ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТОКА

Изобретение относится к волоконно-оптическим датчикам, в частности к волоконно-оптическим датчикам тока.

Известные волоконно-оптические датчики тока работают на принципе эффекта Фарадея. Ток, протекающий в проводе, индуцирует магнитное поле, которое через эффект Фарадея поворачивает плоскость поляризации излучения, распространяющегося в оптическом волокне, намотанном вокруг токонесущего провода. Согласно теореме о циркуляции магнитного поля имеем

где I - электрический ток, H - магнитное поле и интеграл берется по замкнутому пути вокруг тока. Если чувствительное волокно с постоянной по длине чувствительностью к магнитному полю намотано вокруг провода с током в виде контура с целым числом витков N, тогда поворот плоскости поляризации излучения на выходе из контура зависит от тока в проводе и не зависит от всех внешне генерируемых магнитных полей, например от токов в соседних проводах. Угол поворота плоскости поляризации равен

,

где V - константа Верде для материала волокна (кварца). Чувствительное оптическое волокно выполняет линейное интегрирование магнитного поля вдоль его пути, интеграл пропорционален току в проводе, когда этот путь замкнут сам на себя. Вращение плоскости поляризации излучения из-за присутствия электрического тока измеряют путем введения излучения с линейной поляризацией в чувствительный волоконный контур, и последующего анализа состояния поляризации излучения после того, как он выйдет из чувствительного волоконного контура. С физической точки зрения поворот плоскости поляризации происходит из-за того, что две циркулярно поляризованные в противоположных направлениях и равные по величине компоненты излучения, сумма которых образует линейно поляризованное излучение, имеют различные скорости распространения в чувствительном волокне, находящемся в продольном магнитном поле, что приводит после прохождения чувствительного волокна к появлению (фарадеевского) фазового сдвига между ними, равного φ_F=2φ. Таким образом, чувствительное волокно должно сохранять состояние циркулярной поляризации.

Волоконно-оптические датчики тока измеряют величину угла поворота φ или, что эквивалентно, фазового сдвига φ_F. Известное устройство для измерения тока /1/ представляет собой взаимный отражательный оптический интерферометр, который включает в себя измерительный чувствительный 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 чувствительного волокна сначала в прямом и затем после отражения от зеркала в обратном направлении.

Известные чувствительные оптические волокна относятся к одному из двух видов. К первому виду относятся оптические волокна с очень малым собственным двойным лучепреломлением (ДЛП), ко второму - магниточувствительные оптические волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun волокна). Второй вид волокна получают вытяжкой при вращении заготовки с сильным встроенным линейным двойным лучепреломлением. В работе /1/ описан датчик тока с чувствительным контуром на основе магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волоконно-оптический датчик тока /2/, который включает в себя источник света; поляризатор, соединенный с источником света; пьезоэлектрический или электрооптический модулятор поляризации излучения, соединенный с поляризатором; волокно, сохраняющее линейную поляризацию излучения, соединенное с модулятором поляризации, четвертьволновую пластинку, соединенную с волокном, сохраняющим поляризацию; магниточувствительное волокно с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun-волокно), которое в значительной степени сохраняет состояние циркулярной поляризации, соединенное с четвертьволновой пластинкой; конечный отражатель, соединенный с вышеупомянутым магниточувствительным волокном; и фотодетектор, соединенный с поляризатором, и имеющим выход, при этом магниточувствительное волокно формирует чувствительный контур вокруг провода с протекающим током.

На Фиг.1 показан вариант осуществления известного линейного датчика тока. 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 двойного лучепреломления 5 модулирует по-разному фазы света в двух состояниях поляризации. Модулятор 5 управляется с помощью генератора 6 сигнала модулятора, который обеспечивает электрический сигнал, имеющий синусоидальную или прямоугольную форму. Свет затем распространяется через волоконную линию задержки 7, выполненную из сохраняющего линейную поляризацию волокна (РМ волокна), необходимую для повышения эффективности модулятора, далее через конвертор мод 8 (четвертьволновую пластинку), который преобразует два линейных состояния поляризации в два циркулярных состояния поляризации, и через оптимизированный чувствительный контур 9 датчика. Чувствительный контур 9 датчика выполнен из spun-волокна с оптимально выбранными параметрами и намотан вокруг токонесущего провода 11. Свет отражается отражающим концом 10 (зеркалом) и повторяет свой путь в обратном направлении через оптическую цепь, попадая в конце цепи на детектор 12. Блок обработки сигнала 13 преобразует продетектированный сигнал к выходу 14, который показывает ток, протекающий в проводе 11.

Для получения высокой чувствительности датчика необходимо, чтобы циркулярные состояния поляризации хорошо сохранялись на всем протяжении чувствительного контура. Хорошо известно из области техники, к которой относится изобретение, что прямое spun-волокно может достаточно хорошо сохранять состояние циркулярной поляризации на длинах в сотни метров. Однако при радиусе изгиба менее 20 мм чувствительность известного волокна резко снижается, так что, при заданной длине магниточувствительного волокна, увеличение допустимого числа волоконных витков в контуре и, следовательно, чувствительности датчика, ограничены. Волоконно-оптические датчики, описанные в прототипе, преодолевают многие недостатки, присущие традиционным цельноволоконным датчикам. Однако остаются проблемы, которые влияют на точность датчика. Для примера, чтобы иметь очень точное измерение, оптические компоненты, в особенности четвертьволновая пластинка, должны быть идеальными и не быть подверженными внешним воздействиям, таким как температурные изменения и механические возмущения. Хорошо установлено, что идеальные или почти идеальные четвертьволновые пластинки трудно и очень дорого изготавливать, чтобы достигнуть точного считывания, требуемого в определенных применениях. Известные пьезоэлектрические и электрооптические модуляторы имеют остаточный уровень паразитной модуляции, снижающей точность датчика. РМ волокно имеет высокую стоимость. Для эффективной модуляции в известных оптических схемах, включая прототип, требуется большая длина РМ волокна (до 1 км) в линии задержки.

Кроме того, существует потребность в волоконно-оптических датчиках тока, имеющих очень высокую чувствительность. Так, в некоторых применениях необходимо контролировать малые токи утечки в линиях с большими номинальными токами, например, в подземных кабелях.

Наконец, актуальной проблемой в известных волоконно-оптических датчиках тока является зависимость величины магнитооптической чувствительности волокна контура от внешних температурных и механических воздействий на это волокно. Эта зависимость ограничивает точность датчика при наличии указанных воздействий и требует ряда сложных защитных мер для чувствительного контура.

Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности и точности волоконно-оптического датчика электрического тока и снижение погрешностей измерения тока из-за внешних температурных и механических воздействий на волокно.

Технический результат изобретения достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике тока, состоящем из электронного и оптического модулей, в котором оптический модуль включает в себя источник излучения, соединенный с первым входом направленного ответвителя, второй вход которого соединен с фотодетектором, к выходу ответвителя присоединены расположенные последовательно друг за другом поляризатор излучения, модулятор поляризации излучения, волоконная линия и измерительный чувствительный волоконный контур, изготовленный из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением (spun-волокно), и связанный с отражателем излучения; а электронный модуль включает в себя блок обработки сигнала, вход которого связан с выходом фотодетектора и генератор сигнала, связанный с модулятором, модулятор поляризации излучения выполнен в виде волоконного контура, расположенного в продольном магнитном поле соленоида, связанного с генератором сигнала, волоконная линия выполнена в виде двойной бифилярной волоконной линии, первый вход которой соединен с выходом волоконного контура модулятора, второй - с отражателем излучения, первый выход двойной бифилярной волоконной линии соединен со входом измерительного чувствительного волоконного контура, выход которого соединен со вторым выходом двойной бифилярной волоконной линии, при этом волоконный контур модулятора и двойная бифилярная волоконная линия выполнены из магниточувствительного оптического волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. В волоконно-оптическом датчике тока в качестве магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением может быть использовано микроструктурное волокно. Оптимальные параметры магниточувствительного волокна для волоконного контура модулятора, бифилярной двойной волоконной линии и измерительного чувствительного волоконного контура следующие: длина поляризационных биений встроенного линейного двулучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения составляет не менее 15 нм.

На фиг.2 представлена схема предлагаемого устройства, где 1 - источник излучения, 2 - направленный ответвитель, 3 - поляризатор излучения, 4 - модулятор поляризации излучения, 5 - волоконный контур модулятора, 6 - соленоид, 7 - двойная бифилярная волоконная линия, 8 - первый вход двойной бифилярной волоконной линии, 9 - второй вход двойной бифилярной волоконной линии, 10 - отражатель излучения, 11 - измерительный чувствительный волоконный контур, 12 - первый выход двойной бифилярной волоконной линии, 13 - второй выход двойной бифилярной волоконной линии, 14 - провод, 15 - генератор сигнала, 16 - фотодетектор, 17 - блок обработки сигнала, 18 - 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 16, принимающий оптическое излучение, возвращающееся из оптического интерферометра. Поляризатор 3 создает на своем выходе оптическое излучение с высокой степенью линейной поляризации электрического поля, которое можно представить как сумму двух циркулярно поляризованных оптических компонент с взаимно противоположными направлениями вращения вектора электрического поля. Излучение с выхода поляризатора поступает на вход волоконного контура 5 модулятора 4 поляризации излучения. Контур состоит из нескольких витков магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. Через плоскость контура проходят проводники с вспомогательным током, которые образуют соленоид 6, по оси которого проходит волокно контура. Вспомогательный ток создается генератором сигнала 15. Оптическое излучение, проходящее по волокну модулятора, приобретает вследствие эффекта Фарадея изменение азимута линейной поляризации, пропорциональное величине вспомогательного тока в соленоиде. Указанный ток имеет синусоидальную форму и обеспечивает периодическую модуляцию азимута вектора электрического поля. Такая конструкция модулятора позволяет получить модуляционный режим работы интерферометра при короткой базе (не требующей длинной линии задержки) и без сопутствующей паразитной модуляции, снижающей точность датчика тока. Далее оптическое излучение поступает на первый вход 8 бифилярной двойной волоконной линии 7 и затем через первый выход 12 вышеупомянутой линии излучение поступает на входной конец волокна измерительного чувствительного волоконного контура 11, волокно которого намотано вокруг провода 14 с измеряемым током. Бифилярная двойная волоконная линия 7 состоит из двух расположенных близко друг к другу отрезков магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением, при этом направления распространения оптического излучения в этих отрезках взаимно противоположны. Такая конструкция исключает влияние внешних магнитных полей на состояние поляризации излучения, и, в то же время, обеспечивает сохранение поляризации излучения при его проходе к измерительному контуру 11 и обратно. По мере прохода по волокну контура 11, которое находится в продольном магнитном поле измеряемого тока, оптическое излучение приобретает вследствие эффекта Фарадея фазовый сдвиг между своими поляризационными компонентами (модами), что выражается в изменении азимута вектора электрического поля излучения, причем изменение азимутального угла пропорционально величине тока. Выходной конец волоконного контура 11 соединен со вторым выходом 13 волоконной линии 7, через который оптическое излучение поступает вновь в волоконную линию 7 и затем через второй вход 9 этой линии поступает на отражатель 10 оптического излучения. Отраженное излучение проходит такой же оптический путь в обратном направлении, проходя линию 7, контур И, вновь линию 7, модулятор 4, поляризатор 3, и через ответвитель 2 поступает на фотодетектор 16. Фотодетектор 16 вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности модулированного оптического излучения, который обрабатывается в электронном блоке обработки сигнала 17, создавая выход 18 датчика, показывающий измеряемый ток.

Основная часть оптической схемы датчика тока - волоконный контур модулятора поляризации 5, волоконная линия 7 и измерительный волоконный контур 11 - выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным двойным лучепреломлением. Эта часть схемы образует взаимный оптический интерферометр, имеющий общий вход/выход, которым является поляризатор 3. В указанном интерферометре в значительной степени сохраняется состояние циркулярной поляризации излучения, поскольку все его оптические элементы выполнены из магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением с параметрами, при которых достигается упомянутое сохранение поляризации. Линейно поляризованное оптическое излучение, состоящее из правой и левой циркулярных поляризационных ортогональных мод равной интенсивности, при проходе от поляризатора 3 к отражателю 10 приобретает фазовые сдвиги между модами как полезные - за счет эффекта Фарадея в модуляторе и измерительном контуре, так и нежелательные - вследствие обычного запаздывания в волокне. При отражении от отражателя 10 моды меняются местами - правая поляризация становится левой и наоборот. Поэтому при обратном проходе все нежелательные фазовые сдвиги компенсируются, а полезные удваиваются, поскольку они вызваны невзаимным эффектом Фарадея. Полезные фазовые сдвиги включают в себя как синусоидальную компоненту модуляции, так и компоненту, пропорциональную измеряемому току. Полезные фазовые сдвиги проявляются на выходе интерферометра в том, что выходящее из него линейно поляризованное излучение имеет азимут, изменяющийся пропорционально току в соленоиде 5 модулятора и измеряемому току в проводе 14. Эти изменения азимута после прохождения через поляризатор к фотодетектору 16 преобразуются в изменения интенсивности излучения. Фотодетектор вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности оптического излучения и поступающий на вход электронного блока 16, который реализует известный способ модуляционного измерения фазового сдвига, пропорционального измеряемому току.

Вышеупомянутое магниточувствительное волокно с встроенным двойным лучепреломлением характеризуется двумя основными параметрами, которые совместно определяют технические характеристики волокна: величину полезной магнитооптической чувствительности и нежелательную степень влияния на нее температурных и механических внешних воздействий. К указанным параметрам волокна относятся длина биений встроенного линейного двойного лучепреломления L_b и шаг вращения L_sp, которые выбираются при изготовлении волокна. Известны две основные конструкции вышеупомянутого магниточувствительного волокна: традиционная (обычная) и микроструктурная. Магниточувствительное волокно традиционной конструкции получают из стандартных анизотропных заготовок, аналогичных тем, из которых изготавливают волокно, сохраняющее линейную поляризацию излучения (РМ волокно). В них сердцевина и оболочка выполнены из легированного кварца. В микроструктурном волокне оболочка представлена продольными каналами, заполненными воздухом, которые окружают кварцевую сердцевину. Такая конструкция обеспечивает ряд преимуществ: сильное линейное двойное лучепреломление, слабая температурная зависимость последнего, малые потери при изгибе и др. Результаты экспериментальных и теоретических исследований позволяют сделать выбор вышеуказанных параметров - длины биений и шага вращения, при которых достигается оптимальный результат. С учетом нежелательного влияния внешних воздействий измеряемый угол поворота плоскости поляризации при двойном проходе оптического излучения по контуру равен

φ=2SVNI,

где S≤1 - нормированная на один виток относительная магнитооптическая чувствительность. Величина S зависит от параметров волокна и от деформаций волокна, в частности, вызванных изгибом по радиусу R при намотке в измерительный контур. Анализ характеристик магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением был проведен на основе теоретической модели волокна со спиральной структурой осей встроенного линейного двойного лучепреломления /3/. Анализ показал, что магнитооптическая чувствительность такого волокна осциллирует по длине волокна, причем величина периода L_osc пространственных осцилляций зависит от тех же параметров волокна L_b и L_sp. Для снижения влияния внешних деформаций на магнитооптическую чувствительность волокна нужно иметь малую величину периода L_osc, не превышающую величину пространственного интервала LΔλ усреднения, которое происходит вследствие широкого спектра Δλ, источника излучения. При этом условии осцилляции чувствительности не проявляются и магнитооптическая чувствительность волокна наименее подвержена внешним деформациям. Для λ=1.55 мкм и Δλ≥15 нм согласно расчету имеем L_Δλ≥4 мм, так что нужно иметь L_osc<4 мм. На фиг.3 представлены расчетные зависимости S(L_sp) (фиг.3а) и L_osc(L_sp) (фиг.3б) при различных L_b. На основании анализа чувствительное волокно должно иметь длину поляризационных биений встроенного двойного лучепреломления от 1 до 5 мм на длине волны излучения 1,55 мкм и шаг вращения от 3 до 4 мм, при этом ширина спектра источника излучения должна быть не менее 15 нм. Волокно с вышеуказанными параметрами имеет высокую магнитооптическую чувствительность, близкую к теоретическому пределу для материала волокна (кварца), и обладает высокой устойчивостью к температурным и механическим воздействиям, что позволяет получать стабильный и точный масштабный коэффициент датчика тока.

Как пример реализации предлагаемого устройства рассматривается лабораторный макет датчика тока, схема которого представлена на фиг.2. В ней применены следующие элементы. 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 20 нм. В качестве волокна для модулятора поляризации, волоконной линии и чувствительного измерительного контура применено магниточувствительное волокно с встроенным двойным лучепреломлением микроструктурной конструкции с параметрами: L_b=5 мм и L_sp=3.5 мм. Все указанные элементы изготовлены из одного куска этого волокна без стыков. Модулятор содержит 10000 витков волокна, намотанного на кольцевой каркас с наружным радиусом 10 мм и длиной 100 мм. Через внутреннее отверстие каркаса проходят 48 витков медного провода диаметром 1 мм, образующие соленоид, через который пропускали переменный ток 3 A с частотой 40 кГц. Модулятор обеспечивал амплитуду модуляции 1.84 рад, необходимую для нормальной работы электронного блока. При этом не было обнаружено паразитных сигналов на частоте модуляции. Бифилярная линия имела длину 2 м. Измерительный контур содержал 3000 витков волокна, намотанных на кольцевой каркас с наружным радиусом 10 мм и длиной 30 мм. Использован описанный в /3/ электронный блок для обработки выходного сигнала фотодетектора, позволяющий измерить фазовый сдвиг, пропорциональный току. На фиг.4 показана выходная характеристика рассматриваемого датчика тока (зависимость измеренного тока I_meas от измеряемого тока I), которая демонстрирует возможность реализации предлагаемого устройства, причем измерительный контур имеет большое число витков волокна (N=3000). Дополнительно было измерено влияние механических возмущений (изгибных деформаций волокна) на магнитооптическую чувствительность волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением. С этой целью были изготовлены несколько чувствительных измерительных контуров из указанного волокна микроструктурной конструкции с параметрами L_b=1 мм и L_sp=3.5 мм, намотанного на каркасы разного диаметра. Каждый контур был испытан в качестве чувствительного измерительного контура в макете датчика тока. Была измерена относительная чувствительность S(R), которая представлена на фиг.5 (показана прямоугольниками). Для сравнения на фиг.5 показана также зависимость S(R) для магниточувствительного волокна с встроенным линейным двойным лучепреломлением традиционной конструкции (показана треугольниками) с L_b=15 мм, Lsp=2.5 мм. Из фиг.5 следует, что наиболее слабую зависимость от изгиба имеет волокно с параметрами L_b=1 мм и L_sp=3.5 мм. Оно имеет постоянную нормированную чувствительность вплоть до радиуса изгиба 2.5 мм, что в 8 раз лучше, чем для традиционного волокна (для него R≥20 мм). Таким образом, при заданной длине волокна предлагаемое волокно позволяет намотать контур с числом витков N в 8 раз большим, чем для используемого в прототипе волокна. С учетом того, что нормированная на виток чувствительность предлагаемого волокна составляет 70% от чувствительности традиционного волокна, чувствительность датчика может быть повышена в 5 раз. Кроме того, использование микроструктурного волокна позволяет снизить влияние изменений температуры на точность датчика тока.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет достигнуть технического результата, заключающегося в повышении чувствительности и точности волоконно-оптического датчика электрического тока и снижении погрешностей измерения тока из-за внешних температурных и механических возмущений.

Литература

1. R.I.Laming, D.N.Payne. “Electric current sensors employing spun highly birefringent optical fibers”, J. of Lightwave Technology, 7, no. 12, 2084-2094 (1989).

2. Патент США. No. 6188811, от 13.02.2001. J.N.Blake «Fiber optic current sensor».

3. В.П.Губин, В.А.Исаев, C.K.Моршнев, А.И.Сазонов, Н.И.Старостин, Ю.К.Чаморовский, А.И.Усов. «Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока», Квант. Электрон., 36, №3, 287-291 (2006).