DE3742878A1 - Optical magnetic field sensor - Google Patents

Optical magnetic field sensor

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    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/032—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect
    • G01R33/0322—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using magneto-optic devices, e.g. Faraday or Cotton-Mouton effect using the Faraday or Voigt effect

Abstract

The subject-matter of the main application (Patent Application P 3726411.7) is an optical magnetic field sensor, in which the Faraday rotation, which depends on the magnetic fields of the plane of polarisation of a linearly polarised light beam (10, 11), which is propagated in an optical fibre, is measured by means of an arrangement having heterodyne reception and a reciprocal light path. However, not only optical fibres are suitable, given the same measuring arrangement, as optical components (70) which are sensitive to the magnetic field, but also crystals or glasses which cause a Faraday rotation in a magnetic field. By using crystals having a high Verdet constant, for example Bi12SiO20 or ZnSe, a reduction of the geometric dimensions of the magnetic field sensor is made possible in conjunction with a constant sensitivity. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Magnetfeldsen­ sor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effek­ tes.The invention relates to an optical magnetic field sensor for measuring a magnetic field using the Faraday effect tes.

Gegenstand des Hauptpatents (Patentanmeldung P 37 26 411.7) ist ein faseroptischer Magnetfeldsensor bei dem die magnetfeldab­ hängige Drehung der Polarisationsebene eines linear polarisier­ ten Lichtstrahls, der sich in einer Lichtleitfaser ausbreitet, gemessen wird. Dieser faseroptische Magnetfeldsensor enthält eine Lichtquelle zur Erzeugung eines linear polarisierten Lichtstrahls, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorge­ gebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert sowie eine optische Ver­ zweigungseinrichtung zur Aufteilung des Lichtstrahls in wenig­ stens einen Meßstrahl und wenigstens einen Referenzstrahl, so daß den Meßstrahlen jeweils ein Referenzstrahl zugeordnet ist. Zur Führung des Meßstrahls ist eine Lichtleitfaser vorgesehen, die zugleich als magnetfeldempfindliche faseroptische Meß­ strecke dient. Dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl ist jeweils eine Analysatoreinrichtung zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung zu­ geordnet, wobei für die Analysatoreinrichtung eines Meßstrahls und die Analysatoreinrichtung des Referenzstrahls ein gemein­ samer Phasendetektor vorgesehen ist. Außerdem sind noch optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen vor­ gesehen, welche die Lichtleitfaser in zueinander entgegenge­ setzten Richtungen durchlaufen. Die Verdet-Konstanten von Lichtleitfasern sind jedoch relativ klein, so daß zur Messung schwacher Magnetfelder ein langer Lichtweg erforderlich ist. Bei der Messung von Magnetfeldern mit kreisförmigen Feld­ linien, wie sie beispielsweise von stromführenden gerad­ linigen Leitern erzeugt werden, wird deshalb die Lichtleit­ faser der Meßstrecke zu einer Meßspule aufgewickelt. Diese Vor­ gehensweise ermöglicht zwar eine weitgehende Miniaturisierung dieses Magnetfeldsensors, ist jedoch nur für die Messung von Magnetfeldern mit kreisförmigen Feldlinien geeignet. Bei homo­ genen Magnetfeldern ist es erforderlich, die Lichtleitfaser beispielsweise mäanderförmig zu verlegen, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen.The main patent (patent application P 37 26 411.7) is the subject a fiber optic magnetic field sensor in which the magnetic field dependent rotation of the plane of polarization of a linearly polarized th light beam that propagates in an optical fiber, is measured. This fiber optic magnetic field sensor contains a light source for generating a linearly polarized Light beam, the direction of polarization with a pre given angular speed rotates and an optical ver branching device for dividing the light beam into little at least one measuring beam and at least one reference beam, so that a reference beam is assigned to each of the measuring beams. An optical fiber is provided to guide the measuring beam, which at the same time as a magnetic field sensitive fiber optic measurement route serves. The measuring beam and the reference beam are each an analyzer device for measuring the intensity of the Light rays in a given direction of polarization ordered, being for the analyzer device of a measuring beam and the analyzer device of the reference beam samer phase detector is provided. Besides, there are still optical devices for generating measuring beams seen which the optical fiber in opposite to each other go through set directions. The Verdet constants from  However, optical fibers are relatively small, so that for measurement weak magnetic fields a long light path is required. When measuring magnetic fields with a circular field lines such as those of current-carrying straight linear conductors are generated, therefore the light guide fiber of the measuring section wound into a measuring coil. This before approach allows extensive miniaturization this magnetic field sensor, however, is only for the measurement of Suitable for magnetic fields with circular field lines. At homo Magnetic fields, the optical fiber is required for example, to lay a meandering shape to a high To achieve sensitivity.

Das dem Gegenstand des Hauptpatents zugrundeliegende Meß­ prinzip, nämlich die Kombination eines Heterodyn-Empfangs mit einem Meßverfahren, das auf der Grundlage eines reziproken Lichtweges beruht, ist jedoch nicht auf die Verwendung einer Lichtleitfaser als magnetfeldempfindliche optische Meßstrecke beschränkt. Die magnetfeldempfindliche optische Meßstrecke muß nur ein magnetooptisches Bauelement enthalten, das im Magnet­ feld eine Faraday-Drehung der Polarisationsebene des Meßstrahls hervorruft.The measurement on which the subject of the main patent is based principle, namely the combination of a heterodyne reception with a measurement method based on a reciprocal Light path is based, but is not on the use of a Optical fiber as a magnetic field sensitive optical measuring section limited. The magnetic field sensitive optical measuring section must contain only one magneto-optical component, which is in the magnet field a Faraday rotation of the polarization plane of the measuring beam evokes.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen optischen Magnetfeldsensor anzugeben, dessen Gestaltungsmöglichkeiten gegenüber dem Gegenstand des Hauptpatentes erweitert sind.The invention is based on the object of an optical Specify magnetic field sensor, its design options are expanded compared to the subject of the main patent.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merk­ malen des Hauptanspruchs. Die Gestaltung der magnetfeldempfind­ lichen Meßstrecke ist somit nicht mehr auf die Verwendung von Lichtleitfasern beschränkt. Somit können für die magneto- optischen Bauelemente auch optische Materialien verwendet wer­ den, die eine gegenüber Lichtleitfasern höhere Verdet-Konstante haben und somit einen verkürzten Lichtweg erfordern. Dadurch ist eine weitergehende Miniaturisierung des im Magnetfeld anzu­ ordnenden sensitiven Teils des Magnetfeldsensors ermöglicht. Die Gestaltung und Auswahl des magneto-optischen Bauteiles richtet sich dabei nach dem jeweiligen Einsatzzweck. Anstelle der Forderung nach einer hohen Verdet-Konstante kann beispiels­ weise auch die Forderung nach einer möglichst kleinen Tempe­ raturabhängigkeit im Vordergrund stehen. Als magneto-optische Bauteile sind sowohl Kristalle mit hoher Verdet-Konstante, vorzugsweise Bi12SiO20-Einkristalle und ZnSe-Kristalle, als auch Gläser mit niedrigem Temperaturkoeffizienten, insbeson­ dere SF6-Flintglas, geeignet.The above object is achieved with the Merk paint the main claim. The design of the magnetic field-sensitive measuring section is thus no longer restricted to the use of optical fibers. Thus, optical materials can also be used for the magneto-optical components, which have a higher Verdet constant compared to optical fibers and thus require a shortened light path. This enables further miniaturization of the sensitive part of the magnetic field sensor to be arranged in the magnetic field. The design and selection of the magneto-optical component depends on the respective application. Instead of the requirement for a high Verdet constant, the requirement for the smallest possible temperature dependency can be in the foreground, for example. Crystals with a high Verdet constant, preferably Bi 12 SiO 20 single crystals and ZnSe crystals, and glasses with a low temperature coefficient, in particular SF6 flint glass, are suitable as magneto-optical components.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den Unteransprüchen 5 bis 8, die gegenüber den Ausfüh­ rungsformen des Hauptpatents derart abgewandelt sind, daß sie nicht auf die Verwendung von Lichtleitfasern als magnetfeld­ empfindliche optische Meßstrecke beschränkt sind.Further advantageous embodiments of the invention result according to subclaims 5 to 8, which are compared to the embodiments Forms of the main patent are so modified that they not on the use of optical fibers as a magnetic field sensitive optical measuring section are limited.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in deren einziger Figur ein optischer Magnetfeld­ sensor gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.To further explain the invention, reference is made to the drawing referenced in their only figure an optical magnetic field sensor according to the invention is illustrated schematically.

Gemäß Fig. 1 enthält ein optischer Magnetfeldsensor eine Lichtquelle 1, die einen linear polarisierten Lichtstrahl 2 emittiert, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit um die Ausbreitungsrichtung des Licht­ strahls 2 rotiert. Mit einer optischen Verzweigungseinrichtung 5 wird der Lichtstrahl 2 in einen Meßstrahl 10 und einen Referenzstrahl 12, der einer Analysatoreinrichtung 22 zuge­ leitet wird, zerlegt. Der Meßstrahl 10 wird in ein magneto- optisches Bauteil 70 eingekoppelt, das als optische magnetfeld­ empfindliche Meßstrecke dient. Das magneto-optische Bauteil 70 ist in einem Magnetfeld H angeordnet, wobei die Empfindlichkeit am größten ist, wenn die Ausbreitungsrichtung des Meßstrahls 10 parallel zum Magnetfeld H verläuft. Der Meßstrahl 10 wird an der Koppelfläche 73 in das magneto-optische Bauteil 70 ein­ gekoppelt, durchquert das magneto-optische Bauteil und tritt an der gegenüberliegenden Koppelfläche 74 aus. Der Koppelfläche 74 ist ein Spiegel 9 zugeordnet, an dem der Meßstrahl 10 reflek­ tiert und ein Meßstrahl 11 erzeugt wird, der das optische Bauteil 70 in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch wird ein nahezu reziproker Lichtweg geschaffen, durch den die intrin­ sischen zirkularen Doppelbrechungseigenschaften weitgehend kompensiert werden. Dieser reziproke Lichtweg kann auch durch Verspiegelung der Koppelfläche 74 erreicht werden. Mittels einer im Lichtweg zwischen der Verzweigungseinrichtung 5 und dem magneto-optischen Bauteil 70 angeordneten Verzweigungsein­ richtung 6 wird der Meßstrahl 11 zu einer Analysatoreinrichtung 21 weitergeleitet. Die Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 können auch in einem einzigen Strahlteiler zusammengefaßt sein. In den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 wird mit Analysatoren jeweils eine in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung polarisierte Komponente des Meßstrahls 11 bzw. des Referenzstrahls 12 her­ ausgefiltert. Mittels in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 enthaltenen Lichtempfängern, beispielsweise Fotodioden, wer­ den die Intensitäten dieser Komponenten in elektrische Signale umgewandelt. Diesen elektrischen Signalen ist jeweils eine Schwingung aufgeprägt, die z.B. zur Rauschunterdrückung mittels eines ebenfalls in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 je­ weils enthaltenen Bandpaßfilters ausgefiltert werden kann. Die am Ausgang der Analysatoreinrichtung 21 und 22 anstehenden elektrischen Signale werden einem Phasendetektor 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal proportional zur Phasendifferenz Φ zwischen diesen Signalen ist. Diese Phasendifferenz Φ enthält neben der durch den Faraday-Effekt bedingten Phasenverschiebung Φ F auch apparativ bedingte konstante Anteile Φ o und Φ o′, die beispielsweise durch die Stellung der in den Analysatoreinrich­ tungen 21 und 22 enthaltenen optischen Analysatoren kompensiert werden können. Referring to FIG. 1, an optical magnetic field sensor includes a light source 1 which emits a linearly polarized light beam 2, whose direction of polarization is rotated with a predetermined angular velocity about the propagation direction of the light beam 2. With an optical branching device 5 , the light beam 2 is broken down into a measuring beam 10 and a reference beam 12 , which is fed to an analyzer device 22 . The measuring beam 10 is coupled into a magneto-optical component 70 , which serves as an optical magnetic field sensitive measuring section. The magneto-optical component 70 is arranged in a magnetic field H , the sensitivity being greatest when the direction of propagation of the measuring beam 10 runs parallel to the magnetic field H. The measuring beam 10 is coupled into the magneto-optical component 70 at the coupling surface 73 , crosses the magneto-optical component and emerges at the opposite coupling surface 74 . The coupling surface 74 is assigned a mirror 9 , on which the measuring beam 10 is reflected and a measuring beam 11 is generated which passes through the optical component 70 in the opposite direction. This creates an almost reciprocal light path through which the intrinsic circular birefringence properties are largely compensated. This reciprocal light path can also be achieved by mirroring the coupling surface 74 . By means of a branching device 6 arranged in the light path between the branching device 5 and the magneto-optical component 70 , the measuring beam 11 is passed on to an analyzer device 21 . The branching devices 5 and 6 can also be combined in a single beam splitter. In the analyzer devices 21 and 22 , analyzers each filter out a component of the measuring beam 11 or of the reference beam 12 that is polarized in a predetermined polarization direction. By means of light receivers, for example photodiodes, contained in the analyzer devices 21 and 22 , who converted the intensities of these components into electrical signals. An oscillation is impressed on each of these electrical signals, which can be filtered out, for example, for noise suppression by means of a bandpass filter which is also contained in the analyzer devices 21 and 22 . The electrical signals present at the output of the analyzer devices 21 and 22 are fed to a phase detector 30 , the output signal of which is proportional to the phase difference Φ between these signals. This phase difference Φ contains, in addition to the phase shift Φ F caused by the Faraday effect, also apparatus-related constant components Φ o and Φ o ', which can be compensated, for example, by the position of the lines 21 and 22 contained in the analyzer devices.

Da es sich um kein interferometrisches Verfahren handelt, ist eine hohe zeitliche Kohärenz des Lichtstrahls 2 nicht erfor­ derlich. Somit kann in der Lichtquelle 1 beispielsweise auch eine LED verwendet werden.Since it is not an interferometric method, a high temporal coherence of the light beam 2 is not necessary. Thus, for example, an LED can also be used in the light source 1 .

Als magneto-optisches Bauteil 70 sind alle Werkstoffe geeignet, die im Magnetfeld eine Faraday-Rotation der Polarisationsebene des sich in ihnen ausbreitenden Lichts zeigen. Zur Miniaturi­ sierung des Magnetfeldsensors sind Gläser oder Kristalle mit großer Verdet-Konstante, beispielsweise Bi12SiO20-Einkristalle oder ZnSe-Kristalle geeignet (T. Mitsui, K. Hosoe, H. Usami, S. Miyamoto, "Development of Fiber-Optic Voltage Sensors and Magnetic-Field Sensors", IEEE Trans. on Power Delivery, 1987, Vol. 2, No. 1, Seiten 87-93). Für Anwendungszwecke, bei denen das magneto-optische Bauteil 70 stark schwankenden Umgebungs­ temperaturen ausgesetzt ist, ist als Werkstoff vorzugsweise SF6-Flintglas vorgesehen (K. Kyuma, S. Tai, M. Nunoshita, T. Takioka, Y. Ida, "Fiber Optic Measuring System for Electric Current by Using a Magnetooptic Sensor", IEEE Journ. of Quantum Electr., 1982, Vol. QE18, No. 10, Seiten 1619-1623).All materials are suitable as magneto-optical component 70 , which in the magnetic field show a Faraday rotation of the polarization plane of the light propagating in them. Glasses or crystals with a large Verdet constant, for example Bi 12 SiO 20 single crystals or ZnSe crystals, are suitable for miniaturization of the magnetic field sensor (T. Mitsui, K. Hosoe, H. Usami, S. Miyamoto, "Development of Fiber-Optic Voltage Sensors and Magnetic-Field Sensors ", IEEE Trans. On Power Delivery, 1987, Vol. 2, No. 1, pages 87-93). For applications in which the magneto-optical component 70 is exposed to strongly fluctuating ambient temperatures, SF6 flint glass is preferably provided as the material (K. Kyuma, S. Tai, M. Nunoshita, T. Takioka, Y. Ida, "Fiber Optic Measuring System for Electric Current by Using a Magnetooptic Sensor ", IEEE Journ. Of Quantum Electr., 1982, Vol. QE18, No. 10, pages 1619-1623).

Ein reziproker Lichtweg kann auch dadurch bewirkt werden, daß der Lichtstrahl mittels optischer Verzweigungseinrichtungen in zwei Teillichtstrahlen verlegt wird. Aus diesen Teillichtstrah­ len werden vor Eintritt in das magneto-optische Bauteil 70 mittels weiterer Verzweigungseinrichtungen zwei Meßstrahlen er­ zeugt, die in Analogie zur Ausführungsform gemäß Fig. 3 des Hauptpatents an den gegenüberliegenden Koppelflächen 73 und 74 in das magneto-optische Bauteil 70 eingekoppelt werden.A reciprocal light path can also be brought about by laying the light beam in two partial light beams by means of optical branching devices. From these partial light beams len before entry into the magneto-optical component 70 by means of further branching devices, he creates two measuring beams which are coupled into the magneto-optical component 70 in analogy to the embodiment according to FIG. 3 of the main patent on the opposite coupling surfaces 73 and 74 .

Dabei sind sowohl zur Führung der Lichtstrahlen als auch zur Strahlteilung insbesondere faseroptische Bauelemente geeignet, da diese einen mechanisch unempfindlicheren Aufbau ermöglichen.Both for guiding the light beams and for Beam splitting particularly suitable for fiber optic components, since these allow a mechanically less sensitive structure.

Claims (8)

1. Optischer Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnetfeldes mit Hilfe des Faraday-Effektes mit
  • a) einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines linear polarisier­ ten Lichtstrahls (2), dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert,
  • b) einer optischen Verzweigungseinrichtung (5 und 6) zur Auf­ teilung des Lichtstrahls (2) in wenigstens einen Meßstrahl (10) und wenigstens einen Referenzstrahl (12),
  • c) den Meßstrahlen (10) ist jeweils ein Referenzstrahl (12) zugeordnet,
  • d) der Meßstrahl (10) durchquert ein magneto-optisches Bauteil (70),
  • e) dem Meßstrahl und dem Referenzstrahl (12) ist jeweils eine Analysatoreinrichtung (21 bzw. 22) zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polari­ sationsrichtung zugeordnet,
  • f) der Analysatoreinrichtung (21) eines Meßstrahls und der Analysatoreinrichtung (22) des zugeordneten Referenzstrahls (12) ist ein gemeinsamer Phasendetektor (30) zugeordnet und es sind
  • g) optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen (10 und 11) vorgesehen, die das magneto-optische Bauteil (70) in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen.
1. Optical magnetic field sensor for measuring a magnetic field with the help of the Faraday effect
  • a) a light source ( 1 ) for generating a linearly polarized light beam ( 2 ) whose direction of polarization rotates at a predetermined angular velocity,
  • b) an optical branching device ( 5 and 6 ) for splitting the light beam ( 2 ) into at least one measuring beam ( 10 ) and at least one reference beam ( 12 ),
  • c) the measuring beams ( 10 ) are each assigned a reference beam ( 12 ),
  • d) the measuring beam ( 10 ) passes through a magneto-optical component ( 70 ),
  • e) the measuring beam and the reference beam ( 12 ) are each assigned an analyzer device ( 21 or 22 ) for measuring the intensity of the light beams in a predetermined polarization direction,
  • f) the analyzer device ( 21 ) of a measuring beam and the analyzer device ( 22 ) of the assigned reference beam ( 12 ) are assigned a common phase detector ( 30 ) and they are
  • g) optical devices for generating measuring beams ( 10 and 11 ) are provided which pass through the magneto-optical component ( 70 ) in mutually opposite directions.
2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als magneto-optisches Bau­ teil (70) ein Bi12SiO20-Einkristall vorgesehen ist.2. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that a Bi 12 SiO 20 single crystal is provided as the magneto-optical construction part ( 70 ). 3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als magneto-optisches Bau­ teil (70) ein ZnSe-Kristall vorgesehen ist. 3. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that a ZnSe crystal is provided as the magneto-optical construction part ( 70 ). 4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magneto-optische Bau­ teil (70) aus einem SF6-Flintglas besteht.4. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the magneto-optical construction part ( 70 ) consists of an SF6 flint glass. 5. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß einer Koppel­ fläche des magneto-optischen Bauteils (70) ein Spiegel (9) zugeordnet ist, der den Meßstrahl (10) in das magneto-optische Bauteil (70) reflektiert.5. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that a coupling surface of the magneto-optical component ( 70 ) is assigned a mirror ( 9 ) which the measuring beam ( 10 ) in the magneto-optical component ( 70 ) reflected. 6. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine optische Verzweigungseinrichtung vorgesehen ist, die den Lichtstrahl in zwei Teillichtstrahlen zerlegt, denen jeweils weitere Ver­ zweigungseinrichtungen zugeordnet sind, die Meßstrahlen erzeugen, die an den gegenüberliegenden Koppelflächen (73 und 74) des magneto-optischen Bauteils (70) eingekoppelt werden.6. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that an optical branching device is provided, which splits the light beam into two partial light beams, each of which further Ver branching devices are assigned, generate the measuring beams that on the opposite coupling surfaces ( 73 and 74 ) of the magneto-optical component ( 70 ). 7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß als Verzwei­ gungseinrichtungen (5, 6) bidirektionale optische Faserkoppler vorgesehen sind.7. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that bidirectional optical fiber couplers are provided as branching devices ( 5 , 6 ). 8. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß als Licht­ quelle (1) ein Zeeman-Laser vorgesehen ist.8. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that a Zeeman laser is provided as the light source ( 1 ).
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