ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к волоконно-оптическим датчикам, и может быть использована для измерения магнитных полей и электрических токов.
Известен волоконно-оптический датчик тока, рассмотренный в Lightwave Technology, v.LT-1, 1, March 1983, р.93-97 и взятый в качестве наиболее близкого аналога.
12
20
Конструктивно известный датчик представляет собой устройство, содержащее источник излучения (AlGaAs LED, длина волны 0,85 мкм), оптически активный кристалл BiGeO и систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы. В качестве соединителей используются многомодовые оптические волокна с диаметром сердцевины 100 мкм и числовой апертурой 0,18.
Недостатком данного датчика является значительная температурная погрешность - ≈4° на интервале температур от -25° до +65°С, обусловленная температурными дрейфами собственного кругового двулучепреломления и константы Верде кристалла.
За прототип принят волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока (патент RU, №2213356, кл. G 01 R 29/00, 2003), содержащий источник оптического излучения соединенного с поляризатором посредством волоконного световода, магнитооптическую ячейку Фарадея, анализатор и фотоприемник. Повышение температурной стабильности в прототипе по сравнению с аналогом обеспечивается тем, что угол между оптическими осями поляризатора и анализатора выбирается в зависимости от
длин магнитооптической ячейки Фарадея, выполненной в виде оптически активного кристалла.
Недостатком данного датчика является недостаточно высокая точность измерений вследствие использования аналоговых элементов и ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия устройств обработки и хранения информации об измеренных величинах магнитных полей и электрических токов.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей.
Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока, содержащем источник оптического излучения соединенного с поляризатором посредством волоконного световода, магнитооптическую ячейку Фарадея, анализатор и фотоприемное устройство, в отличие от прототипа последовательно с фотоприемным устройством соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, микроконтроллер и жидкокристаллический индикатор.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока, где 1 - источник оптического излучения (лазер или лазерный диод), 2 - волоконный световод, 3 - поляризатор, 4 - магнитооптическая ячейка Фарадея, 5 - анализатор, 6 - фотоприемное устройство (фотодиод), 7 - усилитель, 8 -аналого-цифровой преобразователь, 9 - микроконтроллер, 10 - жидкокристаллический индикатор.
На фиг.2 показана магнитооптическая ячейка Фарадея 1, указаны направления светового потока Ф и магнитной силовой линии измеряемого магнитного поля напряженности Н. На фиг.3 приведена круглая шина 1 с измеряемым током I указаны направления тока I и светового потока Ф в магнитооптической ячейке Фарадея 2 и картина магнитного поля вокруг шины с током.
Заявляемый датчик работает следующим образом.
При прохождении света, излучаемого лазерным диодом 1, через поляризатор 2 (фиг.1) он становится плоскополяризованным.
При прохождении электрического тока I по проводнику 1 (фиг.3) вокруг него создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как:
где R - расстояние от проводника с током до рассматриваемой точки.
При непосредственном воздействии магнитного поля угол фарадеевского вращения находится по формуле:
где L - длина пути света в катушке из оптического волокна.
В анализаторе 5 (фиг.1) угол поворота плоскости поляризации плоскополяризованного луча φ преобразуется в изменение мощности оптического сигнала:
0
Где P - мощность света при отсутствии магнитного поля.
Оптический сигнал с выхода анализатора поступает в фотодиод 6 (фиг.1), а далее в виде электрического сигнала в усилитель 7, усиленный аналоговый сигнал в аналого-цифровой преобразователь 8, преобразуется в цифровой код, который может храниться и обрабатываться в микроконтроллере 9 и представляется на жидкокристаллическом индикаторе 10 результатом измерения величины электрического тока или магнитного поля.
Таким образом, предлагаемый волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока отличается от аналогичных датчиков расширенными функциональными возможностями, заключающимися в возможности сохранения и обработки результатов
измерения в микроконтроллере и при необходимости их отображения на жидкокристаллическом индикаторе, а так же увеличенной точностью.