Was ist eine optische Sonde?
Optische Sonden sind elektrolytische Sonden, die die Nachteile herkömmlicher elektrolytischer Sonden überwinden und den Sensorteil ohne Metallelemente beibehalten.
Sie nutzen elektrotechnische Effekte zur genauen Messung und Auswertung. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass der Lichtwellenleiter das elektrische Feld nicht stört und kein Rauschen aufnimmt, dass der Sensorkopf klein ist und keine Stromversorgung benötigt, dass eine Vielzahl von Informationen wie Frequenz, Phase und Intensität gemessen werden kann und dass selbst in der Nähe von Metall keine Störungen auftreten.
Anwendungen von optischen Sonden
Optische Sonden werden auch in Steuerungen, Oszilloskopen und Endoskopen eingesetzt. Sie können auch verwendet werden, um eine breite Palette von Informationen zu Untersuchungs- und Analysezwecken mit optischen Mitteln zu messen.
Zu den Messanwendungen gehören folgende:
1. Messung der spezifischen Absorptionsrate (SAR)
Dies ist ein Maß für die Energiemenge, die vom menschlichen Körper absorbiert wird, wenn er elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen über 100 kHz ausgesetzt ist. Die Messung basiert auf Normen und muss an einem so genannten Phantom durchgeführt werden, das die gleichen elektrischen Eigenschaften wie der menschliche Körper aufweist.
Wenn kleine drahtlose Geräte wie Smartphones in unmittelbarer Nähe des menschlichen Körpers verwendet werden, kommt es zu einer Energieabsorption in bestimmten Teilen des menschlichen Körpers.
2. Messung des Plasmas
Dieses System wird auch zur Messung von Plasma verwendet, das durch Anlegen eines starken elektrischen Feldes an ein Gas mit geladenen Teilchen erzeugt wird. Optische Sonden ermöglichen die Messung der lokal erzeugten elektrischen Felder.
3. Magnetresonanztomographie (MRI)
Optische Sonden werden verwendet, um die Exposition des Menschen gegenüber elektromagnetischen Feldern zu messen. Es sind Messungen unter sehr starken Magnetfeldern erforderlich, die mit optischen Sonden genau gemessen werden können.
Weitere Anwendungen sind die Messung von gepulsten und ultrastarken elektrischen Feldern in der EMV-Entwicklung und die Validierung von Simulationsmodellen.
Funktionsweise der optischen Sonden
1. Der Pockels-Effekt
Elektrische Feldsonden verwenden EO-Kristalle mit dem Pockels-Effekt in ihren Köpfen. Der Pockels-Effekt ist ein Phänomen, bei dem sich der Brechungsindex eines Materials aufgrund einer Änderung der Polarisationsrate innerhalb des Materials ändert, wenn eine externe Spannung an das Material angelegt wird.
Wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, wird Licht, das auf einen EO-Kristall fällt, reflektiert, während sein Polarisationszustand erhalten bleibt. Wird jedoch ein elektrisches Feld angelegt, ändert sich der Brechungsindex des EO-Kristalls und der Polarisationszustand des einfallenden Lichts ändert sich, und das Licht wird zurückgeworfen.
Durch Messung der Intensität des Lichts im Polarisationszustand mit einem Analysator erhält man ein Signal, das proportional zur Intensität des elektrischen Feldes ist.
2. Einfluss auf das zu messende elektrische Feld
Dipolantennen werden manchmal in Sonden für elektrische Felder verwendet, nicht aber in optischen Sonden. Dipolantennen haben eine Struktur mit zwei geraden Leitern am Ende eines Kabels und bestehen aus metallischen Elementen. Dadurch werden die Funkwellen durch Streuung an der Feldsonde gestört.
Optische Sonden verwenden Kristalle im Sensorteil anstelle von Dipolantennen usw., ohne das zu messende elektrische Feld zu beeinträchtigen.
Zusammensetzung der optischen Sonde
Neben dem EO-Kristall bestehen die Komponenten der Spitze aus der optischen Faser, der Ferrule, der Kollimatorlinse und dem dielektrischen Reflexionsfilm.
1. EO-Kristalle
EO-Kristalle sind etwa 1 mm groß und quadratisch. Wenn man bedenkt, dass die Antennenlänge von Feldsonden mit Dipolantennen mehrere Zentimeter bis zu einigen zehn Zentimetern beträgt, ermöglicht ihre kleine Struktur die Messung kleinster Bereiche.
2. Lichtwellenleiter
Vom EO-Kristall wird über eine Kollimatorlinse und eine Ferrule ein Lichtwellenleiter angeschlossen. Die optische Sonde wird nicht durch Rauschen beeinträchtigt, da das Signal über eine optische Faser übertragen wird.
Dies ermöglicht die Umwandlung von Spannungssignalen in optische Signale für die Übertragung über große Entfernungen, unabhängig von der Frequenz.
3. Dielektrische Reflexionsschichten
Dielektrische Reflexionsschichten werden an der Spitze des EO-Kristalls angebracht. Bei der Messung elektrischer Felder fällt linear polarisiertes Licht, das von einer Lichtquelle erzeugt wird, auf den EO-Kristall, und das von der dielektrischen Reflexionsschicht zurückgeworfene Licht wird gemessen.
Das von der optischen Sonde reflektierte Licht wird durch eine Fotodiode in ein elektrisches Signal umgewandelt und durch einen Differenzverstärker verstärkt. Das elektrische Ausgangssignal ist proportional zu der Polarisationsänderung.
Die Intensität und die Phase des elektrischen Feldes werden mit einem Spektrumanalysator oder ähnlichem berechnet.