JP3679811B2 - 電界測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、低周波電界を測定する測定システムに関するものであり、このシステムは、光ファイバによって互いに結合した容量性アンテナ及び測定装置を具えて、この容量性アンテナが
２枚の導電板を具えて、これにより、これらの導電板間の電位差が電界の尺度となり、
前記容量性アンテナがさらに、電気−光変換器に結合した高インピーダンス素子を具えて、この電気−光変換器は、前記電位差を光信号に変換して、この光信号は前記光ファイバ経由で、前記測定装置に搬送される。
こうした測定システムは、例えば電子装置が発生する不所望な低周波電界を測定するために用いることができる。こうした不所望な低周波電界の発生源は、例えば幹線から供給されるＡＣ電源であり、これは50／60Hzの周波数及びその高調波の不所望な電界を発生し、そしてテレビジョン受像機のスクリーンの偏向コイルであり、これは15kHzの周波数及びそれの高調波の不所望な電界を発生し、そしてスイッチングモード電源であり、これは20kHz〜200kHzの周波数帯域内の不所望な電界を発生する。こうした不所望な電界は、低周波無線電界と干渉しうる。さらに、低周波電界は人間にとって危険なことがある。従って、電子製品が発生を許容される電磁界に関する要求を策定したEMC規制が施行されている。今日では、こうした不所望な電界によって生じ得る危険に対する意識が高まっている。従って、EMC規制はより厳格になる傾向にある。電子製品がこうした厳格なEMC要求を満足するか否かをチェックするために、電界を非常に正確に測定する測定システムが必要になる。さらに、実行する測定は再現可能である必要がある。
特開平3-264,866号には、本願明細書の冒頭段落に記載の既知の測定システムが開示されている。この測定システムは、キャパシタによって互いに結合した導体を有するアンテナを具えている。演算増幅器の形態の高インピーダンス素子の第１入力を、このキャパシタの一方の側に結合して、この高インピーダンス素子の第２入力を、第１抵抗器を介して前記キャパシタの他方の側に結合している。前記演算増幅器の出力は、第２抵抗器を介して前記第２入力に結合する。電気−光変換器が、前記演算増幅器の出力信号を光信号に変換して、この光信号は光ファイバ経由で測定装置に搬送される。
既知の測定システムは、とりわけ、低周波数の弱電界の測定ができないことが不利であり、こうした既知の測定システムは特に、高電圧環境用に設計されたものである。
本発明の目的は、特に、本明細書の冒頭段落で規定した測定システムであって、低周波数の弱電界を正確に測定可能であり、かつ再現性が良好な測定システムを提供することにある。
本発明による測定システムは、
前記光信号を、前記測定装置によって測定すべき電気信号に変換する光−電気変換器を具えて；
前記２枚の導電板が平行導電板であり、前記高インピーダンス素子が、電界を測定する最低周波数において、前記導電板間に存在する容量（キャパシタンス）のインピーダンスと少なくとも同程度の大きさのインピーダンスを有することを特徴とする。
所定寸法及び所定距離を有する平行板を導入することによって、平行板間に存在する容量を正確に規定することができる。この容量は、前述のキャパシタとは異なるものである。前述のキャパシタは追加的な素子であり、前記平行板間に存在する容量は、これら２枚の導電板を互いに離間させて電界中に配置した結果に過ぎない。２、３cmだけの小さい寸法を有する導電板を使用する際には、これら２枚の導電板間に存在する容量は低い値となる。このことは、低周波数において導電板間に存在する容量によって生じるインピーダンスが高い値になることを意味する。これらの導電板を、電界を測定する最低周波数においてこれらの導電板間に存在する容量のインピーダンスと少なくとも同程度の大きさのインピーダンスを有する高インピーダンス素子を通して測定装置に結合することによって、弱い電界を正確に測定することができる。通常の導電ケーブルの代りに光ファイバを用いて、測定すべき信号を測定装置に伝送することによって、測定すべき電界においてこうした導電ケーブルによって生じる妨害を回避することができる。
本発明による測定システムの好適例は、前記高インピーダンス素子の一方の入力を一方の導電板に結合して、前記高インピーダンス素子の出力を、前記電気−光変換器の入力に結合して、前記高インピーダンス素子の他方の入力を前記高インピーダンス素子の出力に結合したことを特徴とする。
前記高インピーダンス素子の他方の入力を、前記高インピーダンス素子の出力のみに結合することによって、非常に高い入力インピーダンスが生成されて、この入力インピーダンスは、非常に弱い低周波電界を非常に正確に測定することを可能にする。本発明による測定システムのインピーダンスは、特開平3-264,866号に記載の既知の測定システムに比べてすっと高い。特開平3-264,866号は、演算増幅器の第１入力を一方の導電板に結合して、この演算増幅器の第２入力を、他方の導電板とこの演算増幅器の出力との間に配置した抵抗分圧器の共通点（中間点）に結合した構成を開示している。こうした構成は不利な入力インピーダンスを有するが、高電圧の環境では問題ない。
本発明による測定システムの好適例は、前記容量性アンテナが、前記電気−光変換器に電力を供給するためのバッテリを配置するための空間を具えていることを特徴とする。このようにして、導電ケーブルによって前記アンテナに搬送される電流を用いて前記電気−光変換器に給電することを回避できる。こうした導電ケーブルは、測定すべき電界に妨害を発生し得る。
本発明による測定システムの好適例は、この測定システムが、前記容量性アンテナに光エネルギーを搬送するためのさらなる光ファイバを具えて、前記容量性アンテナが、前記光エネルギーを電気エネルギーに変換する光−電気変換器を具えて、この電気エネルギーを、前記電気−光変換器に電源電力として供給することを特徴とする。
前記電気−光変換器への給電用のエネルギーを、光ファイバを用いて搬送することによって、測定すべき電界に妨害が発生しない。さらに、このようにして、非常に安定したＤＣ電源レベルを得ることができる。バッテリには、発生する電源電圧が時間経過により低下するという問題がある。前記電気−光変換器に非常に安定したＤＣ電源電力を供給することは、この変換器が実行する変換の精度に寄与する。
本発明による測定システムの好適例は、前記高インピーダンス素子が、バッファ形式に構成した演算増幅器であることを特徴とする。
このように構成した増幅器は、非常に高い入力インピーダンスを有して、極めて弱い低周波電界を極めて正確に測定することを可能にする。
本発明による測定装置の好適例は、前記光−電気変換器を、電源電圧なしで機能するように構成したことを特徴とする。
本発明はさらに、低周波電界を測定するための容量性アンテナに関するものであり、この容量性アンテナは光ファイバによって測定装置に結合し、この容量性アンテナは、
２枚の導電板を具えて、これにより、これらの導電板間の電位差が電界の尺度となり、
前記容量性アンテナはさらに、電気−光変換器に結合した高インピーダンス素子を具えて、この電気−光変換器は、前記電位差を光信号に変換して、この光信号が前記光ファイバ経由で前記測定装置に搬送されることを特徴とする。
本発明による容量性アンテナは、前記２枚の導電板が平行板であり、前記高インピーダンス素子が、電界を測定する最低周波数において、前記導電板間に存在する容量のインピーダンスと少なくとも同程度の大きさのインピーダンスを有することを特徴とする。
本発明による容量性アンテナの好適例は、前記高インピーダンス素子の一方の入力を一方の導電板に結合して、前記高インピーダンス素子の出力を、前記電気−光変換器の入力に結合して、前記高インピーダンス素子の他方の入力を、前記高インピーダンス素子の出力に結合したことを特徴とする。
本発明による容量性アンテナの好適例は、前記電気−光変換器に電源電力を供給するためのバッテリを配置するための空間を具えていることを特徴とする。
本発明による容量性アンテナの好適例は、さらなる光ファイバ経由で受け取った光エネルギーを電気エネルギーに変換する光−電気変換器を具えて、この電気エネルギーを、前記電気−光変換器に電源電力として供給する。
以下、本発明をより明瞭にすべく、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
全部の図面を通して、類似の参照符号は類似の部分を表している。
図１に、本発明による測定システムのブロック図を示す。この測定システムは低周波電界を測定するための容量性アンテナ10を具えている。このアンテナは２個の平行な導電板11、12、高入力インピーダンスを有する増幅器13、電気−光変換器14及び電池給電15を具えている。このアンテナを光ファイバー20に接続して、このファイバーを光−電気変換器30に接続する。この光−電気変換器を、周知の種類の測定装置31、例えばスペクトル解析器に接続する。
導電板11と12との間の電位差は電界の尺度である。この電位差を増幅器13に与える。この増幅器13は非常に高い入力インピーダンスを有する。この入力インピーダンスが、なるべくなら、測定すべき最低周波数において導電板11と12との間のキャパシタンスによって生じるインピーダンスと少なくとも同程度の大きさでなければならない。このようにして、これらの導電板間の電位差が、増幅器13によって影響されないか、あるいはほとんど影響されない。この増幅器13から、測定すべき信号が電気−光変換器14に与えられて、この変換器がこの電気信号を光信号に変換する。この光信号が電気−光変換器14から光−電気変換器30に光ファイバー20経由で搬送され、この変換器が光信号を再び電気信号に変換して、この電気信号を測定装置31によって測定する。電池給電15が電源電力を増幅器13及び電気−光変換器14に供給する。
図２は、本発明の測定システムに用いる容量性アンテナの写実的な図面である。導電板11及び12は円形である。測定すべき電界への影響を小さく保つために、これらの導電板は小さい寸法を有しなければならない。出願人は44mmの半径を有する板によって良好な結果を得たが、他の寸法も可能である。円形板は電荷の集中が生じ得る縁を具えていないと言う性質を有する。こうした電荷の集中は測定に影響し得る。しかし、正方形の板もまた充分な結果を与えるので、円形板を用いる必要はない。増幅器13は導電板11の外側に見られる。この増幅器は導電板11の一部分上にはんだ付けした構成要素から成り、この一部分は、この導電板の残りの部分から電気的に絶縁されている。電池給電15及び電気−光変換器14は導電板12の内側に見られる。これらはハウジング150内に共に配置する。半硬質ケーブル17を、一方の面上の増幅器13と、他方の面上の電気−光変換器14及び電池給電15との間に配置する。半硬質ケーブル17は内部導体及び外部導体から成る。電気給電15からの正の電源電力、並びに低周波数における導電板12の電位を増幅器13に伝達するために、外部導体を配置する。外部導体及び内部導体が共に、増幅器13と電気−光変換器14との間の信号導体として働く。導電板11の電位を細い導線19によって増幅器13に与える。もう一つの細い導線190は増幅器の構成要素間の接続部である。他の細い導線18を、電池の負極と増幅器との間に配置する。出願人は両板間の73mmの距離によって良好な結果を得た。両板が44mmの半径を有し且つ両板間の距離が73mmである場合に、両板間のキャパシタンスは約４pFである。しかしながら、正確な距離と半径とは、このアンテナの性能に対して厳密ではない。
図３ａに、増幅器13を詳細に示す。増幅器13は、導電板11に接続した第１入力端子40と導電板12に接続した第２入力端子41とを具えている。この第２入力端子には、電池からくる正の電源電力DC+も存在する。第１入力端子は演算増幅器OPAMPの正の入力端子に接続する。この演算増幅器の負の入力端子と出力端子とを接続する。この演算増幅器は、電源電力DC+とDC-とをこの演算増幅器に供給するための、正の電源入力端子43及び負の電源入力端子44を有する。２個の入力端子40、41の間に第１コンデンサC1を配置する。第１入力端子40を第１抵抗R1に接続する。この第１抵抗はさらに、共通結合点45を介して第２抵抗R2、第３抵抗R3及び第２コンデンサC2に接続する。第２抵抗R2はさらに、演算増幅器OPAMPの負の電源入力端子44に接続する。第３抵抗R3はさらに第２入力端子41に接続する。第２コンデンサC2はさらに第４抵抗R4に接続し、この抵抗を演算増幅器OPAMPの出力端子に接続する。この出力端子は第５抵抗R5を介して、この増幅器の出力端子42に接続する。
この増幅器は次のように機能する。すなわち、この演算増幅器の出力端子と負の入力端子との間の接続によって非常に高い入力インピーダンスが得られる。第１、第２及び第３抵抗R1、R2及びR3は、得られる最大電圧振幅を有するように、この演算増幅器の入力端子を電源電圧の半分に調節するためのものである。それ故に抵抗R2とR3とは同じ値を有する。これらの抵抗R1、R2、R3はすべてＭΩ程度の値を有している。第４抵抗R4及び第２コンデンサC2は、抵抗R1、R2及びR3の共通結合点に出力電圧のごく一部をフィードバックするためのものである。この方法で演算増幅器の負の入力端子から電流が抵抗R1、R2、R3を通って流れて、これにより増幅器13の入力インピーダンスの減少が回避される。コンデンサC1はアンテナ板の間のキャパシタンスと共に容量性分圧器として働く。第５抵抗R5が演算増幅器の出力を増大させる。増幅器13は、非常に高い入力インピーダンス及びほぼ１の信号増幅率を有する、前記導電板と電気−光変換器との間の一種のインピーダンス変換器バッファである。
図３ｂに、計算した増幅器13の入力インピーダンスを周波数の関数として示す。数十Hzより高い周波数に対して入力インピーダンスは500ＭΩ以上の値を有することがわかる。50Hzにおけるアンテナ板間の容量（４pF）の等価インピーダンスは約750ＭΩであり、大きさは同程度である。
図４に、電気−光変換器14を詳細に示す。この電気−光変換器は、電池給電15からくる電源電力をこの変換器に供給するための電源端子51、52を具えている。電源端子51は増幅器13の入力端子41に接続する。この電気−光変換器はさらに、増幅器13の出力端子42に接続した入力端子53を有する。この電気−光変換器はさらに、端子51と53との間に配置したレーザーLSを具えている。このレーザーは、第６抵抗及びnpn型である第１トランジスタQ1と直列に接続する。入力端子53とレーザーLSとの間に第３コンデンサC3を配置する。トランジスタQ1は、同じくnpn型の第２トランジスタQ2にダーリントン形に接続する。トランジスタQ2のエミッタをトランジスタQ1のベースに接続して、コレクタを端子51に接続する。トランジスタQ2のベースとトランジスタQ1のコレクタとの間に第４コンデンサC4を設ける。トランジスタQ2のベースは、pnp型である第３トランジスタQ3のコレクタに接続する。このコレクタはさらにモニターMON、例えばフォトダイオードに接続し、このモニターはレーザーLSが発生した光の量を監視する。トランジスタQ3のエミッタを、第７抵抗R7を介して端子51に接続する。トランジスタQ3のベースを第８抵抗R8に接続して、この抵抗を共通結合点54を介してモニターMON及び第１トランジスタQ1に接続し、且つ端子51に接続した発光ダイオードLDに接続する。抵抗R8及び発光ダイオードLDと並列に、第５コンデンサC5を設ける。コイルL1をコンデンサC5と直列に接続する。２個の電源点41、43とこのコイルとの間に、電池及びレーザーのハウジング150を通る貫通コンデンサX1を配設する。
電気-光変換器は次の通り機能する。すなわち、点51と53との間に存在する電気信号をレーザーLSに与える。このレーザーLSが、約1310nmの波長を有する光波をこの電気信号で変調して、この変調光波を光ファイバー20に結合する。トランジスタQ1及びQ2はレーザーの供給電流を一定値に保つ目的を有する。抵抗R6は、トランジスタQ1及びQ2が短絡した場合に生じ得る過大な電流に対してレーザーを保護するためのものである。コンデンサC3は増幅器13から来る直流電流を阻止するためのものである。
例えば経年によって電池が発生する供給電圧が低下した場合には、レーザーを通る電流、従ってレーザーLSが発生する光量も低下する。この時モニターMONを通る電流も低下して、これがトランジスタQ2のベース電圧の増加をもたらし、このことがレーザーLSを通る電流の増加をもたらす。このようにしてレーザーLSを通って流れる供給電流が一定に保たれる。コンデンサC4は、端子51と53との間の電気信号による光波の変調によって生じる光の低周波数変動が、レーザーによる電源電流の制御にいかなる影響も有しないことを保証する、一種の遅延素子として機能する。発光ダイオードLD、抵抗R7とR8及びトランジスタQ3が共に定電流源を形成する。コンデンサC5、コイルL1及び貫通コンデンサX1は、レーザーの電源電流に外乱を発生させ得るような電源電圧のピークをフィルタリングするためのものである。
レーザーLS及びモニターMONは１個のハウジング内に配置する。これらのレーザー及びモニターを具えた構成要素の型番号は、Philips OptoelectronicCentre(POC)のCQF-57である。
発光ダイオードLDは、R7、R8、Q3及びLDが存在する定電流源によって供給する電流が温度変動によてほとんど影響されないことを保証する。これは、発光ダイオードLDがトランジスタQ3のp-n接合と並列なp-n接合であると言うことによる。発光ダイオードLDの代わりに、他のいずれかの構成要素が用いることができ、この構成要素がトランジスタQ3及び抵抗R7とR8と共に定電流源を形成する。発光ダイオードが発生する光は電気−光変換器内では用いない。
図５に、光−電気変換器を測定装置と共に示す。この光−電気変換器30は、フォトダイオードPD、例えばPhilips Optoelectronic Centre(POD)の型番CPF23/D76のフォトダイオードと、これに並列な抵抗R9とから成る。このフォトダイオードには電源電圧を供給しない。光−電気変換器は測定装置31に接続する。この測定装置はあらゆる既知の種類、例えばスペクトル解析器とすることができる。
抵抗R9は、フォトダイオードが発生する直流電流を消費する。この電流は、このフォトダイオードの直流電圧を1.3V以下に維持するような値を有する。このようにしてフォトダイオードが非導通に保たれる。このことが、フォトダイオードが光ファイバー20から来る入射光波を復調することを可能にし、これにより、この測定装置によって測定すべき電気信号が得られる。
図１〜５に記載したような測定システムによって、約40Hz〜10MHzの周波数帯域内の電界を測定することが可能である。増幅器13は直流から10MHzまで動作するが、その高周波数における−３dB点は約２MHzである。この電気−光変換器は２GHzまで動作するが、その低周波数における−３dB点は約２kHzである。それ故に周波数依存の較正係数を用いることが必要である。
図６に、光ファイバー経由で容量性アンテナに光エネルギーを供給する、本発明による測定システムのブロック図を示す。光ファイバー21に非変調光波が結合される。この光波が光−電気変換器16、例えば前記容量性アンテナ内のフォトダイオードに当たって、この変換器がこの光波を、増幅器13及び電気−光変換器14のための供給電流として用いることができる直流電流に変換する。この測定システムにおいては、経年による電源電圧の低下及び電池が空になった場合に電池を変えなければならない、電池給電の欠点が回避される。
本明細書に記載した本発明の実施例は例示を意図したものであり、本発明を限定する意味はない。当業者は請求の範囲に規定した本発明の範囲から離れることなく、これらの実施例に対する種々の変形例を作製することができる。例えば演算増幅器を用いる代わりに、他の電界効果トランジスタを用いて高入力インピーダンスを有する増幅器を得ることもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は容量性アンテナが電池給電を具えている、本発明による測定システムのブロック図を示す。
図２は本発明の測定システムに用いる容量性アンテナの写実的な図である。
図３ａは容量性アンテナに配置した増幅器の詳細な表現である。
図３ｂは計算した増幅器の入力インピーダンスを周波数の関数として示す図である。
図４は容量性アンテナに配置した電気−光変換器の詳細な表現である。
図５は本発明の測定システム内に配置した光−電気変換器の詳細な表現である。
図６は光ファイバー経由で容量性アンテナに光エネルギーを供給する本発明による測定システムのブロック図を示す。

Claims (10)

1. 低周波電界を測定する測定システムであって、該測定システムが、光ファイバによって互いに結合した容量性アンテナと測定装置とを具えて、前記容量性アンテナが、
   ２枚の導電板を具えて、これにより、前記導電板間の電位差が前記電界の尺度となり、
   前記容量性アンテナがさらに、電気−光変換器に結合した高インピーダンス素子を具えて、前記電気−光変換器が前記電位差を光信号に変換して、該光信号が、前記光ファイバ経由で前記測定装置に搬送される測定システムにおいて、
   前記測定装置が光−電気変換器を具えて、該光−電気変換器が、前記光信号を、前記測定装置によって測定される電気信号に変換して、
   前記２枚の導電板が平行板であり、前記高インピーダンス素子が、前記電界を測定する最低周波数において、前記導電板間に存在する容量のインピーダンスと少なくとも同程度の大きさのインピーダンスを有することを特徴とする測定システム。
2. 前記高インピーダンス素子の入力を前記導電板の一方に結合して、前記高インピーダンス素子の出力を前記電気−光変換器の入力に結合して、前記高インピーダンス素子の他の入力を前記高インピーダンス素子の出力に結合したことを特徴とする請求項１に記載の測定システム。
3. 前記容量性アンテナが、前記電気−光変換器に電源電力を供給するためのバッテリを配置するための空間を具えていることを特徴とする請求項１または２に記載の測定システム。
4. 前記測定システムが、前記容量性アンテナに光エネルギーを搬送するためのさらなる光ファイバーを具えて、前記容量性アンテナが、前記光エネルギーを電気エネルギーに変換する光−電気変換器を具えて、前記電気エネルギーを、前記電気−光変換器に電源電力として供給することを特徴とする請求項１または２に記載の測定システム。
5. 前記高インピーダンス素子が、バッファ形式に構成した演算増幅器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の測定システム。
6. 前記光−電気変換器を、電源電圧なしで機能するように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測定システム。
7. 光ファイバによって測定装置に接続して低周波電界を測定するための容量性アンテナであって、該容量性アンテナが、
   ２枚の導電板を具えて、これにより、前記導電板間の電位差が前記電界の尺度となり、
   前記容量性アンテナがさらに、電気−光変換器に結合した高インピーダンス素子を具えて、前記電気−光変換器が、前記電位差を光信号に変換して、該光信号が、前記光ファイバ経由で前記測定装置に搬送される容量性アンテナにおいて、
   前記２枚の導電板が平行板であり、前記高インピーダンス素子が、前記電界を測定する最低周波数において、前記導電板間に存在する容量のインピーダンスと少なくとも同程度の大きさのインピーダンスを有することを特徴とする容量性アンテナ。
8. 前記高インピーダンス素子の入力を前記導電板の一方に結合して、前記高インピーダンス素子の出力を前記電気−光変換器の入力に結合して、前記高インピーダンス素子の他の入力を前記高インピーダンス素子の出力に結合したことを特徴とする請求項７に記載の容量性アンテナ。
9. 前記電気−光変換器に電源電力を供給するためのバッテリを配置するための空間を具えていることを特徴とする請求項７または８に記載の容量性アンテナ。
10. 前記容量性アンテナが、さらなる光ファイバ経由で受け取った光エネルギーを電気エネルギーに変換する光−電気変換器を具えて、前記電気エネルギーを、前記電気−光変換器に電源電力として供給することを特徴とする請求項７または８に記載の容量性アンテナ。

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