как видно из диаграммы д, разность интенсивностей прошедших через 64анализатор лучей и соответствующая ей разность сигналов фотоприемников делят период модуляции на временные отрезки, величина которых пропорциональна величине измеряемого электрического поля. Момент деления периода модуляции на заключительном этапе (диагр, д ) эквивалентен моменту прохождения через "нуль" угла поворотаФ плоскости поляризации на диаграмме б .Диаграммы е, ж, з, е, ж, з относятся к примеру реализации способа при выполнении электронного блока 8 согласно схеме на фиг.З,Диаграмма е иллюстрирует работу компаратора 10 напряжения, вход которого соединен с выходом балансного блока фоторегистрации, а выходной сигнал которого управляет счетчиком 11, счетный вход которого соединен с генератором 12, вырабатывающим фиксированную частоту (диагр, ж). В результате этого временной интервал преобразуется в число импульсов фиксированной частоты, которое также пропорционапьно измеряемому электрическому полю Ег .В случае линейного электрооптического эффекта Поккельса формула для определения напряженности измеряемого электрического поля имеет вид Пл(а ( 3 е -% )с- атх 21 T+ ф 7 фа в случае квадратичного электрооптического эффекта Керра В 7, -Ег с "(Л)г 21 Д +где Б - полуволновое напряжениематериала;1 - длина оптического пути вматериале,.9 Ч - временные интервалы, накоторые делится период модуляции;В - постоянная Керра материала.При преобразовании временного интервала в число импульсов, как это имеет место в устройстве, реализующем способ, формулы преобразуются следующим образом01406 фор мул а 5 14 где К - число импульсов, соответствующее интервалу ГГ - частота кварцевого генератора,Т - период модуляции, равныйУ, + .Таким образом, при реализации способа по первому варианту электронный блок 8 регистрирует времена разбаланса в каждом периоде фазовой модуляции, причем эти времена пропорциональны напряженности измеряемого электрического поля, а соотношение этих времен, заключенных в каждом периоде фазовой модуляции, позволяет определить направление измеряемого поля.При реализации способа по второму варианту электронный блок 8 регистрирует постоянную составляющую выходного сигнала, величина которого пропорциональна напряженности измеряемого электрического поля, а знак указывает направление измеряемого поля.Способ позволяет снизить погрешсность, обусловленную нестабильностью источника излучения и фотоприемника, обеспечивает представление результата в цифровом виде, что повышает точность и упрощает обработку результатов измерений. изобретения Способ измерения напряженностиэлектрического поля, заключающийсяв том, что линейно поляризованныйсветовой поток пропускают сквозь электрооптическую среду, находящуюся вобласти измеряемого электрическогополя, выделяют из потока на выходе изэлектрооптической среды составляющиес взаимно ортогональной поляризациейи преобразуют составляющие световогопотока с взаимно ортогональной поляризацией в выходной электрическийсигнал, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений, линейно поляризованный световой поток модулнруют по среде с амплитудой модуляции, превышающей максимальный поворот вектора поляризациипод действием измеряемого электрического поля, находят разность выходныхэлектрических сигналов, полученных 25 преобразованием составляющих светового потока с взаимно ортогональнойполяризацией, регистрируют длительности положительного и отрицательногозначений разности выходных электри- ЗО ческих сигналов и по ним судят о ве"личине и направлении измеряемогополя.140140 б Составитель В.Степанкинедактор П.ГерешиТехред И.Верес Корре Подписное Тирах 772И Государственногделам изобретенийМосква, Ж, Раув аказ 27 комитета С и открытий ская наб.,113035,ктная,Производственно-полиграфическое предприятие, г. Узг