ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2022 года по МПК G01R15/24 G01R19/00 

Изобретение относится к области электромагнитных измерений и может быть использовано в электроэнергетике, энергоемкой промышленности, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики.

В большинстве современных волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ), работающих на принципе эффекта Фарадея, для формирования чувствительного контура применяется spun световод, характеризующийся сильным линейным двулучепреломлением (ДЛП) со спиральной структурой [1-3]. Spun световод наматывают вокруг проводника с током, и по величине поворота плоскости поляризации света, прошедшего по световоду, судят о величине тока. Для удвоения отклика (реакции) (Под термином «отклик» («реакция») мы понимаем показания датчика при определенной величине тока (при определенной величине обусловленного током магнитооптического угла поворота плоскости поляризации света).) и повышения стабильности работы датчика используют схемы с двойным обходом чувствительного световодного контура с промежуточным отражением от зеркала или от зеркала Фарадея [3-5].

Для описания spun световода используются погонные (рад/м) величина β и угол поворота осей τ встроенного линейного двулучепреломления, а также величина β_R линейного ДЛП, обусловленного изгибным напряжением световода при намотке его в катушку радиуса R [6]. Для описания состояния поляризации (СП) света и его трансформаций, обусловленных действиями внутренних и наведенных внешне двулучепреломлений, удобно использовать формализм сферы Пуанкаре [7].

В двухпроходном поляриметрическом волоконно-оптическом датчике тока на идеальном изотропном световоде, в котором имеет место лишь циркулярное ДЛП, обусловленное эффектом Фарадея, траектория изменения СП света на выходе световода при варьировании магнитооптического (МО) эффекта (назовем ее МО-траекторией) проходит по линии экватора сферы Пуанкаре. В этом случае относительная разность ΔI₁₂ интенсивностей (измерительных сигналов) I₁ и I₂ ортогонально поляризованных пучков света после анализатора - поляризационного делителя, установленного на выходе световода, равна:

где α_MO - интегральный угол МО поворота плоскости поляризации света при однократном прохождении световода, (рад);

V - константа Верде материала световода, (рад/А);

i - электрический ток, протекающий сквозь чувствительный контур, (А);

n - количество световодных витков в контуре.

Измеренный таким датчиком угол α_MO линейно связан с откликом датчика в виде функции arcsin(ΔI₁₂):

а значение тока определяется из выражения:

Таким образом, волоконно-оптический датчик тока на идеальном световоде имеет линейную характеристику (Под термином «характеристика» мы понимаем зависимость показаний датчика от измеряемой величины.). Т.е. в диапазоне однозначного отклика (Под термином «диапазон однозначного отклика» мы понимаем диапазон измеряемых токов (диапазон магнитооптических углов поворота плоскости поляризации света), в котором существует однозначное соответствие между измеряемой величиной и показаниями датчика.) реакция датчика пропорциональна величине измеряемого тока (пропорциональна величине интегрального МО эффекта, обусловленного измеряемым током). Очевидно, что диапазон однозначного отклика датчика с идеальным световодом в соответствии с (1) ограничивается условием невыхода величины МО угла α_MO за пределы:

Соответственно, диапазон измеряемых токов ограничивается:

В реальном spun световоде плоскость сечения сферы Пуанкаре, содержащая МО-траекторию, отклоняется от плоскости экватора сферы на угол χ:

и относительная разность измерительных сигналов зависит как от азимутального угла ϕ (относительно одного из направлений анализатора), так и от угла эллиптичности е поляризации света:

Поэтому выражение (1) справедливо лишь для небольших МО углов (небольших измеряемых токов), когда эллиптичность поляризации на выходе световода мала и в выражении (7) ею можно пренебречь, с коэффициентом пропорциональности η₀ - коэффициентом относительной начальной чувствительности датчика, определяемым по отношению к чувствительности датчика на идеальном изотропном световоде:

Здесь угол α_изм соответствует измеренному значению интегрального МО угла.

При достаточно больших размерах световодных витков в контуре, когда наведенное изгибное ДЛП пренебрежимо мало, относительная начальная чувствительность датчика определяется параметрами встроенного ДЛП [8]:

При больших МО углах характеристика датчика становится нелинейной и, к тому же, зависящей от начальной ориентации оси встроенного спиралевидного ДЛП (Терминами «оси встроенного и (или) изгибного ДЛП» мы называем быстрые оси встроенного и (или) изгибного линейных ДЛП.). Полная ширина диапазона однозначного отклика датчика с реальным световодом увеличивается по сравнению с (4) в cos^-1χ раз, а сам диапазон может быть смещен относительно нулевого положения [9].

Наличие изгибного ДЛП в световоде приводит к изменению начальной чувствительности и сложной трансформации характеристики датчика. Как показывает математическое моделирование, плоскость сечения сферы Пуанкаре, содержащая МО-траекторию, дополнительно вращается относительно плоскости экватора на угол ϑ:

где δ=2β_Rτ/β², что приводит к зависимости характеристики датчика от взаимной ориентации оси изгибного и оси встроенного двулучепреломлений на входном торце световода и, при изменении ориентации, к вариациям начальной чувствительности датчика в пределах:

Поэтому в общем случае для адекватного измерения тока датчиком необходимо использовать калибровочную кривую, записанную в память прибора [10, 11].

Такая ситуация характерна для двухпроходного поляриметрического ВОДТ [3], выбранного нами в качестве прототипа, при произвольных размере и ориентации световодного контура. Существенным недостатком прототипа является неоднородность погрешности измерений в диапазоне однозначного отклика вследствие обусловленного нелинейностью характеристики датчика неравномерного отношения локального приращения отклика к локальному приращению интегрального МО угла.

Задачей изобретения является повышение точности измерений за счет получения линейной характеристики датчика.

Мною, по результатам проведенного математического моделирования впервые установлено, что при ортогональной ориентации оси встроенного спиралевидного ДЛП на входном торце световода к оси изгибного ДЛП и равенстве углов, определяемых выражениями (6) и (10), характеристика датчика становится линейной, а диапазон однозначного отклика увеличивается по сравнению с (4, 5) в cos^-2χ раз.

Таким образом, поставленная задача решается так. В волоконно-оптическом датчике тока на основе spun световода, включающем источник света, расположенные по ходу луча формирующую оптику в виде микрообъектива, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогонально поляризованных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в сердцевину spun световода, из которого выполнен чувствительный элемент в виде охватывающего проводник с измеряемым током контура, и узел обратного ввода излучения в световод в виде микрообъектива и зеркала Фарадея. Плоскость витков контура датчика (плоскость изгиба световода) ориентирована таким образом, чтобы ось изгибного двулучепреломления была перпендикулярна оси встроенного спиралевидного двулучепреломления на входном торце световода (Ориентация оси изгибного ДЛП относительно плоскости изгиба световода известна.), а размер витков световодного контура выбран из условия соответствия величины изгибного двулучепреломления (Формула зависимости величины изгибного ДЛП от радиуса изгиба световода известна.) выражению:

где β_R - погонная величина изгибного линейного ДЛП, (рад/м);

β - погонная величина встроенного линейного ДЛП, (рад/м);

τ - погонная величина закрутки осей встроенного ДЛП, (рад/м).

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения тока датчика.

На фиг. 1 представлена типичная схема поляриметрического волоконно-оптического датчика тока с двойным обходом световода и зеркалом Фарадея, соответствующая схеме прототипа [3]. Пучок света от источника 1 излучения коллимируется микрообъективом 2, проходит через поляризатор 3 и нечувствительный к поляризации светоделитель 4 и микрообъективом 5 фокусируется в сердцевину световода, образующего контур 6 вокруг проводника 7 с измеряемым током. После прохода световода свет фокусируется микрообъективом 8 на отражающую поверхность зеркала Фарадея 9. Отразившись от зеркала свет вновь фокусируется в сердцевину световода, при этом его СП меняется на ортогональное. Далее свет проходит по световоду в обратном направлении и частично отражается светоделительным кубом 4 в сторону анализатора - поляризационного светоделительного куба 10, на котором излучение делится на два ортогонально поляризованных пучка света, которые через микрообъективы 11 и 12 попадают на фотоприемники 13 и 14, регистрирующие интенсивности пучков I₁ и I₂ (измерительные сигналы). По относительной разнице измерительных сигналов судят о величине МО эффекта.

На фиг. 2 представлены возможные вариации характеристики прототипа при угле ориентации оси встроенного ДЛП ψ=0 и различных ориентациях оси изгибного ДЛП относительно направления поляризации света на входном торце световода с параметрами β/2τ/β_R=1000/4000/64, размерность величин рад/м.

Выделенная кривая соответствует реперной характеристике датчика при отсутствии изгибного ДЛП.

На фиг. 3 представлены примеры МО-траекторий на сфере (слева) и характеристик датчика (справа) при параметрах световода β/2τ/β_R=1000/4000/0 (точки 1); β/2τ/β_R=1000/4000/16 (точки 2); β/2τ/β_R=1000/4000/31,25 (точки 3, согласованный подбор параметров по формуле (12)) и β/2τ/β_R=1000/4000/64 (точки 4) и углах ориентации оси встроенного ДЛП на входном торце световода ψ=π/4 рад и оси изгибного ДЛП θ=-π/4 рад. В случае согласованного подбора параметров световодного контура МО-траектория лежит на экваторе (по результатам моделирования удвоенные углы эллиптичности в этих точках не превышают десятых долей градуса), а характеристика датчика линейна.

Алгоритм определения датчиком угла α_MO при согласованном подборе параметров световодного контура имеет вид:

а диапазон однозначного линейного МО отклика датчика составляет:

Соответственно, алгоритм определения тока датчиком имеет вид:

а диапазон однозначного измерения тока составляет:

Приведем примеры согласованного подбора параметров световодного контура. Для кварцевого световода с внешним диаметром 125 мкм и отношением параметров β/2τ=1000/4000 изгибное ДЛП величиной β_R=31,25 рад/м (в соответствии с выражением (12)) на длине волны света λ=660 нм возникает при радиусе изгиба световода R≈12,5 мм [6], т.е. диаметр витков световодного контура составит ~ 25 мм. Для spun световода с β/2τ=500/4000 расчетная величина изгибного ДЛП β_R≈3,9 рад/м реализуется при диаметре витков световодного контура ~ 72 мм. Поскольку быстрая ось изгибного ДЛП лежит в плоскости витков контура, а сама плоскость витков, как правило, перпендикулярна проводнику с током, то быстрая ось встроенного ДЛП на входном торце световода должна быть параллельна токопроводу.

Литература

1. Barlow A.J., Payne D.N., Hadley M.R., Mansfield R.J. Production of single-mode fibers with negligible intrinsic birefringence and polarization mode dispersion // Electron. Lett. 1981. V. 17, №20, P. 725-7261.

2. Gambling W.A. Novel optical fibres for sensing applications // J. Phys. Sci. Instrum. 1987. V. 20, P. 1091-1096.

3. Laming R.I., Payne D.N. Electric current sensor employing spun highly birefringent optical fibers // J. Lightw. Technol. 1989. V. 7, №12, P. 2084-2094.1.

4. Alasia D., L. A novel all-fibre configuration for a flexible polarimetric current sensor//Meas. Sci. Technol. 2004. V. 15, P. 1525-1530.

5. Jiao В., Wang Z., Liu F., Bi W. Interferometric fiber-optic current sensor with phase conjugate reflector // Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Information Acquisition. 2006, Weihai, Shandong, China, P. 707-711.

6. Ulrich R., Rashleigh S.C., Eickhoff W. Bending-induced birefringence in single mode fibers // Opt. Lett. 1980. V. 5, P. 273-275.

7. Jerrard H.G. Transmission of light through birefringent and optically active media: The sphere // J. Opt. Soc. Amer. 1954. V. 44, P. 634-640.

8. Ловчий И.Л. Численное моделирование и исследование поляриметрического датчика со световодом типа spun // Оптический журнал, т. 77, 2010, №12, с. 25-33.

9. Ловчий И.Л. Использование формализма сферы Пуанкаре для моделирования параметров поляриметрического волоконно-оптического датчика тока на spun световоде // Фотон-экспресс, 2021, №6 (174), с. 402-403.

10. Nguyen Т.Х., Ely J.J., Szatkowski G.N. A fiber-optic current sensor for lightning measurement applications // Proc. SPIE 9480, Fiber optic sensors and applications XII, 94800X (13 May 2015).

11. Бедрин А.Г., Жилин A.H., Ловчий И.Л. Использование волоконно-оптического датчика для регистрации импульсного тока плазменного разряда // Измерительная техника. 2021. №9. С. 28-34.

Волоконно-оптический датчик тока может быть использован в электроэнергетике, энергоемкой промышленности, в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматики. В датчике используется чувствительный spun световодный контур с ортогональной ориентацией быстрой оси изгибного линейного двулучепреломления к быстрой оси встроенного спиралевидного линейного двулучепреломления на входном торце световода, а размер световодного контура выбран из условия выполнения определенного функционального соотношения между величиной изгибного двулучепреломления, величиной встроенного двулучепреломления и величиной закрутки осей встроенного двулучепреломления. Техническим результатом при реализации заявленного решения является повышение точности измерения тока за счет получения линейной характеристики датчика. 3 ил.

Волоконно-оптический датчик тока на основе spun световода, включающий источник света, расположенные по ходу луча формирующую оптику в виде микрообъектива, поляризатор, поляризационно-нейтральный светоделитель, оптически связанный с блоком регистрации интенсивности ортогонально поляризованных составляющих света, состоящим из анализатора в виде поляризационного светоделителя и двух фотодетекторов, узел ввода излучения в сердцевину spun световода, из которого выполнен чувствительный элемент в виде охватывающего проводник с измеряемым током контура по крайней мере из одного витка световода, и узел обратного ввода излучения в световод в виде микрообъектива и зеркала Фарадея, отличающийся тем, что ось изгибного двулучепреломления световода ориентирована перпендикулярно оси встроенного двулучепреломления на входном торце световода, а размер витков световодного контура выбран из условия соответствия величины изгибного двулучепреломления выражению:

где β_R - погонная величина изгибного линейного двулучепреломления, (рад/м);

β - погонная величина встроенного линейного двулучепреломления, (рад/м);

τ - погонная величина закрутки осей встроенного двулучепреломления, (рад/м).