микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока
Классы МПК: | G01R15/24 с использованием приборов со световой модуляцией |
Автор(ы): | Малков Я.В., Бурков В.Д., Кузнецова В.И., Потапов В.Т., Гориш А.В., Котов А.Н., Егоров Ф.А. |
Патентообладатель(и): | Московский государственный университет леса |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-12-28 публикация патента:
10.07.2001 |
Использование: волоконно-оптические преобразователи физических величин с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. В волоконно-оптическом датчике коллимирование луча, взаимодействующего с микрорезонатором с зеркальным отражателем, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора. Изменение величины измеряемого электрического тока проводника с током сопряжено с изменением характеристик микрорезонатора под действием магнитного поля этого проводника с током. При этом изменение характеристик микрорезонатора приводит к изменению резонансной частоты в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода. Продольная ось микрорезонатора, выполненного в виде пленки из магнитного материала, совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током. Обеспечено дистанционное измерение электрического тока, повышена стабильность измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
1. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, включающий волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, отличающийся тем, что в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, при этом продольная ось микрорезонатора совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током. 2. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло. 3. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, электромагнитных полей и др.) с использованием микромеханических резонаторов (МР), возбуждаемых светом. Конструктивно МР, как правило, представляют собой микробалку, микроконсоль, микромембрану и т.п., изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии монокристаллических материалов. Внешнее воздействие деформирует подложку МР и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом. В связи с малой амплитудой колебаний МР (~0,1 мкм) в волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин применяется как интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, так и частотный. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ N 2135957, БИ N 24 от 27.08.99 г.). Устройство содержит волоконно-оптический лазер (ВОЛ), МР, выполненный в виде микромостика (микромостика на мембране), коллиматор, выполненный в виде градиентной стержневой линзы (ГСЛ) в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, одномодовый изотропный световод, полупрозрачное зеркало, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух с коэффициентом отражения R1 = 3,2%, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки на длине волны![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170100/955.gif)
В известном техническом решении один торец световода ВОЛ оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с анализатором спектра через фотоприемник, при этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор ВОЛ, а отражающая поверхность МР в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
Дискретная форма выходного сигнала ВОД, большая протяженность канала передачи и высокая точность измерения резонансной частоты делают этот тип ВОД перспективным при его использовании в системах измерения физических величин. Недостатком данного решения является следующее. Наличие в конструкции ВОД автоколлиматора на основе стержневых линз снижает стабильность параметров коллимированного пучка в условиях воздействия на автоколлиматор таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры, давления, ускорения и др. Нестабильность параметров коллимированного пучки ухудшает такие характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин, как надежность, точность, быстродействие, а также снижает эффективность взаимодействия ВОЛ с МР за счет нестабильности
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-2t.gif)
где d - диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе;
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
dc - диаметр световедущей сердцевины световода;
NA - числовая апертура одномодового световода;
l - длина микролинзы;
n - показатель преломления материала микролинзы. Радиус микролинзы R рассчитывается по формуле:
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-3t.gif)
которая получена из условия, что торец световода располагается в фокальной плоскости микролинзы, а показатель преломления среды (воздуха), в которой распространяется коллимированный пучок, принят равным 1. Оптимальное значение расстояния между микролинзой и МР определяется экспериментально из условия максимального значения отношения сигнал-шум. Стабильность параметров коллимированного пучка обеспечивается, во-первых, конструкцией автоколлиматора, представляющей собой монолитную структуру из одномодового материала, в которой соединение кварцевого световода с микролинзой из кварцевого стекла осуществляется с помощью сварки в электрической дуге, позволяющей получить высокую механическую прочность и эффективное оптическое сопряжение элементов, во-вторых, слабым влиянием дестабилизирующих факторов (изменений температуры, давления, электромагнитных полей и др.) на показатель преломления и геометрические размеры микролинзы. Так, в соответствии с формулой (1), исходя из известных значений термооптических и фотоупругих характеристик для кварцевого стекла (световода), получим оценки:
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-4t.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-5t.gif)
Это значит, что в диапазоне температур 0 - 800oC изменения параметров коллимированного пучка не превышают соответственно 5% и 3%. Далее отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний в системе ВОЛ-МР основным фактором, определяющим эффективность взаимодействия ВОЛ и МР является угол расходимости пучка
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170112/916.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170112/916.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
- диаметре микролинзы, D (мкм), 200...300
- длине микролинзы, l (мкм), 700...900
- радиусе микролинзы, R (мкм), 200...300
- параметрах одномодового световода (
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170100/955.gif)
следующие параметры коллимированных пучков:
- диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе (мкм), d = 50...150,
- угол расходимости коллимированного пучка (рад)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/8226.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/8226.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-6t.gif)
где
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170104/956.gif)
E - модуль Юнга МР;
J - момент инерции поперечного сечения МР. Представляя изгибные колебания y (x, t) в виде
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170104/934.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170160/969.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-7t.gif)
где
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-8t.gif)
здесь
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170160/969.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-9t.gif)
где l - длина микроконсоли. При размещении МР в виде микроконсоли (из магнитомягкого аморфного сплава) во внешнее магнитное поле проводника с током изменяются характеристики МР, что приводит к изменению частоты собственных колебаний МР. Если магнитное поле проводника с током намагничивает консоль до насыщения, то
Fx = S
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/8226.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/8226.gif)
где Hx - напряженность магнитного поля проводника с током i;
Fx - магнитная сила, действующая на МР;
S - площадь поперечного сечения консоли (a
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/8226.gif)
Ms - намагниченность насыщения;
a - ширина консоли;
d - толщина консоли. Решая совместно уравнения (3) и (5), получаем трансцендентное уравнение, из которого следует, что при Fxl2/EJ
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170051/8773.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-10t.gif)
При Hx
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170051/8773.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-11t.gif)
Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим взаимосвязь частоты собственных колебаний МР в системе ВОЛ-МР с магнитным полем бесконечного прямолинейного проводника с током i, расположенного на расстоянии Z0 от МР. С учетом принципа суперпозиции магнитных полей имеем:
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-12t.gif)
Из выражения (8) следует, что при известном значении аргумента Hx, определяемом из выражения (7), вычисляется ток i, протекающий по проводнику, расположенному от МР на расстоянии r0. Аналогично по величине Hx дистанционно измеряется ток i проводников иных конфигураций: прямоугольного витка, кругового витка, тороида, соленоида и т.п. При использовании МР в виде балки, закрепленной с двух сторон, ход рассуждений аналогичен. Применительно к балке, краевые условия запишутся в виде:
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-13t.gif)
Решая уравнение (3) с учетом (9) в функциях Крылова, находим, что частота f собственных колебаний МР, нагруженного продольной силой Fx, связана с частотой ненагруженного резонатора f0 следующим образом:
f2 = f02(1+f2 = f20(1+
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/945.gif)
Константа
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/945.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170051/8773.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/945.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/945.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/2170439-14t.gif)
где
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170140/961.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/8594.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170439/8734.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170001/945.gif)
На чертеже представлена схема микрорезонаторного ВОД электрического тока, где 1 - ВОЛ, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170100/955.gif)
![микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, патент № 2170439](/images/patents/301/2170336/920.gif)
- снижение массы и габаритов ВОД;
- повышение надежности, точности, стабильности, быстродействия;
- увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и микрорезонатора.
Класс G01R15/24 с использованием приборов со световой модуляцией