Результат интеллектуальной деятельности: ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

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;

M_BGO - 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.