МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, электромагнитных полей и др.) с использованием микромеханических резонаторов (МР), возбуждаемых светом.

Конструктивно МР, как правило, представляют собой микробалку, микроконсоль, микромембрану и т.п., изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии монокристаллических материалов. Внешнее воздействие деформирует подложку МР и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом.

В связи с малой амплитудой колебаний МР (~0,1 мкм) в волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин применяется как интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, так и частотный.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ N 2135957, БИ N 24 от 27.08.99 г.).

Устройство содержит волоконно-оптический лазер (ВОЛ), МР, выполненный в виде микромостика (микромостика на мембране), коллиматор, выполненный в виде градиентной стержневой линзы (ГСЛ) в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, одномодовый изотропный световод, полупрозрачное зеркало, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух с коэффициентом отражения R₁ = 3,2%, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки на длине волны λ_н = 0,98 мкм.
В известном техническом решении один торец световода ВОЛ оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с анализатором спектра через фотоприемник, при этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор ВОЛ, а отражающая поверхность МР в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом θ_и.
Дискретная форма выходного сигнала ВОД, большая протяженность канала передачи и высокая точность измерения резонансной частоты делают этот тип ВОД перспективным при его использовании в системах измерения физических величин.

Недостатком данного решения является следующее. Наличие в конструкции ВОД автоколлиматора на основе стержневых линз снижает стабильность параметров коллимированного пучка в условиях воздействия на автоколлиматор таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры, давления, ускорения и др. Нестабильность параметров коллимированного пучки ухудшает такие характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин, как надежность, точность, быстродействие, а также снижает эффективность взаимодействия ВОЛ с МР за счет нестабильности θ_и - угла начальной ориентации оптической оси коллимированного пучка относительно нормали к отражающей поверхности МР. Кроме того, в известном техническом решении конструкция и технология изготовления МР ограничивают возможность его применения для дистанционного измерения электрического тока. Действительно, выполненный из монокристалла кремния методом анизотропного травления и плазмохимии МР также снабжен дополнительным покрытием из металла, которое выполняет роль второго зеркала резонатора ВОЛ (первое - граница раздела световод-воздух на входе фотоприемника). Такой МР мало эффективен для дистанционного измерения электрического тока.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного ВОД физических величин для дистанционного измерения электрического тока на основе применения магнитосилового эффекта, возникающего при взаимодействии с МР магнитного поля проводника с током i, который подлежит измерению. Магнитное поле проводника с током изменяет характеристики МР, что приводит к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР пропорционально величине тока в проводнике.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике электрического тока, включающем волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.

Суть заявляемого технического решения заключается в разработке ВОД электрического тока, в котором коллимирование луча, взаимодействующего с МР, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора, а изменение величины измеряемого электрического тока проводника с током сопряжено с изменением характеристик МР под действием магнитного поля этого проводника с током. При этом изменение характеристик МР приводит к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР (при осуществлении модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал резонатора ВОЛ, в качестве которого служит МР).

Предлагаемый волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода.

В Гауссовом приближении зависимость параметров коллимированного пучка d, θ_o от геометрических размеров микролинзы и характеристик световода описывается выражениями:

где d - диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе;
θ_o - угол расходимости коллимированного пучка;
d_c - диаметр световедущей сердцевины световода;
NA - числовая апертура одномодового световода;
l - длина микролинзы;
n - показатель преломления материала микролинзы.

Радиус микролинзы R рассчитывается по формуле:
(2)
которая получена из условия, что торец световода располагается в фокальной плоскости микролинзы, а показатель преломления среды (воздуха), в которой распространяется коллимированный пучок, принят равным 1. Оптимальное значение расстояния между микролинзой и МР определяется экспериментально из условия максимального значения отношения сигнал-шум.

Стабильность параметров коллимированного пучка обеспечивается, во-первых, конструкцией автоколлиматора, представляющей собой монолитную структуру из одномодового материала, в которой соединение кварцевого световода с микролинзой из кварцевого стекла осуществляется с помощью сварки в электрической дуге, позволяющей получить высокую механическую прочность и эффективное оптическое сопряжение элементов, во-вторых, слабым влиянием дестабилизирующих факторов (изменений температуры, давления, электромагнитных полей и др.) на показатель преломления и геометрические размеры микролинзы.

Так, в соответствии с формулой (1), исходя из известных значений термооптических и фотоупругих характеристик для кварцевого стекла (световода), получим оценки:


Это значит, что в диапазоне температур 0 - 800^oC изменения параметров коллимированного пучка не превышают соответственно 5% и 3%.

Далее отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний в системе ВОЛ-МР основным фактором, определяющим эффективность взаимодействия ВОЛ и МР является угол расходимости пучка θ_o, определяющий ширину интервала Δθ_и = θ₂- θ₁, а именно, чем меньше угол расходимости θ_o, тем больше ширина интервала Δθ_и и наоборот.

В предлагаемой конструкции автоколлиматора АК обеспечивается возможность вариации значений θ_o в широких пределах, что приводит к существенному увеличению ширины зоны существования устойчивых автоколебаний в системе ВОЛ-МР и, следовательно, повышает эффективность их взаимодействия и улучшает технические характеристики устройства: точность, надежность, стабильность.

Для иллюстрации возможностей волоконного АК ниже приводятся оценки параметров коллимированных пучков (d, θ_o) при некоторых типовых значениях геометрических размеров волоконных АК и характеристик одномодового световода.

Имеем, при
- диаметре микролинзы, D (мкм), 200...300
- длине микролинзы, l (мкм), 700...900
- радиусе микролинзы, R (мкм), 200...300
- параметрах одномодового световода (λ = 1,55 мкм, NA = 0,15, d_c 6,5 мкм)
следующие параметры коллимированных пучков:
- диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе (мкм), d = 50...150,
- угол расходимости коллимированного пучка (рад) θ_o = 8 • 10^-3 ... 2 • 10^-2.

Что касается сущности магнитосилового эффекта и его использования, то здесь следует отметить следующее.

Дифференциальное уравнение изгибных колебаний МР, находящегося под действием продольной силы F_x, направленной вдоль его длины, в общем случае записывается в виде:

где μ - масса единицы длины МР;
E - модуль Юнга МР;
J - момент инерции поперечного сечения МР.

Представляя изгибные колебания y (x, t) в виде Φ(x)e^iωt, получаем:

где K⁴ = E_x/EJ
здесь ω_к - частота собственных колебаний МР.

Решение уравнения (3) с учетом (4) требует введения соответствующих граничных условий.

Рассмотрим в качестве примера МР, выполненный в двух модификациях: в виде микроконсоли и микробалки. Для микроконсоли граничные условия в рассматриваемом случае можно представить как

где l - длина микроконсоли.

При размещении МР в виде микроконсоли (из магнитомягкого аморфного сплава) во внешнее магнитное поле проводника с током изменяются характеристики МР, что приводит к изменению частоты собственных колебаний МР.

Если магнитное поле проводника с током намагничивает консоль до насыщения, то
F_x = S•M_s•H_x
где H_x - напряженность магнитного поля проводника с током i;
F_x - магнитная сила, действующая на МР;
S - площадь поперечного сечения консоли (a•d);
M_s - намагниченность насыщения;
a - ширина консоли;
d - толщина консоли.

Решая совместно уравнения (3) и (5), получаем трансцендентное уравнение, из которого следует, что при F_xl²/EJ≅ 1 частота собственных колебаний МР зависит линейно от величины H_x:

При H_x ≅ H_A (где H_A - поле анизотропии, параметр ферромагнетика) эффект магнитосилового взаимодействия мал, и в выражении (6) можно пренебречь соответствующим членом в квадратных скобках по сравнению с единицей. Тогда частота собственных колебаний МР будет изменяться, главным образом, за счет изменения модуля упругости E от H_x

Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим взаимосвязь частоты собственных колебаний МР в системе ВОЛ-МР с магнитным полем бесконечного прямолинейного проводника с током i, расположенного на расстоянии Z₀ от МР.

С учетом принципа суперпозиции магнитных полей имеем:

Из выражения (8) следует, что при известном значении аргумента H_x, определяемом из выражения (7), вычисляется ток i, протекающий по проводнику, расположенному от МР на расстоянии r₀. Аналогично по величине H_x дистанционно измеряется ток i проводников иных конфигураций: прямоугольного витка, кругового витка, тороида, соленоида и т.п.

При использовании МР в виде балки, закрепленной с двух сторон, ход рассуждений аналогичен. Применительно к балке, краевые условия запишутся в виде:

Решая уравнение (3) с учетом (9) в функциях Крылова, находим, что частота f собственных колебаний МР, нагруженного продольной силой F_x, связана с частотой ненагруженного резонатора f₀ следующим образом:
f² = f₀ ²(1+f² = f20

При увеличении продольной силы F_x влияние упругих свойств балки на изгибную жесткость уменьшается, и в пределе при F_x___→ ∞ формула (11) переходит в формулу для частоты колебаний струны с α = 0,0197.
На чертеже представлена схема микрорезонаторного ВОД электрического тока, где 1 - ВОЛ, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λ_н = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - АК, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце световода, 4 - зеркало M₁ оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - МР, представляющий собой ленту (пленку) из магнитомягкого аморфного сплава (например, спиновое стекло (металл-глас), монокристалл железоиттриевого граната) в виде микроконсоли (микробалки), 6 - угол θ_и между нормалью к отражающей поверхности МР 5 и оптической осью пучка, сформированного волоконным АК 3, 7 - зеркало M₂, в качестве которого использована отражающая поверхность МР 5, l - длина микролинзы, D - диаметр микролинзы, d - диаметр коллимированного пучка, H - расстояние между микролинзой и МР 5, 8 - проводник с током, H_x - магнитное поле проводника с током 8, 9 - фотоприемник, 10 - анализатор спектра.

Устройство работает следующим образом.

ВОД электрического тока, проградуированный по диапазону измеряемого электрического тока, размещается относительно проводника с током 8 на определенном расстоянии Z₀ таким образом, чтобы продольная ось МР 5 и направление магнитных сил F_x магнитного поля проводника с током 8 совпадали. Независимо от конфигурации МР (консоль, балка) магнитное поле проводника H_x, воздействуя на МР 5, приводит к изменению характеристик МР 5 и, следовательно, его собственной резонансной частоты, связанной с измеряемым током. В системе ВОЛ 1 - МР 5 устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды колебаний МР: f_i = F, где i = 1, 2, ... m. При этом автоколебательный режим в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора ВОЛ вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений зеркала, в качестве которого служит МР.

Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного ВОД электрического тока, содержащего волоконный автоколлиматор, обеспечивающий высокую стабильность параметров коллимированного пучка в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов.

Изобретение позволяет получить следующие положительные свойства:
- снижение массы и габаритов ВОД;
- повышение надежности, точности, стабильности, быстродействия;
- увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и микрорезонатора.

Использование: волоконно-оптические преобразователи физических величин с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. В волоконно-оптическом датчике коллимирование луча, взаимодействующего с микрорезонатором с зеркальным отражателем, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора. Изменение величины измеряемого электрического тока проводника с током сопряжено с изменением характеристик микрорезонатора под действием магнитного поля этого проводника с током. При этом изменение характеристик микрорезонатора приводит к изменению резонансной частоты в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода. Продольная ось микрорезонатора, выполненного в виде пленки из магнитного материала, совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током. Обеспечено дистанционное измерение электрического тока, повышена стабильность измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, включающий волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, отличающийся тем, что в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, при этом продольная ось микрорезонатора совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током. 2. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло. 3. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.