ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ
FIBRE-OPTIC SENSITIVE ELEMENT OF SENSOR OF ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности к волоконно-оптическим датчикам тока и магнитного поля.
Известные волоконно-оптические датчики тока (ВОДТ) и магнитного поля работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое вследствие эффекта Фарадея поворачивает плоскость поляризации линейно поляризованного излучения, распространяющегося в волоконном чувствительном элементе. Поворот плоскости поляризации излучения, пропорциональный току в проводе, измеряется интерферометром, в состав которого входит чувствительный элемент.
Известные волоконные чувствительные элементы датчика тока выполнены в виде уложенного по окружности отрезка кварцевого волоконного световода с внутренним двулучепреломлением (ДЛП), имеющим спиральную структуру [1-3]. Такие волоконные световоды (spun волокна) [4-6] получают вытяжкой при вращении заготовки с сильным встроенным линейным ДЛП. Spun волокна благодаря встроенному ДЛП предпочтительны для датчиков тока, поскольку их магнитооптическая чувствительность относительно слабо зависит от радиуса изгиба. Особенно это справедливо для spun волокон микроструктурной конструкции [7-8], которые имеют более высокое ДЛП.
Недостатком известных волоконных чувствительных элементов является снижение контраста (видности) интерферометра датчика тока, обусловленное изгибом из-за намотки. Снижение тем сильнее, чем меньше радиус изгиба. Этот недостаток наиболее заметно проявляется в малогабаритных чувствительных элементах, а также в чувствительных элементах, где важную роль играет определенный радиус изгиба.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [9]. В этом устройстве используется намотка spun волокна по окружности при определенном радиусе, что позволяет снизить температурную ошибку датчика тока. Необходимый для этого радиус изгиба волокна оказывается такой величины, при которой заметно снижается контраст интерферометра.
В результате возникают факторы, которые влияют на пороговую чувствительность датчика. Так, при использовании spun волокон при таком радиусе изгиба существенно снижается амплитуда световых волн, участвующих в формировании интерференционного сигнала, или, другими словами, контраст интерферометра. Это происходит вследствие того, что в изогнутом spun волокне эллиптичность поляризационных состояний (ПС) излучения уменьшается [6]. При отражении от зеркала световых волн с уменьшенной эллиптичностью происходит потеря контраста интерферометра [8]. Как следствие, ухудшается пороговая чувствительность датчика, т.е. снижается отношение сигнала к шуму. При этом уменьшается динамический диапазон датчика.
Техническая задача изобретения - создание волоконного чувствительного элемента датчика электрического тока и магнитного поля с повышенным контрастом интерферометра при использовании сильно-изогнутого spun волокна, что необходимо для создания датчиков с температурной компенсацией чувствительности, миниатюрных датчиков (с чувствительным элементом порядка 5 мм и меньше), высокочувствительных датчиков с многовитковыми контурами, датчиков, работающих в условиях сильных вибраций.
Техническим результатом изобретения является увеличение динамического диапазона волоконно-оптического датчика.
нач
кон
b
tw
нач
кон
b
<mrow><msub><mtext>L</mtext><mrow><mtext>нач</mtext></mrow></msub><mtext>, </mtext><msub><mi>L</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>></mo><mn>6</mn><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>t</mi><mi>w</mi></mrow></msub><msub><mi>L</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mrow><msqrt><mrow><msubsup><mi>L</mi><mrow><mi>t</mi><mi>w</mi></mrow><mn>2</mn></msubsup><mo>+</mo><mn>4</mn><msubsup><mi>L</mi><mi>b</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>L</mi><mi>b</mi></msub></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mtext>R</mtext><mrow><mtext>нач</mtext></mrow></msub><mtext>, </mtext><msub><mi>R</mi><mrow><mi>к</mi><mi>о</mi><mi>н</mi></mrow></msub><mo>></mo><mi>r</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>20</mn><msub><mi>L</mi><mi>b</mi></msub></mrow><mrow><mn>22,792</mn></mrow></mfrac><mfrac><mrow><msup><mi>n</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mi>λ</mi></mfrac></mrow></msqrt><mo>,</mo></mrow>
Указанный технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе волоконно-оптического датчика электрического тока или магнитного поля, включающего волоконный контур, выполненный из отрезка оптического волоконного световода со спиральной структурой осей встроенного линейного двулучепреломления, волоконный контур состоит из трех частей, при этом в средней части волоконного контура волокно уложено по окружности, в начальной части - по спирали с уменьшением радиуса кривизны, а в конечной - по спирали с увеличением радиуса кривизны. При этом наилучший технический результат достигается тогда, когда длины волокон начальной и конечной частей L и L волоконного контура удовлетворяют условию
где L - длина биений встроенного линейного двулучепреломления, L - длина шага спиральной структуры волокна; максимальные радиусы кривизны спиралей, по которым уложены волокна начальной и конечной частей волоконного контура, R и R удовлетворяют условию
где r - радиус кварцевой оболочки волокна, L - длина биений встроенного линейного двулучепреломления волокна, λ - рабочая длина волны излучения, n - среднее значение показателя преломления волокна.
Способ повышения степени поляризации излучения в spun волокне и, как следствие, контраста интерференционной картины ВОДТ основан на свойствах spun волокна преобразовывать состояние поляризации распространяющегося излучения в сочетании с медленным в сравнении со скоростью этих преобразований изменением радиуса изгиба волокна.
Рассмотрим распространение монохроматического излучения через изогнутое spun волокно. Преобразование комплексной амплитуды напряженности электрического поля световой волны в spun волокне можно описать, используя аппарат матриц Джонса [6, 10]. В системе координат циркулярных поляризаций уравнение эволюции имеет вид:
r
l
c
где E, E - комплексные амплитуды право- и левоциркулярно поляризованных волн, N - дифференциальная матрица Джонса spun волокна с изгибом, которая имеет вид:
y
x
b
b
tw
tw
ind
ind
здесь γ - скорость нарастания фазовой задержки между волнами с циркулярными ортогональными поляризациями из-за эффекта Фарадея, β=k-k=2π/L - скорость нарастания фазовой задержки между волнами с ортогональными линейными поляризациями, определяемая встроенным линейным ДЛП с длиной биений L, ξ=2π/L - частота пространственного вращения осей встроенного линейного ДЛП с длиной шага спиральной структуры L, δ=2π/L - скорость нарастания фазовой задержки между волнами с ортогональными линейными поляризациями, определяемая изгибным ДЛП с длиной биений L, z - координата вдоль оси волокна.
u
v
В эллиптической системе координат состояний поляризаций, азимут которой в лабораторной системе координат в каждой точке волокна совпадает с азимутом осей ДЛП, а эллиптичность базисных состояний E и E равна собственной для данного волокна [10], дифференциальную матрицу Джонса можно разложить на два слагаемых:
Первое слагаемое - дифференциальная матрица Джонса прямого spun волокна:
<mrow><mi>Ω</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>β</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>4</mn><msup><mi>ξ</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
где
.
Второе слагаемое можно рассматривать как возмущение, внесенное изгибом:
tw
b
где ψ=arctg(L/(2L)).
Решая уравнение эволюции методом итераций, можно показать, что решения имеют следующий вид:
i
i
i
i
где f(z) - некоторая монотонно возрастающая функция расстояния z, W - интеграл произведения коэффициента δ и быстро осциллирующей функции с частотой 2ξ, a и b - функции W, причем a(0)=b(0)=0.
b
ind
Пусть коэффициент δ в начале и конце волокна достаточно мал по сравнению с коэффициентом β, что означает, что эти отрезки spun волокна имеют максимальную чувствительность. Это условие можно определить неравенством δ/β=L/L<20 [6] или, используя выражение для длины биений изгибного ДЛП [6], неравенством для радиуса кривизны волокна:
к
к
В середине волокна коэффициент δ равен некоторому заданному значению δ, соответствующему требуемому радиусу намотки волокна. Пусть переход от начального значения к δ и затем обратно к конечному значению происходит достаточно гладко и имеет длину не менее 5-6 периодов 2π/(Ω-2ξ), что, выражая Ω и ξ через длину биений встроенного ДЛП и длину шага спиральной структуры, определяется неравенством
.
i
i
Можно показать, что интеграл W произведения такой функции δ(z) и быстро осциллирующей функции по всей длине волокна пренебрежимо мал, а вместе с ним и все функции a(L)≈b(L)≈0. Таким образом, при такой конфигурации spun волокна после прохождения светового излучения по волокну не происходит перемешивания поляризационных мод. Это означает сохранение контраста, близкого к контрасту для контура с большим радиусом намотки.
На фиг. 1 представлена схема намотки spun волокна чувствительного элемента, где 1 - начальная часть волоконного контура с уменьшающимся радиусом кривизны намотки, 2 - средняя часть, 3 - конечная часть волоконного контура с увеличивающимся радиусом кривизны намотки.
tw
b
Для проведения эксперимента было отобрано spun волокно с эллиптической жилой, длина шага спиральной структуры которого L=3 мм, длина биений встроенного линейного ДЛП L=9,45 мм.
Из отрезка исследуемого волокна длиной 19 м был изготовлен чувствительный элемент традиционной схемы ВОДТ [6] с пластинкой λ/4. Измерение контраста интерференционной картины ВОДТ производилось при двух конфигурациях чувствительного волокна. В первой конфигурации чувствительное волокно было полностью намотано на кварцевую трубку диаметром 14 мм. Во второй конфигурации чувствительного элемента намотка первых двух метров волокна производилась с плавным изменением диаметра намотки от 200 мм до 14 мм, а намотка последних двух метров волокна производилась с плавным изменением диаметра намотки, соответственно, от 14 мм до 200 мм. Испытываемые чувствительные элементы подваривались к схеме отражательного интерферометра лабораторного макета ВОДТ.
pd
Результаты измерения контраста иллюстрируются на фиг. 2, где показаны совмещенные на одном рисунке осциллограммы выходного сигнала U(t) с известным (пунктирная линия) и предлагаемым (сплошная линия) чувствительными элементами. Сигналы снимались с выхода фотодиода и представляли собой периодические функции времени на удвоенной рабочей частоте модуляции относительной фазы, используемой в ВОДТ для регистрации информационного сигнала. Амплитуда относительной фазовой модуляции световых волн составляла π радиан. В этих условиях размах указанных сигналов от максимума до минимума определяет контраст интерферометра, который вычисляется по известной формуле:
pd max
pd min
pd max
pd min
K=(U - U)/(U + U)
1
2
По измерениям контраста для первой конфигурации чувствительного элемента ВОДТ, соответствующей схеме прототипа, было получено значение K=0,36, а для второй конфигурации, соответствующей предлагаемой схеме - К=0,79. Отсюда видно, что контраст в предлагаемой схеме увеличился в 2,2 раза, что обеспечивает достижение технического результата, а именно увеличивает динамический диапазон датчика тока.
Литература
1. Frosio G, Dancliker R. "Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Applied Optics, vol. 33, no. 25, 6111-6122 (1994).
2. Blake J.N. «Fiber optic current sensor». Патент США. No. 6,188,811, от 13.02.2001.
3. Боев А.И., Губин В.П., Моршнев С.К., Пржиялковский Я.В., Рябко М.В., Сазонов А.И., Старостин Н.И., Чаморовский Ю.К. «Волоконно-оптический датчик тока». Патент РФ №2437106 от 29.12.09 МПК: G01R 15/24.
4. Laming R.I., Payne D.N., J. Lightwave Technology, 1, 2084 (1989).
5. Polynkin P., Blake J., J. of Lightwave Technol., 23, 3815 (2005).
6. Губин В.П., Исаев В.А., Моршнев С.К., и др. Квант. Электрон., 36, №3. 287-291 (2006).
7. Chamorovsky Yu.K., Starostin N.I., Ryabko M.V. et al., Opt. Comm., 282, 4618 (2009).
8. Губин В.П., Моршнев С.К., Старостин Н.И. и др. Квантовая Электроника, 41, 815 (2011).
9. Моршнев С.К., Чаморовский Ю.К. Патент РФ №2437107 от 19.05.2010.
10. Пржиялковский Я.В., Старостин Н.И., Моршнев С.К., Губин В.П. Квантовая Электроника, 43 (2), 167 (2013).
11. Rashleigh S.C. Origins and control of polarization effect in single-mode fibers // J. Lightwave Tech. 1983. LT-1. №2. P. 312-331.
12. Губин В.П., Моршнев С.К., Старостин Н.И. и др. Радиотехника и электроника, 53, 971 (2008).