JP3611409B2

JP3611409B2 - Electric field sensor

Info

Publication number: JP3611409B2
Application number: JP27549796A
Authority: JP
Inventors: 祐一戸叶
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1996-09-25
Filing date: 1996-09-25
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2016-09-25
Also published as: JPH10104295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電波や電磁ノイズの測定に用いられる電界センサに関し、特に、電磁波による電界強度を測定するための、および放送電波等の特定周波数の信号電波の受信アンテナとして機能する電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンピュータ等の情報機器や通信機器、あるいはロボット等のＦＡ機器、自動車、鉄道等の制御器など多くの電気機器は、外部からの電磁ノイズによって誤動作などの影響を受ける危険を常にもっている。従って、ＥＭＣ分野においては、外部の電磁環境や影響を及ぼすようなノイズの大きさ、また自らが発生するノイズ等を正確に測定することが重要となっている。
【０００３】
上述のような電磁ノイズの測定には、従来、（ａ）通常のアンテナを用いて受信し、導電ケーブルで測定器まで導く方法、（ｂ）アンテナによって受信した信号を検波して、発光ダイオードによって光信号に変換し光ファイバで測定器まで導く方法、（ｃ）印加される電界強度に応じて、入射した光の強度が変化して出射するように構成された光学素子を用いて電界強度変化を光強度変化に変換し、光ファイバを通じて受光器まで導く方法がある。
【０００４】
（ａ）のアンテナを用いる方法は、古くから採り入れられ、最も一般的な方法であるが、長い距離にわたる導電ケーブル等の存在により、電界分布が乱れてしまったり、ケーブル途中からのノイズ混入の恐れがあるなどの問題があったため、光ファイバを用いた上記（ｂ）、（ｃ）の方法が開発されている。
【０００５】
（ｂ）の方法は、ダイオードで検波した信号を増幅して発光ダイオードに加え、光信号に変換して光ファイバで受光器に導くものであるが、センサヘッド部に電気回路やバッテリを必要とし、形状が大きくなってしまい、また、電界の検出感度が低く、応答速度が遅いという欠点がある。
【０００６】
（ｃ）の方法では、電界強度を透過光の強度変化に変換する光学素子として電気光学効果を有する結晶を用いている。その素子構造には、バルク素子と導波路型素子の２種類がある。前者は、光ファイバの出射光をレンズで平行光として、アンテナと接続した電極を取り付けた結晶中を通過させて結晶中の電界により偏光状態を変化させ、検光子で強度変化に変換した後、再び光ファイバに結合するバルク素子である。後者の導波路型素子は、結晶基板に設けた光導波路により構成される。通常、導波路型の方がバルク型よりも１０倍以上検出感度が高い。導波路型の電界センサ用基板結晶には、電気光学定数の高いニオブ酸リチウム単結晶が一般に使われている。
【０００７】
図５は、電気光学効果による電界センサの構成を示す図である。図６は、導波路型のセンサヘッド９の構成を示す図である。図６に示すように、センサヘッド９は、ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム単結晶の基板１０上に入出射光導波路２４、そこから分岐した位相シフト光導波路２５、および２本の位相シフト光導波路２５の端面に形成した反射部２６から形成されている。入出射光導波路２４の端には、偏波面保持ファイバ１６が結合されている。また、位相シフト光導波路２５上には、一対の変調電極２７が設置され、導電ケーブル４４を経由してアンテナ４１に接続されている。
【０００８】
光源５からシングルモードファイバ１５を通ったセンサヘッド９の入射光は、入出射光導波路２４に入射した後、二つの位相シフト光導波路２５にエネルギーが分割され、反射部２６で反射されてもとの光路をもどる。電界が印加された場合、アンテナ４１により変調電極２７に電圧が誘起されて、二つの位相シフト光導波路２５中には、深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じる。その結果、二つの光波間で印加電界の大きさに応じて位相差が生じ、印加電界強度に応じて入出射光導波路２４端から再び出射される出射光の強度は変化する。この出射光は、光サーキュレータ６によって入射光と分離され、受光器７に入射し、電気信号に変換の上で測定器８によって印加電界の強度が測定される。この構成の場合、センサヘッド９と受光器７は、光ファイバで接続されているため、長距離でも減衰は少なく、また伝送路と環境との間のノイズの授受がないなどの特徴がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電磁ノイズ発生源の特定、およびその電界の正確な測定および解析は、電気機器の誤動作の原因究明、除去、若しくは予防に不可欠であることは論を待たない。従来の電界センサは、直線状のダイポールアンテナをはじめとして、広い空間の電界計測に偏重して対象としていたきらいは否定できない。一般に、放射される電界は、電磁波を放射する対象物に近接し、かつ該対象物表面に垂直に計測することが望ましい。
【００１０】
本発明は、かかる背景のもと、必ずしも平面ではない形状をなす電磁波発生物体についても、当該表面形状に沿って感度の高い電界測定を可能とする電界センサを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、印加される電界強度に応じて、入射する光の強度が変化して出射するように構成されたセンサヘッド、センサヘッドの入射光の光源、センサヘッドからの出射光を検出する受光器、光源からセンサヘッドまでおよびセンサヘッドから受光器までの光の伝送路をなす光ファイバ、および、印加電界を受信しセンサヘッドに入力するアンテナから構成される電界センサにおいて、アンテナは、シート状の形状記憶合金から構成され、センサヘッドまたはこのセンサヘッドを収容するパッケージの両側面に対称に取り付けられ、電磁波を放射する被計測物の曲面の表面形状に倣って変形させて、電界強度を測定するよう構成されている電界センサである。
【００１４】
さらに、本発明は、センサヘッドが電気光学効果を示す基板上に形成された分岐干渉型光導波路、および分岐干渉型光導波路の２本の位相シフト光導波路の近傍に配置した変調電極から構成される光導波路素子型センサヘッドの電界センサである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１６】
まず、本発明の第１の実施の形態について説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態である電界センサの構成を示す図である。図１において、センサヘッド９は、パッケージ１１に収納されており、パッケージ１１の両側面には、一対のシート状アンテナ１２が対称に固定されている。また、シート状アンテナ１２は、パッケージ１１内部でセンサヘッド９の変調電極に接続されている。シート状アンテナ１２は、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金から構成されている。
【００１８】
また、図１において、電界の被測定物３０は、円柱形状をなしており、パッケージ１１をこれに近接させてシート状アンテナ１２をこの被測定物３０の外形に倣った形状に変形させることができる。また、パッケージ１１、またはシート状アンテナ１２を粘着テープ等によって被測定物３０に固定することもできる。シート状アンテナ１２は、容易に変形させることができ、使用後は相変態温度以上に加熱すればもとの形状に回復し、または折り畳んで小さくできるなど、使用上の利便性および耐久性において優れている。
【００１９】
本発明による電界センサでは、センサヘッド９がシート状アンテナ１２と実質一体となっているほか、シート状アンテナ１２を被測定物３０に近接させることによって、センサヘッド９とシート状アンテナ１２の間での検出対象外であるノイズの侵入を避けられ、かつ高感度での電界測定が可能となる。なお、図３は、図１に対比するために引用した平板形状をなし、変形しにくいアンテナ１３の図である。図３に示されるアンテナ１３を使った場合と比較して、図１の構成の電界センサの検出感度は３ｄＢ高いことが実証された。
【００２０】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００２１】
図２は、本発明の第２の実施の形態でダイポールアンテナ１４に適用した電界センサの構成を示す図である。図２に示すように、センサヘッド９を収納したパッケージ１１の両側面にダイポールアンテナ１４を固定した電界センサも、形状記憶合金からなるアンテナとすることにより、図１に示した電界センサの場合と同様の効果をもたらす。図４は、図２に対比するために引用した直線形状で変形しにくいダイポールアンテナ１４の図である。
もちろん、アンテナを、例えば、アルミニウムやステンレススチール等で、かつ形状を変形しやすいような素材で構成することとすれば、前記のように、アンテナを被測定物の表面形状に倣って変形させることもできる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、必ずしも平面ではない形状をなす電磁波発生物体についても、アンテナを近接するとともに当該表面形状に倣った形状に変形させることによって、感度の高い電界測定を可能とする電界センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である電界センサの構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態である電界センサの構成図。
【図３】図１に対比するために引用した平板形状で変形しにくいアンテナの図。
【図４】図２に対比するために引用した直線形状で変形しにくいダイポールアンテナの図。
【図５】電気光学効果による光電界センサの構成図。
【図６】導波路型のセンサヘッドの構成図。
【符号の説明】
５光源
６光サーキュレータ
７受光器
８測定器
９センサヘッド
１０基板
１１パッケージ
１２シート状アンテナ
１３アンテナ
１４ダイポールアンテナ
１５シングルモードファイバ
１６偏波面保持ファイバ
２４入出射光導波路
２５位相シフト光導波路
２６反射部
２７変調電極
３０被測定物
４１アンテナ
４２バルン
４４導電ケーブル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric field sensor used for measurement of radio waves and electromagnetic noise, and more particularly to an electric field sensor for measuring electric field strength due to electromagnetic waves and functioning as a receiving antenna for signal radio waves of a specific frequency such as broadcast radio waves.
[0002]
[Prior art]
Many electrical devices such as information devices such as computers and communication devices, FA devices such as robots, and controllers such as automobiles and railways always have a risk of being affected by malfunctions due to external electromagnetic noise. Therefore, in the EMC field, it is important to accurately measure the magnitude of noise that affects the external electromagnetic environment and the noise generated by itself, and the like.
[0003]
For the measurement of electromagnetic noise as described above, conventionally, (a) a method of receiving using a normal antenna and guiding it to a measuring device with a conductive cable, (b) detecting a signal received by the antenna and using a light emitting diode A method of converting to an optical signal and guiding it to a measuring instrument with an optical fiber; (c) electric field strength change using an optical element configured to change the intensity of incident light depending on the applied electric field strength There is a method of converting the light into a light intensity change and guiding it to a light receiver through an optical fiber.
[0004]
The method using the antenna of (a) has been adopted for a long time and is the most general method. However, the electric field distribution may be disturbed due to the presence of a conductive cable or the like over a long distance, or noise may be mixed in from the middle of the cable. Because of the problems such as the above, the methods (b) and (c) using an optical fiber have been developed.
[0005]
The method (b) amplifies the signal detected by the diode, adds it to the light emitting diode, converts it to an optical signal, and guides it to the light receiver by an optical fiber. However, an electric circuit or a battery is required for the sensor head. However, there are disadvantages that the shape becomes large, the electric field detection sensitivity is low, and the response speed is slow.
[0006]
In the method (c), a crystal having an electro-optic effect is used as an optical element that converts electric field strength into transmitted light intensity change. There are two types of element structures, bulk elements and waveguide elements. In the former, the light emitted from the optical fiber is converted into parallel light by a lens, passed through a crystal to which an electrode connected to an antenna is attached, the polarization state is changed by an electric field in the crystal, and converted into an intensity change by an analyzer. It is a bulk element that couples to the optical fiber again. The latter waveguide type element is constituted by an optical waveguide provided on a crystal substrate. Usually, the waveguide type has a detection sensitivity 10 times higher than that of the bulk type. A lithium niobate single crystal having a high electro-optic constant is generally used for a waveguide type substrate crystal for an electric field sensor.
[0007]
FIG. 5 is a diagram illustrating a configuration of an electric field sensor based on the electro-optic effect. FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the waveguide type sensor head 9. As shown in FIG. 6, the sensor head 9 includes an input / output optical waveguide 24, a phase shift optical waveguide 25 branched therefrom, and two phases on a lithium niobate single crystal substrate 10 cut out perpendicular to the c-axis. The reflecting portion 26 is formed on the end face of the shift optical waveguide 25. A polarization maintaining fiber 16 is coupled to the end of the input / output optical waveguide 24. A pair of modulation electrodes 27 is installed on the phase shift optical waveguide 25 and connected to the antenna 41 via a conductive cable 44.
[0008]
The incident light of the sensor head 9 that has passed through the single mode fiber 15 from the light source 5 enters the input / output optical waveguide 24, and then energy is divided into two phase shift optical waveguides 25 and reflected by the reflection unit 26. Return to the light path. When an electric field is applied, a voltage is induced in the modulation electrode 27 by the antenna 41, and electric field components in opposite directions in the depth direction are generated in the two phase shift optical waveguides 25. As a result, a phase difference is generated between the two light waves according to the magnitude of the applied electric field, and the intensity of the outgoing light re-emitted from the end of the incoming / outgoing optical waveguide 24 changes according to the applied electric field intensity. The emitted light is separated from the incident light by the optical circulator 6, enters the light receiver 7, is converted into an electric signal, and the intensity of the applied electric field is measured by the measuring device 8. In the case of this configuration, since the sensor head 9 and the light receiver 7 are connected by an optical fiber, there is a feature that there is little attenuation even over a long distance, and there is no transfer of noise between the transmission path and the environment.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
It goes without saying that the identification of the source of electromagnetic noise and the accurate measurement and analysis of the electric field are indispensable for investigating the cause, removing, or preventing the malfunction of electrical equipment. The conventional electric field sensor cannot be denied the object of focusing on the measurement of electric fields in a wide space including a linear dipole antenna. In general, it is desirable to measure the radiated electric field close to an object that emits electromagnetic waves and perpendicular to the surface of the object.
[0010]
The present invention is to provide an electric field sensor capable of measuring an electric field with high sensitivity along the surface shape of an electromagnetic wave generating object having a shape that is not necessarily a flat surface.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a sensor head configured so that the intensity of incident light changes in accordance with the applied electric field intensity, the light source of incident light of the sensor head, and the sensor head An electric field composed of a light receiver that detects light emitted from the light source, an optical fiber that forms a light transmission path from the light source to the sensor head and from the sensor head to the light receiver, and an antenna that receives the applied electric field and inputs it to the sensor head In the sensor, the antenna is made of a sheet-like shape memory alloy, is mounted symmetrically on both sides of the sensor head or a package that accommodates the sensor head, and follows the curved surface shape of the object to be measured that emits electromagnetic waves. An electric field sensor configured to be deformed to measure electric field strength .
[0014]
Furthermore, the present invention is composed of a branched interference optical waveguide whose sensor head is formed on a substrate exhibiting an electro-optic effect, and a modulation electrode disposed in the vicinity of the two phase shift optical waveguides of the branched interference optical waveguide. This is an electric field sensor of an optical waveguide element type sensor head.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0016]
First, a first embodiment of the present invention will be described.
[0017]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an electric field sensor according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the sensor head 9 is housed in a package 11, and a pair of sheet antennas 12 are fixed symmetrically on both side surfaces of the package 11. The sheet-like antenna 12 is connected to the modulation electrode of the sensor head 9 inside the package 11. The sheet-like antenna 12 is made of a Ti—Ni-based shape memory alloy.
[0018]
In FIG. 1, an object to be measured 30 of an electric field has a cylindrical shape, and the sheet antenna 12 can be deformed into a shape following the outer shape of the object to be measured 30 by bringing the package 11 close to the object. it can. Further, the package 11 or the sheet antenna 12 can be fixed to the object to be measured 30 with an adhesive tape or the like. The sheet-like antenna 12 can be easily deformed, and after use, it can be restored to its original shape if heated to a temperature higher than the phase transformation temperature, or can be folded and made small. ing.
[0019]
In the electric field sensor according to the present invention, the sensor head 9 is substantially integrated with the sheet-like antenna 12, and the sheet-like antenna 12 is brought close to the object 30 to be measured between the sensor head 9 and the sheet-like antenna 12. Intrusion of noise, which is not a detection target, can be avoided and electric field measurement can be performed with high sensitivity. Note that FIG. 3 is a diagram of the antenna 13 which has a flat plate shape referred to for comparison with FIG. Compared to the case of using the antenna 13 shown in FIG. 3, it was demonstrated that the detection sensitivity of the electric field sensor having the configuration of FIG. 1 is 3 dB higher.
[0020]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0021]
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the electric field sensor applied to the dipole antenna 14 in the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the electric field sensor in which the dipole antenna 14 is fixed to both side surfaces of the package 11 in which the sensor head 9 is housed is also an antenna made of a shape memory alloy, so that the electric field sensor shown in FIG. Bring the same effect. FIG. 4 is a diagram of the dipole antenna 14 which is quoted for comparison with FIG.
Of course, if the antenna is made of, for example, aluminum or stainless steel and is made of a material whose shape is easily deformed, the antenna can be deformed according to the surface shape of the object to be measured as described above. You can also.
[0022]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a highly sensitive electric field measurement can be performed on an electromagnetic wave generating object having a shape that is not necessarily flat by changing the antenna close to the surface and following the surface shape. An electric field sensor can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric field sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of an electric field sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram of an antenna which is quoted for comparison with FIG. 1 and is hardly deformed.
FIG. 4 is a diagram of a dipole antenna which is quoted for comparison with FIG. 2 and is difficult to deform.
FIG. 5 is a configuration diagram of an optical electric field sensor based on an electro-optic effect.
FIG. 6 is a configuration diagram of a waveguide type sensor head.
[Explanation of symbols]
5 Light source 6 Optical circulator 7 Light receiver 8 Measuring instrument 9 Sensor head 10 Substrate 11 Package 12 Sheet antenna 13 Antenna 14 Dipole antenna 15 Single mode fiber 16 Polarization plane holding fiber 24 Incoming / outgoing optical waveguide 25 Phase shift optical waveguide 26 Reflector 27 Modulation electrode 30 DUT 41 Antenna 42 Balun 44 Conductive cable

Claims

印加される電界強度に応じて、入射する光の強度が変化して出射するように構成されたセンサヘッド、該センサヘッドの入射光の光源、前記センサヘッドからの出射光を検出する受光器、前記光源から前記センサヘッドまでおよび該センサヘッドから前記受光器までの光の伝送路をなす光ファイバ、および印加電界を受信し前記センサヘッドに入力するアンテナから構成される電界センサにおいて、前記アンテナは、シート状の形状記憶合金から構成され、前記センサヘッドまたは該センサヘッドを収容するパッケージの両側面に対称に取り付けられ、電磁波を放射する被計測物の曲面の表面形状に倣って変形させて、前記電界強度を測定するよう構成されていることを特徴とする電界センサ。 A sensor head configured to emit with the intensity of incident light changed according to the applied electric field intensity, a light source of incident light of the sensor head, a light receiver for detecting the emitted light from the sensor head, In the electric field sensor comprising an optical fiber that forms a light transmission path from the light source to the sensor head and from the sensor head to the light receiver, and an antenna that receives an applied electric field and inputs the applied electric field to the sensor head, the antenna is , Composed of a sheet-like shape memory alloy , attached symmetrically to both side surfaces of the sensor head or a package containing the sensor head, and deformed in accordance with the curved surface shape of the object to be measured that radiates electromagnetic waves, An electric field sensor configured to measure the electric field strength .

前記センサヘッドは、電気光学効果を示す基板上に形成された分岐干渉型光導波路、および該分岐干渉型光導波路の２本の位相シフト光導波路の近傍に配置した変調電極から構成された光導波路素子型センサヘッドであることを特徴とする請求項１記載の電界センサ。The sensor head comprises a branched interference type optical waveguide formed on a substrate exhibiting an electro-optic effect, and an optical waveguide composed of modulation electrodes arranged in the vicinity of the two phase shift optical waveguides of the branched interference type optical waveguide 2. The electric field sensor according to claim 1 , wherein the electric field sensor is an element type sensor head.