ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ Российский патент 2000 года по МПК G01R33/32 

Изобретение относится к технике магнитных измерений, в частности дефектоскопии ферромагнитных изделий.

Известен датчик магнитного поля (Залысин С.П., Кубраков Н.Ф., Червоненкис А.Я. Магнитооптический датчик токов и полей //Тр. МЭИ, 1981. Вып. 557, с. 67-72). Датчик содержит источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположены поляризатор, магнитная пленка, анализатор, на выходе волокна фотоприемник.

Недостатком датчика является низкая пространственная разрешающая способность.

Известен также датчик магнитного поля (aвторское свидетельство СССР N 1455332, МКИ G 02 F 1/09), содержащий источник света, устройство ввода, излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположен магнитооптический материал, на выходе волокна фотоприемник. Излучение из оптического волокна дифрагирует на магнитооптическом материале, период доменной структуры в котором связан с числовой апертурой волокна соотношением (λ - длина волны света, d - период доменной структуры, NA - числовая апертура оптического волокна). Излучение нулевого порядка дифракции распространяется по оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна. Магнитное поле уменьшает интенсивность высших порядков дифракции на магнитооптическом материале и увеличивает интенсивность нулевого порядка дифракции. Световой поток, регистрируемый фотоприемником, обратно пропорционален напряженности магнитного поля и по величине светового потока можно определить напряженность поля.

Недостатком датчика является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная низким динамическим диапазоном. В прототипе измеряется интенсивность нулевого порядка дифракции, прошедшего через выходное оптическое волокно, поэтому интенсивность излучения, попадающего на фотоприемник, изменяется в малых пределах (~1%). Малый диапазон изменения интенсивности регистрируемого фотосигнала уменьшает точность измерения.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать датчик магнитного поля путем повышения динамического диапазона и точности измерения напряженности магнитного поля.

Поставленная задача решается тем, что в датчике магнитного поля, содержащем источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположен магнитооптический материал, на выходе волокна фотоприемник, согласно изобретению, между входным оптическим волокном и магнитооптическим материалом содержится расширитель светового пучка, входное оптическое волокно выполнено одномодовым, а выходное многомодовым, содержащим в центре световедущей жилы поглощающий свет слой, толщина поглощающего свет слоя на оси выходного оптического волокна связана с его числовой апертурой соотношением (λ - длина волны света, h - толщина поглощающего свет слоя, NA - числовая апертура оптического волокна.). Фотоприемник регистрирует излучение высших мод выходного оптического волокна.

Свет дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале. Излучение нулевого порядка дифракции возбуждает осевую моду в выходном оптическом волокне, которая в процессе распространения поглощается или дифрагирует на центральном поглощающем слое. Продифрагировавший свет высших порядков дифракции возбуждает в оптическом волокне моды высших порядков, которые поглощаются в значительно меньшей степени. Интенсивность высших порядков дифракции на магнитооптическом материале под воздействием магнитного поля изменяется в гораздо больших пределах (интенсивность нулевого порядка дифракции в магнитооптическом материале на ~1%, интенсивность высших, на несколько порядков - от 0 до максимума) и соответственно возрастает динамический диапазон регистрируемого оптического сигнала.

На чертеже представлена оптическая схема устройства, где 1 - лазерный источник света, 2 - устройство дня ввода излучения в оптическое волокно, 3 - входное оптическое волокно, 4 - расширитель светового пучка, 5 - магнитооптический материал, 6 - выходное оптическое волокно с центральным поглощающим свет слоем (8), 7 - фотоприемник, расположены последовательно по ходу светового пучка.

Устройство работает следующим образом. Устройство для ввода излучения в оптическое волокно (2) направляет пучок излучения лазера на торец входного одномодового оптического волокна 3. Излучение из оптического волокна (3) расширяется расширителем светового пучка (4), дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале (5). Излучение нулевого порядка дифракции возбуждают в выходном оптическом волокне (6) осевую моду. Излучение высших порядков дифракции на магнитооптическом материале возбуждает в выходном оптическом волокне (6) моды более высоких порядков. Выходное оптическое волокно (6) пропускает излучение мод высших порядков на фотоприемник (7) с незначительными потерями и излучение осевой моды с большими потерями на поглощение.

При помещении магнитооптического материала (5) в исследуемое магнитное поле произойдет перераспределение энергии между порядками дифракции и соответственно изменение модового состава излучения в оптическом волокне. В результате изменится интенсивность светового потока, регистрируемого фотоприемником (7). По калибровочной зависимости между величиной фотосигнала и напряженностью магнитного поля определяют напряженность исследуемого поля.

В процессе распространения излучения осевой моды через выходное оптическое волокно лишь часть энергии излучения преобразуется в излучение мод высших порядков. Фотоприемник регистрирует не весь продифрагировавший свет, а лишь излучение высших порядков дифракции на магнитооптическом материале и незначительную часть излучения нулевого порядка. Отношение полезного оптического сигнала ко всему световому потоку (динамический диапазон) возрастает, что повышает точность измерения напряженности магнитного поля. Кроме того, конструкция датчика дает возможность использовать более толстые магнитооптические материалы с большим периодом доменной структуры и с более высокой дифракционной эффективностью, и дополнительно повысить полезный сигнал, динамический диапазон, точность измерения.

Пример. В качестве выходного оптического волокна могут быть использованы оптические волокна с поглощающей сердцевиной, толщина которого h удовлетворяет соотношению Излучение нулевого порядка, дифракции на магнитооптическом материале, распространяющееся по осевой моде, либо поглотится в поглощающей сердцевине, либо продифрагирует на ней и выйдет в оболочку оптического волокна.

Поглощающее волокно получают в процессе парогазовой реакции. На последней стадии процесса формирование волокна на поверхность исходного капилляра осаждают поглощающие на длине излучения лазера добавки (окись свинца, окись меди). Толщина такого слоя составляет 10-15 молекулярных диаметров.

Пленка магнитооптического материала выполнена из висмутсодержащего граната, состава (Bi, Lu)₃(Fe, Ga)₅O₁₂ с дифракционной эффективностью порядка 5%, что дополнительно повышает динамический диапазон и точность измерения. Динамический диапазон устройства повысится на 1-3 порядка и соответственно на 1-3 порядка уменьшатся ошибки измерения напряженности магнитного поля.

В заявляемом устройстве повышается точность измерения напряженности магнитного поля по сравнению с прототипом за счет повышения динамического диапазона устройства. Преимуществом магнитооптических датчиков магнитного поля по сравнению с другими конструкциями датчиков, например датчиков Холла или индукционных датчиков, является более высокая разрешающая способность. Магнитооптические датчики являются наиболее перспективными устройствами для выявления скрытых дефектов в ферромагнитных материалах, например, в работающих трубопроводах, сварных швах и т.д. Кроме того, магнитооптические датчики магнитного поля не содержат токоведущих частей и могут быть использованы для измерения полей в агрессивных средах.

Изобретение относится к технике магнитных измерений, в частности дефектоскопии ферромагнитных изделий. Датчик магнитного поля содержит источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположена магнитная пленка, на выходе волокна фотоприемник, между входным оптическим волокном и магнитооптическим материалом содержится расширитель светового пучка, входное оптическое волокно выполнено одномодовым, а выходное многомодовым, содержащим в центре световедущей жилы поглощающий свет слой, толщина поглощающего свет слоя связана с числовой апертурой выходного оптического волокна соотношением где λ - длина волны света, h - толщина поглощающего свет слоя, NA - числовая апертура оптического волокна. Технический результат заключается в расширении динамического диапазона и повышении точности измерения напряженности магнитного поля. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Датчик магнитного поля, содержащий источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположен магнитооптический материал, на выходе волокна - фотоприемник, отличающийся тем, что между входным оптическим волокном и магнитооптическим материалом содержится расширитель светового пучка, входное оптическое волокно выполнено одномодовым, а выходное многомодовым, содержащим в центре световедущей жилы поглощающий свет слой. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя поглощающего свет на оси выходного оптического волокна связана с его числовой апертурой соотношением

где λ - длины волны света,
h - толщина поглощающего свет слоя;
NА - числовая апертура оптического волокна.