Волоконно оптические датчики магнитного поля

Изобретение относится к технике магнитных измерений. Волоконно-оптический датчик магнитного поля состоит из источника света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптического материала в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемника во втором плече разветвленной части оптического волокна. Между оптическим волокном и магнитооптическим материалом расположен модовый фильтр, магнитооптический материал состоит из двух пленок с различающимися намагниченностями насыщения. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения и снижение требования к параметрам магнитооптического материала, что позволяет использовать более дешевые магнитные материалы. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2255345

Изобретение относится к технике магнитных измерений.

Известно устройство для измерения напряженности магнитных полей (Залысин С.П., Кубраков Н.Ф., Червоненкис А.Я. Магнитооптический датчик токов и полей //Тр. МЭИ. 1981. Вып.557, с.67-72). Устройство содержит входное оптическое волокно, поляризатор, магнитную пленку, анализатор, выходное оптическое волокно, фотоприемник. Напряженность магнитного поля определяют по известной зависимости между величиной светового потока и напряженностью магнитного поля.

Недостатком устройства является низкая пространственная разрешающая спосбность.

Известен также волоконно-оптический датчик магнитного поля (Вилесов Ю.Ф., Дубинко С.В., Карпенко Н.И., Крупский А.А., Панченко В.Б. "Датчик магнитного поля" Авторское свидетельство СССР №1455332, МКИ 4 G 02 F 1/09), выбранный в качестве прототипа. Устройство содержит источник света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптический материал в торце неразветвленной части оптического волокна, период доменной структуры в котором связан с числовой апертурой волокна соотношением — ( — длина волны света, d — период доменной d структуры, NA — числовая апертура оптического волокна), фотоприемник во втором плече разветвленной части оптического волокна. Свет дифрагирует на доменной структуре в магнитооптическом материале. Излучение нулевого порядка дифракции на доменной структуре распространяется в обратном направлении по оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна.

Недостатком датчика магнитного поля является низкая точность измерения напряженности магнитного поля, обусловленная малым динамическим диапазоном.

В основу изобретения поставлена задача — усовершенствовать волоконно-оптический датчик магнитного поля путем повышения точности измерения за счет расширения динамического диапазона.

Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля, состоящем из источника света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптического материала в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемника во втором плече разветвленной части оптического волокна, согласно изобретению содержится модовый фильтр между оптическим волокном и магнитооптическим материалом, магнитооптический материал состоит из двух пленок с различающимися намагниченностями насыщения.

Модовый фильтр уменьшает угловую расходимость излучения, дифрагирующего на магнитооптическом материале и попадающего на фотоприемник. Поэтому снимается необходимость соблюдения соотношения между апертурой оптического волокна и периодом доменной структуры в магнитооптическом материале . Одна из пленок магнитооптического материала может быть выполнена с меньшей намагниченностью насыщения, большим периодом доменной структуры и более высокой чувствительностью к полю. Использование двух пленок магнитооптического материала с различающейся намагниченность насыщения повышает динамический диапазон устройства и точность измерения.

На чертеже представлена оптическая схема датчика магнитного поля. 1 — Y-образное оптическое волокно, 2 — источник света, 3 — устройство для ввода света в оптическое волокно 1, расположенные в первом разветвленном плече оптического волокна, 4 — подложка с двумя пленками магнитооптического материала, расположена в торце неразветвленной части оптического волокна 1, 5 — модовый фильтр, расположенный в неразветвленной части оптического волокна 1, 6 — фотоприемник, расположенный во втором разветвленном плече оптического волокна 1.

Устройство работает следующим образом. Излучение источника света 2 возбуждает оптическое волокно 1 устройством для ввода излучения 3. Модовый фильтр 5 пропускает в магнитооптический материал узкий угловой спектр приосевых мод. Угловая расходимость светового пучка, дифрагирующего на магнитооптическом материале, меньше апертурного угла оптического волокна. Излучение нулевого порядка дифракции на магнитооптическом материале пройдет через модовый фильтр 5 и через торец второго ответления Y-образного оптического волокна попадет на фотоприемник 6. Излучение высших порядков дифракции поглотится модовым фильтром 5. Малый диапазон углов, под которыми модовый фильтр пропускает излучение от магнитооптического материала к фотоприемнику, позволяет использовать более толстые магнитооптические материалы с большим периодом доменной структуры и более высокой дифракционной эффективностью.

При помещении пленок магнитооптического материала 4 в исследуемое магнитное поле произойдет перераспределение энергии между порядками дифракции. Интенсивность высших порядков уменьшится, нулевого — возрастет. В результате изменится интенсивность светового потока, регистрируемого фотоприемником 6. Производят градуировку датчика в магнитном поле с известной напряженностью, и по полученной зависимости между величиной фотосигнала и напряженностью магнитного поля определяют напряженность исследуемого поля. При малых напряженностях магнитного поля производится перестройка доменной структуры в пленке магнитооптического материала с малой намагниченностью. В процессе возрастания поля перестройка доменной структуры в первой пленке завершается и начинается перестройка в другой. В итоге возрастает динамический диапазон и точность измерения.

Пленки магнитооптического материала в процессе эпитаксиального выращивания получаются, как правило, с двух сторон подложки. Для уменьшения намагниченности насыщения и поля насыщения на поверхность одной из пленок напыляется слой SiO 2 . После чего производят отжиг магнитооптического материала.

Пример. В качестве модового фильтра может быть использован утоньченный участок оптического волокна с поглощающим свет слоем на оболочке. Участок волокна нагревают до размягчения и растягивают. При этом диаметр световедущей жилы в наиболее тонком месте уменьшается с 50 мкм до 5 мкм. Вместо однородного по толщине оптического волокна получают участок, который условно можно назвать концентрирующим свет фоконом, однородный участок, и расширяющего фокона. Уменьшение диаметра светового пучка в сужающейся части сердцевины волокна увеличивает его расходимость и моды, распространяющиеся под большими углами к оси волокна, выходят в оболочку, попадают в поглощающий слой и прекращают свое распространение по волокну. Осевая и приосевые моды после расширения попадают на магнитооптический материал и дифрагируют. Апертура светового пучка, освещающего магнитооптический материал, уменьшается в 10 раз по сравнению с прототипом. Соответственно толщина пленки магнитооптического материала и период доменной структуры могут быть увеличены. В заявляемом датчике могут быть использованы магнитооптические материалы, дифракционная эффективность которых значительно выше, чем в прототипе. Следовательно, за счет этого также повышается динамический диапазон и точность измерения.

В заявляемом устройстве повышается точность измерения, повышается динамический диапазон. Одновременно снижаются требования к параметрам магнитооптического материала, что позволяет использовать более дешевые магнитные материалы. Магнитооптические датчики магнитного поля обладают более высокой разрешающей способностью по сравнению, например, с датчиками Холла. Кроме того, магнитооптические датчики магнитного поля не содержат токоведущих частей и могут быть использованы для измерения полей в агрессивных средах.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Волоконно-оптический датчик магнитного поля, состоящий из источника света, устройства для ввода света в оптическое волокно в первом плече разветвленной части Y-образного оптического волокна, магнитооптического материала в торце неразветвленной части оптического волокна, фотоприемника во втором плече разветвленной части оптического волокна, отличающийся тем, что содержит модовый фильтр между оптическим волокном и магнитооптическим материалом, магнитооптический материал состоит из двух пленок с различающимися намагниченностями насыщения.

Ресурсоэффективное энергопотребление это одно из основных путей развития современных технологий. Актуальность данного направления деятельности вызывает огромный интерес к прецизионным способам и приборам по измерению основных характеристик транспортирующих, генерирующих, распределяющих и электрических устройств. Величина электрического тока, протекающего через токопроводящие элементы устройства, является одним из этих параметров

Весомым недостатком, используемых в современных системах измерения тока, является характеристика первичного преобразователя — высоковольтного трансформатора тока. Он требует трудоемкого и регулярного обслуживания, его погрешность напрямую зависит от режима нагрузки и она имеет свойство накапливаться. А также для анализирования сигнала с первичного преобразователя используется электросчетчик, на показания которого сильно влияет качество электроэнергии. В роли замены первичного преобразователя, можно рассматривать распространившиеся датчики, основанные на эффекте Холла, которые позволяют измерять постоянный ток, а также имеют на много более высокую точность, нежели трансформаторы тока. Но в целом, общим недостатком трансформаторов и датчиков, основанных на эффекте Холла, является присутствие эффекта насыщения, что сильно ограничивает диапазон измеряемых токов.

Эффект Фарадея

Волоконно-оптические датчики тока проектируются на основе эффекта Фарадея. Магнитооптический эффект, в результате которого в процессе распространения линейно поляризованного света, находящегося в магнитном поле, через оптически неактивное вещество, наблюдается изменение угла плоскости поляризации света называется эффект Фарадея (рис. 1).

Рис. 1. Изменение угла плоскости поляризации света

Эффект Фарадея применяется в волоконно-оптических датчиках тока [3], поскольку существует огромное кол-во стекол, зеркал и оптических волокон, в которых эффект достаточно хорошо проявляется [4]. Эти оптические составляющие имеют высокую постоянную Верде (физическая величина, характеризующая магнитное вращение плоскости поляризации в веществе) [1, 2], которая связывает угол поворота плоскости линейно поляризованного света ΔФ, прошедшего через оптический контур и значение интеграла напряженности магнитного поля Н, взятого по всей длине оптического контура L,:

Этот угол ΔФ также равен невзаимному сдвигу по фазе циркулярно поляризованной волны, проходящей через оптоволоконный контур. Для право циркулярной волны ΔФ положителен, для лево циркулярной — отрицателен.

Конструкция ВОДТ

Одним из простых вариантов ВОДТ на основе эффекте Фарадея является поляриметрический датчик представленный на рисунке 2. В нем сила тока, в проводящем элементе, ставится в соответствие с углом поворота плоскости поляризации света, который прошел замкнутый контур, сквозь который пущен токоведущий элемент.

Рис. 2. Конструкция поляриметрического ВОДТ

Линейно-поляризованная волна из источника пройдя через поляризатор направляется в оптоволокно, которое обернуто вокруг проводника, в котором течет ток. В роли чувствительного элемента было использовано стандартное одномодовое оптоволокно сверхвысокого качества. Количество оборотов оптоволокна вокруг проводящей жилы зависит от диапазона измеряемых токов. В моменты прохода плоскости поляризации волны по контуру, она изменяется на угол ΔФ, который является следствием, образующегося магнитным полем, циркулярного двулучепреломления. Линейная поляризация при этом рассматривается как результат некоторой суперпозиции волн с поляризацией с противоположным крутящим моментом. Затем, волна раскладывается с помощью поляризационного светоделителя, повернутого на 45° относительно входного поляризатора, на две ортогональные поляризации. Каждая из которых направляется на соответствующий фотодетектор. Таким образом, измеренные интенсивности света и при довольно малых потерях в данной системе зависят от угла ΔФ:

где Int — интенсивность входного света.

Поскольку волоконный контур в замкнутом состоянии, угол ΔФ равен:

Это уравнение соответствует одномодовому оптическому волокну в приближении, когда постоянные Верде сердечника и оболочки не очень отличаются, иначе угол ΔФ определяется зависимо от этих постоянных, а также от показателей преломления центральной части и оболочки оптоволокна [5].

Создание лабораторной установки для ВОДТ

Для тестирования разработанного образца ВОДТ нужно создать аппарат, симулирующий в лабораторных условиях перемещение по токопроводящей жиле высокой силы тока и косвенно измерить ее. Также необходимо разработать аппаратный комплекс по изучению продольного электрооптического эффекта Фарадея [6]. Было решено создать установку с расчетом на возможность проверки в ней источника магнитного поля независимым способом.

Схема установки показана на рисунке 3.

Рис. 3. Принципиальная схема комплекса

Источником излучения является гелий – неоновый лазер 1, свет которого имеет длину волны равную 635 нм. Это излучение входит в патч корд 2, на конце которого располагается коллиматор 3. Затем, практически параллельные пучки света попадают на поляризатор 4, который пропускает только одну форму поляризации. После этого свет проходит сквозь исследуемое стекло 6, находящееся в магнитном поле. Поле практически однородно и направлено вдоль распространения света. Катушка с током 5 является источником магнитного поля. Источник постоянного напряжения 7 обеспечивает ток в катушке. Затем излучение проходит сквозь анализатор 8, расположенный во вращающейся раме со шкалой углов, далее через коллиматор 9 и затем регистрируется фотоприемником 10.

Измерение постоянной Верде проводится следующим образом. Разрабатываются два режима процесса работы установки: без тока (режим 1) и с током (режим 2). Интенсивность света, пропущенного через оба поляризатора, по закону Малюса, на прямую зависит от угла α (угол между осями пропускания поляризаторов друг относительно друга):

Int = Intcos 2 α

Это равенство справедливо при первом режиме. Во втором режиме магнитное поле создает дополнительный сдвиг поляризованного излучения на Δα. В этом режиме равенство выглядит так:

Int = Intcos 2 (α+Δα)

С помощью экспериментальной установки проводится измерение интенсивности света Int в зависимости от углов между осями двух поляризаторов в разных режимах (ток отсутствует, ток пущен). На основе измеренных значений, построим две кривые и аппроксимируем их функциями вида (для режима 1) и (для режима 2).

Промежуток между кривыми по Х координате (ось углов) и есть Δа, этот угол, на который изменяется плоскость поляризации во время воздействии магнитного поля, определяется как разность между коэффициентами k1, и k2

Постоянная Верде находится по формуле:

где I – ток в катушке

N = 4000 – кол-во витков в катушке

Lкат = 8 см – толщина стекла

В установке используется ток силой 1,5 Ампера, поддерживаемый с помощью прецизионного мультиметра Rigol DM3051 с погрешностью (0.01% + 0.7 мА) для используемого диапазона. Вычислен модуль индукции магнитного поля в Теслах и получена напряженность магнитного поля в Эрстедах:

На основании экспериментальных данных, произведен расчет и усреднение величины угла поворота плоскости поляризации, полученные точки и аппроксимирующие кривые показаны на рисунке 4:

Рис. 4. Аппроксимирующие кривые в 2-ух режимах

По рисунку видно что Δα = 0.18 рад = 10.313 0 .

Постоянная Верде V находится следующим образом:

Известно, что постоянная Верде для используемого магнитоактивного стекла равна 0,0819 , а это свидетельствует о правильном расчете параметров предложенной установки, и позволяет использовать ее для симуляции высоких токов при испытаниях ВОДТ.

Результаты

Для получения угла ΔФ, при этом независимо от интенсивности Int0, в процессе которой нет стабильности во времени, выходной сигнал S высчитывается как зависимость:

В результате измерения, ток, создаваемый в установке, пошагово изменялся в доступном для источника питания диапазоне, а данные с макета измерителя тока и амперметра (±0,01% ±7 е.м.р) записывалась на компьютер с частотой 2500 Гц. Результаты испытания макета измерителя тока представлены на рис. 5.

Рис. 5. Результаты испытания макета измерителя тока

На представленном графике видна лишь одна прямая, ввиду наложения кривых с макета и амперметра. Для приблизительной оценки погрешности макета рассматриваются отсчеты, в которых сила тока была постоянна, и по ним видно, что в исследуемом диапазоне(от -1.2 кА до +1.2 кА) абсолютная погрешность не превышает 2 А, а относительная погрешность меньше 0.1%.

В результате, представленный макет позволяет показать работу измерителя, созданного по предложенной конструкции на основе созданных и исследованных составляющих частей, а предложенный метод помогает минимизировать некоторое влияние магнитных полей на проведенные измерения.

Рецензенты:

Агафонников В.Ф., д.т.н., профессор кафедры конструирования узлов и деталей РЭС Томского университета систем управления и радиоэлектроники, г. Томск;

Ким В.Л., д.т.н., профессор кафедры вычислительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск.

Волоконно-оптические датчики магнитного поля

Датчики магнитного поля представляют собой важный класс аппаратуры. Для измерения низкочастотных ( 9 Тл (10’ 5 Гс) разработано пять различных технологий. На их основе могут быть построены: феррозондовые приборы, прецессионные приборы, сверхпроводящие квантовые интерферометры, оптоволоконные устройства и устройства на основе эффекта магнитоупругости, приводимые в действие механическим напряжением [41]. Устройства, применимые для измерения высокочастотных (>10 Гц) магнитных полей, — это проволочная петля (измерительная катушка), волоконно-оптические устройства на основе эффекта Фарадея и объемные устройства на основе эффекта Фарадея.

Свету, распространяющемуся через любую среду, присуще свойство поляризации. Состояние поляризации в любой точке характеризуется функцией зависимости вектора электрического поля Е световой волны в этой точке от времени. В наиболее общем случае конец вектора поля Е с течением времени описывает в пространстве эллипс. Такая поляризация называется эллиптической. Состояние поляризации любой распространяющейся волны может быть представлено как суперпозиция двух волн, имеющих ортогональные состояния поляризации, например две ортогональные линейно поляризованные волны или две волны с круговой поляризацией, имеющие противоположные направления вращения. Если состояние поляризации некоторым образом изменяется при распространении излучения через вещество, такое вещество называют двулучепре- ломляющим и свойства двулучепреломления можно характеризовать по типу волн, на состояние поляризации которых среда не влияет. Таким образом, состояние поляризации излучения с круговой поляризацией остается постоянным в веществах, имеющих круговое двулучепреломление. Однако те же самые материалы сильно влияют на состояние поляризации линейно поляризованного излучения (рис. 7.1), где плоскость поляризации линейно поляризованного излучения поворачивается на угол 0 после прохождения через круговую двулучепреломляющую среду [41].

Статическое круговое двулучепреломление прямого участка круглой сердцевины оптического волокна обычно достаточно

Рис. 7.1. Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света круговой двулучепреломляющей средой

мало. Однако в присутствии магнитного поля (Я) возникшее в волокне круговое двулучепреломление повернет плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на угол 0:

где магнитооптическая постоянная Верде ^является мерой интенсивности проявления эффекта Фарадея в волокне и интегрирование выполняется подлине волокна, подвергнутого воздействию поля (Я).

Примечательным свойством вращения под воздействием эффекта Фарадея является его зависимость от направления распространения. Если свет, распространяющийся в одном направлении, подвергается вращению на угол 0, свет, двигающийся в противоположном направлении, подвергается вращению на угол -0. Эту зависимость можно использовать в разъединителях мощности как на оптических, так и на микроволновых частотах. С другой стороны, она может являться помехой в таких устройствах, как волоконно-оптические датчики вращения, основанные на исключении всех источников такой зависимости, кроме эффекта Саньяка. Паразитное магнитное поле может действенно влиять на датчик через эффект Фарадея и искажать выходной сигнал [41J. В типичной схеме измерения тока Я витков волокна намотано на проводник с током /’. В соответствии с законом Ампера линейный интеграл магнитного поля сводится к виду

Изменение состояния поляризации 0 можно измерить с помощью поляриметра (рис. 7.2, 7.3). На входе в волокно поляризатор создает линейно поляризованное излучение, в то время как анализатор устанавливается под фиксированным углом по отношению к входному поляризатору. Чтобы поддерживать строго определенное состояние поляризации на всем протяжении, используется одномодовое волокно.

Рис. 7.2. Волоконный поляриметр, сконфигурированный как датчик тока

Рис. 7.3. Оптическая схема ВОДТ

При наматывании волокна на проводник получается компактный датчик, преимуществом геометрии которого является симметричность по отношению к полю, создаваемому током.