Использование оптического эффекта Поккельса для измерения физических величин

Содержание Введение

1. Использование оптического Эффекта Поккельса для измерения оптических величин

1.1 Эффект Поккельса

2. Пример технического средства измерения основанного на эффекте Поккельса

2.1 Ячейка Поккельса

2.2 Применение эффекта Поккельса

2.3 Схема технического средства измерения напряжения

3. Погрешность измерения напряжения с использованием эффекта Поккельса

3.1 Условия эксплуатации оптико-электронного трансформатора напряжения

3.2 Погрешность измерения оптико-электронного трансформатора напряжения Заключение Список использованных источников

Введение

Большое практическое распространение получили временные модуляторы, в основе работы которых лежит эффект Поккельса — изменение показателя преломления вещества под действием внешнего электрического поля. Причем это изменение пропорционально первой степени величины электрического поля, что возможно только в анизотропных средах. Отсюда и название — линейный электрооптический эффект. Модуляторы света, в основе действия которых лежит эффект Поккельса, обладают весьма высоким быстродействием: порядка 10−10−10−11 с. Это дает возможность помимо использования модуляторов для передачи информации формировать световые сигналы сложной формы или световые импульсы с очень коротким фронтом. Применение управляющего сигнала с определенной частотной зависимостью позволяет использовать модулятор в качестве синтезатора спектра, что находит применение при решении некоторых физических задач.

В курсовой рассматривается применение эффекта Поккельса для измерения напряжения.

1. Использование оптического Эффекта Поккельса для измерения физических величин

1.1 Эффект Поккельса Возникновение двойного лучепреломления в кристалле при наложении Э/поля в направлении распространения света называется эффектом Поккельса.

Эффект Поккельса (электрооптический эффект Поккельса) — это явление возникновения двойного лучепреломления в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля.

Эффект Поккельса может наблюдаться только в кристаллах, не обладающих центром симметрии: в силу линейности при изменении направления поля эффект должен менять знак, а это невозможно в центрально-симметричных телах. Эффект хорошо заметен на кристаллах ниобата лития или арсенида галлия.

Эффект назван в честь Карла Альвина Поккельса, изучившего это явление в 1893 году.

Эффект Поккельса заключается в возникновении двухлучепреломления поляризованного света, распространяющегося в диэлектрике, помещенном в электрическом поле. Структурная схема эффекта представлена на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 — Структурная схема эффекта

Линейный электрооптический эффект Поккельса наблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле. В зависимости от направления вектора напряженности электрического поля возникает продольный или поперечный эффекты Поккельса. Продольный эффект сильнее всего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH₄H₂PO₄ или гидрофосфата калия KH₂PO₄. Поперечный эффект сильно проявляется в кристаллах ниобата лития LiNbO₃.

2. Пример технического средства основанного на Эффекте Поккельса

2.1 Ячейка Поккельса На рисунке 2 показана ячейка Поккельса, в которой наблюдается продольный эффект Поккельса.

Рисунок 2.1 — Ячейка Поккельса

J₀ и J — интенсивность света на входе и выходе ячейки Поккельса .

Электрическое поле в кристалле 1 может быть создано при помощи кольцевых электродов 2, к которым приложено напряжение U.

Очень быстрое время отклика (теоретически до пикосекунд) является одним из основных преимуществ ЭО ячеек Покельса над другими типами оптических модуляторов. Но на практике возникают ограничения, связанные с емкостью ячейки и возникающими отсюда проблемами создания соответствующих генераторов управляющих напряжений (драйверов) для работы на высоких частотах (до 1 ГГц). Следует иметь в виду, что ЭО коэффициенты уменьшаются на высоких частотах. На высоких частотах следует также принимать в расчет диэлектрические потери в кристалле. В последнее время для модуляции добротности твердотельных лазеров с высокой импульсной мощностью успешно применяется кристалл ВВО. Следует отметить, что электрооптические ячейки могут применяться не только для непосредственной модуляции светового потока, например, в лазерных системах, но и в качестве чувствительных элементов датчиков электрических полей (электрооптические сенсоры). В частности, для систем измерения высоких напряжений могут использоваться ячейки Покельса на кристаллах ортогерманата висмута (Bi4Ge3O12) с волоконным вводом — выводом светового излучения, обеспечивающее хорошую гальваническую развязку и высокую помехоустойчивость. Для аналогичных целей могут также применяться кристаллы Bi12GeO20 и Bi13SiO20.

Характеристика и параметры измерительного устройства определяются прежде всего характеристиками ячеек Поккельса, из которых важнейшими являются следующие.

Предельное напряжение, прилагаемое к электрооптическому кристаллу, определяется его электрической прочностью и на практике ограничивается несколькими киловольтами. Поэтому при измерении более высоких напряжений применяют делитель напряжения, к которому подключается ячейка Поккельса.

Частотная характеристика ячейки Поккельса разделяется на три области:

— область низких частот, от 0 до резонансных. Частотная характеристика в этой области линейна;

— область частот вблизи основной частоты пьезоэлектрического резонанса. Эффект Поккельса характерен только для пьезоэлектрических кристаллов, которые на определенной частоте, обусловленной размерами основного сечения кристалла, резонируют. Это приводит к тому, что в частотной характеристике на резонансной частоте появляются выбросы (пьезозвоны). Демпфирование этих колебаний осуществляется механическим зажатием кристалла;

— область высоких частот за основной резонансной частотой. Эта область характеризуется уменьшением чувствительности ячейки на 4% по сравнению с областью низких частот и простирается до 10¹⁰ Гц. Частотная характеристика в этой области практически линейна.

Мощность, потребляемая ячейкой, мала, так как проводимость кристалла незначительна (удельное сопротивление дегидрофосфата калия 10¹⁰ Омсм), а емкость ячейки не превышает нескольких пикофарад.

Световой пучок, проходящий сквозь ячейку, должен иметь очень малое расхождение, так как при распространении света в кристалле наклонно к его оптической оси функция искажается из-за наличия естественного двулучепреломления. Допустимый угол расхождения светового пучка должен быть тем меньше, чем больше толщина кристалла, и при толщине его 10 мм не должен превышать .

Большим достоинством ячейки Поккельса является практически неограниченный срок службы, возможность работать в широком диапазоне температур. Ячейка может работать в немонохроматическом свете.

2.2 Применение эффекта Поккельса Оптико-электронное устройство для измерения мощности, содержащее монохроматический источник излучения, магнитооптическую ячейку Фарадея с поляризатором и анализатором, фотоприемник и усилитель с нагрузкой в выходной цепи, отличающийся тем, что с целью повышения точности измерения, оно снабжено последовательной цепочкой элементов, состоящей из четвертьволновой пластины, электрооптической ячейки Поккельса и дополнительного анализатора, установленной между анализатором ячейки Фарадея и фотоприемником.

Модулятор света, включающий полупроводниковую структуру, генерирующую домены сильного поля, вся или часть боковой поверхности которой покрыта диэлектриком, отличающийся тем, что для расширения частотного диапазона модулируемого излучения, уменьшения потерь и увеличения коэффициента модуляции, диэлектрическое покрытие выполнено из материала с константой электрооптического эффекта большей, чем у материала полупроводниковой структуры.

2.3 Схема технического средства измерения напряжения Устройство для измерения напряжений на объектах, находящихся под высоким потенциалом, называется оптико-электронным трансформатором напряжения (ОЭТН).

Структурная схема ОЭТН, предназначенного для измерения напряжения на разрыве многоразрывного выключателя, заземленного на одном выводе, показана на рисунке 3. ОЭТН подключен к конденсаторам IV, шунтирующим разрывы выключателя, через емкостной делитель ячейки III.

Рисунок 2.2 — Структурная схема ОЭТН Линейно поляризованный луч лазера 1 проходит через поляризаторы 11 и 12, служащие для регулировки чувствительности ОЭТН. Пластинка 2 на пути луча создает начальную рабочую точку на середине линейной части характеристики. Затем луч проходит ячейку Поккельса 3, поляризатор 4 и с помощью призм 5 и 6 возвращается на землю к фотоэлектронному умножителю (ФЭУ) 7. Выходное напряжение снимается с нагрузочного резистора 9. Фототок измеряется с помощью прибора 8 и осциллографа 10. Питание лазера и ФЭУ производится от стабилизированных источников питания 13 и 14. Блок I находится на высоком потенциале, блок II — на низком.

поккельс оптический электронный трансформатор

3. Погрешность измерения напряжения с использованием Эффекта Поккельса

3.1 Условия эксплуатации оптико-электронного трансформатора напряжения Оптико-электронный трансформатор напряжения предназначен в первую очередь для измерения фазного напряжения в высоковольтном устройстве, с целью питания аппаратуры релейной защиты и измерительных приборов. В случае необходимости проведения высокочастотных измерений при проведении исследований, делители напряжения применяемые для этих целей, не удовлетворяют предъявляемым требованиям точности, достоверности и надежности из-за ряда присущих им недостатков. К ним относятся наличие паразитной емкости относительно земли, некоторая индуктивность сопротивлений, возникновение значительных наводок на цепи заземления, что ограничивает не только точность, но и полосу пропускания по частоте. При исследовании импульсных напряжений это обстоятельство может оказаться решающим. Особенно сильно указанные недостатки проявляются при сверхвысоких напряжениях 750 кВ и при проведении исследований распределения напряжений по изоляционным элементам конструкций высоковольтных аппаратов и устройств, когда делители напряжений должны выполняться по сложной схеме с большим числом элементов, что снижает его точность и надежность.

В качестве основного элемента оптико-электронного ТН (ОЭТН) принята ячейка Поккельса. Из сравнения работы ячеек Поккельса и использующихся также для измерения напряжений высоковольтных установок модуляторов света, основанных на эффекте Керра, вытекают значительные преимущества первой. Они заключаются в лучшей модуляционной характеристике, доступности в технической реализации, долговечности, работоспособности в широком температурном диапазоне.

Существенным недостатком способа измерения напряжения, использующим модулятор Керра, является то, что интенсивность луча света (носителя информации) является нелинейной. Поэтому полученные осциллограммы приходится расшифровывать графическим способом.

ОЭТН измеряет напряжения 750 и 1150 кВ.

3.2 Погрешность измерения оптико-электронного трансформатора напряжения Отличительной особенностью схемы ОЭТН является то, что приемник излучения и источник света располагаются на потенциале земли, а в зоне высокого потенциала размещаются только первичный измерительный преобразователь — ячейка Поккельса и необходимые элементы оптики, не вносящие погрешности в результат измерения напряжения.

Коррекция погрешностей возможна автоматическая, путем применения термосопротивлений, работающих в температурных условиях ячейки Поккельса. Кроме того, возможна коррекция погрешностей путем введения поправок на воздействие температуры после каждого измерения (использование микроЭВМ). Для этого должна быть снята градуировочная кривая измерительного устройства для рабочего диапазона температур.

Параметры ячейки Поккельса при ее проектировании могут быть определены ориентировочно, так как они зависят от ряда обстоятельств: толщины кристалла, количества и характера примесей в кристалле, способов выполнения и расположения электродов, температуры окружающей среды, влажности и т. д. После ориентировочного определения параметры ячейки затем уточняются экспериментом или контрольными обмерами.

Заключение

В результате выполнения курсовой работы, проведен анализ существующего метода и технического средства измерения, основанного на эффекте Поккельса.

Изучено устройство оптико-электронного трансформатора напряжения, обладающее рядом недостатков и достоинств:

Недостатки:

— В случае необходимости проведения высокочастотных измерений при проведении исследований, делители напряжения применяемые для этих целей, не удовлетворяют предъявляемым требованиям точности, достоверности и надежности из-за ряда присущих им недостатков. К ним относятся наличие паразитной емкости относительно земли, некоторая индуктивность сопротивлений, возникновение значительных наводок на цепи заземления, что ограничивает не только точность, но и полосу пропускания по частоте. При исследовании импульсных напряжений это обстоятельство может оказаться решающим. Особенно сильно указанные недостатки проявляются при сверхвысоких напряжениях 750 кВ и при проведении исследований распределения напряжений по изоляционным элементам конструкций высоковольтных аппаратов и устройств, когда делители напряжений должны выполняться по сложной схеме с большим числом элементов, что снижает его точность и надежность Достоинства:

— ширина спектра воспроизводимых сигналов, которая ограничивается только предельным быстродействием светоизлучателя, фотоприемника и усилительных устройств.

— простота изоляции устройства, поскольку передача сигналов происходит с помощью света.

Список использованных источников

1. Топорков Д. К. Изучение эффекта Поккельса и модуляции света: описание лабораторной работы по физической оптике / Д. К. Топорков — Новосибирск, 2003. — 24с.

2. Денисов С. А. Указатель физических эффектов и явлений/ С. Денисов — 1979. — 52 с.

3. Попов М. А. Первичные преобразователи автоматизированных систем подвижного состава железных дорог / М.А. попов — Хабаровск, 2010. — 165 с.

4. Elan [Электронный ресурс] - Санкт-Петербург, 2006.

5. Схемы.net [Электронный ресурс]

6. Щеглов Н. В. Измерения на высоком напряжении / Н. В. Щеглов — Новосибирск, 2006. — 122 с.