电场传感器 技术领域：
本发明涉及检测电磁噪声或电磁泄漏波以及检测高电压装置发生的电场所使用的电场传感器。背景技术：
随着电子设备特别是计算机、数字机器的发展，电磁泄漏波及电磁噪声泛滥成灾，并且正在成为很多社会问题。因此，抑制电磁噪声是社会的需要，同时希望检测和测量技术具有高度的准确性。
另外，目前还没有检测高压加速器及高压等离子体发生装置的真空装置内的电场的方法，期待着小型的传感器问世。同样，对于微波炉内部的电场分布也还没有进行直接测量的方法，仍是依赖于根据含有水分的物质吸收微波后温度升高的现象间接地进行测量的方法。此外，例如在电力设备中对于包括输电线在内的设施的维护和状态的监视，也必须检测电场。
以往，作为电磁噪声或电磁泄漏波的检测方法，已知的是使电光晶体(EO晶体)与测量对象物的表面靠近，利用电光效应将其电场变换为光的强度进行检测地方法。利用电光效应的表面电场的检测方法的特征是非接触地检测电路元件的微小表面的电压及噪声波形。
图1表示利用电光效应的表面电场检测方法。由透镜52将半导体激光器50的出射光51变为平行光，通过偏光棱镜53、1/2波长滤光片54后经平面镜55反射，通过透镜56入射到置于被测电路58附近的电光晶体57上。在该晶体中，入射光由于被测电路58的电场的作用偏振状态发生变化，所以，该变化部分在偏光棱镜53处被分离出来由光检测器59进行检测，并在显示器60上进行显示。
通常，为了消除机械的不稳定性，将该光学系统组装到显微镜内，可以测定的被测电路58是晶片及芯片等平坦的基板上的电路。在这种方法中，由于由偏光棱镜等构成的光学系统庞大，并且需要进行使光束在空间传播后引导到被测电路58的操作，所以，难于在搭载着电子元器件及仪器的装置等内部狭小的场所进行测量。
图2是示意性表示的以往在电场检测中使用的光电传感器的结构。将电场加到BGO(锗酸铋：Bi12GeO20)晶体等电光晶体上时，折射率发生与外加电场强度成正比的变化。将这种性质(波克尔斯效应)应用于电场检测。即，将高电压导体的电压分压后加到BGO晶体21的电极25上，通过偏光器22的光的偏振状态在该晶体21内部进行变换。变换了偏振状态的光通过滤光片24后入射到检光器23上，通过检光器23进行了强度调制的透过光由光电变换器(图中未示出)变换为电信号，进行检测。这种方式通过将光电传感器设置到远距离的输电设备中并驱动光纤的途径已经应用于监视接地障碍、短路、断线、雷击等事故的检测状态等。
但是，在应用这种波克尔斯效应的电场检测中，存在如下缺点。即，将电场加到电光晶体上的电压，虽说是分压的电压，但是，实际上必须是大于500V的高电压，所以，为了确保安全，需要采取特别的措施。
因此，本发明的目的旨在提供小型的电场传感器。
本发明的第2个目的在于提供可以检测狭小场所的电场及噪声的电场传感器。
本发明的第3个目的在于提供一种测量系统本身不产生噪声以及传感器以外的结构体也不捕获其他噪声的电场传感器。
本发明的第4个目的在于提供测量系统的存在对被测系统没有影响的电场传感器。
本发明的第5个目的旨在提供可以非接触地测量电路元件表面的电场的电场传感器。
本发明的特别目的旨在提供一种可以对高电压装置非接触地检测该高电压装置发生的电场、比较安全并且容易设置的电场传感器。发明的公开：
按照本发明的第1种形态可以得到一种电场传感器，其特征在于，具有传感器探头、光源、第1光纤、光电变换器和第2光纤，传感器探头构成为使透过的光波的强度随外加的电场的强度而变化；光源用于发生光波；第1光纤用于将上述光源发出的光波传导给上述传感器探头；光电变换器用于将输入光波变换为电信号；第2光纤用于将透过上述传感器探头的光波作为上述输入光波传导给上述光电变换器，将上述传感器探头设置成与测量对象物呈非接触状态，将由上述测量对象物施加的电场作为光强变化进行检测。
按照本发明的第2形态可以得到一种电场传感器，其特征在于，具有传感器探头、光源、光纤、光电变换器和循环器，传感器探头具有入射到光波导的一个端面上的入射光在该光波导的另一个端面上反射后作为出射光从上述一个端面射出的结构，并且构成为使上述出射光的强度随外加电场的强度而变化；光源用于发生光波；光电变换器用于将输入光波变换为电信号；循环器用于将上述光源发出的光波传导给上述光纤，并作为上述入射光加给上述传感器探头，同时，将通过上述光纤接收的上述传感器探头输出的上述出射光作为上述输入光波加给上述光电变换器，将上述传感器探头设置成与测量对象物呈非接触状态、将由上述测量对象物施加的电场作为光强度变化进行检测。附图的简单说明：
图1是实现先有的电磁噪声或电磁泄漏波的检测方法的装置的框图，图2是示意性表示的先有的光电传感器的图，图3是本发明第1实施例的电场传感器的框图，图4是图1的电场传感器的传感器探头放大图以及同时示出输入光和输出光的变化的图，图5是将图1的电场传感器应用于测量装备着汽油发动机的汽车的辐射噪声的例子，图6是本发明第2实施例的电场传感器的框图，图7是能用于取代图3的电场传感器的传感器探头的传感器探头和同时示出输入光及输出光的变化的图，图8是能用于取代图7的传感器探头的传感器探头和同时示出输入光及输出光的变化的图，图9是本发明第3实施例的电场传感器的框图，图10是图4的传感器探头的特性图，图11是能用于取代图4的传感器探头的传感器探头，图12是图11的传感器探头的特性图，图13是能用于取代图4的传感器探头的又一个传感器探头的图，图14是图13的传感器探头的特性图，图15是能用于取代图4的传感器探头的再又一个传感器探头的图，图16是能用于取代图4的传感器探头的另一个传感器探头的图，图17是能用于取代图4的传感器探头的再另一个传感器探头的图，图18是能用于取代图4的传感器探头的又另外一个传感器探头的图。实施发明的形态：
下面，参照附图说明本发明的实施例。
参见图3和图4，本发明第1实施例的电场传感器具有传感器探头100，在传感器探头100中，在作为电光晶体的铌酸锂晶体基板2上形成光波导。在该光波导附近形成电极3。电极3与同传感器探头100成为一体的天线4连接。从半导体激光器1发出的激光由光纤8导入传感器探头100的入射波导5。传感器探头100的输出通过光纤9传送给光电变换器10、传感器探头100的输出由光电变换器10变换为电信号。该电信号通过电缆12传送给测量仪器11。测量仪器11根据电信号进行噪声的测量和显示。
详细说来，传感器探头100由从入射光波导5分支为2个位相偏移光波导6后再合成的光波导和与设置在这2个位相偏移光波导6附近的电极3连接的天线4构成。被天线4捕获的噪声在位相偏移光波导6中产生电场，局部地引起折射率变化，所以，在2个位相偏移光波导6之间传送的光波产生位相差，在出射光波导7的输出端作为光强度的变化进行检测。这样，位相偏移光波导6的折射率便随外加的电场的强度而变化。
天线4的长度越短，传感器探头100的电场检测灵敏度越低，天线长度为14mm时的最小灵敏度为1mv/m，大于10v/m的电场也可以测量，另外，使天线长度缩短时，灵敏度降低，可以测量强电场。
参见图5，图中示出了将图1的电场传感器应用于测量装备了汽油发动机的汽车辐射的噪声的例子。传感器探头100与光纤8的前端连接，光纤8与由半导体激光器1构成的激光光源连接，从传感器探头100传出的出射光由光纤9传送给光电变换器(光检测器)10，由测量仪器11显示所检测的噪声波形。分别测量了发动机室内和微机的控制单元内的噪声电平，确认可以忠实地检测其电磁波噪声的波形。
另外，还同时使用了在作为电光晶体的钽酸锂晶体基板上形成光波导的传感器探头。结果，电场强度的检测灵敏度与铌酸锂晶体基板上构成的传感器探头的情况相同。
参见图6，本发明第2实施例的电场传感器具有传感器探头100′。在本实施例中，传感器探头100′是反射型的，在位相偏移光波导路6的端面设有全反射膜35。入射光和反射光的输出由1根偏振状态稳定的光纤30传送，在分支反射型光波导60′的附近形成的电极3兼作天线。循环器31将从由半导体激光器1构成的激光光源发出的光传导给光纤30，作为入射光传送给传感器探头100′，同时，将通过光纤33接收的从传感器探头100′传出的出射光传送给光电变换器10。这样，循环器31便起光方向分离器的作用。也可以使用光方向性耦合器作为光方向分离器取代循环器31。34是透镜。在本实施例中使用的传感器探头100′的尺寸为3×25×0.2mm。
上述结构的电场传感器曾应用于装配有电路基板且工作着的装置内的噪声测量。将传感器探头100′插入构成电路的多个印刷电路基板之间，进行基板间狭小空间内的电场及噪声的测量，确认了其实用性。
采用图6所示的装置的结构，利用本发明的传感器探头100′非接触地检测了在印刷电路基板上构成的电路的信号线与地之间的泄漏电场的信号波形。本传感器探头100′在测量频率从直流到数GHz的范围内具有平坦的灵敏度特性，所以，可以忠实地再现该频带范围内的信号波形。另外，通常的印刷电路基板上的信号线或电子元件与地线间的距离小于数mm，所以，印刷电路基板表面上微小区域的电场强度为0.1v/m～10kv/m，即使是用电极兼作天线的有效天线长度短的探头，也完全可以检测。使用图4所示的传感器探头100，同样也可以非接触地检测在印刷电路基板上构成的电路的信号线与地之间的泄漏电场的信号波形。
参见图7，图中示出了可以取代图3的电场传感器的传感器探头100的传感器探头200。此外，还示出了当通过将该传感器探头200以非接触状态设置到外加高电压的高电压装置的附近或该高电压装置的内部将上述高电压装置发生的电场作为光强度变化进行检测时传感器探头200的输入光和输出光的变化。该传感器探头200具有在作为电光晶体的铌酸锂晶体基板2上形成的分支干涉型光波导60。该分支干涉型光波导60是将从光纤8入射的光在2个位相偏移光波导(即分支光波导)6分支后再合成并向光纤9射出的光波导。在2个位相偏移光波导(即分支光波导)6上分别形成电极3。或者也可以分别在2个位相偏移光波导(即分支光波导)6的附近沿着2个位相偏移光波导(即分支光波导)6形成电极3。高电压装置(图中未示出)发生的电场加到以非接触状态设置在该高电压装置的附近或内部的传感器探头200的电极3上，局部地发生折射率的变化，结果，在2个位相偏移光波导6中传送的光之间产生位相差，在该分支干涉型光波导60的输出端作为光强度的变化进行检测。
当使用在作为电光晶体的钽酸锂晶体基板上形成和图7一样的分支干涉型光波导6的传感器探头构成相同的结构时，也可以获得与图7的情况相同的效果。
图8是可以用于取代图7传感器探头200的别的传感器探头200′。该传感器探头200′在作为强电介质晶体的铌酸锂晶体板2上形成与图7相同的分支干涉型光波导60。但是，使形成2个位相偏移光波导(即分支光波导)6中的一个的晶体部分40的晶体偏振方向与其它部分相差180度。这时，实际上只要在形成2个位相偏移光波导(即分支光波导)6中的一个的晶体部分中至少其中一部分的偏振方向与基板2的其它部分的偏振方向相反即可。在本传感器探头200′中，不需要图7的电极3。当电场加到本传感器探头200′时，局部地发生折射率的变化，结果，在从2个位相偏移光波导6中传送的光之间产生位相差，在该分支干涉型光波导60的输出端作为光强度的变化进行检测。
在作为强电介质晶体的钽酸锂晶体基板上构成和图8一样的传感器探头也可以获得与图8的情况相同的效果。
参见图9，本发明第3实施例的电场传感器除了使用别的传感器探头300取代图6的电场传感器中的传感器探头100′外，和图6的电场传感器相同。该传感器探头300是反射式的，在作为强电介质晶体的铌酸锂晶体基板2上形成和图6一样的分支反射型光波导60′。但是，使形成2个位相偏移光波导(即分支光波导)6中的一个的晶体部分40的晶体偏振方向与其他部分相差180°。这时，实际上只要在形成2个位相偏移光波导(即，分支光波导)6中的一个的晶体部分中至少其中一部分的偏振分向与基板2的其他部分的偏振方向相反即可。在本传感器探头300中，不需要图6的电极3。当电场加到本传感器探头300上时，局部地发生折射率的变化，结果，在从2个位相偏移光波导6中传送的光之间产生位相差，在该分支干涉型光波导60′的输出端作为光强度的变化进行检测。
在作为强电介质晶体的钽酸锂晶体基板上构成和图9一样的传感器探头也可以获得和图9的情况相同的效果。
下面，说明图4的传感器探头100的光输出特性。该传感器探头100具有垂直于C轴切割出的铌酸锂晶体基板2、在该基板2上扩散钛后形成的入射光波导5、从该入射光波导5分支的位相偏移光波导6和由这两个位相偏移光波导6合流而结合的出射光波导7。在入射光波导5的入射端与光纤8结合，在出射光波导7的出射端与光纤9连接。
另外，在位相偏移光波导6上设有1对电极3，这2个电极3与棒状天线4连接。从光纤8传送来的入射光入射到入射光波导5内后，通过位相偏移光波导6将能量分开。当外加电场时，由棒状天线4在电极3上感应电压，在位相偏移光波导6中沿深度方向发生方向相反的电场分量。结果，由于电光效应引起折射率变化，在2个位相偏移光波导6中传送的光波之间产生与外加电场的大小对应的位相差，当它们合成之后与出射光波导7耦合时，由于相互干涉而光强度发生变化。即，向光纤9出射的出射光的强度随外加电场强度而变化，通过测量该光强度变化便可测量外加电场的强度。
图10的曲线A是该电场传感器探头100的光输出特性的一个例子。未加电场时的光输出值(偏置点)最好是波峰与波谷的中点。当理想化的对称地制作出2个位相偏移光波导时，它们的位相相等，因此，光工作点位于光输出特性曲线的峰值点，电场传感器不工作。通常，电场传感器探头的偏置点由制作时产生的2个位相偏移光波导的非对称性引起光波的位相差决定。这取决于制作误差及制作工艺条件。
下面所述的传感器探头，偏置点总是处于波峰与波谷的中点，不易受制作误差及制作工艺条件的影响，使灵敏度总是保持一定。
参见图11，该传感器探头具有基板2、在基板2上形成的与光纤8连接的入射光波导5、从在基板2上形成的入射光波导5分支的至少2个分支光波导6和设在这些分支光波导6的分支部附近的至少1对电极3，分支光波导6的至少1个出射端与光纤9连接。
分支光波导6在由铌酸锂晶体构成的基板(X板)2上对称地分支为Y字形而形成。用二氧化硅(SiO2)膜将分支光波导6的整个表面覆盖作为防止光吸收的缓冲层，然后在分支光波导6的分支部附近形成1对电极3。该电极3与基板2的外部的棒状天线4连接。
电场加到该传感器探头上时，在分支光波导6的分支部附近2个分支光波导6的一个折射率增大，另一个减小。结果，传感器探头的输出特性成为图12所示的曲线B和曲线C。即，与外加的电场强度的变化对应地，向一边的光纤9出射的光的强度一致增加，向另一边的光纤9出射的光的强度与其对称地减小，当外加电场强度为零时，不论哪边的出射光的强度都是最大值的1/2。
在本实施例中，光纤9也可以只是1根，另外，当电场强度大时，不需要棒状天线4，利用在基板2的表面形成的电极3本身就可以检测电场。
参见图13，该传感器探头具有与图11用相同的参照序号表示的相同的部分。该传感器探头具有从在基板2上形成的入射光波导5分支的并且在一定的长度上相互靠近配置的2个分支光波导6和设在这2个分支光波导6附近的1对电极3。
电场加到该传感器探头上时，2个分支光波导6的一方的折射率增大，另一方的减小。结果，分支后的入射光与电场强度的变化对应地发生位相失配，所以，在光波导相互之间进行光波的特性转换，从而如图14的曲线D及E所示的那样，成为相互对称的特性输出。外加电场强度为零时，2个光纤9的出射光的光强度相等，成为最大值的1/2。
根据需要，光纤9也可以只是1根，另外，电场强度弱时，通过将负载天线4与电极3连接，可以提高灵敏度。
参见图15，该传感器探头具有和图11用相同的参照序号表示的相同的部分。该传感器探头具有设在分支光波导6的分支部中至少一边的分支附近的用于屏蔽电场的电场屏蔽部件90。电场屏蔽部件90由导电物质或电波吸收物质等构成。
利用设在分支光波导6上的电场屏蔽部件90将电场屏蔽，在另一边的光波导6中折射率发生随外加电场的变化，结果，电场传感器的输出特性和图11的传感器探头的情况一样，成为图12所示的那样。未加电场时，2个光纤9的出射光的光强度相等，其值为最大值的1/2。该传感器探头结构简单，并且具有在强电场下也不会因放电击穿电场屏蔽部件90的优点。
参见图16，该传感器探头具有和图15用相同的参照序号表示的相同的部分。该传感器探头具有设在分支光波导6的一边的分支附近的用于屏蔽电场的电场屏蔽部件90。
在该传感器探头中，在存在电场屏蔽部件90的范围内，电场被屏蔽，在另一分支的分支光波导6内，折射率发生随外加电场的变化。结果，在分支光波导6相互之间与外加电场强度的变化对应地进行光波的特性转换，从2个光波导出射的光强度与图13的传感器探头的情况一样，可以获得与图14所示的特性相同的特性。未加电场时，2个输出光纤的光强度相等，其值为最大值的1/2。该电场传感器也和图15的例子一样，其结构简单，并且具有在强电场下也不会因放电引起电场屏蔽部件90击穿的优点。
参见图17，该传感器探头具有和图11用相同的参照序号表示相同的部分。该传感器探头的基板2由强电介质晶体构成，在分支光波导6的分支部具有偏振方向与周围不同的偏振反向部分95。
在该传感器探头中，具有偏振反向部分95的一边的分支光波导6在外加电场时折射率变化的符号与另一边的分支光波导6相反。结果，传感器探头的输出特性成为图12所示的那样。即与外加的电场强度的变化对应地，向一边的光纤9出射的光强度一致地增大，向另一边的光纤9出射的光强度与其对称地减小，外加电场强度为零时，不论哪边的光输出都成为最大值的1/2。该传感器探头全部由非金属构成，传感器探头本身不会干扰电场，并且具有耐压高的优点。
参见图18，该传感器探头具有和图17用相同的参照序号表示的相同的部分。该传感器探头的基板2由强电介质晶体构成，在分支光波导6的一边的分支上具有偏振方向与周围不同的偏振反向部分95。
在该传感器探头中，具有偏振反向部分95的一边的分支光波导6在外加电场时折射率变化的符号与另一边的分支光波导6相反。结果，传感器探头的输出特性成为图14所示的那样。即，与外加的电场强度的变化对应地，向一边的光纤9出射的光强度一致增大，向另一边的光纤9出射的光强度与其对称地减小，外加电场强度为零时，不论哪边的光输出都成为最大值的1/2。该传感器探头和图17的传感器探头一样，全部由非金属构成，传感器探头本身不会干扰电场，并且具有耐压高的优点。
发明的效果：
如上所述，按照本发明，可以获得小型的可以检测狭小场所的电场及噪声的电场传感器。
按照本发明，可以获得测量系统本身不发生噪声、传感器以外的结构体不捕捉其他噪声的电场传感器。
按照本发明，可以获得测量系统的存在对被测量系统不产生影响的电场传感器。
按照本发明，可以获得能非接触地测量电路元件表面的电场的电场传感器。
按照本发明，能与高电压装置非接触地检测该高电压装置发生的电场并且可以获得比较安全、装设容易的电场传感器。
按照本发明，可以获得将偏置点一定保持在波峰与波谷的中点、并且不易受制作误差及制作工艺条件的影响、灵敏度总是保持一定的电场传感器。