волоконно-оптическое измерительное устройство (варианты)

Формула изобретения

1. Волоконно-оптическое измерительное устройство, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического светового излучения, подводящее оптическое волокно, магнитооптический датчик, выводящее оптическое волокно и регистратор, отличающееся тем, что магнитооптический датчик содержит последовательно соединенные коннектор, по меньшей мере, один виток, охватывающий токопровод с измеряемым током, выполненный из одномодового оптоволокна с одной постоянной Верде, и адаптер, включающий в свою конструкцию последовательно расположенные в корпусе втулку, шайбу, поляризационную пленку-анализатор, шайбу и втулку, при этом коннектор соединяет подводящее оптическое волокно, сохраняющее плоскость поляризации, и одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитооптического датчика, а адаптер соединяет одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитооптического датчика, и выводящее оптоволокно и обеспечивает оптическое согласование магнитооптического датчика с выводящим оптоволокном, причем в качестве источника монохроматического светового излучения используется одномодовый полупроводниковый лазер.

2. Волоконно-оптическое измерительное устройство, содержащее последовательно расположенные источник монохроматического светового излучения, подводящее оптическое волокно, магнитооптический датчик, выводящее оптическое волокно и регистратор, отличающееся тем, что магнитооптический датчик размещен на токопроводе и содержит последовательно расположенные внутри корпуса втулку, микролинзу, поляризационную пленку-поляризатор, ячейку Фарадея, изготовленную из кварца, тяжелого флинта или стекла и имеющую форму цилиндра, поляризационную пленку-анализатор, микролинзу и втулку, причем в качестве источника монохроматического светового излучения используется полупроводниковый лазер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике на основе магнитооптического метода измерений с использованием эффекта Фарадея, т.е. явления поворота плоскости поляризации линейно поляризованного света, распространяющегося в прозрачной среде, под действием магнитного поля. Заявляемое устройство может быть использовано для измерения импульсного тока до 10⁸ А, с длительностью импульса от 10^-8 до 10^-3 с, а также для измерения напряженности магнитного поля в диапазоне от 10^-2 до 10³ Тл.

Известен датчик Фарадея Г.Кнопфель «Сверхсильные импульсные магнитные поля», М., «Мир», 1972 г., стр.309-314. Датчик содержит последовательно расположенные источник света - ртутную лампу, поляризатор, стеклянный образец, анализатор, фильтр и фотоэлектронный умножитель. Пучок света проходит через поляризатор, стеклянный образец и анализатор. Электрический сигнал с фотоумножителя регистрируется на экране осциллографа. Преимуществом данного оптического метода является то, что в область магнитного поля не вводится никаких токопроводящих материалов (следовательно, отсутствует гальваническая связь датчика магнитного поля с регистрирующей аппаратурой, что позволяет работать под высоким потенциалом и избавиться от электромагнитных помех). Кроме того, оптические методы отличаются высокими частотными характеристиками, точностью и не требуют сложного экспериментального оборудования. Недостатком такого датчика является широкий спектр светового излучения ртутной лампы, что не позволяет точно измерять углы поворота плоскости поляризации света больше 90°, при больших углах возникает искажение формы регистрируемого сигнала, что ведет к снижению точности измерений. К недостаткам также можно отнести повышенную чувствительность устройства к механическим вибрациям, поскольку свет распространяется по воздуху, и любые механические колебания вызывают смещение пятна света на фотоприемнике, приводящее к изменению амплитуды сигнала на осциллографе.

Известно также «Волоконно-оптическое устройство для измерения силы электрического тока», патент RU № 2086988, МПК G01R 15/26, авторов Дирка Пайера и Хольгера Хирша, приоритет Германии от 19.08.1989 г., опубл. 10.07.97 г. Данное устройство для измерения силы тока в проводнике с использованием эффекта Фарадея содержит источник линейно поляризованного света, первое устройство для разделения пучка света, оптоволокно, которое охватывает проводник в виде обмотки и имеет зеркальную концевую поверхность. Указанные элементы расположены последовательно друг за другом. Второе устройство для разделения пучка света расположено по ходу луча, последовательно отраженного от зеркальной концевой поверхности оптоволокна и от первого устройства для разделения пучка света. Два фотодетектора установлены на выходах второго устройства для разделения пучка света. Между вторым устройством для разделения пучка света и каждым фотодетектором расположен поляризатор. Оптические оси поляризаторов повернуты симметрично друг другу относительно плоскости поляризации введенного в оптоволокно света на угол, выбранный в пределах 20-40°.

Недостатками данного устройства являются ограничения по функциональным возможностям, т.е. с помощью данного устройства можно измерить только силу тока, к тому же с ограничением по максимальной величине измеряемого тока. К недостаткам данного метода также можно отнести и сравнительно большую погрешность измерения угла поворота плоскости поляризации, которая связана с необходимостью работать лишь на линейном участке кривой изменения интенсивности света, что вызывает ошибку в измерения силы тока.

Наиболее близким к заявляемому является «Устройство для измерения больших токов» автора Ю.П.Казачкова, патент RU № 2208798, МПК G01R 33/032, с приоритетом от 25.12.2001 г., опубл. 20.07.2003 г. Волоконно-оптическое измерительное устройство по прототипу содержит последовательно расположенные источник монохроматического светового излучения, подводящее оптоволокно, магнитооптический датчик, выводящее оптоволокно и регистратор. Магнитооптический датчик содержит один виток одномодового оптоволокна с константой Верде V₁, который охватывает измеряемый токопровод и также содержит один виток другого одномодового оптоволокна с константой Верде V₂, тоже охватывающий измеряемый токопровод. Оба оптоволокна соединены при помощи оптического адаптера, причем свет в первом оптоволокне распространяется в направлении, противоположном направлению распространения света во втором оптоволокне. Результатом применения такой конструкции датчика является возможность эффективного уменьшения значения константы Верде, Vэф=V₁-V₂, в несколько раз, что позволяет увеличить максимальное значение измеряемых токов до 18 МА.

Недостатками этого устройства являются ограничения по функциональным возможностям. Поскольку датчик работает на линейном участке кривой изменения интенсивности света, то это является главным ограничивающим фактором по максимальной величине измеряемого тока для данного типа устройства и дает большую погрешность его измерения. К недостаткам также можно отнести и невозможность применения данного устройства для измерения напряженности магнитного поля, а также невозможность быстрой замены одного используемого датчика на другой.

При создании данного изобретения решалась задача создания волоконно-оптического измерительного устройства для использования его в области сверхсильных импульсных магнитных полей и токов для современных электрофизических установок.

Техническим результатом при решении данной задачи является расширение функциональных возможностей, диапазона измеряемых токов и напряженности магнитного поля, уменьшение погрешности измерений тока, а также возможность быстрой замены одного датчика на другой.

Указанный технический результат достигается тем что, по сравнению с известным устройством, содержащим последовательно расположенные: источник монохроматического светового излучения, подводящее оптоволокно, магнитооптический датчик, выводящее оптоволокно и регистратор, в заявляемом устройстве по первому варианту исполнения магнитооптический датчик содержит последовательно соединенные коннектор, по меньшей мере, один виток, охватывающий токопровод с измеряемым током, выполненный из одномодового оптоволокна с одной постоянной Верде и адаптер, включающий в свою конструкцию последовательно расположенные в корпусе втулку, шайбу, поляризационную пленку-анализатор, шайбу и втулку, при этом коннектор соединяет подводящее оптическое волокно, сохраняющее плоскость поляризации, и одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитооптического датчика, а адаптер соединяет одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитоооптического датчика, и выводящее оптоволокно и обеспечивает оптическое согласование магнитооптического датчика с выводящим оптоволокном, причем в качестве источника монохроматического светового излучения используется одномодовый полупроводниковый лазер.

Во втором варианте указанный технический результат достигается тем, что в заявляемое устройство входят: источник монохроматического светового излучения, подводящее оптическое волокно, магнитооптический датчик, выводящее оптическое волокно и регистратор, причем магнитооптический датчик размещен на токопроводе и содержит последовательно расположенные внутри корпуса втулку, микролинзу, поляризационную пленку-поляризатор, ячейку Фарадея, изготовленную из кварца, тяжелого флинта или стекла и имеющую форму цилиндра, поляризационную пленку-анализатор, микролинзу и втулку, причем в качества источника монохроматического светового излучения используется полупроводниковый лазер.

Применение в датчике тока одномодового оптоволокна типа LB-600 с неизменной постоянной Верде дает возможность работать с кривой изменения интенсивности света при углах поворота плоскости поляризации света, значительно превышающей угол радиан, а не только с ее линейным участком, где угол поворота плоскости поляризации меньше чем /2 радиан, что и позволяет измерять токи значительно более широкого диапазона, нежели чем в прототипе и аналогах. Кроме того, благодаря зависимости константы Верде оптоволокна типа LB-600 от длины волны света, использование источников света с различными длинами волн значительно увеличивает динамический диапазон измерения тока и напряженности магнитного поля. Применение адаптера с расположенным внутри него анализатором дало: компактность устройству, так как в нем не используются призмы Гланна, Воланстона и т.п.; минимизацию световых потерь, связанную с тем, что поляризационная пленка, играющая роль анализатора, имеет малую толщину, вследствие чего световой пучок, прошедший через нее, практически полностью попадает на светонесущую жилу выводящего многомодового оптоволокна, и возможность быстрой замены одного датчика на другой, поскольку в конструкцию датчика входят согласованные оптические коннекторы и адаптеры. В связи с тем, что при проведении экспериментов с большой силой тока возможно разрушение датчика и анализатора, достоинством такой конструкции адаптера-анализатора является ее простота и дешевизна.

В датчике измерения напряженности магнитного поля применение поляризационных пленок также позволило значительно сократить его размеры и удешевить.

Данное устройство является универсальным, поскольку оно подходит для проведения измерений как силы тока, так и величины магнитного поля, что достигается простой заменой датчиков и подводящих оптических волокон.

На фиг.1 - изображено заявляемое устройство по первому варианту исполнения.

На фиг 2 - изображено заявляемое устройство по второму варианту исполнения.

На фиг 3 - изображен магнитооптический датчик по первому варианту исполнения.

На фиг 4 - изображен магнитооптический датчик по второму варианту исполнения.

На фиг 5 - изображен адаптер датчика по первому варианту исполнения.

На фиг.1-5 представлено:

1. источник монохроматического светового излучения

2. подводящее оптоволокно

3. датчик

4. выводящее оптоволокно

5. регистратор

6. оптический коннектор

7. оптоволокно датчика

8. адаптер

9. фотоприемник

10. осциллограф

11. втулка

12. корпус датчика

13. микролинза - элемент оптической юстировки

14. поляризационная пленка - поляризатор

15. ячейка Фарадея

16. поляризационная пленка - анализатор

17. корпус адаптера

18. шайба

Заявляемое измерительное волоконно-оптическое устройство по первому варианту исполнения фиг.1, фиг.3 и фиг.5 содержит последовательно расположенные источник монохроматического, линейно-поляризованного светового излучения 1, подводящее одномодовое оптоволокно 2, датчик 3, выводящее многомодовое оптоволокно 4, регистратор 5. Магнитооптический датчик 3 выполнен в виде, по меньшей мере, одного витка оптоволокна типа LB-600 7, охватывающего измеряемый токопровод с измеряемым током. В состав датчика тока 3 входит оптический коннектор 6, адаптер 8, включающий в свою конструкцию последовательно расположенные в корпусе 17 втулку 11, шайбу 18, поляризационную пленку-анализатор 16, шайбу 18 и втулку 11, при этом коннектор соединяет подводящее оптическое волокно 2, сохраняющее плоскость поляризации, и одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитооптического датчика 7, а адаптер соединяет одномодовое оптоволокно, из которого выполнен виток магнитооптического датчика 7 и выводящее оптоволокно 4, и обеспечивает оптическое согласование магнитооптического датчика 3 с выводящим оптоволокном 4, причем в качества источника монохроматического светового излучения 1 используется одномодовый полупроводниковый лазер. В состав регистратора 5 входят фотоприемник 9, осциллограф 10.

Заявляемое измерительное волоконно-оптическое устройство по второму варианту исполнения фиг.2 и фиг.4 содержит последовательно расположенные источник монохроматического светового излучения 1, подводящее многомодовое оптоволокно 2, магнитооптический датчик 3, выводящее многомодовое оптоволокно 4, регистратор 5. Магнитооптический датчик 3 выполнен в виде последовательно расположенных внутри корпуса 12, втулки оптического коннектора 11, микролинзы 13, поляризационной пленки 14, играющей роль поляризатора, ячейки Фарадея 15, поляризационная пленка 16, играющей роль анализатора, микролинзы 13, втулки оптического коннектора 11. В состав регистратора 5 входят фотоприемник 9, осциллограф 10.

В примере реализации заявляемого устройства по первому варианту используются следующие типы материалов: подводящее одномодовое оптоволокно типа ПАНДА SM, оптоволокно SM типа LB600, служащее датчиком тока с константой Верде на длине волны =0.633 мкм, равной 264 град/МА, который выполнен в виде одного витка, втулка адаптера из окиси циркония, поляризационная пленка Cellulose Acetate Buterate (CAB) толщиной 0.017 дюйма, играющая роль анализатора, шайба из фторопласта для защиты пленки анализатора от повреждений. Лазер полупроводниковый ЛПМ680СТ, фотоприемник New Focus 1801, осциллограф Tektronix 784.

В примере реализации заявляемого устройства по второму варианту используются следующие типы материалов: подводящее оптоволокно типа ОК-ММ, корпус датчика магнитного поля выполнен из эбонита, материал микролинз - стекло К8, поляризационная пленка Cellulose Acetate Buterate (CAB) толщиной 0.017 дюйма применяется и в качестве поляризатора, и в качестве анализатора, ячейка Фарадея, выполненная из флинта ТФ5 или МОС31, имеет для МОС31 постоянную Верде на длине волны =0.633 мкм, равную 0.2 мин/(Эр·см). Лазер полупроводниковый ЛПМ680СТ, фотоприемник New Focus 1801, осциллограф Tektronix 784.

Измерения с помощью заявляемого устройства по первому варианту производят следующим образом: перед проведением измерений весь оптический тракт настраивается так, чтобы в максимуме интенсивности света фотоприемник работал ниже зоны насыщения, интенсивность попадающего в фотоприемник светового излучения легко регулируется вращением коннекторов или адаптеров, что не применялось в аналоге и прототипе. В момент импульса тока лазерное излучение после прохождения магнитооптического датчика приобретает амплитудную модуляцию, она имеет вид синусоидальной кривой с изменяющимся во времени периодом. Замена одного датчика тока на другой осуществляется сменой отрезка оптоволокна, выполняющего роль датчика тока, при необходимости также заменяется втулка оптического коннектора. Сигнал регистрируется фотоприемником и регистрирующей аппаратурой. Исходя из характера модуляции света определяется полный угол поворота плоскости поляризации. Чувствительность датчика известна заранее, т.е. заранее известно при какой амплитуде тока происходит поворот плоскости поляризации на угол 90°. После математической обработки полученного сигнала получаем значение тока и форму токового импульса. Используя данную методику, удалось померить ток величиной 40 МА.

Измерения с помощью заявляемого устройства по второму варианту производятся абсолютно аналогичным образом. Перед проведением измерений весь оптический тракт настраивается так, чтобы в максимуме интенсивности света фотоприемник работал ниже зоны насыщения, интенсивность попадающего в фотоприемник светового излучения достигается юстировкой датчика магнитного поля, но возможен вариант изготовления неюстируемого датчика магнитного поля, который соеденяется со световодами оптического тракта посредством оптических коннекторов и адаптеров. В момент импульса тока лазерное излучение после прохождения магнитооптического датчика приобретает амплитудную модуляцию, она имеет вид синусоидальной кривой с изменяющимся во времени периодом. Сигнал регистрируется фотоприемником и регистрирующей аппаратурой. Исходя из характера модуляции света определяется полный угол поворота плоскости поляризации. Чувствительность датчика известна заранее, т.е. заранее известно при какой амплитуде тока происходит поворот плоскости поляризации на угол 90°. Для датчика измерения напряженности магнитного поля его чувствительность зависит от длины волны света, длины флинта и материала, из которого он изготовлен. После математической обработки полученного сигнала находим величину и форму импульса магнитного поля. С помощью данной методики удалось померить величину напряженности магнитного поля 10 МГс.

Таким образом, заявляемое устройство по сравнению с прототипом позволило измерять амплитуду импульсного тока порядка 10⁸ А, в прототипе порядка 2·10⁶ А, и измерять напряженность магнитного поля в диапазоне 10^-2 10³ Тл. Кроме того, заявляемое устройство приобрело универсальность в плане измерения как силы тока, так и величины магнитного поля, и возникла возможность быстрой смены одного датчика на другой за счет того, что в конструкции используются оптические коннекторы и адаптеры.