×
25.08.2017
217.015.a1f4

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
№ охранного документа
0002606935
Дата охранного документа
10.01.2017
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области измерения электрических токов и касается волоконно-оптического датчика электрического тока. Датчик содержит источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник. Поляризатор и анализатор имеют коэффициент экстинкции не менее 100 и их оптические оси повернуты относительно друг друга на угол, который выбирается из условия максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использовано для бесконтактного измерения электрического тока.

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 Bi2GeO20, систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы (Lightwave Technology, v. LT-1, 1, March 1983, p.93-97).

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 Bi2GeO20, 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.

Данное устройство представляет собой волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем значение длины оптически активного кристалла L0 и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α0 выбирается исходя из решения системы уравнений:

где L - длина оптически активного кристалла;

Θ - показатель собственного кругового двулучепреломления оптически активного кристалла;

V0 - 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.

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 α0 относительно оптической оси поляризатора при длине оптически активного кристалла L0 (значение выбирается, как указано выше). После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству. За счет задания значения α0 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.

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 α0, который выбирается из условий максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности при длине оптически активного кристалла L0, 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.

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 Bi2GeO20 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).

Анализатор 4 (второй поляризатор), устанавливаеся после оптически активного кристалла 5 Bi2GeO20 и позволяет преобразовать поворот плоскости поляризации света в изменение интенсивности света на выходе датчика. Угол между осями входного 3 и выходного 4 поляризаторов α0 выбирается при длине оптически активного кристалла L0 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.

Для оптически активного кристалла Bi2GeO20 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 Bi2GeO20 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;

MBGO - 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:

где Е и ε - коэффициенты пропускания поляризатора (анализатора) по разрешенному и запрещенному направлениям , ε«Е2 соответственно. В таком случае вектор Максвелла для световой волны на выходе системы будет иметь вид:

где E1, ε1 - компоненты вектора Максвелла, полученные после прохождения света через входной поляризатор (для простоты будем считать интенсивность излучения источника I0=1);

- матрица кристалла Bi2GeO20 (без учета линейного двулучепреломления), ϕ=VHL.

- матрица анализатора, развернутого на угол 45°

относительно входного поляризатора, Е2, ε2 - коэффициенты пропускания анализатора. Интенсивность излучения на выходе системы будет иметь вид:

Запишем коэффициент преобразования датчика:

полагая, что , и вводя обозначения запишем:

где k1, k2 - коэффициенты экстинкции поляризатора и анализатора.

На фиг. 2 приведена зависимость нормированного коэффициента преобразования датчика от коэффициента экстинкции поляризатора (анализатора) (для простоты предполагалось, что k1=k2, т.е. поляризатор и анализатор одинаковы).

Видно, что качество поляризатора (анализатора) начинает сказываться, когда коэффициент экстинкции меньше чем 102. 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.

Волоконно-оптический датчик электрического тока, содержащий 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, отличающийся тем, что поляризатор и анализатор имеют коэффициенты экстинкции не менее 100.
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 24.
20.08.2013
№216.012.5e95

Способ мониторинга лесов

Способ включает дистанционную регистрацию полей яркости лесной растительности аэрокосмическими средствами путем зондирования много- или гиперспектральным датчиком с получением цифровых изображений, на основе которых формируют поля значений вегетационных индексов. Дополнительно определяют...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489845
Дата охранного документа: 20.08.2013
20.07.2014
№216.012.de85

Микронагреватель

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для поддержания и регулирования температуры. Изобретение позволяет повысить быстродействие регулирования температуры при сохранении устойчивости микронагревателя к термоудару, его надежностных и ресурсных характеристик....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522751
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.07.2014
№216.012.dedc

Устройство для измерения температуры газовых потоков

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике. Устройство содержит термопару в металлическом корпусе, рабочий спай которой расположен внутри защитного наконечника, выступающего за пределы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522838
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.08.2015
№216.013.73dc

Датчик вакуума

Изобретение относится к области измерительной и космической техники и может быть использовано для контроля герметичности космических аппаратов. Техническим результатом изобретения является увеличение электрической прочности и вибростойкости конструкции датчика вакуума. Датчик вакуума содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561235
Дата охранного документа: 27.08.2015
10.09.2015
№216.013.75dd

Магниторезистивный датчик

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока. Датчик содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561762
Дата охранного документа: 10.09.2015
20.12.2015
№216.013.9caa

Способ передачи телеметрической и видеоинформации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом частотной (фазовой) модуляции несущей частоты и устройство для его осуществления

Изобретение относится к передаче телеметрической и видеоинформации. Технический результат заключается в обеспечении передачи видеоизображения процессов в полосе частот используемого радиоканала. В способе и устройстве формируют для каждой информации синхронный поток, в каждом из которых по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571731
Дата охранного документа: 20.12.2015
13.01.2017
№217.015.7e84

Многофункциональное устройство для формирования телеметрических радиосигналов с угловой модуляцией для передачи аналого-цифровой или цифровой информации

Изобретение относится к радиотелеметрическим системам и может быть использовано для формирования радиосигналов с различными видами модуляции. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет возможности формирования телеметрических радиосигналов с АИМ-ЧМ при передаче...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601136
Дата охранного документа: 27.10.2016
13.01.2017
№217.015.7ee2

Магниторезистивный датчик тока

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока. Сущность: магниторезистивный датчик тока содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных в виде параллельных друг...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601281
Дата охранного документа: 27.10.2016
13.01.2017
№217.015.7efe

Вихретоковый имитатор перемещений

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проверки и настройки вихретоковых дифференциальных датчиков перемещения. Технический результат: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения имитации механического смещения контролируемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601266
Дата охранного документа: 27.10.2016
24.08.2017
№217.015.9571

Волоконно-оптический датчик электрического тока

Изобретение относится к области измерения электрических токов и касается волоконно-оптического датчика электрического тока. Датчик включает в себя источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608576
Дата охранного документа: 23.01.2017
Показаны записи 1-10 из 24.
20.07.2014
№216.012.de85

Микронагреватель

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для поддержания и регулирования температуры. Изобретение позволяет повысить быстродействие регулирования температуры при сохранении устойчивости микронагревателя к термоудару, его надежностных и ресурсных характеристик....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522751
Дата охранного документа: 20.07.2014
20.07.2014
№216.012.dedc

Устройство для измерения температуры газовых потоков

Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения температуры быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике. Устройство содержит термопару в металлическом корпусе, рабочий спай которой расположен внутри защитного наконечника, выступающего за пределы...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002522838
Дата охранного документа: 20.07.2014
27.08.2015
№216.013.73dc

Датчик вакуума

Изобретение относится к области измерительной и космической техники и может быть использовано для контроля герметичности космических аппаратов. Техническим результатом изобретения является увеличение электрической прочности и вибростойкости конструкции датчика вакуума. Датчик вакуума содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561235
Дата охранного документа: 27.08.2015
10.09.2015
№216.013.75dd

Магниторезистивный датчик

Изобретение относится к измерительной технике, представляет собой магниторезистивный датчик и может быть использовано в устройствах контроля напряженности магнитного поля и бесконтактного контроля электрического тока. Датчик содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002561762
Дата охранного документа: 10.09.2015
20.12.2015
№216.013.9caa

Способ передачи телеметрической и видеоинформации с частотно-временным уплотнением радиоканала и аналого-цифровым методом частотной (фазовой) модуляции несущей частоты и устройство для его осуществления

Изобретение относится к передаче телеметрической и видеоинформации. Технический результат заключается в обеспечении передачи видеоизображения процессов в полосе частот используемого радиоканала. В способе и устройстве формируют для каждой информации синхронный поток, в каждом из которых по...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002571731
Дата охранного документа: 20.12.2015
13.01.2017
№217.015.7e84

Многофункциональное устройство для формирования телеметрических радиосигналов с угловой модуляцией для передачи аналого-цифровой или цифровой информации

Изобретение относится к радиотелеметрическим системам и может быть использовано для формирования радиосигналов с различными видами модуляции. Технический результат - расширение функциональных возможностей за счет возможности формирования телеметрических радиосигналов с АИМ-ЧМ при передаче...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601136
Дата охранного документа: 27.10.2016
13.01.2017
№217.015.7ee2

Магниторезистивный датчик тока

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в устройствах бесконтактного контроля и измерения электрического тока. Сущность: магниторезистивный датчик тока содержит мостовую измерительную схему из четырех магниторезисторов, сформированных в виде параллельных друг...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601281
Дата охранного документа: 27.10.2016
13.01.2017
№217.015.7efe

Вихретоковый имитатор перемещений

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для проверки и настройки вихретоковых дифференциальных датчиков перемещения. Технический результат: расширение функциональных возможностей за счет обеспечения имитации механического смещения контролируемого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002601266
Дата охранного документа: 27.10.2016
24.08.2017
№217.015.9571

Волоконно-оптический датчик электрического тока

Изобретение относится к области измерения электрических токов и касается волоконно-оптического датчика электрического тока. Датчик включает в себя источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002608576
Дата охранного документа: 23.01.2017
25.08.2017
№217.015.9bd2

Способ бесконтактного измерения поверхностного тока и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению поверхностных токов на цилиндрических и других сложных по форме поверхностях из немагнитных проводящих материалов. Технический результат - повышение уровня полезного сигнала, снимаемого с элемента Холла, и увеличение площади...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610223
Дата охранного документа: 08.02.2017
+ добавить свой РИД