RU2213356C2 - Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока - Google Patents
Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического токаInfo
- Publication number
- RU2213356C2 RU2213356C2 RU2000116649A RU2000116649A RU2213356C2 RU 2213356 C2 RU2213356 C2 RU 2213356C2 RU 2000116649 A RU2000116649 A RU 2000116649A RU 2000116649 A RU2000116649 A RU 2000116649A RU 2213356 C2 RU2213356 C2 RU 2213356C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- fiber
- polarizer
- magnetic field
- crystal
- temperature
- Prior art date
Links
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам. Предлагаемый волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока содержит источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник. Значение длины оптически активного кристалла и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора выбраны так, чтобы отклонение от температуры величины константы Верде компенсировалось отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала. Технический результат - высокая температурная стабильность датчика. 1 ил.
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использовано в энергетике, сильноточной электронике для измерения электромагнитных полей, электрических токов и напряжений.
Широкое освещение в настоящее время получили работы по созданию датчиков магнитного поля и электрического тока. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемым результатам является волоконно-оптический датчик тока, рассмотренный в Lightwave Technology, v. LT-1, 1, March 1983, р.93-97 и взятый в качестве наиболее близкого аналога.
Конструктивно известный датчик представляет собой устройство, содержащее источник излучения (AlGaAs LED, длина волны 0,85 мкм), оптически активный кристалл Bi12GeO20 и систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы. В качестве соединителей используются многомодовые оптические волокна с диаметром сердцевины 100 мкм и числовой апертурой 0,18.
Описанное устройство 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 Bi12GeO20, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего (измеряемого) магнитного поля и собственного кругового двулучепреломления кристалла.
Угол поворота плоскости поляризации можно записать как
ψ = ψA+ψF = VHL+θL,
где V - константа Верде материала;
Н - приложенное магнитное поле;
L - длина кристалла;
θ - собственное круговое двулучепреломление кристалла.
ψ = ψA+ψF = VHL+θL,
где V - константа Верде материала;
Н - приложенное магнитное поле;
L - длина кристалла;
θ - собственное круговое двулучепреломление кристалла.
После того как луч вышел из кристалла, он проходит через анализатор. Оптические оси поляризатора и анализатора параллельны. После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству.
К недостаткам описанной конструкции необходимо отнести значительную температурную погрешность - ≈4o на интервале температур от -25o до +65oС, обусловленную температурными дрейфами собственного кругового двулучепреломления θ и константы Верде кристалла V.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока, отличающегося от аналога улучшенными техническими характеристиками, а именно - высокой температурной стабильностью.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока, содержащем источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α выбирают в зависимости от длины кристалла.
Проведя матричные преобразования при заданном состоянии входной поляризации, получим выражение для вектора Максвелла и через него вычислим интенсивность излучения I на входе фотоприемника.
При условии, что вклад линейного двулучепреломления кристалла по сравнению с вкладом кругового двулучепреломления мал и им можно пренебречь, выражение для I запишем в виде
где α - угол между оптическими осями поляризатора и анализатора;
I0 - интенсивность света в отсутствие внешнего магнитного поля Н.
где α - угол между оптическими осями поляризатора и анализатора;
I0 - интенсивность света в отсутствие внешнего магнитного поля Н.
Рассмотрим коэффициент преобразования оптически активного кристалла датчика, определяемый как относительное изменение интенсивности света I на входе фотоприемника:
В первом приближении зависимость Sн от температуры t можно записать в виде
где V0 и θ0 - параметры V и θ, взятые при t0=20oС. Из выражения (1) следует, что изменение коэффициента преобразования датчика Sн при изменении температуры окружающей среды определяется двумя основными факторами: температурным дрейфом константы Верде материала и изменением от температуры величины коэффициента собственной оптической активности Далее запишем величину относительного отклонения коэффициента преобразования Sн(t) в виде:
Из выражения (2) представляется возможным выявить пути улучшения температурных характеристик данного датчика. Для этого разложим выражение (2) в ряд по t и найдем такое соотношение между длиной кристалла L0 и углом α0, при котором отклонение от температуры величины константы Верде будет компенсироваться отклонением от температуры величины оптической активности кристалла
Ограничимся первым членом разложения, приравняв его к нулю. Получим выражение:
Разрешим (3) по α:
Кроме того, при рассмотрении температурных характеристик датчика следует учитывать и тот факт, что выходной поляризатор должен быть ориентирован относительно входного так, чтобы глубина модуляции была максимальной.
В первом приближении зависимость Sн от температуры t можно записать в виде
где V0 и θ0 - параметры V и θ, взятые при t0=20oС. Из выражения (1) следует, что изменение коэффициента преобразования датчика Sн при изменении температуры окружающей среды определяется двумя основными факторами: температурным дрейфом константы Верде материала и изменением от температуры величины коэффициента собственной оптической активности Далее запишем величину относительного отклонения коэффициента преобразования Sн(t) в виде:
Из выражения (2) представляется возможным выявить пути улучшения температурных характеристик данного датчика. Для этого разложим выражение (2) в ряд по t и найдем такое соотношение между длиной кристалла L0 и углом α0, при котором отклонение от температуры величины константы Верде будет компенсироваться отклонением от температуры величины оптической активности кристалла
Ограничимся первым членом разложения, приравняв его к нулю. Получим выражение:
Разрешим (3) по α:
Кроме того, при рассмотрении температурных характеристик датчика следует учитывать и тот факт, что выходной поляризатор должен быть ориентирован относительно входного так, чтобы глубина модуляции была максимальной.
Это значит, что выражение (4) должно удовлетворять требованию:
2(θL+α) = π/2.
Решение системы (5)
позволяет для данного кристалла получить параметры L0 и α0, при которых достигается улучшение температурных характеристик датчика при максимальной глубине модуляции сигнала.
2(θL+α) = π/2.
Решение системы (5)
позволяет для данного кристалла получить параметры L0 и α0, при которых достигается улучшение температурных характеристик датчика при максимальной глубине модуляции сигнала.
Так, при типовых значениях исходных данных для кристалла Bi12SiO20 V0= 6,88•10-5 рад/А; рад/А град;
θ =170 рад/м;
Из системы (5) получим L0=6 мм, α =13o30'.
θ =170 рад/м;
Из системы (5) получим L0=6 мм, α =13o30'.
Это значит, что при взаимной ориентации оптических осей поляризаторов 13o30' и длине кристалла 6 мм, датчик магнитного поля и электрического тока практически не чувствителен к дрейфу параметров что повышает точность датчика на порядок при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.
На чертеже представлена схема волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока, где 1 - источник излучения, 2 - световоды, 3 - градиентные линзы, 4 - поляризатор, 5 - кристалл, обладающий круговым двулучепреломлением, 6 - анализатор, 7 - фотоприемное устройство.
Устройство работает следующим образом.
Свет от источника излучения 1 по световоду 2 проходит через градиентную линзу 3 и попадает на поляризатор 4. Далее свет проходит через кристалл 5, анализатор 6, градиентную линзу 3 и попадает на фотоприемник 7. Интенсивность излучения на входе фотоприемного устройства 7 описывается выражением (1). При этом оптические оси поляризатора 4 и анализатора 6 ориентированы под углом α0, что соответствует длине кристалла L0.
Для определения величин параметров α0, L0 используется система двух уравнений (5).
В переменном магнитном поле Н датчик измеряет составляющую магнитного поля, совпадающую с продольной осью кристалла 5.
По результатам экспериментальных исследований дрейф коэффициента преобразования на интервале температур от 0 до 100oС составил 0,2%, что на порядок лучше, чем у ближайшего аналога.
Claims (1)
- Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока, содержащий источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, отличающийся тем, что значения длины оптически активного кристалла L0 и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α0 выбраны так, что отклонение от температуры величины константы Верде ΔV/Δt будет компенсироваться отклонением от температуры коэффициента собственного кругового двулучепреломления ΔΘ/Δt при обеспечении максимальной глубины модуляции сигнала.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000116649A RU2213356C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2000116649A RU2213356C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2000116649A RU2000116649A (ru) | 2002-04-27 |
RU2213356C2 true RU2213356C2 (ru) | 2003-09-27 |
Family
ID=29776501
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2000116649A RU2213356C2 (ru) | 2000-06-28 | 2000-06-28 | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2213356C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2606935C1 (ru) * | 2015-09-08 | 2017-01-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
RU2608576C1 (ru) * | 2015-08-11 | 2017-01-23 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
RU202151U1 (ru) * | 2020-08-20 | 2021-02-04 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | Оптический датчик тока |
RU2748305C1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "СЕДАТЭК" (ООО "СЕДАТЭК") | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
-
2000
- 2000-06-28 RU RU2000116649A patent/RU2213356C2/ru active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
БУСУРИН В.И., НОСОВ Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1990, стр.85. ОКОСИ Т. Волоконно-оптические датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.157-163. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2608576C1 (ru) * | 2015-08-11 | 2017-01-23 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
RU2606935C1 (ru) * | 2015-09-08 | 2017-01-10 | Акционерное общество "Научно-производственное объединение измерительной техники" | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
RU2748305C1 (ru) * | 2020-07-03 | 2021-05-21 | Общество с ограниченной ответственностью "СЕДАТЭК" (ООО "СЕДАТЭК") | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
RU202151U1 (ru) * | 2020-08-20 | 2021-02-04 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | Оптический датчик тока |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Peng et al. | Fiber optic current sensor based on special spun highly birefringent fiber | |
US5051577A (en) | Faraday effect current sensor having two polarizing fibers at an acute angle | |
US6301400B1 (en) | Fiber optic current sensor having rotation immunity | |
JPS5918923A (ja) | 複屈折測定装置 | |
GB2251940A (en) | Methods and apparatus for measurements dependent on the faraday effect | |
RU2086988C1 (ru) | Волоконно-оптическое устройство для измерения силы электрического тока | |
RU2213356C2 (ru) | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока | |
DE69502729T2 (de) | Optische interferometrische stromfühler und strommessverfahren | |
CN218381042U (zh) | 一种基于原子自旋进动的超高精度分光检测装置 | |
US7147388B2 (en) | Method for fabrication of an all fiber polarization retardation device | |
WO2015124678A1 (en) | Interferometric sensor with differential modulated phase detection | |
Barczak et al. | New optical glasses with high refractive indices for applications in optical current sensors | |
WO1989009413A1 (en) | Electro-optic probe | |
Pustelny et al. | Special optical fiber type D applied in optical sensor of electric currents | |
RU2608576C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик электрического тока | |
EP2715375B1 (en) | Fiber-optic voltage sensor | |
RU2606935C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик электрического тока | |
Zhao et al. | A heterodyne optical fiber current sensor based on a nanowire-grid in-line polarizer | |
RU61042U1 (ru) | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока | |
CN105890778A (zh) | 一种简易低成本的波长实时测量装置 | |
RU2748305C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока | |
SU1264084A1 (ru) | Способ измерени электрического тока | |
JPS6423126A (en) | Multiple light source polarization analyzing method | |
Li et al. | Measurement system of the fibers' verdet constant including a Faraday rotator mirror | |
Zhang et al. | Direct Laser Writing Spiral Sagnac Waveguide for Sensing Magnetic Field with Ultrahigh Sensitivity |