DE10101632B4

DE10101632B4 - Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen

Info

Publication number: DE10101632B4
Application number: DE10101632A
Authority: DE
Inventors: Mathias Schumann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2001-01-16
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2021-01-17
Also published as: DE20011084U1; US6603891B2; DE10101632A1; US20020018609A1

Abstract

Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen, der über einen Lichtleiter Energie ausschließlich in Form von Licht konstanter Intensität erhält, welches in einem elektrooptisch aktiven Kristall entsprechend einem angelegten elektrischen Messsignal in seiner Intensität moduliert wird, das modulierte Lichtsignal über eine Lichtleitfaser zu einem Empfänger übertragen wird, in dem Empfänger in ein äquivalentes elektrisches Signal gewandelt und einem Oszilloskop zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Sensorkopf eingespeisten Lichtwellen mittels einer spannungsgesteuerten integrierten optischen Interferometeranordnung moduliert werden und die Signalübertragung in der gesamten Anordnung analog erfolgt.

Description

Stand der Technik:
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 Spannungsanstiegsgeschwindigkeit) 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).

Aus der WO 89/09413 A1 ist ein Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sen- sor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen bekannt, dessen Sensorkopf einen elektrooptischen Kristall aufweist, mittels dessen zugeführtes Licht erster Polarisation durch die Einwirkung eines elektrischen Feldes in seiner Polarisation beeinflusst wird. Sowohl der zugeführte als auch der reflektierte, beeinflusste Lichtstrahl werden über ein optisches System zu einem Detektor geleitet und in diesem verglichen, wobei der Unterschied der Polarisationen, in eine elektrische Größe umgewandelt, den zu messenden Wert widerspiegelt. Die Übertragung der Lichtwellen zwischen der Lichtquelle und dem Tastkopf sowie zwischen dem Tastkopf und dem Detektor erfolgt mittels Lichtwellenleitern.

Aus der US 5,465,043 A ist ferner ein Messkopf und eine Messeinrichtung zur potential- und störfreien Erfassung der Intensität eines elektrischen Feldes oder des absoluten Wertes einer Spannung bekannt. Dieser bekannte Messkopf nutzt mit der bekannten Einrichtung den elektrooptischen Effekt, indem die Veränderung der Lichtpolarisation die Feldstärke bzw. den Spannungswert widerspiegelt. Der Messkopf besteht aus elektrooptischem Halbleitermaterial, dessen zum Messobjekt weisende Oberfläche mit einem Film aus leitenden Material zur Abschirmung gegen Störeinflüsse versehen ist, der eine kleinflächige Ausnehmung aufweist. Die Messung erfolgt, indem Licht, vorzugsweise in Form eines polarisierten Laserstrahls, auf das elektrooptische Material auftrifft und wieder emittiert wird, wobei das emittierte Licht und das Quellenlicht mittels eines Photodetektors vergleichend ausgewertet werden. Befindet sich unter der kleinflächigen Ausnehmung ein elektrisches Feld, wirkt dieses durch die Ausnehmung hindurch auf das elektrooptische Material ein, so dass die Polarisation des emittierten Lichtes verändert wird. Diese Veränderung erzeugt ein Ausgangssignal des Photodetektors, das ein Maß für die elektrische Feldstärke bzw. die Spannung ist.

Als nachteilig an dem bekannten Stand der Technik erweist der erhebliche Aufwand zur Realisierung zur Realisierung des optischen Systems, das me chanisch zu befestigende und hinsichtlich ihrer optischen Achse zu justierende Elemente wie wenigstens einen Strahlenteiler, einen Spiegel und verschiedene Linsen aufweist, insbesondere wenn dieses wie im Falle der WO 89/09413 A1 im Tastkopf selbst untergebracht ist.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein gegen elektrische Störung sicherer und potentialfreier Abgriff analoger oder digitaler Signale von einem Prüfling möglich ist, die einen einfachen Aufbau aufweist und die keine elektrische Hilfsenergie benötigt. Das Problem wird mit den im Patentanspruch ungegebenen Merkmalen gelöst.

Erreichte Vorteile:

Mit der Efindung 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 1 und 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

Oszilloskoptastkopf mit faseroptischem Sensor zur potentialfreien Erfassung elektrischer Größen, der über einen Lichtleiter Energie ausschließlich in Form von Licht konstanter Intensität erhält, welches in einem elektrooptisch aktiven Kristall entsprechend einem angelegten elektrischen Messsignal in seiner Intensität moduliert wird, das modulierte Lichtsignal über eine Lichtleitfaser zu einem Empfänger übertragen wird, in dem Empfänger in ein äquivalentes elektrisches Signal gewandelt und einem Oszilloskop zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Sensorkopf eingespeisten Lichtwellen mittels einer spannungsgesteuerten integrierten optischen Interferometeranordnung moduliert werden und die Signalübertragung in der gesamten Anordnung analog erfolgt.