СПОСОБ И ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ) ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ
METHOD AND FIBRE-OPTIC DEVICE (VERSIONS) FOR MEASURING ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD

Изобретение относится к волоконной оптике, в частности, к волоконно-оптическим датчикам тока и магнитного поля.
F
F
Известные волоконно-оптические датчики (ВОД) тока 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 магниточувствительном оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода. Волоконно-оптические датчики тока измеряют величину угла поворота φ плоскости поляризации, или, что эквивалентно, фазового сдвига φ между ортогональными циркулярно поляризованными волнами излучения, сумма которых образует линейно поляризованное излучение. Угол поворота φ, или, что эквивалентно, фазовый сдвиг φ, пропорциональны измеряемому току.
Магниточувствительные волокна для измерения тока в волоконно-оптических датчиках тока относятся к одному из двух видов. К первому виду относятся оптические волокна с очень малым собственным двулучепреломлением (ДЛП), ко второму - магниточувствительные оптические волокна с сильным встроенным ДЛП, имеющим спиральную структуру осей (spun волокна). Второй вид волокон получают вытяжкой при вращении заготовки с сильным встроенным линейным ДЛП. Spun волокна благодаря встроенному ДЛП более предпочтительны для датчиков тока, поскольку их магнитооптическая чувствительность относительно слабо зависит от радиуса изгиба. Особенно это справедливо для spun волокон микроструктурной конструкции, которые имеют более высокое ДЛП.
Известны устройство и способ для измерения тока [1]. Устройство представляет собой взаимный отражательный оптический интерферометр, который включает в себя измерительный волоконный контур из чувствительного оптического волокна, соединенный с поляризатором на одном конце волокна и с отражателем света (зеркалом) на другом. Между поляризатором и чувствительным контуром установлен расщепитель пучка (направленный ответвитель) для ответвления излучения на устройство для анализа поворота плоскости поляризации света после прохождения через чувствительное волокно сначала в прямом и затем после отражения от зеркала в обратном направлении. Недостатком устройства является снижение его эффективности при использовании spun волокна с высоким встроенным ДЛП. Это проявляется в уменьшении величины интенсивности проинтерферировавших волн; эта величина тем меньше, чем более высокое двулучепреломление применено в spun волокне.
Наиболее близким к предполагаемому изобретению является способ измерения электрического тока и магнитного поля, описанный в работе [2], основанный на формировании двух ортогонально поляризованных световых волн в световедущей среде, преобразовании поляризационного состояния указанных световых волн в циркулярную поляризацию и пропускании этих волн через чувствительную световедущую среду, параметры которой изменяются под действием магнитного поля проводника, по которому течет измеряемый ток, вызывающий различные фазовые сдвиги у этих волн. Чувствительная световедущая среда представляет собой оптическое магниточувствительное волокно со встроенным линейным двулучепреломлением. После прохождения световых волн через магниточувствительное волокно происходит зеркальное отражение световых волн, прохождение их в обратном направлении, суммирование указанных волн и получение интерференционного сигнала, зависящего от разности фаз указанных волн. По величине интенсивности интерференционного сигнала рассчитывается значение электрического тока.
Волоконно-оптическое устройство [2], реализующее указанный способ, схема которого приведена на фиг.1, представляет собой взаимный отражательный оптический интерферометр. В данном устройстве свет от источника 1 распространяется через ответвитель 2 и поляризатор 3 к 45-градусной сварке 4, где он разделяется поровну в два состояния поляризации, сохраняемые на всем остатке оптической цепи. Пьезоэлектрический модулятор ДЛП 5 модулирует относительную разницу фаз световых волн в двух состояниях поляризации. Модулятор 5 управляется с помощью генератора 14 сигнала модулятора, который обеспечивает электрический сигнал, имеющий синусоидальную или прямоугольную форму. Свет затем распространяется через волоконную линию задержки 6, выполненную из сохраняющего линейную поляризацию волокна (РМ волокна), необходимую для повышения эффективности модулятора, далее через преобразователь поляризации 7 (четвертьволновую пластинку), который преобразует два линейных состояния поляризации в два циркулярных состояния поляризации, и через чувствительный контур 8 датчика. Чувствительный контур 8 датчика выполнен из spun волокна с оптимально выбранными параметрами и намотан вокруг токонесущего провода 9. Свет отражается отражающим концом 10 (зеркалом) и повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на фотодетектор 11. Блок обработки сигнала 12 преобразует про детектированный сигнал к выходу 13, который показывает ток, протекающий в проводе 9.
Известно также устройство [3], реализующее описанный выше способ, схема которого приведена на фиг.2. Оптическое излучение от источника 1 распространяется через ответвитель 2, поляризатор 3 и через сварное соединение 4 попадает в оптическую цепь, состоящую из соединенных последовательно элементов, выполненных из магниточувствительного spun волокна с встроенным линейным ДЛП: модулятора поляризации излучения 5, соединительной линии 6, измерительного контура 8 и конечного отражателя (зеркала) 10. После отражения от зеркала 10 излучение повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на фото детектор 11. Блок обработки сигнала 12 преобразует про детектированный сигнал к выходу 13, который показывает ток, протекающий в проводе 9. В рассматриваемой схеме на входе интерферометра сформированы две ортогональные циркулярно поляризованные световые волны, сумма полей которых представляет линейно поляризованное излучение, выходящее из поляризатора. В рассматриваемой схеме в отсутствии магнитного поля оптические пути обеих волн равны, поэтому состояние поляризации возвращающегося света такое же как на входе, т.е. линейное. При наличии магнитного поля вследствие эффекта Фарадея появляется разница оптического пути, или, что эквивалентно, фазовый сдвиг Фарадея между волнами, пропорциональный контурному интегралу напряженности магнитного поля по длине spun волокна. Если же контур spun волокна замкнут, что реализуется в датчике тока, то этот интеграл пропорционален пронизывающему контур току согласно теореме о циркуляции магнитного поля по замкнутому контуру, причем коэффициент пропорциональности равен учетверенному произведению постоянной Верде для материала волокна и числу волоконных витков контура.
Описанные в работах [2] и [3] устройства приняты в качестве прототипов к первому и второму вариантам предлагаемого изобретения.
b
tw
b
b
tw
Известные способ и волоконно-оптические датчики тока, основанные на этом способе, в том числе вышеописанные прототипы, имеют общий недостаток, который проявляется при использовании в чувствительных контурах spun волокон с высоким ДЛП. Применение таких волокон, имеющих высокую устойчивость к внешним воздействиям, необходимо для создания миниатюрных датчиков, высокочувствительных датчиков с многовитковыми контурами, датчиков, работающих в условиях сильных вибраций. Spun волокно характеризуется величиной встроенного линейного ДЛП L и параметром σ=L/2L. Здесь L - длина биений встроенного линейного ДЛП, L - длина шага спирали его осей. Параметр а определяет поляризационные свойства волокна, так называемую собственную эллиптичность волокна. Увеличение встроенного ДЛП сопровождается увеличением σ, при этом собственная эллиптичность волокна изменяется. В результате возникают проблемы, которые влияют на пороговую чувствительность датчика. Так, при использовании подобных волокон существенно снижается амплитуда световых волн, участвующих в формировании интерференционного сигнала или другими словами контраст интерферометра. Это происходит вследствие того, что в таком волокне поляризационные состояния (ПС) излучения приобретает заметную эллиптичность. При отражении от зеркала световых волн с сильной эллиптичностью происходит потеря контраста интерферометра. Как следствие, ухудшается пороговая чувствительность датчика, т.е. снижается отношение сигнала к шуму. При этом уменьшается динамический диапазон датчика.
Техническая задача изобретения - создание ВОД для измерения величины электрического тока и магнитного поля при использовании spun волокна с не традиционными параметрами (шаг спирали сравним или больше длины биений встроенного двулучепреломления), что дает повышенную устойчивость чувствительного элемента к внешним воздействиям, необходимую для создания 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. При этом существенно снижается погрешность измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий на волокно.
2
1/2
tw
b
b
tw
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения величины электрического тока и магнитного поля, включающем формирование двух ортогонально поляризованных световых волн, прохождение их через оптическое магниточувствительное волокно со встроенным линейным двулучепреломлением, помещенное в измеряемое магнитное поле или магнитное поле измеряемого электрического тока, отражение, прохождение в обратном направлении и определение электрического тока и напряженности магнитного поля по величине интенсивности проинтерферировавших отраженных световых волн, перед входом в оптическое магниточувствительное волокно поляризацию каждой волны преобразуют в эллиптическую, перед отражением осуществляют преобразование поляризаций каждой волны в циркулярные, при этом азимуты ортогональных эллиптических поляризаций волн, входящих в магниточувствительное волокно до и после отражения, либо совпадают с азимутом главных осей встроенного линейного двулучепреломления, либо ортогональны им, а эллиптичность указанных поляризаций совпадает с собственной эллиптичностью волокна. Собственная эллиптичность волокна определяется по формуле е=(σ+1)-σ, где σ=L/2L, L - длина биений встроенного линейного двулучепреломления магниточувствительного волокна, L - шаг спиральной структуры осей двулучепреломления.
tw
b
1
b
tw
2
b
tw
Указанный технический результат достигается также тем, что в волоконно оптическом устройстве для измерения величины электрического тока и магнитного поля, включающем источник оптического излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фото детектором, а один из выходов подключен к линейному поляризатору, который через сварное соединение подключен к последовательно соединенным оптическому модулятору, линии задержки, первой фазовой пластинке, чувствительному элементу, выполненному из магниточувствительного волокна со встроенным линейным двулучепреломлением с шагом спирали L и длиной биений встроенного двулучепреломления L, и отражателю излучения, между отражателем излучения и магниточувствительным волокном размещена вторая фазовая пластинка, при этом первая и вторая фазовые пластинки выполнены вносящими разности фаз соответственно φ=arctg(2L/L) и φ=π/2-arctg(2L/L) между ортогональными линейно поляризованными компонентами светового излучения.
tw
b
1
b
tw
2
b
tw
Кроме того, указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическое устройство для измерения величины электрического тока и магнитного поля, включающем источник оптического излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фото детектором, а один из выходов подключен к линейному поляризатору, который через сварное соединение подключен к последовательно соединенным оптическому модулятору и чувствительному элементу, выполненными из магниточувствительного волокна со встроенным линейным двулучепреломлением с шагом спирали L и длиной биений встроенного двулучепреломления L, и отражателю излучения, при этом между сварным соединением и оптическим модулятором расположены последовательно соединенные отрезок волокна, сохраняющего линейную поляризацию излучения, и первая фазовая пластинка, между отражателем излучения и магниточувствительным волокном расположена вторая фазовая пластинка, сварное соединение выполнено с контролем осей линейного двулучепреломления, при этом первая и вторая фазовые пластинки выполнены вносящими разности фаз соответственно φ=arctg(2L/L) и φ=π/2-arctg(2L/L) между ортогональными линейно поляризованными компонентами светового излучения.
1
2
1
λ/4
b
tw
2
λ/4
1
λ/4
В описанных выше волоконно-оптических устройствах быстрые и медленные оси фазовых пластинок для получения максимальной эффективности должны быть повернуты под углом 45° к входным и выходным осям встроенного линейного ДЛП магниточувствительного волокна. Фазовые пластинки могут быть выполнены из волокна, сохраняющего линейную поляризацию излучения, при этом длины первой Lи второй L фазовых пластинок должны быть выбраны из соотношений: L=2Larctg(2L/L)/π, L=L-L где L - длина четвертьволновой пластинки, имеющей общую с фазовыми пластинками двулучепреломление.
Для получения максимальной эффективности сварное соединение, выполненное с контролем осей линейного двулучепреломления, также должно быть с углом 45° между осями встроенного линейного двулучепреломления волокон.
В предлагаемом способе и 2-х вариантах устройств, реализующих способ, в отсутствии магнитного поля оптические пути обеих волн равны, поэтому состояние поляризации возвращающегося света такое же как на входе, т.е. линейное и с тем же азимутом. Эффект Фарадея невзаимный, поэтому из-за циркулярного ДЛП, наводимого в spun волокне измерительного контура магнитным полем измеряемого тока, появляется разница оптического пути, или, что эквивалентно, фазовый сдвиг Фарадея между волнами, пропорциональный контурному интегралу напряженности магнитного поля вдоль пути spun волокна. Если же контур spun волокна замкнут, что реализуется в датчике тока, то этот интеграл пропорционален пронизывающему контур току согласно теореме о циркуляции магнитного поля по замкнутому контуру, причем коэффициент пропорциональности равен учетверенному произведению постоянной Верде для материала волокна и числу волоконных витков контура.
Способ измерения фазового сдвига Фарадея, предложенный в данном изобретении, основан на свойствах spun волокна изменять состояние поляризации распространяющегося излучения. Рассмотрим распространение монохроматического излучения через spun волокно. В базисе циркулярных поляризаций, в пренебрежении очень слабым эффектом Фарадея, эволюция поляризационных состояний монохроматической волны в магниточувствительном волокне описывается системой дифференциальных уравнений [4]:
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>E</mi><mi>r</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>i</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>E</mi><mi>l</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mfrac><mrow><mi>d</mi><msub><mi>E</mi><mi>l</mi></msub></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>i</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>E</mi><mi>r</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                             (1)</mtext></mtd></mtr></mtable>
b
tw
r
1
1
r
где z - длина отрезка волокна, Δβ=2π/L - величина встроенного линейного ДЛП, ξ=2π/L - скорость поворота осей встроенного линейного двулучепреломления в спиральной структуре волокна, E, E - комплексные амплитуды право- и левополяризованных волн указанного базиса. Если перейти к отношению χ=E/E, система уравнений (1) сводится к уравнению Риккати:
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>χ</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>z</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>i</mi><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><msup><mi>χ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>i</mi><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>β</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                      (2)</mtext></mrow>
Помимо сложной картины эволюции поляризационных состояний на сфере Пуанкаре уравнение (2) допускает простое частное решение вида:
<mrow><mi>χ</mi><mo>=</mo><mi>А</mi><mtext> </mtext><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mtext> </mtext><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                                             (3)</mtext></mrow>
где A - константа. Подставив решение (3) в уравнения (2) получим квадратное уравнение относительно A из которого следует:
<mrow><mi>χ</mi><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mfrac><mrow><msqrt><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mi>σ</mi></mfrac><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>i</mi><mn>2</mn><mi>ξ</mi><mi>z</mi><mo stretchy="false">)</mo><mtext>                                                            (4)</mtext></mrow>
tw
b
где σ=L/2L. Эллиптичность е поляризационного эллипса такой волны вычисляется через модуль комплексной переменной χ:
<mrow><mi>e</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo>|</mo><mi>χ</mi><mo>|</mo><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mo>|</mo><mi>χ</mi><mo>|</mo><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>σ</mi></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msqrt><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>+</mo><mi>σ</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>σ</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>σ</mi><mtext>                                         (5)</mtext></mrow>
Эллиптичность е поляризационного состояния не зависит от длины волокна z и определяется только параметрами оптического магниточувствительного волокна. Это означает, что величина е не изменяется в процессе распространения волны по указанному магниточувствительному волокну. Как видно из выражения (4), с длиной волокна изменяется только азимут эллипса поляризации. Соответствующая эволюция представляет собой на сфере Пуанкаре окружность одной и той же эллиптичности. Такая эллиптичность является собственной эллиптичностью оптического магниточувствительного волокна.
b
b
В случае широкого спектра излучения следует учитывать, что длина биений встроенного линейного ДЛП пропорциональна длине волны света [5] L=L(λ)~λ. В случае произвольного входного состояния поляризации излучения эволюция каждой спектральной составляющей излучения довольно сложна, их точки поляризационных состояний на конце отрезка волокна распределяются на сфере Пуанкаре и в среднем дают некоторое поляризационное состояние и пониженную степень поляризации. Однако для каждой волны в пределах ширины спектра существует простое частное решение уравнения (2), имеющее вид (4). Эллиптичность (5) очень слабо зависит от длины волны, поэтому в случае решения (4) точки поляризационных состояний всех волн спектра движутся по сфере Пуанкаре одинаково, сохраняя 100%-ную степень поляризации. Этот факт положен в основу предлагаемого способа и устройства для измерения фазового сдвига Фарадея.
При параметре spun волокна σ>0,2 поляризационное состояние с собственной эллиптичностью существенно отличается от циркулярного ПС. Поэтому, если использовать spun волокна с таким параметром а в традиционной схеме ВОДТ в них дважды происходит потеря степени поляризации. Первая потеря происходит из-за того, что вводимое в spun волокно излучение, имеющее циркулярное ПС, преобразуется в эллиптичное ПС с эллиптичностью равной собственной для данного spun волокна с потерей определенной степени поляризации. Вторая потеря степени поляризации происходит ввиду того, что зеркало на конце волокна отображает эллиптичную поляризацию не в ортогональную. При обратном проходе на входе пластинки λ/4 свет имеет эллиптичную поляризацию, которая преобразуется пластинкой в другую эллиптичную, вместо линейной, что в совокупности с потерей степени поляризации в spun волокне существенно увеличивает долю некогерентной компоненты на общем выходе, ухудшает итоговый контраст интерферометра (видность интерференционной картины) и сужает динамический диапазон измерения датчика.
Предложенный метод позволяет повысить контраст до 100%.
Для того, чтобы избежать первой потери степени поляризации, нужно обеспечить на входе spun волокна ПС света с эллиптичностью, равной собственной, и азимутом, совпадающим с азимутом вектора встроенного линейного ДЛП. Для этого перед вводом в spun волокно световую волну нужно пропустить через специальную фазовую пластинку. В результате по spun волокну будет распространяться световое излучение, имеющее постоянную эллиптичность и 100% степень поляризации. Экспериментальное подтверждение этого приведено на фиг.3, где показана зависимость степени поляризации излучения на выходе spun световода от азимута входной поляризации при постоянной эллиптичности равной собственной для данного spun волокна.
На зеркале на конце spun волокна только циркулярная составляющая ПС излучения отражается в ортогональную. Поэтому, чтобы избежать потери степени поляризации, эллиптичное ПС на выходе spun волокна нужно преобразовать в циркулярное. Это можно осуществить с помощью второй фазовой пластинки.
После прохождения света второй пластинки в обратном направлении циркулярное ПС преобразуется в эллиптичное, ортогональное эллиптичному ПС на входе второй пластинки. Таким образом при обратном проходе на входе spun волокна автоматически формируется ПС с эллиптичностью, равной собственной, и эта волна распространяется обратно с 100%-ной степенью поляризации.
При обратном проходе световыми волнами первой пластинки эллиптичное ПС преобразуется в линейное ПС, ортогональное входному. При прохождении света через предложенную комбинацию оптических элементов нигде не происходит потери степени поляризации, поэтому выходной свет на общем входе выходе будет иметь степень поляризации близкую к 100% и, соответственно, некогерентная компонента будет минимальна, что и обеспечивает максимальный интерференционный сигнал.
b
1
λ/4
λ/4
Эллиптичную поляризацию можно сформировать с помощью волоконной фазовой пластинки - аналогичной волоконной пластинке λ/4, но с измененной длиной. Пластинка λ/4 представляет собой отрезок РМ волокна, длиной в четверть длины биений L, сваренный с входным РМ волокном с углом 45 градусов между осями линейного ДЛП. Такая пластинка преобразует линейную поляризацию, отображаемую на сфере Пуанкаре точкой на экваторе, т.е. точкой с нулевой широтой, в циркулярную, имеющую широту 90 градусов. Чтобы получить фазовую пластинку, преобразующую линейное ПС в ПС с нужной эллиптичностью, отображаемую на сфере Пуанкаре точкой на широте ψ нужно сделать фазовую пластинку длиной L=(ψ/90)L, где L -длина пластинки λ/4.
Далее эту фазовую пластинку для получения максимальной эффективности нужно сварить со spun волокном с углом 45° между осью ДЛП пластинки и осью на входе spun волокна.
2
λ/4
1
Вторая фазовая пластинка устанавливается на конце spun волокна. К выходному концу spun волокна нужно приварить кусок РМ волокна с углом 45 градусов между осями ДЛП и сколоть РМ волокно так, чтобы длина пластинки составляла L=L-L. Этой пластинкой точка ПС на сфере Пуанкаре «доводится» до полюса - циркулярного ПС. Перпендикулярный скол РМ волокна при этом выполняет функцию френелевского зеркала.
На фиг.4 представлена схема первого варианта предлагаемого устройства, где 1 - источник излучения, 2 - направленный ответвитель, 3 - поляризатор излучения, 4 - сварное соединение РМ волокна входа модулятора с выходом поляризатора с углом 45° между плоскостью его поляризации и осями волокна, 5 - волоконный пьезоэлектрический модулятор ДЛП, 6 - линия задержки, 7 - первая фазовая пластинка, 8 - измерительный волоконный контур, 19 - вторая фазовая пластинка, 10 - отражатель излучения, 9 - провод с измеряемым током, 11 - фотодетектор, 12 - блок обработки сигнала, 13 - выход датчика.
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от широкополосного источника излучения 1 вводится в первый вход направленного ответвителя 2 и с его выхода поступает на вход поляризатора 3. К второму входу направленного ответвителя присоединен фото детектор 11, принимающий оптическое излучение, возвращающееся из оптического интерферометра. Поляризатор 3 создает на своем выходе оптическое излучение с высокой степенью линейной поляризации электрического поля. Далее через сварное соединение 4 свет вводится во входное РМ волокно пьезоэлектрического модулятора 5 с углом 45° между плоскостью поляризации поляризатора и осями ДЛП волокна модулятора, где он разделяется поровну на две ортогональные линейно поляризованные волны. Проходя через линию задержки 6 обе волны поступают на вход первой фазовой пластинки 7, где они преобразуется в ортогональные эллиптичные, и вводятся в выполненную из spun волокна оставшуюся часть интерферометра так, что азимуты поляризаций волн совпадают с азимутами осей ДЛП spun волокна на входе. Spun волокно составляет замкнутый измерительный контур 8 вокруг провода 9 с измеряемым током. Свет далее распространяется через вторую фазовую пластинку 19, которая преобразует эллиптичные поляризации обеих волн в ортогональные циркулярные поляризации. При отражении от зеркала 10 каждая циркулярная поляризация отображается в ортогональную ей циркулярную. При проходе света в обратном направлении поляризации волн преобразуются симметрично, только теперь они будут ортогональны поляризациям волн при прохождении в прямом направлении. На обратном пути циркулярные поляризации второй фазовой пластинкой преобразуются в эллиптичные, далее свет проходит через spun волокно измерительного контура, и эллиптичные поляризации первой фазовой пластинкой преобразуются в линейные. Обе линейно поляризованные волны, попадая под углом 45 градусов на ось пропускания поляризатора интерферируют. Далее свет проходит через направленный ответвитель к фото детектору 11, который регистрирует интенсивность интерференционного сигнала. Электрический сигнал с выхода фотодетектора поступает в электронный блок обработки сигнала, который выдает на выходе значение измеряемого тока.
На фиг.5 представлена схема второго варианта предлагаемого устройства, где 1 -источник излучения, 2 - направленный ответвитель, 3 - поляризатор излучения, 4, 15, 16, 17 - сварное соединение волокон с углом 45° между осями ДЛП, 18 - отрезок РМ волокна, 7 - первая фазовая пластинка, 5 - модулятор поляризации излучения, 6 -волоконная линия, 8 - измерительный волоконный контур, 19 - вторая фазовая пластинка, 10 - отражатель излучения, 9 - провод с измеряемым током, 11 - фото детектор, 12 - блок обработки сигнала, 13 - выход датчика.
Устройство работает следующим образом. Оптическое излучение от широкополосного источника излучения 1 вводится в первый вход направленного ответвителя 2 и с его выхода поступает на вход поляризатора 3. На другом выходе направленного ответвителя излучение поглощается. К другому входу направленного ответвителя присоединен фотодетектор 11, принимающий оптическое излучение, возвращающееся из оптического интерферометра. Поляризатор 3 создает на своем выходе оптическое излучение с высокой степенью линейной поляризации электрического поля. Далее через сварное соединение 4 свет вводится в отрезок РМ волокна 18 под углом 45° к его осям ДЛП, где он разделяется поровну в два состояния поляризации, сохраняемые на всем остатке оптической цепи. Через сварное соединение 15 линейные поляризации обеих волн поступают на вход первой фазовой пластинки 7, где они преобразуется в ортогональные эллиптичные и вводятся в оставшуюся часть интерферометра, выполненную из spun волокна. Часть spun волокна в виде многовиткового контура является модулятором 5 поляризации света - модулятором на эффекте Фарадея, который модулирует относительную разность фаз световых волн с ортогональными поляризациями. Этот волоконный контур располагается внутри торроидального соленоида, через который пропускается переменный гармонический ток, вносящий гармонически зависимую разность фаз световых волн. Оставшаяся часть spun волокна составляет измерительный контур 8 вокруг провода 9 с измеряемым током. Модулятор 5 соединен с измерительным контуром 8 через соединительную линию 6. Свет далее распространяется через вторую фазовую пластинку 19, которая преобразует эллиптичные поляризации обеих волн в ортогональные циркулярные поляризации. При отражении от зеркала 10 каждая циркулярная поляризация отображается в ортогональную ей циркулярную. При проходе света в обратном направлении поляризации волн преобразуются симметрично, только теперь они будут ортогональны поляризациям волн при прохождении в прямом направлении. На обратном пути циркулярные поляризации второй фазовой пластинкой преобразуются в эллиптичные, далее свет проходит через spun волокно измерительного контура, и эллиптичные поляризации первой фазовой пластинкой преобразуются в линейные. Обе линейно поляризованные волны, попадая под углом 45 градусов на ось пропускания поляризатора интерферируют. Далее свет проходит через направленный ответвитель к фотодетектору 11, который регистрирует интенсивность интерференционного сигнала. Электрический сигнал с выхода фотодетектора поступает в электронный блок обработки сигнала 12, который выдает на выходе значение измеряемого тока.
Ниже приведены конкретные примеры реализации предлагаемого способа и двух вариантов волоконно-оптических датчиков тока и магнитного поля.
b
tw
b
В обоих вариантах устройства в качестве источника применен волоконный источник излучения на основе волокна, легированном эрбием, имеющий мощность 30 мВт на длине волны 1,55 мкм с шириной спектра излучения 25 нм. В первом варианте устройства оптический модулятор и линия задержки выполнены из одного отрезка РМ волокна типа Панда, во втором - оптический модулятор выполнен из единого с чувствительным элементом spun волокна. Чувствительный элемент в обоих вариантах выполнен из микроструктурного spun волокна с параметрами L=1,7 мм и L=2,8 мм. Первая и вторая фазовые пластинки изготовлены из обычного РМ волокна с длиной биений линейного ДЛП L=6,7 мм Они имели длину 0,950 мм и 0,725 мм соответственно. Чувствительный элемент содержал 24 витка волокна, уложенных в кварцевое кольцо с наружным радиусом 100 мм. Кольцо располагалось внутри тороидального соленоида из 750 витков медной проволоки, через который пропускался электрический ток. Для сравнения использовался макет датчика тока по известной схеме [2] с четвертьволновой пластинкой перед измерительным контуром.
На экспериментальных макетах предлагаемых устройств были измерены контраст K оптического интерферометра датчика и чувствительность S датчика тока.
pd
На рис.6 показаны совмещенные на одном рисунке осциллограммы выходного сигнала U(t) известного и первого варианта устройства. Сигналы снимались с выхода фотодиода и представляли собой периодические функции времени на удвоенной рабочей частоте модуляции относительной фазы, используемой в датчике тока. Амплитуда относительной фазовой модуляции световых волн составляла я 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)
Кроме того, была измерена магнитооптическая чувствительность измерительного контура для известной схемы и предлагаемой. Использовался стандартный алгоритм вычисления измеряемого тока по отношениям амплитуд гармоник в выходном сигнале фотодетектора.
Результаты измерений следующие: в схеме устройства по прототипу первого варианта: K=0,50 S=0,81, в предлагаемой схеме K=0,84, S=0,807. Вывод: магнитооптическая чувствительность в обеих схемах одинаковая, контраст в предлагаемой схеме увеличился в 1,6 раза, что обеспечивает соответствующее увеличение динамического диапазона датчика тока. Аналогичный эффект наблюдался и во втором варианте устройства.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет расширить динамический диапазон при использовании магниточувствительного волокна с большим встроенным двулучепреломлением, в частности, микроструктурного, обеспечивающего значительное снижение погрешностей измерения тока из-за внешних температурных и механических возмущений и позволяющего реализовывать миниатюрные магниточувствительные многовитковые контура.
Литература
1. G. Frosio, R. Dancliker. "Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Applied Optics, vol.33, no.25, 6111-6122 (1994).
2. J.N. Blake «Fiber optic current sensor». Патент США. No.6188811, 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 на изобретение №2437106 от 29.12.09, МПК G01R 15/24.
4. Губин В.П., Исаев В.А., Моршнев С.К., и др., Квант. Электрон., 36, №3, 287-291 (2006).
5. Rashleigh S.C. Origins and control of polarization effect in single-mode fibers // J. Lightwave Tech. 1983. LT-1. №2. P. 312-331.