Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока
FIBER-OPTIC SENSOR OF MAGNETIC FIELD AND ELECTRIC CURRENT

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения магнитного поля и электрического тока в энергетике и других областях.
Известны волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока, основанные на использовании магнитооптических эффектов, в частности, эффекта Фарадея [1, 2]. Такие датчики обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению, например, с датчиками Холла, но имеют низкий динамический диапазон, а их точность зависит от внешних влияний - температурных, механических и др.
Наиболее близким к предлагаемому датчику является волоконно-оптическое устройство для измерения магнитного поля и электрического тока [3]. Данное устройство содержит магнитооптический блок и блок обработки, связанные оптическими волокнами, источник излучения, коллимирующую линзу, поляризатор в виде светоделительной призмы со специальным покрытием, круговой двулучепреломитель, выполненный из магниточувствительной пленки, фокусирующую линзу, дифференциальный анализатор, два фотоприемника и устройство обработки разностных сигналов, а также опорный канал, с помощью которого компенсируется нестабильность мощности источника излучения и потери в оптическом тракте.
Точность устройства, указанного в техническом решении [3], также зависит от внешних влияний, в частности, от положения оптического волокна. Так, поскольку многомодовое оптическое волокно не сохраняет поляризацию входного излучения, возможно рассогласование между уровнями сигналов в рабочем и опорном оптических каналах связи. Кроме того, поляризационная призма имеет сравнительно большие габариты и сложна в изготовлении.
Задачей изобретения является обеспечение высокой точности и стабильности измерений в течение длительной эксплуатации, уменьшение габаритов датчика и снижение стоимости аппаратуры.
Указанная задача решается за счет того, что в известном волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока, содержащем магнитооптический блок и блок обработки, связанные оптическими волокнами, магнитооптический блок включает входной и выходные световоды, поляризатор, коллимирующую линзу, круговой двулучепреломитель, выполненный в виде магниточувствительной пленки, фокусирующую линзу и дифференциальный анализатор поляризации, а блок обработки включает источник излучения, связанный с входным световодом магнитооптического блока, два фотоприемника, связанные на входе с выходными световодами магнитооптического блока, а на выходе - с устройством формирования разностных сигналов, поляризатор и дифференциальный анализатор поляризации выполнены из двулучепреломляющего кристалла, оптическая ось поляризатора составляет угол 45° с направлением излучения, а плоскость, в которой лежат оптическая ось дифференциального анализатора поляризации и направление излучения, пересекается с аналогичной плоскостью поляризатора под углом 45°, длина дифференциального анализатора поляризации обеспечивает разведение обыкновенного и необыкновенного лучей не менее, чем на диаметр выходного световода, а в блок обработки введены устройство формирования суммарных сигналов и устройство нормирования, связанное с выходами устройства формирования суммарных сигналов и устройства разностных сигналов.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока. На фиг. 2 показан ход лучей в дифференциальном анализаторе поляризации и в выходных световодах магнитооптического блока.
Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока состоит из магнитооптического блока 1 и блока обработки 2, связанных световыми волокнами 3а, 3б и 3в.
Источник излучения 4, размещенный в блоке обработки, подключен световым волокном За через входной световод 5 к магнитооптическому блоку 1, в котором последовательно установлены поляризатор 6, коллимирующая линза 7, круговой двулучепреломитель, выполненный из магниточувствительной пленки 8, фокусирующая линза 9, дифференциальный анализатор поляризации 10 и выходные световоды 11 и 12.
Блок обработки 2 включает в себя два фотоприемника (фотодиода) 13а и 13б, которые связаны со выходными световодами 11 и 12 магнитооптического блока 1 световыми волокнами 3б и 3в. Выходы фотоприемников 13а и 13б связаны через усилители 14а и 14б с входами устройства формирования разностного сигнала (операционный усилитель) 15 и устройства формирования суммарного сигнала, состоящего из согласующего устройства 16а и операционного усилителя 16б. Выходы устройств 15 и 16б подключены к устройству нормирования 17, выход которого является выходом блока обработки 2.
Устройство работает следующим образом.
-
+
-
+
-
+
Излучение от источника 4 (Фиг. 1) через световое волокно За поступает на входной световод 5 магнитооптического блока 1, далее проходит через поляризатор 6, в котором выделяется пучок лучей с линейной поляризацией, и коллимирующую линзу 7, проходит через круговой двулучепреломитель 8, где плоскость поляризации излучения вращается на угол, пропорциональный напряженности магнитного поля согласно эффекту Фарадея. Далее излучение фокусируется линзой 9 и проходит через дифференциальный анализатор поляризации 10, где разделяется на два пучка лучей с ортогональной поляризацией, которые поступают на выходные световоды 11 и 12, сохраняя свою поляризацию. Далее два пучка излучения через два оптических волокна 3б и 3в поступают в блок обработки 2 на фотоприемники 13а и 13б. Выходные сигналы фотоприемников усиливаются усилителями 14а и 14б. Далее в устройстве формирования разностного сигнала (операционный усилитель 15) формируется разностный сигнал U и в устройстве формирования суммарного сигнала (согласующее устройство 16а и операционный усилитель 16б) формируется суммарный сигнал U. Разностный и суммарный сигналы U и U поступают в устройство нормирования 17, где формируется выходной нормированный сигнал U=U/U, пропорциональный напряженности магнитного поля.
Принцип действия заявляемого волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока базируется на магнитооптическом эффекте Фарадея, который заключается во вращении плоскости поляризации излучения, проходящего через магнитооптический элемент под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направлением распространения света. Вращение плоскости поляризации излучения происходит за счет эффекта кругового двулучепреломления в магнитооптическом материале и определяется выражением:
ƒ
где: ϕ - угол вращения плоскости поляризации;
r
V - постоянная Верде, характеризующая магнитооптические свойства материала;
Н - напряженность измеряемого магнитного поля в направлении распространения света;
d - длина светового пути в магнитооптической среде.
Пример 1
r
3
-5
V=2⋅10 град/эрст⋅м; Н=1 эрст; d=5⋅10 м.
f
ϕ=0,1 град.
o
e
В заявляемом волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока использован дифференциальный анализатор поляризации 10. С целью упрощения конструкции и уменьшения габаритов, в качестве дифференциального анализатора поляризации используется двулучепреломляющий одноосный кристалл, оптическая ось Z которого составляет угол 45° с направлением излучения. Излучение источника 4 по световому волокну За и входному световоду 5 вводится в магнитооптический блок 1 и проходит через поляризатор 6, в котором формируется пучок лучей линейной поляризации, коллимируемый линзой 7. Проходя через круговой двулучепреломитель 8, луч претерпевает вращение плоскости поляризации согласно выражению (1). Между фокусирующей линзой 9 и двумя выходными световодами 11, 12 установлен дифференциальный анализатор поляризации 10, выполненный из одноосного двулучепреломляющего кристалла, оптическая ось Z которого составляет угол 45° с направлением излучения. В дифференциальном анализаторе поляризованный луч, после воздействия на него магнитного поля, разделяется на два луча с ортогональной поляризацией, причем, луч с плоскостью поляризации, лежащей в плоскости, заданной оптической осью кристалла Z и направлением излучения, претерпевает смещение в этой плоскости на величину пропорциональную длине кристалла и разнице показателей преломления обыкновенного и необыкновенного лучей n-n, которая составляет для кристалла исландского шпата около 0,1d для ближнего ИК диапазона, где d - длина кристалла. За счет этого смещения в фокальной плоскости линзы 9 наблюдаются два сфокусированных луча с ортогональной поляризацией (фиг. 2), а плоскость, заданная оптическую ось кристалла Z и направлением излучения, составляет угол 45° относительно аналогичной плоскости поляризатора 6. Длина дифференциального анализатора поляризации должна обеспечить разведение лучей в фокальной плоскости линзы 9 на величину не менее 125 мкм, что обусловлено диаметром выходных световодов 11 и 12.
Мощность излучения, поступающая на каждый фотоприемник 13а и 13б блока обработки 2 определяется выражением:
0
где Р - мощность излучения на входе в фотоприемники 13а и 13б.
Разностный сигнал, формируемый усилителем 15 блока обработки 2 определяется выражением:
Или после тригонометрических преобразований:
где
S - спектральная чувствительность излучения фотоприемника 13б,
K - коэффициент усиления усилителя 14б.
Аналогично, выражение для суммарного сигнала на выходе усилителя 16б.
или после тригонометрических преобразований:
-
+
Далее разностный U и суммарный U сигналы поступают на блок нормирования 17, и выходной сигнал волоконно-оптического датчика магнитного поля определяется выражением:
Подставляя выражение (1) получаем:
Пример 2
f
В условиях примера 1 U=sin(0,2°)=0,0035.
Таким образом, выходной сигнал волоконно-оптического датчика для измерения магнитного поля и электрического тока пропорционален только напряженности магнитного поля и характеристикам кругового двулучепреломителя 8 и не зависит от нестабильности мощности источника излучения 4, влияния положения или вибрации оптических волокон. Использование в качестве источника излучения светодиода с одномодовым волокном для ввода может обеспечить более стабильную работу датчика особенно для длинных линий связи, так как сохранение поляризации лазерного излучения на выходе волокна требует применения специальных волокон типа «панда». В противном случае, поляризация излучения на входе поляризатора 6 может меняться во времени и от вибрации, что приводит к амплитудной модуляции мощности излучения на входе дифференциального анализатора поляризации 10 и, следовательно, временной стабильности измерения магнитного поля, даже при стабилизации мощности источника излучения, от чего избавлена представленная схема волоконно-оптического устройства. Кроме того, дифференциальный анализатор поляризации 10, изготовленный из одноосного двулучепреломляющего кристалла, прост в изготовлении, не требует напыления светоделительного поляризационного покрытия и дорогостоящей склейки поляризационной призмы. Изготовленный для данного устройства дифференциальный анализатор поляризации, выполненный из полевого шпата, имеет длину всего 1,8 мм.
Таким образом, достигается решение поставленной задачи - обеспечение высокой точности и стабильности измерений в течение длительного срока службы в условиях эксплуатации датчика при его минимальных габаритах и стоимости аппаратуры.
Использованные источники
1. Датчик магнитного поля. Патент RU 2177625, 10.04.2001.
2. Magnetic sensor with Faraday element. US pat. No 6462539, Oct 8, 2002.
3. Волоконно-оптическое устройство магнитного поля и электрического тока. Патент RU 2428704, 10.09.2011. - Прототип.