Оптикоэлектронный трансформатор тока Советский патент 1982 года по МПК G01R13/40 

(5) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

.1 Изобретение относится к измарительной технике. Известно устройство, измеряющее угол поворота плоскости поляризации, содержащее источник оптическо го излучения, поляризатор, блок аращения плоскости поляризации, айалиаа тор, фотодетектор, генератор опорных электрических сигналов и вычислитель сдвига фаз р. Недостатком известного устройству является существенная зависимость результатов измерения от параметров элементов оптического тракта, что понижает точность измерения. Известно устройство (оптико-этюкт ронный трансформатор тока), coflepikaщее источник оптического излучения, датчик угла поворота плоскости поляризации, управляемый измеряемым током, модулятор и демодулятор светового потока, в котором измеряемый угол поворота плоскости поляризации оптического излучения создается, ячей кой Фарадея, выполняющей функцию датчика угла поворота плоскости поляризации, управляемого измеряемым током. Отличительной особенностью устройства является наличие главной компенсационной обратной связи, в которой обработка и выделение сигнала обратной связи осуществляется с использованием принципа модуляции и демодуляции светового потока 23 Недостатком данного устройства является также низкая точность измерения. Наиболее близким к предлагаемому является устройство, измеряющее угол поворота плоскости поляризации, возникающий под действием постоянного тока (оптико-электронный трансформатор тока), включающее в себя датчик угла поворота плоскости поляризации, выполненный в виде ячейки Фарадея, управляемый измеряемым током,.и главную обратную связь, содержащую источник оптического излучения, поляризатор, модулятор плоскости поляризации компенсатор угла поворота плоскости поляризации - ячейку Фарадея, анализатор, фотоприемник, селективный уси литель, синхронный детектор, генератор, усилитель мощности входного сигнала модулятора, усилитель мощное ти входного сигнала компенсатора.. Измерение тока с помощью такого устройства осуадствляется путем измерения сигнала компенсации, содержа щего информацию об угле поворота плоскости поляризации светового потока, прсхгарционального измеряемому току З. , Недостатком данного устройства является то, что на точность измерений влияют нестабильность следующих параметров; мощности излучения излучатепя, коэффициента пропускания оптической системы, глубины модуляции модулятора, чувствительности фотоприемника, коэффициента усиления селективного усилитеяя.. Цель изобретений - повышение точ/ности измерений. Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронный трансформатор тока, содержащий источник «1тического излучения, последователь но включенные поляризатор, датчик угла поворота плоскости поляризации модулятор плоскости поляризации, ком пенсатор угла поворота плоскости пол ризации, анализатор, фотоприемник и селективный усилитель, выход которого подключен к первому входу основно го синхронного детектора, второй вхо которого соединен с выходом генерато ра и через усилитель мощности модуля тора с управляющим входом модулятора плоскости поляризации, а выход основ ного синхронного детектора через усшвитель мощности компенсатора под ютчен к управпякяцему входу компенса гора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощнос ти ка4пенсатора является выходом уст ,ройства, введены удвоитель частоты, детюлнительный синхронный детектор, фазовращатель, элемент сравнения, исто4««к опорного напряжения, управляемый оптический аттенюатор и блок регулирования, при этом первый вход дополнительного синхронного детектор Через удвоитель частоты подключен к выходу гене)атора, второй вход через фазовращатель подключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан с первым входом элемента сравнения , второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к входу источника оптического излучения, выход которого через управляемый оптический аттенюатор соединен со входом поляризатора. На чертеже приведена функциональная схема оптико-электронного трансформатора тока. Схема содержит источник t оптического излучения, управляемый оптический аттенюатор 2, поляризатор 3, датчик k угла поворота плоскости поляризации, модулятор 5 плоскости поляризации, компенсатор 6 угла поворота плоскости поляризации, анализатор 7. фотоприемник 8, селективный усилитель 9 основной синхронный детектор 10, генератор 11, усилитель 12 мощности модулятора, усилитель 13 мощности компенсатора, удвоитель Ц частоты, дополнительный синхронный детектор 15 вспомогательной обратной связи, фазовращатель 16, элемент 17 сравнения, источник 18 опорного напряжения, блок 19 регулирования, Вых;одом устройства является выход усилителя 13 мощности компенсатора. Сйязи, показанные на чертеже пунктиром означают, что выхо( блока 19 регулирования может быть подключен ко входу одного из следующих элементов устройства с регулируемым выходным к сигналом: к усилителю 12 мощности модулятора, к фотоприемнику 8, к .управляемому оптическому аттенюатору 2 , к селективному усилителю 9 к источнику 1 оптического излучения. Управляемый оптический аттенюатор 2 может быть выполнен одним из известных спрсобов, например, в виде жидкокристаллической ячейки с электрически управляемой прозрачностью, оптического затвора на основе использования магнито- или электрооптического эффектов и т.п. Датчиком угла поворота плоское ти поляризации может служить вещество, обладающее естественным или магнитным вращением плоскости поляризации, а также элемент, преобразующий линейно поляризованное излучение в (эллиптически поляризованное, оптически связанный с четвертьволновой пластинкой, которая устанавливается по ходу луча после.этого элемента, по схеме Сенармона.

Электрически управляемый модулятор плоскости поляризации и компенсатор угла поворота плоскости полйриза.ж могут быть выполнены на основе одного из физических эффектов: Фарадея, Поккельса или Керра. 8 модуляторе плоскости поляризации и компенсаторе угла поворота плоскости поляризации в предлагаемом устройстве используется эффект Фарадея.

Устройство работает следующим образом.

Коллимированный монохроматический пучок света от источника 1 оптического излучения проходит последовательно через оптический аттенюатор 2, поляризатор 3, датчик Ц угла поаорбта плоскости поляризации, модулятор

5плоскости поляризации, компенса тор

6угла поворота плоскости поляризации (ячейку Фарадея), анализатор 7 и РК ступает на фотоприемник 8. Плоскость поляризации светового пучка, выходящего из поляризатора 3, при пр«эхожДении через датчик Ц угла поворота плоскости поляризации испытывает оо ворот на некоторый постоянный угол

Ф f подлежащий измерению, а в модуляторе 5 плоскости поляризации под аействием сигнала, поступающего от генератора t1 через усилитель мощное- ти модулятора 12, это положение плос кости поляризации дополнительно модулируется с круговой частотой (SJПромодулированный по углу поворота плоскости поляризации пучок света церез оптический элемент компенсатора 6 угп& inoBopOTa плоскости поляризации (ячеЙ ку Фарадея) поступает в анализатор 7 плоскость поляризации которого ортогональна плоскости поляризации поля- . ризатора 3. При этом на вход фотолриемника 8 поступает световой пучок, интенсивность которого в каждый «Момент времени в соответствии с законом Махяоса имеет величину

,3 р), (1)

3(, (2)

где интенсивность светового

пучка, поступающего в оптический аттенюатор 2 Г t/ - коэффициент пропускания оптического аттенюатора 2,

«1 - коэффициент, учитывающий потери в оптическом тракте системы,

- угол, на который поворачивается плоскость поляризации светового потока, падающего на анализатор 7 под действием оптических элементов, расположенных на пути его распространения между поляризатором 3 и анализатором 7 р - коэффициент пропускания

анализатора 7 при .

Световой поток, имеющий интенсивность 3. на выходе фотоприемника 8 создает фототок.

, (3)

где Эф - интегральная чувствительность фотоПриемника 8, }-|- - темновой ток фотоприемника 8.

Фототок 1ф через селективный усилитель 9 поступает на вход основного синхронного детектора IQ. В результате сравнения сигналов, поступающих от генератора t1 и селективного усилители 9i основной синхронный детектор 10 вырабатывает электрический сигнал, поступающий через усилитель 13 мощности в электрическую цепь компенсатора 6 угла поворота плоскости поляризации (ячейки Фарадея). Под действием этого сигнала плоскость поляризации светового потока, прошед:шего чувствительный оптический элемент компенсатора 6, поворачивается на угол 8i , равный (с {точностью до угла некомпенсации) и обратный по .знаку углу ©п подлежащему измерению. В установившемся режиме работы суммарный поворот плоскости поляризации светового потока на входе в анализатор 7 равен

(0й-0к)вуу,%1И1«1, {k}

где амплитудное значение угла

поворота плоскости поляризйции, изменяющегося с частотой модуляции ц;,, осуществляемой модулятором 1.2. . е учетом (1) и () выражение (3)

приобретает вид

Гф- 1ф 51К1(©и-©к ©.м51И tjy.i) 4.i

где Зф (6)

И фо Р +,iT. . (7) При малых углах х s{nx х, поэто му выражение (5) можно представить в виде1ф--1 j-()..,j ./ . 2 - ф() () л2 -2 +Ц -фоЧу,-0,51ф © С052и : 1. , При прохождении этого сигнала через селективный усилитель 9 подавляе ся постоянная составляющая (1-ый и 3-ий члены в выражении (8)) и шумы, содержащиеся в члене i, спектр которых лежит за пределом полосы пропускания селективного усилителя 9. В результате сигнал U на выходе селективного усилителя имеет вид с: f ®Kvi si« W-t , . 2. G-f(au) ( cos 2(jut. С учетом (2) и (6) QKU,; MC ЧТф (),Ы чаи;)мсСПГф© со52ш1 , где G , i(2u)f коэффициенты переда чи селективного уси лителя 9 на частота ty и 2 Ц соответственно (считаем %(«)) + S(2a;)° G ) Основной синхройный детектор 10 вспомогательного канала выделяет Qдемодулирует) из сигнала, описываемого выражением (), постоянную составляющую (сигнал компенсации), значение, и знак которой определяется соответственно амплитудой и фазой первого члена этого выражения. Ток компенсации на выходе усилителя 13 удовлетворяет следующему равенству: C3uct: 10w,,)Qi(a.-©i); п ч т . - . где К - некоторый постоянный коэффи циент, зависящий от конкрет ного схемного решения основ ного синхронного детектора 10 вспомогательного канала, 6л- общий коэффициент передачи по постоянному току усилителя 13 и синхронного детектора 10, Значение Оц является мерой измеряемого угла поворота плоскости поля ризации ви... Одновременно с процессами автоком пенсации и выделения информации об измеряемом угле поворота плоскости поляризации, происходящими в цепи главной обратной связи, вспомогательная обратная связь осуществляе.т автоматическую коррекцию погрешности, обусловленной нестабильностью параметров OHC, t И Гф , Gy, G ) - nn) ы - - гоЛ выражении СЮ/. Из выражения (9) видно, что перечисленные выше параметры определяют значение амплитуды сигнала второй гармоники с частотой 2w , что позволяет использовать это значение для выделения и коррекции нестабильности множителя при угле рассогласования (Qy -вк) в первом члене этого выражения за счет введения дополнительной обратной связи по значению этой амплитуды. Сигнал второй гармоники выделяется с помощью дополнительного синхронного детектора 15, на один вход которого подается удвоенная частота от генератора 11 (удвоение частоты осуществляется удвоителем 14 частоты), а на другой вход через фазовращатель 16 поступает сигнал с выхода селективного усилителя 9- При этом фазовращатель осуществляет согласование фаз сигналов удвоенной частоты, смимаемых с выхода селективного усилителя 9 и удвоителя 14 частоты. Сигнал с выхода дополнительного синхронного детектора 15 в виде постоянного на- , пряжения, пропорционального амплиту- де второй гармоники, поступает на вход элемента 17 сравнения на другой вход которого подается напряже ниё источника 18 опорного напряжения. На выходе элемента 17 сравнения формируется сигнал рассогласования, который воздействует на соответствующий параметр одного из следующих элементов прямой ветви главной обратной связи: источника 1 оптического излучения, управляемого оптического аттенюатора 2, фотоприемника В, селективного усилителя 9 усилителя 12 мощности модулятора, что приводит к возврату амплитуды сигнала второй гармоники на выходе селективного усилителя 9 к заданному уровню и, как следствие, - к стабилизации множителя приГбгСЦс к) выражении (10.). . При этом для достижения максимальной точности желательно соблюдать условие независимости частотно-фазовой характеристики элементов. 8, 9 и 12 от изменения коэффициентов передачи этих элементов в пределах заданного диапазона их регулировки. В зависимости от вида регулируемого параметра {Зцс , , 7ф . вт G ) выбирается тоили иное схемное решение

19 регулирования. Например, если в качестве регулируемого параметра используется коэффициент усиления селективного усилителя 9. то блок 19 регулирования выполняют в виде управляемого делителя, который изменяет коэффициент усиления селективного усилителя 9. Если в качестве регулируемого параметра используется интенсивность светового потока Зис то блок 19 регулирования выполняют в виде управляемого источиика тока, предназначенного для питания источника 1 оптического излучения, и т.д.

i Применение дополнительной обрат. ной связи обеспечивает автоматическое введение поправки, учитывающей суммарное влияние на точность измерения нестабильностисветового потока и коэффициентов преобразований следующих элементов прямой цепи гяав ной обратной связи -модулятора. 5 плоскости поляризации, усилителя 12 мощности модулятора, фотопрйемнйка 8 селективного усилителя $. В резудь.тате повышается точность измерений и снижаются требования к стабильности перечисленных выше элементов схем

Формула изобретения

Оптико-электронный трансформатсн) тока, содержащий источник оптического излучения, последовательно включенные поляризатор, датчик угла поворота плоскости поляризации, модулятор плоскости поляризации, компенса; тор угла поворота плоскости поляриза ции, анализатор, фотоприемник и селективный усилитель, выход которогЬ

подключен к первому входу основного синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора и через.усилитель мощности модулятора с управляющим входом модулятора плоскости поляризации, а выход основного синхронного детектора через усилитель мощности, компенсатора подключен к управляющему входу компенсатора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощносХи компенсатора является выходом устройства, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены удвоитель

частоты, дополнительный синхронный-детектор, фазовращатель, элемент сравнения, источник опорного напряжения, управляемый оптический аттенюатор и блок регулирования, при этом первый вход дополнительного синхронного детектора через удвоитель частоты подключен к выходу генератора, второй вход через фазовращатель подключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к ВХОДУ источника оптического излучения, выход которого через управляемый оптический аттенюатор соединен с входом поляризатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Т. Авторское свидетельство СССР №51506$, кя. G 01 R 15/02, 1972.

3.Патент Франции ff 1555799, кл. G 01 R, 1969 (прототип).