DE10101632A1 - Oszilloskoptastkopf mit faseroptischen Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen - Google Patents
Oszilloskoptastkopf mit faseroptischen Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer GrößenInfo
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Abstract
Der Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen moduliert im Sensorkopf (TX) das über einen Lichtleiter zugeführte Licht konstanter Intensität mit dem elektrischen Meßsignal mittels einer spannungsgesteuerten integrierten optischen Interferometeranordnung, die in einem elektrooptisch aktiven Kristall realisiert wurde. DOLLAR A Für den Sensorkopf (TX) wird keine elektrische Hilfsenergie benötigt. Am Ausgang des Sensorkopfes steht ein analoges optisches Signal zur Verfügung. Dieses optische Signal wird über eine Lichtleitfaser zu einer Empfängerbaugruppe (RX) übertragen, die das optische Signal wieder in ein äquivalentes elektrisches Signal umwandelt und einem Oszilloskop zuführt. DOLLAR A Alle Komponenten des Sensorkopfes (TX) sind in einem allseitig geschlossenen metallischen Gehäuse untergebracht.
Description
Oszilloskoptastköpfe üblicher Bauart bestehen aus einer Tastspitze zur
Adaptierung an den Prüfling, einer elektrischen Verbindungsleitung
zum Oszilloskop, sowie einer Baugruppe zur Anpassung der zu
messenden Spannungen an den Meßbereich des Oszilloskops
(Widerstandsteiler oder Verstärker).
Für die Messung von Spannungen auf einem zum Oszilloskop
unterschiedlichen Bezugspotential werden aktive Differenztastköpfe
benutzt.
Der damit maximal zu überbrückende Potentialunterschied (zwischen
Bezugspotential Oszilloskop und Bezugspotential Meßobjekt) wird
durch den max. Gleichtakteingangsspannungsbereich des
verwendeten Meßverstärkers bestimmt. Messungen auf sehr hohen
Spannungspotential sind damit nicht möglich. Ändert sich diese
Potentialdifferenz mit hoher Geschwindigkeit (hohe Spannungs
anstiegsgeschwindigkeit) führt dies zu Störeinkopplungen über die
elektrische Verbindungsleitung zum Oszilloskop (z. B. an
Schalttransistoren in Stromversorgungen und in der Antriebstechnik).
Die Messung von elektrischen Signalen in einer stark mit
elektromagnetischen Störfeldern verseuchten Umgebung führt zu
Störeinkopplungen in die Meßkabelanordnung.
"Erdschleifen", die durch den Erdschluß des Prüflings mit dem
Oszilloskop über die Meßleitung gebildet werden, führen ebenfalls zu
einer Verfälschung der Meßergebnisse, bzw. machen eine Messung
unmöglich.
Probleme treten ebenfalls auf, wenn z. B. im Rahmen einer
Störfestigkeitsuntersuchung ein Prüfling gezielt mit genormten
Störimpulsen beaufschlagt wird (z. B. Burst-Test). Durch die räumliche
Nähe, bzw. durch die elektrische Verbindungsleitung zum Oszilloskop
kommt es zu unerwünschten Störeinkopplungen in den Meßaufbau, so
daß eine sinnvolle Messung unmöglich sein kann.
Messungen am Prüfling im Rahmen einer Untersuchung zur
Störeinstrahlungsfestigkeit (HF-Bestrahlung) sind mit herkömmlichen
Tastköpfen ebenfalls nicht möglich, da es zu Störeinkopplungen in die
Meßkabelanordnung kommt.
Optoelektronische Oszilloskoptastköpfe mit aktiven elektronischen
Komponenten (Verstärker, LED, Laserdiode) im Sensorkopf benötigen
elektrische Energie für ihren Betrieb, die aus einer Batterie/Akkumulator
bereitgestellt werden muß.
Die Betriebsdauer dieser Stromquelle ist zeitlich begrenzt, d. h. es muß
in regelmäßigen Abständen eine neue Batterie in den Sensor
eingesetzt werden.
Dieser Batteriewechsel erschwert Langzeitmessungen bzw. macht
diese unmöglich (kontinuierliche Messungen).
Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem
zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein gegen oben
beschriebene elektrische Störung sicherer und potentialfreier Abgriff
analoger oder digitaler elektrischer Signale von einem Prüfling möglich
ist und dabei für den Betrieb des Sensorkopfes keine elektrische
Hilfsenergie benötigt wird.
Dieses Problem wird mit den im Patentanspruch aufgeführten
Merkmalen gelöst.
Der Oszilloskoptastkopf mit faseroptischen Sensor zur potentialfreien
Erfassung elektrischer Größen ist dadurch gekennzeichnet, daß
- - dem Sensorkopf (TX) über einen Lichtleiter (19) Energie in Form von Licht konstanter Intensität zugeführt wird, welches in einem elektrooptisch aktiven Kristall (6) entsprechend dem angelegten elektrischen Meßsignal in seiner Intensität moduliert wird.
- - dieses modulierte Meßsignals über eine Lichtleitfaser (14) zum Empfänger übertragen wird.
- - anschließend in der Empfängerbaugruppe (RX) das optische Signal wieder in ein äquivalentes elektrisches Signal gewandelt und einem Oszilloskop zugeführt wird.
- - für den Sensorkopf (TX) keine elektrische Hilfsenergie benötigt wird.
- - die Modulation der in den Sensorkopf eingespeisten Lichtwellen mittels einer spannungsgesteuerten integrierten optischen Interferometeranordnung realisiert wird.
- - das Meßsignal in der gesamten Anordnung analog übertragen wird.
- - das alle Komponenten des Sensorkopfes (TX) in einem allseitig geschlossenen metallischen Gehäuse untergebracht sind.
Mit der Erfindung wird erreicht, daß elektrische Meßsignale in
Verbindung mit einem Oszilloskop, auch in stark elektromagnetisch
gestörter Umgebung, störungsfrei erfasst werden können.
Auf Grund der optischen Signalübertragung über eine Lichtleitfaser
und der Energieversorgung des Sensorkopfes mittels unmodulierten
Lichts, ist es problemlos möglich elektrische Signale auf
unterschiedlichen Bezugspotentialen zu messen. Diese
Bezugspotentiale können sich dabei auch mit sehr hohen
Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten ändern, ohne daß es zu
Verfälschungen des Meßsignals kommt.
Da für den Sensorkopf keine elektrische Hilfsenergie benötigt wird,
sind beliebig lange Meßzeiten möglich. Außerdem ist ein sehr kleiner
und kompakter Aufbau des Sensorkopfes möglich, da Batterie und
Stromversorgungsbaugruppe nicht benötigt werden.
Auf Grund dessen, daß im Sensorkopf keine aktiven elektronischen
Komponenten (Verstärker, Transistoren, . . .) eingesetzt werden,
verbessert sich die Störfestigkeit der Anordnung erheblich.
Die Signalübertragung kann problemlos über sehr große Entfernungen
erfolgen, ohne daß es zu Störeinkopplungen kommt.
Damit sind auch ungefährliche, sichere und störungsfreie Messungen
in Hochspannungsanlagen möglich.
Durch die galvanisch getrennte Anordnung des Sensorkopfes und die
Übertragung des Meßsignals mittels Lichtleitfaser wird die Entstehung
von "Erdschleifen" in der Meßanordnung vermieden.
Auf Grund der geschlossenen metallischen Abschirmung des
Sensorkopfes, sowie der Signalübertragung mittels Lichtleiter, sind
auch störungsfreie Messungen unter dem Einfluß extrem starker
elektromagnetischer Störfelder möglich.
Die gewählte Anordnung gestattet die Erfassung analoger und digitaler
Meßsignale, damit ist ein universeller Einsatz in der
Oszilloskopmeßtechnik möglich.
Durch das gewählte analoge Übertragungsverfahren ergibt sich eine
hohe Übertragungsbandbreite, sowie die Möglichkeit kürzeste Impulse
zu erfassen und zu übertragen.
Die nahezu leistungslose Ansteuerung des faseroptischen Sensors
(rein kapazitiv) verursacht äußerst geringe Belastungen des
Meßobjekts.
Der Einsatz eines integriert-optischen Modulators auf der Basis einer
spannungsgesteuerten Interferometeranordnung hat den Vorteil, daß
für die Modulation nur sehr kleine Steuerspannungen benötigt werden.
Damit kann auf den Einsatz von Vorverstärkern zur Anpassung des
Meßsignals an den Sensor verzichtet werden.
Höhere zu messende Spannungen können bei Bedarf mit einem
Widerstandsteiler angepaßt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Abbildungen
Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.
Das zu messende Signal wird an die Eingangsbuchse (1) des
Sensorkopfes (TX) gelegt und anschließend in einem passiven
Widerstandsteiler (3) so angepaßt, daß es zur Ansteuerung des
elektrooptischen Wandlers (6) (Interferometer) geeignet ist.
Der von der Laserdiode (18) in die Single-Mode-Faser (19)
eingekoppelte Laserstrahl wird über die Lichtleitfaser (Single-Mode)
(19), die LWL-Steckverbinder (20) und die Faser (21) in die
Interferometeranordnung (6) eingespeist. Die Lichtwellen werden
anschließend gleichmäßig auf die beiden integrierten Lichtwellenleiter
(5) des elektrooptisch aktiven Kristalls (z. B. LiNbO3 oder KTP) (6)
aufgeteilt.
Durch Anlegen des angepaßten Meßsignals an die Elektroden (4) wird
der Brechungsindex in den beiden integrierten optischen Wellenleitern
(5) unterschiedlich in Abhängigkeit der Spannung verändert. Dies führt
zu unterschiedlichen Signallaufzeiten und damit zu einer
Phasenverschiebung der Lichtwellen gegeneinander. Nach dem
Zusammenführen der beiden Wellenleiter (5) kommt es zu
Interferenzen, d. h. es liegt in Abhängigkeit vom Meßsignal
helligkeitsmoduliertes Licht am Ausgang des elektrooptischen
Modulators an.
Dieses modulierte Licht wird in die Faser (22) eingekoppelt und über
die Steckverbinder (15) und Lichtleiterkabel (14) zur
Empfängerbaugruppe (RX) geleitet.
Alle Komponenten (1, 3, 4, 5, 6, 21, 22) des Sensorkopfes (TX) sind in
einem geschlossenen metallischen Gehäuse (2) untergebracht.
Die Lichtleitfaser (14) wird mittels Steckverbinder (15) an dem
elektrooptischen Wandler (6) des Sensorkopfes (TX), sowie an dem
optoelektronischen Wandler (8) der Empfängerbaugruppe (RX)
angeschlossen und stellt damit die Verbindung zur Übertragung des
Meßsignals her.
Das über den Lichtleiter (14) dem optoelektronischen Wandler (8)
zugeführte optische Signal wird wieder in ein elektrisches Signal
umgewandelt und nach Anpassung im Verstärker (7) dem Oszilloskop
(16) über einen Steckverbinder (13) zugeführt.
Die in der Empfängerbaugruppe (RX) benötigten
Versorgungsspannungen werden von einem separaten Steckernetzteil
(17) oder vom Oszilloskop bereitgestellt und von der
Stromversorgungsbaugruppe (11) angepaßt.
Für die Eichung der gesamten Meßanordnung steht ein
Kalibriergenerator (10), dessen Signal an der Buchse (12) abgegriffen
werden kann, zur Verfügung.
Die Komponenten der Empfängerbaugruppe (RX) sind in einem
geschlossenen metallischen Gehäuse (9) untergebracht.
Claims (1)
- Der Oszilloskoptastkopf mit faseroptischen Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen ist dadurch gekennzeichnet, daß
dem Sensorkopf (TX) über einen Lichtleiter Energie in Form von Licht konstanter Intensität zugeführt wird, welches in einem elektrooptisch aktiven Kristall entsprechend dem angelegten elektrischen Meßsignal in seiner Intensität moduliert wird,
dieses modulierte Meßsignals über eine Lichtleitfaser (14) zum Empfänger übertragen wird,
anschließend in der Empfängerbaugruppe (RX) das optische Signal wieder in ein äquivalentes elektrisches Signal gewandelt und einem Oszilloskop zugeführt wird,
für den Sensorkopf (TX) keine elektrische Energie benötigt wird,
die Modulation der in den Sensorkopf eingespeisten Lichtwellen mittels einer spannungsgesteuerten integrierten optischen Interferometeranordnung realisiert wird,
das Meßsignal in der gesamten Anordnung analog übertragen wird,
das alle Komponenten des Sensorkopfes (TX) in einem allseitig geschlossenen metallischen Gehäuse untergebracht sind.
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