Optischer Spannungs- und E-Feldsensor auf Basis eines X-Cut-Quarz-Resonators mit streckenneutraler optischer Signalübertragung:
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Düsseldorf
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Autor: Bauerschmidt, Peter
Jahr: 1995
Inhaltsverzeichnis Seite V Inhaltsverzeichnis Vorwort HI Inhaltsverzeichnis V Verzeichnis der verwendeten Formelzeichen und Symbole VIII 1 Einführung I 2 Unkonventionelle optische Spannungswandler 6 2.1 Bekannte Verfahren zur optischen Spannungswandlung........................................ 7 2.1.1 Nutzung direkter elektrooptischer Effekte.................................................. 7 2.1.2 Nutzung indirekter Effekte......................................................................... 9 2.1.3 Nachteile der bekannten Verfahren zur optischen Spannungsmessung......... 11 2.2 Streckenneutrales Wandlerkonzept....................................................................... 12 3 Sensoren mit frequenzcodiertem Ausgangssignal 14 3.1 Optisch angeregte mikrostrukturierte Sensoren..................................................... 14 3.2 SAW-Sensoren..................................................................................................... 15 3.3 E-Feld empfindliche piezoelektrische Volumenresonatoren................................... 17 3.3.1 Lineare Resonatortheorie............................................................................ 18 3.3.2 Berücksichtigung nichtlinearer Materialkoeffizienten.................................. 25 3.3.3 Auswahl von Resonatormaterial und -Orientierung...................................... 31 4 Theoretische und experimentelle Untersuchungen an X-Cut-Quarz-Resonatoren 36 4.1 Impedanzmessungen an scheibenförmigen Quarz-Resonatoren.............................. 36 4.2 Finite-Element-Simulationen................................................................................. 38
Seite VI Inhaltsverzeichnis 4.2.1 Analysemethoden und Modellierung........................................................... 39 4.2.2 Vergleich von simulierten und gemessenen Impedanzdiagrammen............... 40 4.2.3 Berechnete Eigenschwingungen eines scheibenförmigen Quarz-Resonators. 45 4.3 Resonatordesign für optimiertes Impedanzverhalten.............................................. 47 5 Oszillatorschaltung zur Anregung der X-Cut-Quarz-Resonatoren 50 6 Elektrische Untersuchung des Oszillatorverhaltens 55 6.1 Temperatureinfluß................................................................................................ 57 6.1.1 Theoretische Bestimmung des Temperatur-Frequenz-Verhaltens................ 57 6.1.2 Meßresultate für das Temperatur-Frequenz-Verhalten................................ 63 6.2 Einfluß elektrischer DC-Felder............................................................................. 65 6.2.1 Meßresultate ohne Temperaturkompensation.............................................. 65 6.2.2 Strategien zur Temperaturkompensation..................................................... 66 6.2.3 Abschätzung des Einflusses der Kristall-Eigenerwärmung........................... 68 6.2.4 Meßresultate mit Temperaturkompensation................................................ 70 6.3 Einfluß elektrischer AC-Felder............................................................................. 73 6.3.1 Modifizierter Meßaufbau............................................................................ 75 6.3.2 Meßresultate ohne numerische Aufbereitung............................................... 76 6.3.3 Meßresultate mit numerischer Aufbereitung................................................ 78 7 Interferometrische Untersuchung des Schwingungsverhaltens 82 7.1 Rechnergesteuerter Interferometer-Meßplatz........................................................ 83 7.2 Transientes
Schwingungsverhalten......................................... 86 7.3 Schwingungsverhalten im eingeschwungenen Zustand.......................................... 90 7.4 Verifizierung der Interferometermessungen........................................................... 92 7.4.1 Vergleich mit Finite-Element-Simulationen................................................. 93 7.4.2 Interferometrisch und elektrisch bestimmte Resonatorgüte.......................... 95 8 Optische Detektionsverfahren 99 8.1 Interferometrische Detektion................................................................................ 99 8.2 Modulation einer LED auf Hochspannungspotential............................................. 100 8.3 Optischer Hebel....................................................................................................101 8.3.1 Abschätzung der Strahlverschiebung auf dem Photodetektor......................102 8.3.2 Optischer Laboraufbau mit Rechnersteuerung............................................. 104 8.3.3 Anforderungen an die Strahlgeometrie........................................................107 8.3.4 Wandlung und optische Übertragung elektrischer Felder.............................109 9 Zusammenfassung und Ausblick 112
Inhaltsverzeichnis Seite VII A Lineare und nichtlineare Materialdaten von Quarz 118 B Schaltplan des verwendeten Quarz-Oszillators 120 Literaturverzeichnis 121
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