ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
FIBRE-OPTIC ELECTRIC CURRENT SENSOR

Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использовано для бесконтактного измерения электрического тока.
2
20
Известны волоконно-оптические датчики электрического тока, способные бесконтактным образом проводить измерение электрического тока. Конструктивно такие датчики представляют устройство, содержащее источник излучения (светодиод на AlGaAs, длина волны 0,85 мкм), оптически активный кристалл BiGeO, систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы (Lightwave Technology, v. LT-1, 1, March 1983, p.93-97).
2
20
Указанный датчик 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 BiGeO, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего (измеряемого) магнитного поля от протекающего электрического тока и собственного кругового двулучепреломления кристалла. Угол поворота плоскости поляризации можно записать как , где V - константа Верде материала; H - приложенное магнитное поле; L - длина кристалла; Θ - собственное круговое двулучепреломление кристалла. После выхода светового луча из кристалла, он проходит через анализатор. Оптические оси поляризатора и анализатора параллельны. После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству.
Недостатком датчика является низкая чувствительность, обусловленная параллельностью оптических осей поляризатора и анализатора, вследствие чего направление плоскости поляризации света, изменившейся под воздействием магнитного поля, не совпадает с направлением оптической оси анализатора, т.е. направлением максимального коэффициента пропускания анализатора.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2213356, кл. G01R 29, 1998 г.
0
0
Данное устройство представляет собой волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем значение длины оптически активного кристалла L и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α выбирается исходя из решения системы уравнений:
где L - длина оптически активного кристалла;
Θ - показатель собственного кругового двулучепреломления оптически активного кристалла;
0
V - значение коэффициента Верде при начальной температуре 20°C;
- изменение от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления;
- изменение от температуры коэффициента Верде.
В данной системе уравнений (1) задает условие максимальной чувствительности от воздействия температуры окружающей среды, уравнение (2) задает условие максимальной чувствительности датчика.
Иначе говоря, устанавливаемый угол между оптическими осями поляризатора и анализатора задается путем поворота оптической оси анализатора относительно оптической оси поляризатора в два этапа: первоначальный угол поворота определяется исходя из условия максимальной чувствительности, дополнительный поворот определяется условием минимальной чувствительности к воздействию внешней температуры.
Устройство работает следующим образом.
0
0
0
Свет постоянной интенсивности от источника излучения по световоду проходит через градиентную линзу и попадает на поляризатор. Далее линейно поляризованный свет проходит через оптически активный кристалл, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего магнитного поля от протекающего электрического тока и собственного кругового двулучепреломления оптически активного кристалла. Далее луч проходит через анализатор, оптическая ось которого повернута на угол α относительно оптической оси поляризатора при длине оптически активного кристалла L (значение выбирается, как указано выше). После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству. За счет задания значения α вышеуказанным способом обеспечивается температурная компенсация датчика при условии максимальной чувствительности датчика.
Анализ прототипа выявляет его существенный недостаток, который состоит в недостаточной чувствительности, что обусловлено особенностями характеристик поляризатора и анализатора.
Ожидаемым техническим результатом является повышение чувствительности датчика.
0
0
Указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике электрического тока, содержащем источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем оптические оси поляризатора и анализатора повернуты относительно друг друга на угол α, который выбирается из условий максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности при длине оптически активного кристалла L, поляризатор и анализатор имеют коэффициент экстинкции не менее 100.
На фиг. 1 изображен общий вид волоконно-оптического датчика в разрезе.
Волоконно-оптический датчик электрического тока работает следующим образом.
2
20
Поступающее по оптическому волокну на вход датчика через входной коннектор 7 оптическое излучение коллимируется коллиматором (градиентной линзой) 1, преобразуется в линейно-поляризованное световое излучение с помощью входного поляризатора 3, проходит через оптически активный кристалл 5 BiGeO и далее, проходя через анализатор 4, с помощью второго коллиматора 2 вводится через выходной коннектор 8 в выходное оптическое волокно, подключенное к входу фотоприемного устройства (ФПУ).
2
20
0
0
Анализатор 4 (второй поляризатор), устанавливаеся после оптически активного кристалла 5 BiGeO и позволяет преобразовать поворот плоскости поляризации света в изменение интенсивности света на выходе датчика. Угол между осями входного 3 и выходного 4 поляризаторов α выбирается при длине оптически активного кристалла L таким образом, чтобы достичь максимальной термокомпенсации при условии .
В отсутствие магнитного поля от протекающего электрического тока свет проходит через датчик, не изменяя направления вектора поляризации. Интенсивность света на входе ФПУ является постоянной и определяется углом между оптическими осями поляризатора и анализатора. При наложении на кристалл магнитного поля  направление поляризации света изменяется, что приводит к изменению интенсивности света на входе ФПУ. Таким образом, с помощью магнитного поля осуществляется модуляция света, проходящего через датчик.
Чувствительность волоконно-оптического датчика к электрическому току определяется коэффициентом преобразования датчика, который пропорционален углу Фарадея<р. Коэффициент преобразования при заданной интенсивности света на входе датчика определяется с помощью матрицы Джонса.
Матрица Джонса для среды, обладающей как линейным, так и круговым двулучепреломлением (эллиптической фазовой пластины в базисе осей линейного двулучепреломления), имеет вид:
где , C - коэффициент кругового двулучепреломления, β - коэффициент линейного двулучепреломления, L - длина кристалла.
2
20
2
20
Для оптически активного кристалла BiGeO в магнитном поле суммарное круговое двулучепреломление складывается из собственного и наведенного магнитным полем (эффект Фарадея) двулучепреломлений: , где Θ - коэффициент собственного кругового двулучепреломления (оптической активности) в кристалле; , V - константа Верде, Н - проекция приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны. В идеальных оптически активных кристаллах BiGeO собственное линейное двулучепреломление β отсутствует, так как кристалл имеет кубическую симметрию и является изотропным. На практике, вследствие несовершенства кристаллов, возникают внутренние напряжения и, как следствие этого, возникает линейное двулучепреломление. Однако для ограниченных длин оптического пути света в оптически активном кристалле величина его мала по сравнению с величиной собственного кругового двулучепреломления Θ, что позволяет упростить расчеты коэффициента преобразования датчика.
Так, для приведенной конструкции (фиг. 1) матрица Джонса принимает вид:
где
- матрица идеального линейного поляризатора;
BGO
M - матрица оптически активного кристалла;
R(α) - матрица поворота на угол α, α - угол между разрешенными направлениями поляризатора и анализатора.
Расчет состояния поляризации и интенсивности света на выходе такой системы с учетом особенностей оптической схемы дает следующее значение для интенсивности света I на выходе:
Для того чтобы коэффициент преобразования и глубина модуляции магнитным полем были максимальными, необходимо выбрать значения L и α так, чтобы величина  была близка к π/4.
В этом случае:
При получении выражения мы пренебрегли членами порядка .
В приведенных расчетах мы считали, что анализатор и поляризатор являются «идеальными», т.е. имеют бесконечно большой коэффициент экстинкции. На практике такая ситуация не является достижимой.
Оценим влияние неидеальности анализатора и поляризатора на коэффициент преобразования датчика. Для этого рассмотрим случай максимальной чувствительности, когда  (коэффициент преобразования максимален), и не будем учитывать наличие в кристалле линейного двулучепреломления. Матрица поляризатора (анализатора) будет иметь вид:
2
где Е и ε - коэффициенты пропускания поляризатора (анализатора) по разрешенному и запрещенному направлениям , ε«Е соответственно. В таком случае вектор Максвелла для световой волны на выходе системы будет иметь вид:
1
1
0
где E, ε - компоненты вектора Максвелла, полученные после прохождения света через входной поляризатор (для простоты будем считать интенсивность излучения источника I=1);
2
20
- матрица кристалла BiGeO (без учета линейного двулучепреломления), ϕ=VHL.
- матрица анализатора, развернутого на угол 45°
2
2
относительно входного поляризатора, Е, ε - коэффициенты пропускания анализатора. Интенсивность излучения на выходе системы будет иметь вид:
Запишем коэффициент преобразования датчика:
полагая, что , и вводя обозначения  запишем:
1
2
где k, k - коэффициенты экстинкции поляризатора и анализатора.
1
2
На фиг. 2 приведена зависимость нормированного коэффициента преобразования датчика от коэффициента экстинкции поляризатора (анализатора) (для простоты предполагалось, что k=k, т.е. поляризатор и анализатор одинаковы).
2
Видно, что качество поляризатора (анализатора) начинает сказываться, когда коэффициент экстинкции меньше чем 10. С уменьшением коэффициента экстинкции до 10 коэффициент преобразования уменьшается на 20%. Таким образом, для повышения величины коэффициента преобразования (чувствительности) датчика необходимо применять поляризатор и анализатор с коэффициентом экстинкции не менее 10.
Полученные аналитические зависимости получили подтверждение в результате проведенных экспериментальных исследований.