ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Российский патент 2003 года по МПК G01R29/00 

Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использовано в энергетике, сильноточной электронике для измерения электромагнитных полей, электрических токов и напряжений.

Широкое освещение в настоящее время получили работы по созданию датчиков магнитного поля и электрического тока. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемым результатам является волоконно-оптический датчик тока, рассмотренный в Lightwave Technology, v. LT-1, 1, March 1983, р.93-97 и взятый в качестве наиболее близкого аналога.

Конструктивно известный датчик представляет собой устройство, содержащее источник излучения (AlGaAs LED, длина волны 0,85 мкм), оптически активный кристалл Bi₁₂GeO₂₀ и систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы. В качестве соединителей используются многомодовые оптические волокна с диаметром сердцевины 100 мкм и числовой апертурой 0,18.

Описанное устройство работает следующим образом: свет постоянной интенсивности направляется по волокну от источника излучения к оптически активному кристаллу. Свет, пройдя через поляризатор, приобретает линейную поляризацию. Линейно поляризованный свет направляется в кристалл Bi₁₂GeO₂₀, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего (измеряемого) магнитного поля и собственного кругового двулучепреломления кристалла.

Угол поворота плоскости поляризации можно записать как
ψ = ψ_A+ψ_F = VHL+θL,
где V - константа Верде материала;
Н - приложенное магнитное поле;
L - длина кристалла;
θ - собственное круговое двулучепреломление кристалла.

После того как луч вышел из кристалла, он проходит через анализатор. Оптические оси поляризатора и анализатора параллельны. После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству.

К недостаткам описанной конструкции необходимо отнести значительную температурную погрешность - ≈4^o на интервале температур от -25^o до +65^oС, обусловленную температурными дрейфами собственного кругового двулучепреломления θ и константы Верде кристалла V.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока, отличающегося от аналога улучшенными техническими характеристиками, а именно - высокой температурной стабильностью.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока, содержащем источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α выбирают в зависимости от длины кристалла.

Проведя матричные преобразования при заданном состоянии входной поляризации, получим выражение для вектора Максвелла и через него вычислим интенсивность излучения I на входе фотоприемника.

При условии, что вклад линейного двулучепреломления кристалла по сравнению с вкладом кругового двулучепреломления мал и им можно пренебречь, выражение для I запишем в виде

где α - угол между оптическими осями поляризатора и анализатора;
I₀ - интенсивность света в отсутствие внешнего магнитного поля Н.

Рассмотрим коэффициент преобразования оптически активного кристалла датчика, определяемый как относительное изменение интенсивности света I на входе фотоприемника:

В первом приближении зависимость S_н от температуры t можно записать в виде

где V₀ и θ₀ - параметры V и θ, взятые при t₀=20^oС. Из выражения (1) следует, что изменение коэффициента преобразования датчика S_н при изменении температуры окружающей среды определяется двумя основными факторами: температурным дрейфом константы Верде материала и изменением от температуры величины коэффициента собственной оптической активности Далее запишем величину относительного отклонения коэффициента преобразования S_н(t) в виде:

Из выражения (2) представляется возможным выявить пути улучшения температурных характеристик данного датчика. Для этого разложим выражение (2) в ряд по t и найдем такое соотношение между длиной кристалла L₀ и углом α₀, при котором отклонение от температуры величины константы Верде будет компенсироваться отклонением от температуры величины оптической активности кристалла
Ограничимся первым членом разложения, приравняв его к нулю. Получим выражение:

Разрешим (3) по α:

Кроме того, при рассмотрении температурных характеристик датчика следует учитывать и тот факт, что выходной поляризатор должен быть ориентирован относительно входного так, чтобы глубина модуляции была максимальной.

Это значит, что выражение (4) должно удовлетворять требованию:
2(θL+α) = π/2.
Решение системы (5)

позволяет для данного кристалла получить параметры L₀ и α₀, при которых достигается улучшение температурных характеристик датчика при максимальной глубине модуляции сигнала.

Так, при типовых значениях исходных данных для кристалла Bi₁₂SiO₂₀ V₀= 6,88•10^-5 рад/А; рад/А град;
θ =170 рад/м;
Из системы (5) получим L₀=6 мм, α =13^o30'.

Это значит, что при взаимной ориентации оптических осей поляризаторов 13^o30' и длине кристалла 6 мм, датчик магнитного поля и электрического тока практически не чувствителен к дрейфу параметров что повышает точность датчика на порядок при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.

На чертеже представлена схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока, где 1 - источник излучения, 2 - световоды, 3 - градиентные линзы, 4 - поляризатор, 5 - кристалл, обладающий круговым двулучепреломлением, 6 - анализатор, 7 - фотоприемное устройство.

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника излучения 1 по световоду 2 проходит через градиентную линзу 3 и попадает на поляризатор 4. Далее свет проходит через кристалл 5, анализатор 6, градиентную линзу 3 и попадает на фотоприемник 7. Интенсивность излучения на входе фотоприемного устройства 7 описывается выражением (1). При этом оптические оси поляризатора 4 и анализатора 6 ориентированы под углом α₀, что соответствует длине кристалла L₀.

Для определения величин параметров α₀, L₀ используется система двух уравнений (5).

В переменном магнитном поле Н датчик измеряет составляющую магнитного поля, совпадающую с продольной осью кристалла 5.

По результатам экспериментальных исследований дрейф коэффициента преобразования на интервале температур от 0 до 100^oС составил 0,2%, что на порядок лучше, чем у ближайшего аналога.

Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам. Предлагаемый волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока содержит источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник. Значение длины оптически активного кристалла и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора выбраны так, чтобы отклонение от температуры величины константы Верде компенсировалось отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала. Технический результат - высокая температурная стабильность датчика. 1 ил.

Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока, содержащий источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, отличающийся тем, что значения длины оптически активного кристалла L₀ и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α₀ выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.