ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения значения напряженности электрического поля во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.

Известны аналогичные датчики напряженности электрического поля, построенные на основе МЭМС-структур, содержащие элементы из активных диэлектриков, непосредственно контактирующие с воздействующей на них электрической величиной или заключенные между контактными (зондирующими) обкладками (электродами) сформированного таким образом измерительного конденсатора (например, патент RU 2198409, приоритет 22.05.2001; патент RU 2212678, приоритет 10.10.2001; патент US 20150325779 A1, 15.01.2013; патент US 8653822 В1, приоритет 18.02.2011; патент US 8339131 В2, приоритет 5.11.2009; патент US 8049486 В1, приоритет 17.17.2008; патент WO 2007029275 А1, приоритет 5.09.2005; патент WO 2005092781 А1, приоритет 4.03.2004; JP 2006105937 А, приоритет 10.08.2004; Бирюков С.В. Физические основы измерения параметров электрических полей: Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. - 111 с.; Турик А.В., Резниченко Л.А. Сегнетокерамика в сильных электрических полях: электромеханический гистерезис, пьезоэффект и электрострикция. Обзор // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. Ростов-на-Дону: Ростовский университет. 2008. №1. С. 1-4.; Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Материалы современной электроники / В.Ф. Марков, X.Н. Мухамедзянов, Л.Н. Маскаева; Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 272 с.) В аналогичных датчиках активный диэлектрик выполнен, как из пьезоэлектрического, так и из электрострикционного материала, и деформируется в результате воздействия на него внешнего электрического поля (ЭП) или ЭП, создаваемого электродами, подключенными к источнику электрического тока. К подвижной обкладке (электроду) измерительного конденсатора или непосредственно к перемещающейся в пространстве поверхности деформируемого активного диэлектрика закрепляется подвижный индикаторный элемент, параметры перемещения которого зависят от конструкции датчика, типа активного диэлектрика, параметров и характера воздействия электрической энергии.

Функция электромеханического преобразования пьезоэлектрического материала носит линейный биполярный характер (Головнин В.А., Мовчикова А.А., Педько Б.Б., Каплунов И.А., Малышкина О.В. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. - М.: Техносфера, 2013. - 272 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. М: Техносфера, 2014. - 316 с.; Казанцев С.Г., Макриденко Л.А., Овчаренко Т.Н. Термостабильные пьезоэлектрики с умеренной и сильной электромеханической связью для акустоэлектронных устройств радиочастотных трактов и систем контроля параметров космических аппаратов / Вопросы электромеханики Т. 117. 2010. С. 17-32).

Относительное осевое удлинение и сжатие ξ пьезоэлектрика происходит пропорционально и синхронно с изменением величины и знака напряженности Е электрического поля:

где d_k - пьезоэлектрический модуль пьезоэлектрика.

В пьезоэлекрических преобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития, пьезоэлектрическую керамику, получаемую в основном из твердых растворов цирконата-титаната свинца PbZrO₃-PbTiO₃ (ЦТС) и др. Например, в монокристалле кварца в форме бруска с Х-срезом при напряженности ЭП E=10 В/мкм величина ξ=2,25⋅10^-8, для бруска из пьезокерамики системы цирконата-титаната свинца при E=10 В/мкм величина ξ=5⋅10^-6. Пьезоэлектрические материалы с гигантской пьезочувствительностью, например, релаксоры (1-x)PbMg_1/3Nb_2/3O_3-xPbTiO₃ (PMN-PT) и PbZn_1/3Nb_2/3О₃-PbTiO₃ (PZN-PT), имеют ξ≥10^-3 при E=10 В/мкм. Это наряду с высокими значениями коэффициента электромеханической связи (более 90%), открывает перспективы их широкого использования в электромеханических преобразователях. Увеличение чувствительности и расширение динамического диапазона преобразования пьезоэлектрических датчиков возможно также путем формирования многослойных структур (пакетов) из группы однотипных элементов с одинаковыми или различными электромеханическими параметрами, введением предварительного механического напряжения. Коэффициент электромеханической связи есть квадратный корень из доли механической энергии, которая преобразуется в электрическую (или наоборот). Остальная энергия рассеивается или расходуется на упругий или диэлектрический гистерезис. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис пьезоэлектрики характеризуются большим тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1. Ширина петли гистерезиса может достигать 20% от максимального значения перемещения. Таким образом, для прецизионного электромеханического преобразования необходимо исключить явление гистерезиса, присущего практически всем применяемым пьезоэлектрическим материалам [Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе; - М.: Изд-во Мир, 1974. - 288 с., Есис А.А., Турик А.В., Вербенко И.А., Шилкина Л.А., Резниченко Л.А., Юрасов Ю.И., Кравченко О.Ю., Комаров В.Д. Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивные характеристики пьезоэлектрических материалов различной степени сегнетожесткости // Конструкции из композиционных материалов. 2007. №1. С. 82-93; Вербенко, И.А. Бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика и экологически безопасная технология ее получения / И.А. Вербенко, Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, Л.А. Шилкина, В.П. Сахненко // Экология промышленного производства - 2007. - №4. - С. 45-47].

Коррекция гистерезиса в пьезоэлектрических датчиках и других МЭМС-структурах на пьезоэлектриках до величины 1% от диапазона перемещения актюатора достигается путем активной стабилизации функции преобразования с применением систем управления с обратной связью (патент US 8884492 В2, приоритет 3.02.2013; патент US 4263527 А, приоритет 17.05.1979; патент US 5714831 А, приоритет 13.11.1995; Афонин С.М. Устойчивость систем управления деформацией пьезопреобразователя нано- и микроперемещений / Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, №2, 2014. - С. 98-111; Ерофеев А.А., Ерофеев С.А. Гистерезис пьезокерамики: способы и устройства его компенсации // Пьезотехника - 94. - Барнаул, 1994. - С. 36-38; Смирнов А.Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учеб. особие / А.Б. Смирнов; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - :http://elib.spbstu.ru/dl/local/356.pdf.; Dong An ID, Haodong Li, Ying Xu and Lixiu Zhang / Compensation of Hysteresis on Piezoelectric Actuators Based on Tripartite PI Model / Micromachines, 2018, 9, 44; Бардин В.А., Васильев B.A., Чернов П.С. Современное состояние и разработки актюаторов нано- и микроперемещений / https://docplayer.ru/69418358-Sovremennoe-sostoyanie-i-razrabotki-aktyuatorov-nano-i-mikroperemeshcheniy.html; Тае hoon Kim. Ana Claudia Arias, Ed. Characterization and applications of piezoelectric polymers / Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley // Technical Report No. UCB/EECS-2015-253 / http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2015/EECS-2015-253.html; Damjanovic D. Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials / The Science of Hysteresis, Volume 3; I. Mayergoyz and G. Bertotti (Eds.); Elsevier (2005) / P.: 337-452; Rodriguez-Fortun J., Orus J., Buil A.F., Castellano J.A. Hysteresis in Piezoelectric Actuators: Modeling and Compensation / IFAC Proceedings Volumes / Volume 44, Issue 1, January 2011, P.: 5237-5242).

Другим распространенным эффектом, используемым в аналогичных датчиках, является электрострикционный эффект в активных диэлектриках (Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Материалы современной электроники / В.Ф. Марков, X.Н. Мухамедзянов, Л.Н. Маскаева; - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2014. - 272 с.; Thakur О.P., Agrawal N. Modelling of Sensing Performance of Electrostrictive Capacitive Sensors / Smart Sensors, Measurement and Instrumentation book series (SSMI, volume 11); Sensing Technology: Current Status and Future Trends III, pp 341-358; Shkel Y.M. and Klingenberg D.J.J. Material parameters for electrostricti Appl. Phys., Vol. 80, No. 8, 15 October 1996; Minh Quyen Le and other, All-organic electrostrictive polymer composites with low driving electrical voltages for micro-fluidic pump applications / Scientific Reports, V.: 5, Article number: 11814 (2015)).

Функция преобразования электрострикционного материала носит униполярный квадратичный характер:

где q - постоянная электрострикции, зависящая от сжимаемости, плотности и диэлектрической проницаемости диэлектрика.

Основное достоинство электрострикционных материалов заключается в высокой внутренней стабильности, что обусловливает существенно малое значение гистерезиса функции электромеханического преобразования по сравнению с пьезоэлектрическими материалами и составляет менее 1%. На основе электрострикционных материалов в основном строятся МЭМС-структуры электростатического и низкочастотного типа. Расширение динамического диапазона преобразования и увеличение чувствительности датчиков на основе элементов из электрострикционных материалов возможно за счет применения материалов с гигантской электрострикцией, стабильной в широком диапазоне температур, и формирования сложных МЭМС-структур. В патенте US 2015/0325779 А1, приоритет 9.12.2013, приведен аналитический обзор электромеханических свойств ряда электрострикционных материалов (в частности, полиуретановых эластомеров), способных стабильно работать от слабых электрических полей в диапазонах температур от -20°С-+40°С, -50°С-120°С, -100°С-+50°С и др. Высокими электрострикционными свойствами обладает сегнетокерамика с сильно размытым фазовым переходом, который занимает область температур, достигающую ~200°С. Керамические материалы на основе магнониобата свинца PbMg_1/3Nb_2/3O₃, в частности, твердые растворы магнониобата свинца с титанатом свинца PbTiO₃ и скандониобатом свинца PbSc_1/2Nb_1/2O₃, имеют функцию электромеханического преобразования без гистерезисной и на 2-3 порядка больше чем у линейных диэлектриков, достигая величины ξ=10^-3 при Е=10³ В/мкм при комнатной температуре. Композиционные материалы, например, в виде полимерной матрицы с медным фталоцианином (CuPc) как органическим наполнителя с высокой диэлектрической постоянной ε имеют ξ=2⋅10^-2 при Е=13 В/мкм. Нижний порог чувствительности ξ=10^-3 наблюдается при Е<1 В/мкм.

Достоинства аналогичных датчиков:

⋅ компактность;

⋅ возможность исключения токонесущих элементов;

⋅ возможность расширения динамического диапазона преобразования;

⋅ высокая температурная стабильность и линейность характеристики преобразования при применении пьезоэлектрических материалов;

⋅ отсутствие гистерезиса при применении электрострикционных материалов.

К недостаткам аналогичных датчиков относятся:

⋅ ограниченная функциональность, связанная с локальным характером индикации преобразуемой величины,

⋅ большой гистерезис характеристики преобразования при применении обратного пьезоэлектрического эффекта;

⋅ высокая температурная чувствительность при применении электрострикционного эффекта;

⋅ низкая чувствительность к ЭП электрострикционных материалов при малых значениях напряженности ЭП вследствие квадратичного характера преобразования с использованием электрострикционного эффекта;

⋅ необходимость введения токонесущих каналов и элементов для коррекции погрешности гистерезиса при применении обратного пьезоэлектрического эффекта, что существенно снижает технические возможности датчика при работе в сложных условиях эксплуатации, например во взрывоопасных средах.

Известны аналогичные датчики ЭП на основе МЭМС-структур, которые содержат в своем составе активные диэлектрики, электреты и подвижные элементы (например, патент CN 104020359, приоритет 20.06.2014; патент US 20050196099 А1, приоритет 4.03.2004; патент US 20130307370 А1, приоритет 23.06.2010). МЭМС-структуры выполнены таким образом, что при воздействии внешнего ЭП на МЭМС-структуру оно суммируется с электростатическим полем электрета. В результате осуществляется смещение нулевой точки в область высокой крутизны характеристики преобразования ЭП в движение подвижных элементов, которое позволяет существенно повысить чувствительность и точность датчика в области малых значений напряженности ЭП в условиях воздействия акустических шумов и электромагнитных помех.

Достоинства аналогичных датчиков:

• компактность;

• низкий порог чувствительности при воздействии электромагнитных помех;

• низкая чувствительность к акустическим шумам;

• высокая точность при малых значениях напряженности ЭП при применении электрострикционного эффекта;

• возможность исключения токонесущих элементов.

Недостатками аналогичных датчиков являются:

• ограниченная функциональность, связанная с локальным характером индикации преобразуемой величины;

• низкая точность вследствие гистерезиса функции преобразования при применении обратного пьезоэлектрического эффекта;

• высокая температурная чувствительность при применении электрострикционного эффекта.

Известны аналогичные волоконно-оптические датчики напряженности электрического поля, содержащие активный диэлектрик, к которому непосредственно или через передаточное механическое звено жестко закреплен сенсорный участок ОВ с ВБР (Леонович Г.И., Олешкевич С.В. Гибридные датчики на волоконно-оптических брэгговских решетках / Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 18, №4(7), 2016. - С. 1340-1345; Application of Fiber Bragg Grating Sensors in Power Industry / Regina С Allil, Marcelo Martins Werneck // http://dx.doi.org/10.5772/54148; Optical High-Voltage Sensor Based on Fiber Bragg Grating and PZT Piezoelectric Ceramics / Regina С Allil, Marcelo Martins Werneck, V.B. de // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V.: 60, Is.: 6, June 2011. P.: 2118-2125; Pacheco M., Mendoza Santoyo F., Mendez A., Zenteno L.A. Piezoelectric-modulated optical fibre Bragg grating high-voltage sensor / Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 777-782; J. Zhao et al., "Fiber-Optic Electric Field Sensor Based on Electrostriction Effect", Applied Mechanics and Materials, Vol. 187, pp. 235-240, 2012; Lutang Wang and Nian Fang; Power-Frequency Electric Field Sensing Utilizing a Twin-FBG Fabry-Perot Interferometer and Polyimide Tubing with Space Charge as Field Sensing Element / Sensors 2019, 19(6), 1456; https://doi.org/10.3390/s19061456; S.T. Vohra, F. Bucholtz, and A.D. Kersey; Fiber-optic dc and low-frequency electric-field sensor / Optics Letters, Vol. 16, Issue 18, pp. 1445-1447 (1991)). При воздействии электрической величины на активный диэлектрик в нем синхронно с ее изменением происходит деформация, которая непосредственно через жесткое контактное соединение или через механическое передаточное звено приводит к продольной деформации ОВ с ВБР. В результате деформации ВБР при изменении напряженности электрического поля изменяется спектр отраженного от ВБР оптического сигнала. Форма и крутизна функции преобразования определяются электромеханическими свойствами материала, из которого выполнен активный диэлектрик, сопряженный с сенсорным участком ОВ.

С учетом упругого сопротивления, создаваемого материалом оптического волокна и абсолютной жесткости механического сопряжения волокна с диэлектриком, можно записать выражение для относительной осевой деформации ВБР при применении в качестве активного диэлектрика электрострикционного материала:

где ε₀=8,854187817⋅10¹² Ф/м (м^-3⋅кг^-1⋅с⁴⋅А²) - электрическая постоянная вакуума, ε_r - относительная электрическая константа материала, Е - напряженность электрического поля; Y_АД - модуль Юнга активного диэлектрика; Y_ОВ=7,20⋅10¹⁰ Н/м² - модуль Юнга оптического волокна с ВБР; k, n - коэффициенты определяющие вклад активного диэлектрика и ОВ (по массе и способу взаимодействия) в формирование итоговой деформации, причем k+n=1; М - коэффициент деформации механического сопряжения волокна с диэлектриком вследствие электрострикционного эффекта в диэлектрике.

При моделировании датчика необходимо учитывать, что максимально допустимое значение ξ_ВБР=1%., выше которого начинается разрушение материала оптоволокна.

К достоинствам аналогичных датчиков относятся:

• компактность;

• отсутствие токонесущих элементов;

• бесконтактное совмещение чувствительной зоны датчика с волоконно-оптическим каналом передачи оптических сигналов, содержащих измерительную информацию;

• устойчивость к электромагнитным помехам и воздействию внешней среды;

• возможность компенсации температурной погрешности введением дополнительных экранированных ВБР в зоне измерения электрического поля.

Недостатками аналогичных волоконно-оптических датчиков являются:

• низкая точность при использовании обратного пьезоэлектрического эффекта вследствие гистерезиса функции преобразования;

• ограниченные технические возможности вследствие низкой чувствительности к малым значениям ЭП при использовании электрострикционного эффекта.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является и выбран в качестве прототипа датчик в виде системы из двух сенсоров - сенсора температуры и сенсора напряженности электрического поля (патент US 7469078 В2, приоритет 18.09.2003). Датчик выполнен на основе оптического волокна с двумя последовательно расположенными сенсорными участками с ВБР, причем первый сенсорный участок измеряет температуру, а второй сенсорный участок, жестко закрепленный к пьезоэлектрическому элементу, заключенному между двух электродов, измеряет температуру и напряженность электрического поля.

При подключении к электродам, сопряженным со вторым сенсорным участком оптоволокна, источника переменного тока в пьезоэлементе возникает обратный электрический пьезоэффект, который синхронно с изменением воздействующей электрической величины вызывает продольную деформацию пьезоэлемента. Сенсорный участок оптоволокна с ВБР, жестко закрепленный к пьезоэлементу в направлении оси деформации, подвергается принудительной деформации в соответствии с формулой

где k_ƒ - коэффициент механического сопротивления сенсорного участка оптоволокна с ВБР; d_k - пьезоэлектрический модуль пьезоэлемента.

К достоинствам прототипа относятся:

• компактность;

• отсутствие токонесущих элементов;

• бесконтактное совмещение чувствительной зоны датчика с волоконно-оптическим каналом передачи оптических сигналов, содержащих измерительную информацию;

• устойчивость к электромагнитным помехам и воздействию внешней среды;

• широкий динамический диапазон измеряемых величин;

• компенсация температурной погрешности введением дополнительной ВБР в зоне измерения электрических величин.

Особенностью и ключевым признаком прототипа является обратный пьезоэлектрический эффект в элементе материала, позволяющий создавать датчики напряженности переменного электрического поля в широком диапазоне измеряемых величин.

Недостатками прототипа являются:

• низкая точность обратного пьезоэлектрического эффекта вследствие гистерезиса функции преобразования;

• существенное усложнение конструкции пьезоэлектрического элемента датчика, необходимое для увеличения чувствительности и динамического диапазона измерения.

Заявляемое устройство лишено этих недостатков.

Технический результат заключается в расширении технических возможностей путем снижения порога и увеличения чувствительности, повышения точности и стабильности процесса измерения путем смещения нулевой точки характеристики преобразования в зону высокой крутизны функции электромеханического преобразования электрострикционного материала, имеющей квадратичный характер.

Сущность изобретения заключается в том, что датчик напряженности электрического поля, содержащий оптическое волокно с двумя последовательно расположенными первым и вторым сенсорными участками, содержащими первую и вторую внутриволоконную брэгговскую решетку (ВБР) соответственно, причем первый сенсорный участок измеряет окружающую температуру, а второй сенсорный участок, жестко закрепленный к пьезоэлектрическому элементу, заключенному между двух электродов, измеряет окружающую температуру и напряженность электрического поля, отличающийся тем, что в него введены электрострикционный элемент, муфта, прозрачная для электрического поля, и две электретных пластины с центральным отверстием под электрострикционный элемент, второй сенсорный участок оптоволокна со второй ВБР жестко закреплен к электрострикционному элементу, расположенному внутри муфты, установленной между двумя электродами, первая электретная пластина жестко закреплена на электрострикционном элементе перед второй ВБР и совместно с ним жестко зафиксирована на краю первой стороны муфты, а вторая электретная пластина жестко закреплена на краю второй стороны муфты, при этом незафиксированная часть электрострикционного элемента с закрепленным на нем вторым сенсорным участком оптоволокна со второй ВБР свободно перемещается в муфте и внутри центрального отверстия второй электретной пластины, причем первая и вторая электретные пластины установлены одноименными полюсами друг к другу, вследствие чего между ними возникает сила отталкивания, приводящая к тому, что второй сенсорный участок оптического волокна со второй ВБР, жестко закрепленные на электрострикционном элементе, находится в состоянии постоянной начальной деформации, смещающей нулевую точку квадратичной характеристики преобразования в зону высокой крутизны.

Отличительные признаки изобретения состоят в том, что в нем изменена структура датчика напряженности электрического поля с введением новых элементов по сравнению с прототипом.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом и другими техническими решениями показывает, что при осуществлении отличительных признаков оно приобретает новые свойства, которых нет в них. Следовательно, отличительные признаки являются существенными.

Графические материалы заявки содержат: фиг. 1 - структурная схема волоконно-оптического датчика; фиг. 2 - эпюра характеристики преобразования значения центральной длины волны оптического сигнала, отраженного от ВБР, от напряженности электрического поля.

Заявляемый волоконно-оптический датчик электрического поля, напряжения и/или силы постоянного и переменного тока, изображенный на фиг. 1, содержит оптическое волокно 1 с двумя последовательно расположенными сенсорными участками 2 и 3, в которых выполнены ВБР 4 и ВБР 5 соответственно, электрострикционный элемент 6, муфту 7, прозрачную для электрического поля, электретные пластины 8 и 9. Сенсорный участок 3 жестко закреплен на электрострикционном элементе 6 вдоль оси его деформации. Электретные пластины 8 и 9 расположены друг относительно друга на расстоянии равном расстоянию между электродами, и имеют центральное отверстие, в которые введены концы электрострикционного элемента 6. Первая электретная пластина 8 жестко прикреплена к первому краю муфты 7 и к первому концу электрострикционного элемента 6. Вторая электретная пластина 8 жестко прикреплена ко второму краю муфты 7, а в ее центральном отверстии свободно перемещается незакрепленная часть электрострикционного элемента 6.

Сенсорный участок 3 оптического волокна 1 с ВБР 5 подвергается воздействию электрического поля, формируемого электродами и электретными пластинами 8 и 9, которые расположены одноименными полюсами навстречу друг другу, а также воздействию температуры окружающей среды. Сенсорный участок 2 оптического волокна 1 с ВБР 4 не подвергается воздействию электрического поля и предназначен для последующей реализации в оптоэлектронном измерительном блоке (интеррогаторе) температурной калибровки и коррекции температурной погрешности всего датчика в процессе измерения напряженности электрического поля, напряжения и/или силы постоянного и переменного тока в условиях внешнего температурного воздействия.

Геометрические размеры элементов и датчика в целом, изображенного на фиг. 1, определяются требуемой чувствительностью и диапазоном измеряемых значений напряженности E_u электрического поля, длиной и сенсорных участков 2 и 3 оптического волокна 1 с ВБР 4 и 5 соответственно, расстоянием L между ВБР 4 и ВБР 5, обеспечивающим взаимонезависимую деформацию сенсорных участков 2 и 3 оптического волокна 1, геометрическими и физическими параметрами электрострикционного элемента, электретных пластин, возможной минимальной толщиной участков оптического волокна с ВБР1 и ВБР2, а также предельной разрешающей способностью, обеспечиваемой способом считывания и анализа.

Для описания механизма изменения центральной длины волны света, отраженного от ВБР при изменении напряжения электрического поля, разработаны модель и компьютерная программа численного исследования взаимодействия двух электретных пластин в форме дисков, сопряженных через электрострикционный элемент сенсорным участком 3 оптического волокна 1 с ВБР 5. Программа позволяет подбирать и рассчитывать электреты, а также уточнять геометрические параметры датчика в целом.

Например, при измерении напряжения постоянного тока датчик работает следующим образом. При U_изм=0, сенсорный участок 3 оптоволокна 1 с ВБР 5, закрепленный на электрострикционном элементе 6 между первой 8 и второй 8 электретными пластинами находится в постоянном деформированном состоянии, вызванном поляризацией электрострикционного материала в поле электретных пластин напряженностью Е_ээ. Относительная начальная продольная деформация электретного элемента с сенсорным участком 3 без воздействия внешнего электрического поля равна:

где М - электрострикционный коэффициент структуры из сенсорного участка 3 и электрострикционного элемента, - длина сенсорного участка 3 при отсутствии поля, формируемого электретными пластинами, - осевая деформация электрострикционного элемента и закрепленного на нем сенсорного участка оптоволокна в электрическом поле, формируемом электретными пластинами.

В результате предрастяжения сенсорного участка 3 на величину в отсутствие внешнего электрического поля нулевая точка квадратичной характеристики смещена в область высокой крутизны. При приложении к электродам напряжения U_изм≠0. результирующая напряженность электрического поля между электретными пластинами 8 и 9 равна:

где Е_изм - напряженность измеряемого электрического поля между электродами.

Изменение напряженности поля приводит к увеличению или ослаблению деформации электрострикционного элемента с закрепленным на нем сенсорным участком 3 оптоволокна и в результате - к изменению периода ВБР 5 и смещению центральной длинны волны λ_BG отраженного сигнала.

Силу взаимодействия электретных пластин можно представить с использованием упрощенной модели взаимодействия электрических [Бредов, М.М. Классическая электродинамика / М.М. Бредов, В.В. Румянцев, И.Н. Топтыгин. - М.: Наука, 1985. - 400 с.]:

где p_i - электрический момент диполя, ε₀ - диэлектрическая проницаемость, - расстояние между центрами электретных пластин 6.

На фиг. 2 приведена эпюра изменения центральной длины волны оптического сигнала от напряженности электрического поля, формируемого электретными пластинами, закрепленными на сенсорном участке 3, и внешним измеряемым электрическим полем. При реализации модели заданы следующие параметры: внешний радиус и длина электретной пластины в форме диска, закрепленной на оптоволокне R₀=R_mν=0,25⋅10^-3 м соответственно; толщина электретного диска h=3⋅10^-3 м; радиус оптоволокна R_ν=0,1⋅10^-3 м; длина участка оптоволокна с ВБР модуль Юнга для кварцевого стекла Y_ν=73⋅10⁹ МПа; расстояние между электретными пластинами максимально и минимально допустимое относительное удлинение сенсорного участка 3 при максимальной силе F_∑max электрического взаимодействия электретов и внешнего электрического поля равна и соответственно. Из эпюры видно, что с ростом значения Е_ээ рабочая точка будет перемещаться в область с более высокой крутизной, что может увеличить в 2-10 раз чувствительность датчика при малых значениях Е_изм.

Ограничением допустимого увеличения Е_ээ и максимальной амплитуды измеряемого значения Е_изм является предел прочности участка оптоволокна с ВБР2: