ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЛОТНОСТИ ЭНЕРГИИ ВОЛН Российский патент 1997 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к волоконным измерительным системам и радиотехнике и может быть использовано для измерения плотности энергии электромагнитных волн.

Устройством, наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению, является волоконно-оптический датчик для измерения параметров магнитного поля (патент США N 4368420, кл. G01R 33/032, 1983 г.)
Датчик содержит два волокнистых световода. Первый световод находится в стационарном положении, при этом один его торец закреплен неподвижно, а другой соединен с фотоприемником. Второй световод подвижный, закреплен так, что один его конец снабжен постоянным магнитом, размещенным вблизи от торца световода (≈ 1 см), а другой сопряжен с источником излучения. Магнитный момент постоянного магнита ориентирован вдоль продольной оси подвижного световода. Первый и второй волоконные световоды изначально могут быть размещены либо соосно, либо так, что их оси смещены на величину отрезка, равную 50% диаметра волокна.

Датчик работает следующим образом.

Измеряемое магнитное поле, которое ортогонально продольной оси подвижного световода, изменяет момент постоянного магнита и, следовательно, приводит к смещению выходного торца подвижного световода относительно входного торца первого световода. В результате этого смещения изменяется освещенность входного торца первого световода при распространении света от источника излучения до фотоприемника через первый и второй волоконные световоды.

Изменение сигнала на выходе фотоприемника зависит от величины измеряемого магнитного поля.

К недостаткам данного датчика следует отнести следующие.

Устройство относится к классу датчиков амплитудного типа и обладает недостатками, характерными для приборов этого класса:
датчик измеряет постоянные и квазипеременные магнитные поля в диапазоне частот, определяемом инерционностью упругой системы перемещений одного световода относительно другого;
датчик характеризуется низким уровнем точности и стабильности измерений, определяемыми нестабильностью источника излучения, дрейфом чувствительности фотоприемника и параметров волоконно-оптического тракта;
датчик подвержен влиянию внешних факторов (температуры, вибрационных и ударных механических нагрузок и др.)
Цель изобретения заключается в измерении параметров электро-магнитного поля в СВЧ диапазоне датчиком с управляемой диаграммой направленности, свободным от перечисленных недостатков.

Достижение поставленной цели осуществляется за счет того, что в волоконно-оптический датчик дополнительно введены токонесущий элемент и токопроводящее покрытие, между которыми расположена ферритовая пластина, намагниченная постоянным магнитом, неподвижно закрепленным относительно вектора измеряемого поля, при этом волоконный световод закреплен в пазу ферритовой пластины.

Воздействие магнитного поля постоянного магнита на ферритовую пластину вызывает в феррите эффект Коттона-Муттона, в результате чего диаграмма направленности антенного устройства (токонесущего элемента, ферритовой пластины, токопроводящего покрытия) сужается.

Достигается формирование диаграммы направленности антенного устройства в виде узконаправленного луча с заданными координатами в пространстве. Если вектор индукции магнитного поля изменить на противоположный, то луч перемещается в пространстве. При этом амплитуда перемещения луча зависит от структуры материала феррита, толщины слоя и величины вектора напряженности магнитного поля.

Так, при использовании ферритовой пластины со структурой шпинели толщиною 3 мм, напряженности магнитного поля H±0,04 T амплитуда перемещения луча составляет ±15^o.

На чертеже представлена схема волоконно-оптического датчика с управляемой диаграммой напряженности, где 1 токонесущий элемент, 2 ферритовая пластина, 3 паз, в котором размещен волоконный световод 4, 5 проводящее покрытие, 6 -постоянный магнит, создающий магнитное поле в ферритовой пластине 2.

Поскольку предлагаемое устройство относится к классу волоконно-оптических датчиков, ферритовая пластина решает двуединую задачу. С одной стороны, при намагничивании ферритовой пластины магнитным полем происходит сужение диаграммы направленности антенного устройства, а с другой стороны, ферритовая пластина служит в качестве преобразователя, с помощью которого принимаемая токонесущим элементом энергия индуцируемых волн приводит к нагреву световода и изменению его оптических параметров и, следовательно, параметров проходящей через световод волны.

Изменение оптических параметров световода 4 происходит вследствие его нагрева от ферритовой пластины 2, в свою очередь нагревающейся при поглощении энергии волн при ферромагнитном резонансе.

Для обеспечения наилучшего теплового взаимодействия ферритовой пластины 2 и волоконного световода 4 последний размещается в центре ферритовой пластины 2 в специально высверленном для этой цели пазу 3.

Устройство работает следующим образом.

Пусть датчик включен в одно из измерительных плеч волоконно-оптической измерительной системы интерферометрического типа (Маха-Цандера, Фабри-Перо и др. ) Магнитное поле от постоянного магнита 6, воздействуя на ферритовую пластину 2, изменяет его структуру так, что из изотропного материала он превращается в анизотропный (эффект Коттона-Муттона), формируя таким образом новую диаграмму направленности антенного устройства датчика. Иными словами, широкая диаграмма направленности, имеющая место в отсутствии магнитного поля, под действием последнего сужается.

За счет эффекта ферромагнитного резонанса происходит поглощение той части падающей энергии, которая прошла через намагниченную ферритовую пластину 2. Происходит разоргрев пластины 2 и, следовательно, самого волоконного световода 4.

Пропорционально мощности, падающей на волоконный световод 4, изменяются температура, линейные размеры и показатель преломления участка волоконного световода, расположенного внутри пластины 2, что приводит к изменению сдвига фаз в измерительном плече интерферометра.

Измерение сдвига фаз, например, с помощью временного мультиплексирования в интерферометре позволяет измерять плотности энергии принимаемых волн. При смене направления вектора магнитной индукции магнитного поля на противоположные аналогичные измерения проводятся в другой области пространства. Последовательное изменение направления вектора магнитной индукции на противоположное приводит к сканированию пространства узким лучом антенного устройства с заданной амплитудой. Технически изменение направления вектора магнитной индукции может быть осуществлено либо посредством изменения положения полюсов постоянного магнита N и S на противоположное, либо с помощью электромагнита.

Частота f принимаемых волн определяется диэлектрической проницаемостью ε ферритовой пластины 2 и размерами токонесущего элемента 1. Так, для датчика плотности энергии, изображенного на фиг. 1, токонесущий элемент которого выполнен в виде металлического диска радиусом a, частота принимаемой волны определяется следующим соотношением:

где c скорость света, A постоянная величина.

Таким образом, заявляемый волоконно-оптический датчик для измерения параметров электро-магнитного поля обладает расширенными функциональными возможностями по сравнению с ближайшим аналогом. Изобретение позволяет датчику решать новые задачи: индуцировать энергию излучателя в дискретных областях пространства за счет сужения диаграммы направленности антенного устройства; переходить в процессе измерений из одной области пространства в другую путем осуществления электронного управления диаграммой направленности антенного устройства; сканировать пространство узким лучом, например, с целью поиска объекта излучения в заданной системе координат, не прибегая к механическим перемещениям датчика.

Использование: волоконные измерительные системы и радиотехника для измерения плотности энергии волн. Сущность изобретения: при намагничивании ферритового слоя магнитным полем происходит сужение диаграммы направленности антенного устройства, а с другой стороны, ферритовый слой служит в качестве преобразователя, с помощью которого принимаемая токонесущим элементом энергия индуцируемых волн приводит к изменению оптических параметров световода и, следовательно, параметров проходящей через световод волны. Изменение оптических параметров световода 4 происходит вследствие его нагрева от ферритового слоя 2, в свою очередь нагревающегося при поглощении энергии волн при ферромагнитном резонансе. Для обеспечения наилучшего теплового взаимодействия ферритового слоя 2 и волоконного световода 4 последний размещается в центре ферритового слоя 2, в специально высверленном для этой цели пазу 3. 1 ил.

Волоконно-оптический датчик плотности энергии волн, содержащий волоконный световод и постоянный магнит, отличающийся тем, что дополнительно содержит ферритовую пластину, на противоположных поверхностях которой расположены токонесущий элемент и токопроводящее покрытие, при этом ферритовая пластина выполнена с пазом, в котором размещен волоконный световод, и установлена в поле действия постоянного магнита.