Ausleseverfahren basierend auf nicht-reziproker Phasenmodulation zur Anwendung in faseroptischen Hochspannungssensoren

Abstract:
Ein neuartiges in Reflektion betriebenes faseroptisches Interferometer mit einem Detektionsverfahren basierend auf nicht-reziproker Phasenmodulation (bekannt von Sagnac-Interferometern) wird zum Auslesen eines doppelbrechenden Fasersensors verwendet. Die zugrundeliegende Modulationstechnik wird bisher in Fasergyroskopen und inzwischen auch in faseroptischen Stromsensoren verwendet. In dieser Arbeit wird das Verfahren für die Messung elektrischer Spannungen, insbesondere mit piezo-optischen Sensorelementen, adaptiert. Der Sensoraufbau: Eine polarisationserhaltende Sensorfaser mit hoher Doppelbrechung ist an einem piezo-elektrischen Sensorelement angebracht (zylinderförmiger Quarzkristall oder Piezokeramik). Eine anliegende elektrische Spannung erzeugt über die piezo-elektrische Deformation des Elements einen differentiellen Phasenschub zwischen den beiden zueinander senkrechten Polarisationsmoden der Faser. Eine zweite identische Faser, aber mit um 90 Grad gedrehten Hauptachsen, kompensiert den optischen Wegunterschied der Moden in der ersten Faser aufgrund ihrer unterschiedlichen Gruppengeschwindigkeiten sowie temperaturinduzierte Phasenschübe. Zentrales Element ist ein 45 Grad-Faraday-Rotator: Dieser stellt sicher, dass die zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen der beiden Lichtwellen nach zweimaligem Durchgang durch die Sensorfasern vertauscht werden. Die ebenfalls polarisationserhaltende Verbindungsfaser wird damit unempfindlich auf äußere Störungen und die orthogonalen Moden erreichen den Polarisator ohne optischen Wegunterschied, so dass sie trotz niederkohärenter Lichtquelle kohärent interferieren. Der integriertoptische Phasenmodulator erzeugt die zur Signaldetektion erforderliche nicht-reziproke Modulation. Vorteile des hier beschriebenen Sensorprinzips gegenüber bisherigen Verfahren (passive polarimetrische Detektion oder Weißlichtinterferometrie) sind exzellente Stabilität des Skalenfaktors, ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis und, bei Verwendung eines geschlossenen Regelkreises, eine lineare Sensorantwort über einen weiten Dynamikbereich. Der Sensor wird untersucht hinsichtlich Signalstabilität und Signalauflösung, Dynamikbereich, Temperaturverhalten und dem Einfluss verschiedener Betriebsparameter.