DE3116149A1 - Faseroptische anordnung zur messung der staerke eines elektrischen stromes i unter ausnutzung des faraday-effekts - Google Patents
Faseroptische anordnung zur messung der staerke eines elektrischen stromes i unter ausnutzung des faraday-effektsInfo
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Description
3T16U9
Max-Planck-Gesellschaft P 81 25
zur Förderung der 16 03 1981
Wissenschaften e.V. ib.uj.iyai
Bunsenstr. 10
3400 Göttingen
3400 Göttingen
Faseroptische Anordnung 2ur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter
Ausnutzung des Faraday-Kffekts
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung
des Faraday-Effekts mit einer den Strompfad in einer Anzahl von Windungen umgebenden, einen dem Magnetfeld
des Stromes ausgesetzten Lichtweg markierenden optischen Faser, in die ein Lichtstrom definierten Polarisationszustandes
einkoppelbar ist, der entlang dieses Lichtweges aufgrund des Faraday-Effekts eine stromabhänyige
Änderung seines Polarisationszustandes erfährt, und mit einer Polarisations-Moßeinrichtung, mit der der
Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges erfaßbar und ein für die Stromstärke charakteristisches
Meßsignal erzeugbar ist.
Eine solche Anordnung ist z.B. aus der DE-AS 28 35 794 bekannt.
Bei der bekannten Anordnung ist die optische Lichtleitfaser in N-Windungen um den elektrischen Leiter geschlungen,
in dem der elektrische Strom I fließt,
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dessen Stärke gemessen werden soll, wobei die Windungsanordnung
so getroffen ist, daß der Lichtweg in sehr guter Näherung in Richtung der den Leiter kreisförmig
umgebenen Komponenten des von dem zu messenden Strom erzeugten Magnetfeldes H verläuft.In die Faser wird
Licht definierten Polarisationszustandes, in der Regel linear polarisiertes Licht eingekoppelt und der Polarisationszustand
des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges gemessen. Das mit dem in dem Leiter fließenden
Strom I verknüpfte Magnetfeld bewirkt eine Faraday-Drehung der Polarisationsebene des Lichtes, deren Betrag
bei der angegebenen Windungsgeometrie und in dem angenommenen Idealfall, daß die Faser, frei von störenden
Doppelbrechungseffekten ist bzw. deren störender Einfluß unterdrückt ist, durch die Beziehung
Θ = NVI
gegeben ist, wobei O die Faraday-Drehung, N die Windungszahl,
I die Stromstärke und V die Verdet-Konstante
des Fasermaterials bezeichnen. Die Drehung © der Polarisationsebene
des am Faserende austretenden Lichtes wird optoelektronisch gemessen und ausgewertet und direkt
in Einheiten der Stromstärke I zur Anzeige gebracht. Die Messung der Stromstärke ist also auf die Erfassung der
Drehung Θ der Polarisationsebene des Meßlichtes zurückgeführt,
die aus der entlang des Lichtweges erzeugten, Faraday-Effekt-induzierten und damit stromproportionalen
zirkulären Doppelbrechung resultiert.
Zur qualitativen Erläuterung des Meßproblems sei zunächst auf die sogenannte Poincare-Kugel-Darstellung
verwiesen, in der die möglichen linearen Polarisationszustände des Meßlichtes durch Punkte des Äquators, die
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beiden möglichen rein zirkulären Polarisationszustände
durch den Nordpol (linkszirkulare Polarisation L) und den Südpol (rechtszirkulare Polarisation R) und die
möglichen elliptischen Polarisationszustände des Meßlichtes durch die übrigen Punkte der Oberfläche einer
Kugel repräsentiert sind. Eine in der optischen Faser vorhandene lineare Doppelbrechung!? ist in dieser Darstellung
durch einen in der Äquatoriallinie liegenden Vektor darstellbar, dessen Richtung 2 (R n zwei in
der Äquatoriallinie einander diametral gegenüberliegende Polarisations-Eigenzustände markiert, bei deren
Einkopplung in die optische Faser, über deren Länge gesehen, keine Veränderung des Polarisationszustandes auftreten
würde, falls nur die durch diesen Vektor repräsentierte lineare Doppelbrechung vorhanden wäre, für
deren Betrag die Länge dieses Vektors ein Maß ist. Ebenso ist eine in der optischen Faser vorhandene oder
dieser auf andere Weise aufgeprägte zirkuläre Doppelbrechung wie auch eine durch den Faraday-Effekt induzierte
zirkuläre Doppelbrechung o(. durch einen in Richtung
der polaren Achse der Poincare-Kugel weisenden
Vektor darstellbar. Wenn sowohl lineare Doppelbrechung wie auch zirkuläre Doppelbrechung existieren, d.h. insgesamt eine
elliptische Doppelbrechung vorliegt, sind deren Polarisations-Eigenzustände durch die Richtung des aus der
Vektorsumme des linearen Doppelbrechungs-Vektors (S und des zirkulären Doppelbrechungs-Vektors oC resultierenden
Vektors OO gegeben.
In dieser Darstellung entwickelt sich, entlang des Lichtweges gesehen, der Polarisationszustand in die
Faser eingekoppelten Meßlichtes, das einen anderen als den Eigen-Polarisationszuständen entsprechenden Polarisationszustand
hat, entlang eines konzentrisch um die
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durch den maßgeblichen Doppelbrechungs-Vektor oc , £}
oderCP markierte Richtung verlaufenden Kreises auf der
Kugeloberfläche, der von dem den Polarisationszustand des eingekoppelten Lichtes repräsentierenden Punkt der
Kugeloberfläche ausgeht und mit einer Kreisfrequenz durchlaufen wird, für die die "Länge" des maßgeblichen
Doppelbrechungs-Vektors ein Maß ist (Fig. 4).
Ausgehend von dem Idealfall, daß die Faser keine lineare Doppelbrechung aufweise und daß das in die Faser eingekoppelte
Meßlicht den H-Polarisationszustand (horizontale Polarisation) habe, entspricht in der Poincare-Kugel-Darsteilung
einer entlang der optischen Faser auftretenden Faraday-Effekt-induzierten Drehung der Polarisationsebene
ein von dem Η-Punkt der Poincare-Kugel ausgehender
2 Ky -Bogen des Äquators, dessen Endpunkt CT
den Ausgangs-Polarisationszustand des Meßlichtes repräsentiert, mit dem es an dem von der Einkoppelstelle
fernen Ende der optischen Faser austritt.
In der Praxis gibt es jedoch keine Lichtleitfaser,, die
völlig doppelbrechungsfrei ist. Vielmehr besitzt eine reale Faser stets eine mehr oder weniger starke lineare
und/oder zirkuläre bzw. elliptische Eigen-Doppelbrechung,
die z.B. von Abweichungen des Faserkerns von der ideal runden Querschnittsform, einseitigen elastischen Spannungen
in der Faser sowie aus einer Verdrillung der Faser herrührenden zirkulären Doppelbrechung resultieren
können; die Folge ist, daß auch dann, wenn der von der Faser umgebene Leiter stromlos ist, der Ausgangs-Polarisationszustand
CT von Licht, das die Faser durchlaufen hat, nicht mit dem Eingangs-Polarisationszustand
H übereinstimmt, mit dem es in die Faser eingekoppelt wurde, sondern irgendeinen durch einen oberhalb
oder unterhalb des Äquators liegenden Punkt der
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Poincare-Kugel repräsentierten elliptischen Ausgangs-Polarisationszustand
hat. Die auf der Poincare-Kugel den Punkt H mit dem Punkt CT verbindende Kurve C(>;)
Ju
die die Entwicklung des Polarisationszustandes entlang der Faser von deren Einkoppelstelle, wo das Licht mit
dem Polarisationszustand H eintritt bis zu deren Ende, wo das austretende Licht den "elliptischen" Polarisationszustand
C1. hat, beschreibt, weicht daher im all-
Ju
gemeinen mehr oder weniger stark vom Äquator ab, wobei infolge unvermeidbarer Irregularitäten der Faser diese
Kurve C (z) gewöhnlich auch keine einfache Gestalt hat. Darüber hinaus wird sich die Polarisationsentwicklung
entlang der Faser und damit die diese wiedergebende Kurve C (z) auf der Poincare-Kugel auch bei Temperaturschwankungen,
Erschütterungen sowie u.U. durch eine Alterung der Faser ändern, da diese Einflüsse die Eigen-Doppelbrechung
der Faser beeinflussen. Als Folge davon sind der Nullpunkt und der Eichfaktor des eine solche
Faser als Lichtweg enthaltenden Strommeßgerätes Schwankungen unterworfen, da z.B. eine temperaturbedingte
Verschiebung des Ausgangs-Polarisationszustandes CL
des Meßlichtes von einer Auswerte-Elektronik nicht von einer durch Faraday-Drehung der Polarisationsebene
bedingten Änderung unterschieden werden kann. Die Schwankungen des Eichfaktors beruhen darauf, daß sich
die Faraday-Drehung in einem Punkt Z der Kurve unterschiedlich auswirkt, je nachdem, ob der entsprechende
Polarisationszustand C(z) linear polarisiert ist, d.h. auf dem Äquator der Poincare-Kugel liegt, oder
elliptisch polarisiert ist (d.h. oberhalb oder unterhalb des Äquators liegt).
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die
Empfindlichkeit begrenzende Nullpunkts-Schwankungen
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sowie Variationen des Eichfaktors so klein wie möglich sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
im Bereich des von der Einkoppelstelle entfernten Endes der optischen Faser eine Reflexionseinrichtung vorgesehen
ist, die das an diesem Ende ankommende Licht mit demselben Polarisationszustand, mit dem es in die Reflexionseinrichtung
eintritt, zurückwirft, und daß die Polarisations-Meßeinrichtung den Polarisationszustand desjenigen
Lichtstromes erfaßt, der, nachdem er an der Reflexionseinrichtung einer Reflexion unterworfen war
und den Lichtweg insgesamt zwei mal durchlaufen hat, an der Einkoppeistelie wieder austritt.
Unter "demselben Polarisationszustand" soll dabei unter der Voraussetzung, daß ein am Faserende austretender
Lichtstrahl in sich selbst zurückreflektiert wird, folgendes verstanden werden:
a) Wenn das austretende Licht linear polarisiert ist, so soll das reflektierte Licht ebenfalls linear
polarisiert sein und diesselbe räumliche Schwingungsrichtung besitzen, d.h. die Ε-Vektoren des am Faserende
austretenden Lichtes und des in die Faser wieder eintretenden Lichtes sollen parallel sein. Diese
Forderung an die Reflexionseinrichtung wird im Falle
linearer Polarisation z.B. von einem ebenen Spiegel erfüllt.
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b) Im Falle einer elliptischen Polarisation soll
1. das reflektierte Licht dieselbe Elliptizität besitzen
wie das einfallende, d.h. bei beiden
Lichtströmen soll das Verhältnis der großen zur kleinen Hauptachse ihrer Schwingungsellipsen
übereinstimmen,
Lichtströmen soll das Verhältnis der großen zur kleinen Hauptachse ihrer Schwingungsellipsen
übereinstimmen,
2. die Richtung der längeren Hauptachse der Schwingungsellipse des reflektierten Lichtes mit derjenigen
des auf die Reflexionseinrichtung einfallenden Lichtes zusammenfallen und
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3. der Drehsinn der Polarisation des reflektierten
Lichtes mit demjenigen des einfallenden Lichtes übereinstimmen, wobei der Begriff "Drehsinn" für
beide Strahlen übereinstimmend so zu verstehen ist, daß der den Drehsinn feststellende Beobachter
entgegen der Ausbreitungsrichtung des jeweiligen Lichtstrahles blickt. Diese Definition des Drehsinns
entspricht der üblichen Definition. Bezieht man dagegen die Drehrichtungen der Polarisationen
des einfallenden und des reflektierten Strahls gemeinsam auf die Ausbreitungsrichtung eines der
beiden Strahlen, so müssen diese Drehrichtungen entgegengesetzt sein.
c) Wenn der Polarisationszustand des am Faserende austretenden
Lichtstrahls zirkulär ist, dann entfällt die Forderung b)2.
Vorausgesetzt, daß der Polarisationszustand CD des in
die Faser zurückkehrenden, reflektierten Lichtes mit
dem Polarisationszustand C1. des am reflexionsseitigen
Faserende austretenden Lichtes exakt übereinstimmt, vermittelt die erfindungsgemäße Anordnung die folgenden
bedeutsamen Vorteile:
. Absolute Konstanz des Nullpunktes der Stronnessung für beliebige
Warte der Faser-Eigendoppelbrechung, da die durch geometrische und/oder elastische Faser Imperfektionen
bedingte Doppelbrechung reziprok ist.
2. Verdoppelung der Empfindlichkeit ®/I, da die Faraday-Drehung
nichtreziprok ist und sich daher die Faraday-Drehungen auf dem "Hin"- und "Rück"-Weg des Lichtes
addieren.
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Für den Fall, daß die optische Faser nur eine geringfügige lineare/ zirkuläre oder elliptische Doppelbrechung
aufweist, derart, daß die Entwicklung des Polarisationszustandes des am Faseranfang (Z = 0)
eingekoppelten und am Faserende (Z = L) zurückreflektierten und am Faseranfang wieder ausgekoppelten Lichtes
wieder über die Kurve C (2) in unmittelbarer Nähe des Äquators der Poincare-Kugel verläuft und dies auch
dann, wenn aufgrund der erwähnten Störeffekte Änderungen der Eigendoppelbrechung auftreten, kann die vorstehend
genannte Forderung a mit einem ebenen Spiegel als Reflektor erfüllt werden, der am Faserende ζ - L
angebracht ist. In diesem Fall ist nämlich voraussetzungsgemäß das bei ζ = L ankommende Licht in guter
Näherung linear polarisiert und somit auch das vom Spiegel reflektierte Licht? und zwar mit demselben
Azimuth wie das ankommende Licht. Wird der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes mit CR bezeichnet,
so gilt demgemäß C-. = C_ .
K JLj
Diese Beziehung gilt jedoch nicht allgemein, sondern nur in dem bisher vorausgesetzten Fall, daß das Meßlicht
linear polarisiert ist. In dem allgemeinen Fall, daß der Polarisationszustand C1. am Faserende ein beliebiger
elliptisch polarisierter Zustand ist, bleibt bei einer Reflexion des Lichtes an einem ebenen Spiegel
zwar das Azimuth der Polarisation erhalten, jedoch wird der Drehsinn (links/rechts) der Polarisation reversiert.
Bezeichnet man den aus der Reflexion des Polarisationszustandes Cj. an einem ebenen Spiegel hervorgehenden
Polarisationszustand mit C. , so gilt: C = C . In
der Poincare-Kugel-Darstellung erhält man den Polarisationszustand
C- durch Spiegelung des Polarisationszustandes C, an der Äquatorebene. Da somit beim ebenen
Spiegel - und bei allen anderen Irgendwie aus spiegelnden Flächen permanent zusanwengesetzten und zeitlich unveränderlichen
und somit als passiv zu bezeich-
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nenden Reflektoren - also allgemein Cn Φ C1 gilt, so
erfolgt bei der Ausbreitung des Lichtes in Rückwärtsrichtung zwangsläufig eine andere Polarisationsentwicklung
als in Vorwärtsrichtung (von ζ = 0 zu ζ = L). Der bei ζ = 0 aus der Faser auskoppelbare
Polarisations-Endzustand C, , der aus dem bei ζ = L reflektierten Polarisationszustand Cn = C1. resultiert,
ist im allgemeinen von dem bei ζ = 0 in die Faser eingekoppelten Anfangszustand C (0) = H verschieden,
denn nur der Polarisationszustand C,. würde, bei z- - L in die Faser eingekoppelt, bei ζ = 0 wieder
zu dem. dem Anfangszustand II entsprechenden Endzustand
führen, über die tatsächliche Lage des Endzustandes C1
auf der Poincare-Kugel läßt sich im allgemeinen nur so viel aussagen, daß der bei ζ = 0 auf der Poincare-Kugel
gemessene Abstand vom Anfangszustand, d.h. der Winkel HC1 ,gleich dem Winkelabstand C1. Cn zwischen den
I Li K
die Polarisationszustände des hin- und des rücklaufenden Lichtes markierenden Punkten CT und Cn bei ζ = L
Li K
ist, jedenfalls solange kein Strom fließt. Diese Gleichheit der Winkelabstände gilt ganz allgemein ·
für jedes reziproke optische System.
Im Bild der Poincare-Rugel-Darstellung wird somit deutlich,
daß, wenn der End-Polarisationszustand CL in unmittelbarer
Nähe des Äquators liegt und damit der Winkelabstand C1. C-. und damit auch der Winkelabstand HC1
Li K I
gegen Null geht, im stromlosen Fall der am Faseranfang auskoppelbare Endpolarisationszustand C. dem dort
eingekoppelten Anfangs-Polarisationszustand U entspricht.
Die Annahme, daß sich - wiederum im Bild der Poincare-Kugel-Darstellung
- der Polarisationszustand C nur
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entlang und in unmittelbarer Nähe der Äquatorialebene der Poincare-Kugel ändert, ist jedoch nur für den Fall zutreffend,
daß eine durch die vorstehend genannten Störungen hervorgerufene Änderung der Eigendoppelbrechung
der Faser rein zirkulär ist und, z.B., nur von einer Verdrillung der Faser herrührt. Im allgemeinen liegt
jedoch auch ein linearer Anteil an Eigendoppelbrechung vor, der bewirkt, daß der End-Polarisationszustand C1.
einen nicht vernachlässigbaren Winkelabstand von der Äquatorebene der Poincare-Kugel hat, so daß CR f C
wird und damit auch der End-Polarisationszustand C. des am Faseranfang auskoppelbaren Lichtes vom Polarisationszustand
H deutlich verschieden ist. Wegen der Empfindlichkeit dieser Eigendoppelbrechung gegen Störungen
wie z.B. Temperaturänderungen tritt dann eine NuIlpunkts-Temperaturdrift
der Strommeßanordnung auf, da das elektronische Auswertungssystem durch solche Störeinflüsse
bedingte Änderungen des Endpolarisationszustandes C- nicht von solchen unterscheiden kann, die
von einer durch den Strom I bewirkten Änderung dieses Polarisationszustandes C1 herrühren. Mit der
Temperatur ändert sich dann auch der Eichfaktor des Strommessers, denn die Polarisationszustände C(z)
durchlaufen auf dem Hin- und Rückweg des Lichtes verschiedene - temperaturabhängige - Bahnen auf der
Poincare-Kugel, auf denen der Faraday-Effekt unterschiedlich
wirksam ist.
Diese Schwierigkeiten lassen sich dadurch vermeiden, daß im Rahmen einer erfindungsgemäßen Anordnung eine
als "aktiver" Reflektor anzusprechende Reflexionseinrichtung eingesetzt wird, die jeden am Faserende auftretenden
Polarisationszustand CL unter Erhaltung der
Polarisation reflektiert, d.h. das Meßlicht mit eben diesem Polarisationszustand CT am Faserende wieder in
die Faser zurückkoppelt.
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Durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 sind diesbezüglich einfache Gestaltungen der erfindungsgemäßen
faseroptischen Strommeßanordnung angegeben, deren
Reflexionseinrichtung als aktives Element ausgebildet ist, das bei Änderungen des an der Reflexionseinrichtung ankönnenden
Polarisationszustandes CL gleichsam seinen inneren Zustand modifiziert und dem geänderten Polarisationszustand
C so anpaßt, daß wieder CL = CR gilt.
Die zweckentsprechende Argleichung des Polarisationszustandes CR des reflektierten Lichtes an denjenigen
(CT) des am Faserende ankommenden Lichtes wird dabei mittels eines Polarisations-Regelkreises erreicht,
der so arbeitet, daß der End-Polarisationszustand C1.
auf lineare Polarisation stabilisiert wird, mit dem besonderen Vorteil, daß dann im Rahmen der adaptiven
Reflexionseinrichtung ein - vorzugsweise ebener Spiegel als Reflexionsglied einsetzbar ist.
Voraussetzung ist natürlich, daß sich der im Rahmen der Reflexionseinrichtung vorgesehene Regelkreis hinreichend
schnell auf den jeweils am Faserende ankommenden Polarisationszustand CL einstellen kann. Diese Voraussetzung
ist aber bei den vorstehend genannten Störeinflüssen (Temperaturänderungen, Erschütterungen, Alterung)
praktisch erfüllbar, da bei verfügbaren Polarisationsstellgliedern Einstellzeiten im Bereich von
1 ms technisch möglich sind.
Durch die Merkmale der Ansprüche 4 und 5 sind unter Gesichtspunkten des einfachen Aufbaues der faseroptischen
Anordnung gemäß Anspruch 3 vorteilhafte Gestaltungen des Reflexionsgliedes als teildurchlässiger
Spiegel und des im Rahmen der Reflexionseinrichtung vorgesehenen Polarisations-Regelkreises angegeben,
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die auf einfache Weise gemäß den Merkmalen des Anspruchs 6 realisiert sein können.
Durch die Merkmale der Ansprüche 7 bis 9 sind einfache Gestaltungen von Polarisationsstellgliedern angegeben,
die im Rahmen einer erfindungsgemäßen faseroptischen
Anordnung alternativ, gegebenenfalls auch in Kombination eingesetzt werden können, wobei sich das gemäß
Anspruch 9 vorgesehene elektro-optische Stellglied durch ein besonders rasches Ansprechverhalten auszeichnet.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau einer bekannten faseroptischen Strommeßeinrichtung zur Erläuterung
des Standes der Technik,
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
faseroptischen Anordnung,
Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
faseroptischen Anordnung mit adaptiver Reflexionseinrichtung,
Fig. 4 eine Poincare-Kugel zur Erläuterung der Funktion
der bekannten und der erfindungsgemäßen faseroptischen Anordnungen gemäß den Fig. 1,
bzw. 2 und 3.
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ρ 81 25
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen, an sich bekannten Aufbau einer faseroptischen Anordnung 10, mit der
unter Ausnutzung des magneto-optischen Faraday-Effekts die Stärke eines in einem Leiter 11 fließenden elektrischen
Stroms I meßbar ist. Zentraler Bestandteil der Anordnung 10 ist eine optische Faser 12, die, z.B.
auf einen von dem Leiter in axialer Richtung durchsetzten Spulenkörper 13 aufgewickelt, den Leiter 11
mit einer Anzahl N von eng aneinander anliegenden Windungen 14 umgibt. Die Windungen 14 sind eng aneinander
anliegend so angeordnet, so daß das den Leiter 11 umgebende, durch die Pfeile 16 repräsentierte Magnetfeld
H, das mit dem durch den Leiter 11 fließenden Strom I verknüpft ist, in sehr guter Näherung in Richtung
des durch die Windungen 14 der Faser 12 markierten Lichtweges verläuft. Ein von einer Lichtquelle 17 ausgesandter, durch den Pfeil 18
repräsentierter Lichtstrom, der einen definierten linearen Polarisationszustand haben möge - ohne Beschränkung
der Allgemeinheit sei für das folgende vorausgesetzt, daß dies der Zustand horizontaler linearer
Polarisation (H) sein soll - wird am Faseranfang 19, d.h. bei z=0, in die Faser 12 eingekoppelt, die,
zwischen dem Faseranfang 19 und dem Faserende 21 gemessen, insgesamt die Länge L haben möge, wobei ein
größte Teil dieser Länge auf die auf den Spulenkörper aufgewickelten Windungen 14 entfällt. Unter dem Einfluß
des mit dem Strom I verknüpften Magnetfeldes 16 erfährt die Polarisationsebene des vom Faseranfang 19
zum Faserende 21 laufenden Meßlichts eine stromproportionale Faraday-Drehung, die mittels eines Polarisations-Analysators
22 erfaßt, in ein für den erfaßten Polarisationszustand charakteristisches elektrisches
Ausgangssignal umgewandelt und mittels einer Anzeige direkt in Einheiten der Stromstärke zur Anzeige gebracht
/14
~ /f$
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wird. Die optische Faser 12 sei als Festkernfaser aus
Quarzglas vorausgesetzt, die mit einem nicht verschwindenden Anteil an linearer oder elliptischer
Doppelbrechung S oder CJ behaftet ist.
Die in einer solchen bekannten faseroptischen Anordnung
aus der Eigen-Doppelbrechung des Fasermaterials resultierenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Nullpunkts-Stabilität
der Meßanordnung und damit der Empfindlichkeit derselben sind in der Beschreibungseinleitung im
Bilde der Poincare-Kugel-Darstellung gemäß Fig. 4 eingehend
erläutert, worauf hiermit Bezug genommen sei.
Die Fig. 2, auf deren Einzelheiten ausdrücklich verwiesen
sei, zeigt eine erfindungsgemäße faseroptische Meßanordnung 30, bei der diese Schwierigkeiten zumindest
für den Fall vermieden sind, daß die den Lichtweg des Meßlichts markierende, dem Strom proportionalen
Magnetfeld ausgesetzte optische Faser eine derart niedrige Eigen-Doppelbrechung aufweist, daß sich - im
stromlosen Fall - die Entwicklung des Polarisationszustandes des sich in der Faser ausbreitenden Lichtes
in unmittelberer Nähe der Äquatorialebene 61 der
Poincare-Kugel 60 gemäß Fig. 4 vollzieht, z.B. entlang
der Kurven C(z)- bzw. C(ZK.
Bei der Anordnung 30 gemäß Fig. 2 ist dieselbe Anordnung und Art der Verlegung der optischen Faser 12 auf
einem Spulenkörper 13 vorgesehen, wie bei Anordnung gemäß Fig. 1, und es sind demgemäß in der Fig. 2 Bau-
und Funktionsteile, die denjenigen der Fig. 1 entsprechen, auch mit denselben Bezugszeichen belegt.
Die Anordnung 30 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß eine Rsflexionseinrichtung
vorgesehen ist, die das mit dem Polarisationszustand CL am Faserende 21 nach Durchlaufen der optischen
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Faser 12 austretende Licht mit einem Polarisationszustand Cn wieder in die Faser zurückreflektiert und daß die
Analysator-Anzeigeeinheit 22, 23 im Bereich des einkopplungsseitigen
Faserendes 19 angeordnet ist und als Meßlicht über einen Strahlenteiler 32 einen Teil des
mit dem Polarisationszustand C1 behafteten, durch den
Pfeil 33 repräsentierten Lichtstromes empfängt, der nach zweimaligem Durchgang (Hin- und Rücklauf) durch
die optische Faser 12 aus dem mit dem horizontalen Polarisationszustand C. behafteten Eingangslichstrom
resultiert. Als Reflexionseinrichtung 31 ist bei der
Anordnung 30 ein ebener Spiegel vorgesehen, so daß CR = ÖL gilt.
Wenn die lineare oder elliptische Eigen-Doppelbrechung
der optischen Faser 12, wie angenommen, hinreichend klein ist, ist der Polarisationszustand C1. des nach
JLj
dem Hinlauf am Faserende 21 austretenden, durch den Pfeil 34 repräsentierten Lichtstromes in sehr guter
Näherung gleich dem als linear-horizontal vorausgesetzten Polarisationszustand C„ des von der Lichtquelle
ausgesandten Primärlichtstromes 18 und damit auch gleich
dem Polarisationszustand C_ des von dem ebenen Spiegel
κ.
31 in die optische Faser 12 zurückreflektierten, durch
den Pfeil 36 repräsentierten Lichtstromes, da durch die Reflexion an einem ebenen Spiegel ein linearer
Polarisationszustand nicht geändert wird. Demgemäß
ist auch der Polarisationszustand C1 des über den
Strahlenteiler 32 zum Analysator 22 geleiteten Lichtstromes 33, jedenfalls im stromlosen Zustand des Leiters
11, linear, da die durch geometrische und elastische Verformung der Faser 11 bedingte Doppelbrechung, wie
einleitend bereits erwähnt, reziprok ist. Im Rahmen der angegebenen Näherung, nämlich einer tolerierbaren
geringfügigen Abweichung der die Entwicklung des Polarisationszustandes C(z) des Meßlichtes beim Hin- und
/16)
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- Ve - %ή P 81 25
Rücklauf durch die optische Faser 12 wiedergebenden Polarisationszustandsverlaufs-Kurven C(z) vom Äquator
62 der Poincare-Kugel 60 wird eine von der Eigen-Doppelbrechung
der Faser herrührende Drehung H-* C auf
JL
dem Hinweg des Lichtes durch die Drehung während des Rückweges gerade wieder aufgehoben, jedenfalls im
stromlosen Zustand. Die Folge ist eine vorteilhaft erhöhte Nullpunkt-Stabilität. Der Grund hierfür ist
der, daß die durch geometrische und elastische Fascr-Imperfektionen bedingte Doppelbrechung , wie einleitend
bereits erwähnt, reziprok ist. Dagegen ist die durch das Magnetfeld des Stromes I bedingte Faraday-Drehung
der Polarisationsebene des Meßlichtes nichtreziprok, weshalb sich die beim Hin- und Rücklauf des
Meßlichtes ergebenden Faraday-Drehungen addieren und somit aus der doppelten Ausnutzung des durch die
Faser 12 markierten Lichtweges eine Verdoppelung der Empfindlichkeit ®/I für die Anordnung 30 ergibt.
Die in der Fig. 3, auf deren Einzelheiten wiederum ausdrücklich verwiesen sei, dargestellte erfindungsgemäße
faseroptische Anordnung 40 unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. 2 im wesentlichen nur dadurch,
daß ein insgesamt mit 41 bezeichneter Regelkreis vorgesehen ist, der den Polarisationszustand
des am Faserende 21 austretenden Meßlichtstromes 34 auf dem linearen Polarisationszustand CT hält, der
JLj
wiederum als der Zustand horizontaler linearer Polarisation vorausgesetzt sei. Als Reflexionsglied ist
ein teildurchlässiger, wiederum ebener Spiegel 42 vorgesehen. Demgemäß hat der in die Faser 12 zurückreflektierte
Lichtstrom 36 den Polarisationszustand CR = CL = H. Der teildurchlässige ebene Spiegel 42 habe ein
Reflexionsvermögen von ca. 99 % und eine Transmission
/17
.".·-;: :-:: .". .: 3116U9
- <Z P 81
von ca. 1 %. Der von diesem Spiegel durchgelassene, durch den Pfeil 43 wiedergegebene Teillichtstrom hat
denselben Polarisationszustand C1. wie der am Faserende
austretende Lichtstrom 34, der auf linearen Polarisationszustand stabilisiert werden soll.
Im Rahmen des Regelkreises 41 ist ein insgesamt mit bezeichnetes Polarimeter vorgesehen, das den vom Spiegel
42 durchgelassenen Teillichtstrom 43 auf einen links- bzw. rechtszirkular polarisierten Anteil hin analysiert. Dieses
Polarimeter erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal, das bei linearem Polarisationszustand seines Eingangslichtstromes
43 verschwindet und mit zunehmender Abweichung vom linearen Polarisationszustand in positiver
bzw. negativer Richtung zunimmt.
Weicht der Polarisationszustand des Eingangslichtstromes
43 des Polarimeters 44 von der linearen Polarisation ab, so wird das abweichungsproportionale Ausgangssignal
des Polarimeters 44 als Fehlersignal ausgenutzt, das über einen geeigneten Regelverstärker"46
auf ein Polarisationsstellglied 47 so lange einwirkt, bis der Eingangslichtstrom 43 des Polarimeters 44 und
damit der auf den Spiegel 42 auftreffende Lichtstrom
und der von diesem zurückreflektierte Lichtstrom wieder linear polarisiert sind, wobei das Azimuth
dieses Polarisationszustandes keine Rolle spielt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Polarimeter 44 eine Λ/4-Platte 48 und ein Wollaston-Prisma
49, deren Achsen um 45 gegeneinander verdreht sind. Dadurch entspricht die Intensität des
einen der beiden Ausgangslichtstrahlen 51 und 52 des Wollaston-Prismas dem linkszirkulären polarisierten
Anteil des Lichtstromes 43 und die Intensität des
/18
3116U9 23
P 81 25
anderen Auscjanysl iclil ;;l rallies dem reuhtszirkuiui polarisierten
Anteil dieses Lichtstromes 43. Die Intensitäten
der beiden Ausganyslichtströme 51 und L>2
werden mit je einer Fotodiode 53 bzw. 54 gemessen und deren Ausgangsspannungen einem Differenzverstärker
als Eingangssignale zugeführt, dessen Ausgangsspannung das vorstehend erwähnte Fehlersignal ist, das bei linearem
Polarisationszustand C, des Eingangslichtstromes verschwindet.
Dieses Fehlersignal wird mittels des Regelverstärkers
46, der vorzugsweise ein PI-Regelverhalten aufweist,
auf das Polarisationsstellglied 47 gegeben. Das Polarisationsstellglied wirkt auf den dem Faserende
21 benachbarten Endabschnitt der Faser 12 ein und erzeugt in Abhängigkeit von dem vom Regelverstärker
abgegebenen Ausgangssignal eine lineare Doppelbrechung in dem Endabschnitt, mil der der Polarisationszustand
des am Faserende austretenden I.ichtstromes 34 in tier gewünschten
Weise modifizierbar ist.
Das Polarisationsstellglied 47 ist auf einfache Weise als elektromagnetisch oder piezoelektrisch betätigbare
Druckvorrichtung ausgebildet, mit der auf den Endabschnitt der optischen Faser 12 eine transversale
Druckkraft ausübbar ist, die sich additiv aus einem konstanten Vorspannungsbeitrag und einem zum Fehlersignal
des Regelverstärkers 46 proportionalen variablen Beitrag zusammensetzt, der je nach der Richtung
der erforderlichen Regelung mit verschiedenen Vorzeichen behaftet ist. Als Polarisationsstellglied 47
kann z.B. ein in "Applied Physics Letters", Band 35, Seite 840 in Verbindung mit der Stabilisierung auf
einen bestimmten Polarisationszustand beschriebenes
/19
3116143
P 81 25
Stellglied eingesetzt- werden. Bei der Anordnung 40 gemäß
Fig. 3 ist es jedoch nicht erforderlich, auf einen genau definiertem Pularisationszustand ·/..M. den
Polaritätionszustand 11 v.u stabilisieren, sondern or,
genügt vielmehr, den Polarisationszustand des Licht-Stromes 34 auf lineare Polarisation beliebigen Azimuths
einzuregeln. Das Polarisationsstellglied wirkt auf den
dem Faserende 21 benachbarten Endabschnitt der Faser ein und erzeugt in Abhängigkeit von dem vom Regelverstärker
46 abgegebenen Ausgangssignal eine lineare Doppelbrechung, mit der der Polarisationszustand des
am Faserende austretenden Lichtstromes 34 in der gewünschten Weise modifizierbar ist.
Claims (9)
- 3116U9Max-Planck-Gesellschaft
zur Förderung der
Wissenschaften e.V.
Bunsenstr. 10
GöttingenP 81 25 16.03.1981Patentansprüche1J Faseroptische Anordnung zur Messung der Stärke eines elektrischen Stromes I unter Ausnutzung des Faraday-Effekts, mit einer den Strompfad in einer Anzahl von Windungen umgebenden, einen dem Magnetfeld des Stromes ausgesetzten Lichtweg markierenden optischen Faser, in die ein Lichtstrom definierten Polarisationszustandes einkoppelbar ist, der entlang dieses Lichtweges aufgrund des Faraday-Effekts eine stromabhängige Änderung seines Polarisationszustan-. des erfährt, und mit einer Polarisations-Meßeinrichtung, mit der der Polarisationszustand des Lichtes nach Durchlaufen des Lichtweges erfaßbar und ein für die Stromstärke charakteristisches Meßsignal erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des von der Einkoppelstelle (19) entfernten Endes (21) der optischen Faser (12) eine Reflexionseinrichtung (31; 42) vorgesehen ist, die das an diesem Ende (21) ankommende Licht mit demselben Polarisationszustand, mit dem es in die Reflexionseinrichtung (31; 42) eintritt, zurückwirft, und daß die PolarisationsrMeßeinrichtung (22; 44) den Polarisationszustand desjenigen Lichtstromes (33; 36) erfaßt, der, nachdem er an der Reflexionseinrichtung (31; 42) einer Reflexion unterworfen war, und den Lichtweg (12) insgesamt zwei mal durchlaufen hat, an der Einkoppelstelle (19) wieder austritt./2- 2 - P 81 - 2. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß im Rahmen der Reflexionseinrichtung als Reflexionsglied ein Spiegel (42) vorgesehen ist, daß eine den Polarisationszustand des auf den Spiegel (42) auftreffenden oder des von diesem zurückgeworfenen Lichtes erfassende und eine für diesen Polarisationszustand charakteristisches Ausgangssignal erzeugende Analysatoreinrichtung (44) vorgesehen ist, und daß ein auf das Ausgangssignal der Analysatoreinrichtung (44) ansprechendes Polarisationsstellglied (47) vorgesehen ist, das den Polarisationszustand des auf den Spiegel (42) treffenden bzw. von diesem zurückreflektierten Lichtes linear hält.
- 3. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (44) als Ausgangssignal ein für den zirkulären Polarisationsanteil des am Faserende (21) auftretenden Lichtstromes (34) charakteristisches Ausgangssignal erzeugt, und daß dieses Ausgangssignal als Fehlersignal einem Regelkreis (46, 47) zugeführt ist, der den Polarisationszustand des austretenden Lichtes auf lineare Polarisation stabilisiert.
- 4. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (42) in unmittelbarer Nähe des Faserendes (21) angeordnet und als teildurchlässiger Spiegel mit z.B. 98 bis 99 % Reflexionsvermögen (ca. 1 % Transmission) ausgebildet ist, daß die Analysatoreinrichtung (44) den Polarisationszustand des vom Spiegel (42) durchgelassenen Lichtes erfaßt, und daß als Stellglied (47) eine auf einem Endabschnitt der Faser (12) deren/33116U9- 3 - P 81 25Doppelbrechungseigenschaft beeinflussende Stellvorrichtung (47) vorgesehen ist.
- 5. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Analysatoreinrichtung (44) ein erstes Ausgangssignal erzeugt, das dem linkszirkular polarisierten Anteil des Lichtes proportional ist, und ein zweites Ausgangssignal, das dem rechtszirkulär polarisierten Anteil proportional ist, und daß ein die beiden Ausgangssignale der Analysatoreinrichtung (44) als Eingangssignale empfangender Differenzverstärker (56) vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal das für die Ansteuerung des Stellgliedes (47) benutzte Fehlersignal ist.
- 6. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Analysatoreinrichtung ein Polarimeter (44) vorgesehen ist, das eine *λ/4-Platte (48) und ein Wollaston-Prisma (49) umfaßt, deren Achsen um 45 gegeneinander verdreht sind, wobei die Λ/4-Platte (48) zwischen dem teildurchlässigen ebenen Spiegel (42) und dem Wollaston-Prisma (49) angeordnet ist, und daß zur Erfassung der Intensitäten der beiden Ausgangslichtströme (51 und 52) des Wollaston-Prismas (49) je eine Fotodiode (53 bzw. 54) vorgesehen ist.
- 7. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsstellglied (47) eine Druckvorrichtung ausgebildet ist, mit der die Faser (12) auf einen kurzen Endabschnitt mit einer Kraft zusammengedrückt wird, die sich additiv aus einem/43116H9- 4 - P 81konstanten Vorspannungsbetrag und einem zum Fehlersignal des Regelverstärkers (46) proportionalen, variablen Betrag zusammensetzt.
- 8. Faseroptische Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung zwei an der Faser (12) anliegende, diametral einander gegenüber angeordnete Druckbacken aufweist, auf die mittels eines Elektromagneten oder eines piezoelektrischen Stabes die fehlersignalproportionale Stellkraft ausübbar ist.
- 9. Faseroptische Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsstellglied ein elektro-optisches Element mit elektrisch steuerbarer Doppelbrechung, z.B. ein LiNbO-,-Kr is tall vorgesehen ist, der mit rechtwinklig zur Ausbreitungseinrichtung des Lichtes verlaufender optischer Achse, entlang der die Ausgangsspannung des Regelverstärkers anlegbar ist, zwischen dem Faserende (21) und der Reflexions-· einrichtung (4 2) angeordnet ist.
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