RU2606935C1 - Волоконно-оптический датчик электрического тока - Google Patents
Волоконно-оптический датчик электрического тока Download PDFInfo
- Publication number
- RU2606935C1 RU2606935C1 RU2015138315A RU2015138315A RU2606935C1 RU 2606935 C1 RU2606935 C1 RU 2606935C1 RU 2015138315 A RU2015138315 A RU 2015138315A RU 2015138315 A RU2015138315 A RU 2015138315A RU 2606935 C1 RU2606935 C1 RU 2606935C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- analyzer
- polarizer
- sensor
- optically active
- electric current
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/22—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-emitting devices, e.g. LED, optocouplers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
- G01R19/32—Compensating for temperature change
Landscapes
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области измерения электрических токов и касается волоконно-оптического датчика электрического тока. Датчик содержит источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник. Поляризатор и анализатор имеют коэффициент экстинкции не менее 100 и их оптические оси повернуты относительно друг друга на угол, который выбирается из условия максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 ил.
Description
Изобретение относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использовано для бесконтактного измерения электрического тока.
Известны волоконно-оптические датчики электрического тока, способные бесконтактным образом проводить измерение электрического тока. Конструктивно такие датчики представляют устройство, содержащее источник излучения (светодиод на AlGaAs, длина волны 0,85 мкм), оптически активный кристалл Bi2GeO20, систему "поляризатор-анализатор", выполненную на уголковых призмах (polaryzed beam splitters), фотоприемник, градиентные линзы (Lightwave Technology, v. LT-1, 1, March 1983, p.93-97).
Указанный датчик 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 Bi2GeO20, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего (измеряемого) магнитного поля от протекающего электрического тока и собственного кругового двулучепреломления кристалла. Угол поворота плоскости поляризации можно записать как , где V - константа Верде материала; H - приложенное магнитное поле; L - длина кристалла; Θ - собственное круговое двулучепреломление кристалла. После выхода светового луча из кристалла, он проходит через анализатор. Оптические оси поляризатора и анализатора параллельны. После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству.
Недостатком датчика является низкая чувствительность, обусловленная параллельностью оптических осей поляризатора и анализатора, вследствие чего направление плоскости поляризации света, изменившейся под воздействием магнитного поля, не совпадает с направлением оптической оси анализатора, т.е. направлением максимального коэффициента пропускания анализатора.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство, описанное в патенте РФ №2213356, кл. G01R 29, 1998 г.
Данное устройство представляет собой волоконно-оптический датчик, содержащий источник излучения, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем значение длины оптически активного кристалла L0 и угол между оптическими осями поляризатора и анализатора α0 выбирается исходя из решения системы уравнений:
где L - длина оптически активного кристалла;
Θ - показатель собственного кругового двулучепреломления оптически активного кристалла;
V0 - значение коэффициента Верде при начальной температуре 20°C;
В данной системе уравнений (1) задает условие максимальной чувствительности от воздействия температуры окружающей среды, уравнение (2) задает условие максимальной чувствительности датчика.
Иначе говоря, устанавливаемый угол между оптическими осями поляризатора и анализатора задается путем поворота оптической оси анализатора относительно оптической оси поляризатора в два этапа: первоначальный угол поворота определяется исходя из условия максимальной чувствительности, дополнительный поворот определяется условием минимальной чувствительности к воздействию внешней температуры.
Устройство работает следующим образом.
Свет постоянной интенсивности от источника излучения по световоду проходит через градиентную линзу и попадает на поляризатор. Далее линейно поляризованный свет проходит через оптически активный кристалл, где происходит вращение плоскости поляризации светового луча под действием внешнего магнитного поля от протекающего электрического тока и собственного кругового двулучепреломления оптически активного кристалла. Далее луч проходит через анализатор, оптическая ось которого повернута на угол α0 относительно оптической оси поляризатора при длине оптически активного кристалла L0 (значение выбирается, как указано выше). После анализатора по световоду луч направляется к фотоприемному устройству. За счет задания значения α0 вышеуказанным способом обеспечивается температурная компенсация датчика при условии максимальной чувствительности датчика.
Анализ прототипа выявляет его существенный недостаток, который состоит в недостаточной чувствительности, что обусловлено особенностями характеристик поляризатора и анализатора.
Ожидаемым техническим результатом является повышение чувствительности датчика.
Указанный технический результат достигается тем, что в волоконно-оптическом датчике электрического тока, содержащем источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем оптические оси поляризатора и анализатора повернуты относительно друг друга на угол α0, который выбирается из условий максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности при длине оптически активного кристалла L0, поляризатор и анализатор имеют коэффициент экстинкции не менее 100.
На фиг. 1 изображен общий вид волоконно-оптического датчика в разрезе.
Волоконно-оптический датчик электрического тока работает следующим образом.
Поступающее по оптическому волокну на вход датчика через входной коннектор 7 оптическое излучение коллимируется коллиматором (градиентной линзой) 1, преобразуется в линейно-поляризованное световое излучение с помощью входного поляризатора 3, проходит через оптически активный кристалл 5 Bi2GeO20 и далее, проходя через анализатор 4, с помощью второго коллиматора 2 вводится через выходной коннектор 8 в выходное оптическое волокно, подключенное к входу фотоприемного устройства (ФПУ).
Анализатор 4 (второй поляризатор), устанавливаеся после оптически активного кристалла 5 Bi2GeO20 и позволяет преобразовать поворот плоскости поляризации света в изменение интенсивности света на выходе датчика. Угол между осями входного 3 и выходного 4 поляризаторов α0 выбирается при длине оптически активного кристалла L0 таким образом, чтобы достичь максимальной термокомпенсации при условии .
В отсутствие магнитного поля от протекающего электрического тока свет проходит через датчик, не изменяя направления вектора поляризации. Интенсивность света на входе ФПУ является постоянной и определяется углом между оптическими осями поляризатора и анализатора. При наложении на кристалл магнитного поля направление поляризации света изменяется, что приводит к изменению интенсивности света на входе ФПУ. Таким образом, с помощью магнитного поля осуществляется модуляция света, проходящего через датчик.
Чувствительность волоконно-оптического датчика к электрическому току определяется коэффициентом преобразования датчика, который пропорционален углу Фарадея<р. Коэффициент преобразования при заданной интенсивности света на входе датчика определяется с помощью матрицы Джонса.
Матрица Джонса для среды, обладающей как линейным, так и круговым двулучепреломлением (эллиптической фазовой пластины в базисе осей линейного двулучепреломления), имеет вид:
где , C - коэффициент кругового двулучепреломления, β - коэффициент линейного двулучепреломления, L - длина кристалла.
Для оптически активного кристалла Bi2GeO20 в магнитном поле суммарное круговое двулучепреломление складывается из собственного и наведенного магнитным полем (эффект Фарадея) двулучепреломлений: , где Θ - коэффициент собственного кругового двулучепреломления (оптической активности) в кристалле; , V - константа Верде, Н - проекция приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны. В идеальных оптически активных кристаллах Bi2GeO20 собственное линейное двулучепреломление β отсутствует, так как кристалл имеет кубическую симметрию и является изотропным. На практике, вследствие несовершенства кристаллов, возникают внутренние напряжения и, как следствие этого, возникает линейное двулучепреломление. Однако для ограниченных длин оптического пути света в оптически активном кристалле величина его мала по сравнению с величиной собственного кругового двулучепреломления Θ, что позволяет упростить расчеты коэффициента преобразования датчика.
Так, для приведенной конструкции (фиг. 1) матрица Джонса принимает вид:
где
MBGO - матрица оптически активного кристалла;
R(α) - матрица поворота на угол α, α - угол между разрешенными направлениями поляризатора и анализатора.
Расчет состояния поляризации и интенсивности света на выходе такой системы с учетом особенностей оптической схемы дает следующее значение для интенсивности света I на выходе:
Для того чтобы коэффициент преобразования и глубина модуляции магнитным полем были максимальными, необходимо выбрать значения L и α так, чтобы величина была близка к π/4.
В этом случае:
В приведенных расчетах мы считали, что анализатор и поляризатор являются «идеальными», т.е. имеют бесконечно большой коэффициент экстинкции. На практике такая ситуация не является достижимой.
Оценим влияние неидеальности анализатора и поляризатора на коэффициент преобразования датчика. Для этого рассмотрим случай максимальной чувствительности, когда (коэффициент преобразования максимален), и не будем учитывать наличие в кристалле линейного двулучепреломления. Матрица поляризатора (анализатора) будет иметь вид:
где Е и ε - коэффициенты пропускания поляризатора (анализатора) по разрешенному и запрещенному направлениям , ε«Е2 соответственно. В таком случае вектор Максвелла для световой волны на выходе системы будет иметь вид:
где E1, ε1 - компоненты вектора Максвелла, полученные после прохождения света через входной поляризатор (для простоты будем считать интенсивность излучения источника I0=1);
относительно входного поляризатора, Е2, ε2 - коэффициенты пропускания анализатора. Интенсивность излучения на выходе системы будет иметь вид:
Запишем коэффициент преобразования датчика:
где k1, k2 - коэффициенты экстинкции поляризатора и анализатора.
На фиг. 2 приведена зависимость нормированного коэффициента преобразования датчика от коэффициента экстинкции поляризатора (анализатора) (для простоты предполагалось, что k1=k2, т.е. поляризатор и анализатор одинаковы).
Видно, что качество поляризатора (анализатора) начинает сказываться, когда коэффициент экстинкции меньше чем 102. С уменьшением коэффициента экстинкции до 10 коэффициент преобразования уменьшается на 20%. Таким образом, для повышения величины коэффициента преобразования (чувствительности) датчика необходимо применять поляризатор и анализатор с коэффициентом экстинкции не менее 10.
Полученные аналитические зависимости получили подтверждение в результате проведенных экспериментальных исследований.
Claims (1)
- Волоконно-оптический датчик электрического тока, содержащий источник излучения, входной и выходной коннекторы, входной и выходной коллиматоры, поляризатор, оптически активный кристалл, анализатор, фотоприемник, причем оптические оси поляризатора и анализатора повернуты относительно друг друга на угол α0, который выбирается из условий максимальной температурной компенсации при максимуме чувствительности при длине оптически активного кристалла L0, отличающийся тем, что поляризатор и анализатор имеют коэффициенты экстинкции не менее 100.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138315A RU2606935C1 (ru) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015138315A RU2606935C1 (ru) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2606935C1 true RU2606935C1 (ru) | 2017-01-10 |
Family
ID=58452409
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015138315A RU2606935C1 (ru) | 2015-09-08 | 2015-09-08 | Волоконно-оптический датчик электрического тока |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2606935C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU202151U1 (ru) * | 2020-08-20 | 2021-02-04 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | Оптический датчик тока |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1989000701A1 (en) * | 1987-07-22 | 1989-01-26 | Square D Company | Electric current sensor using the faraday effect |
RU2213356C2 (ru) * | 2000-06-28 | 2003-09-27 | Московский государственный университет леса | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
US20150097551A1 (en) * | 2013-10-07 | 2015-04-09 | Xiaotian Steve Yao | Faraday current and temperature sensors |
-
2015
- 2015-09-08 RU RU2015138315A patent/RU2606935C1/ru active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO1989000701A1 (en) * | 1987-07-22 | 1989-01-26 | Square D Company | Electric current sensor using the faraday effect |
RU2213356C2 (ru) * | 2000-06-28 | 2003-09-27 | Московский государственный университет леса | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока |
US20150097551A1 (en) * | 2013-10-07 | 2015-04-09 | Xiaotian Steve Yao | Faraday current and temperature sensors |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В. И. Смыслов и др. "Волоконно-оптический датчик электрического тока на основе магнитооптических кристаллов Bi 12 SiO 20 и Bi 12 GeO 20 с чувствительным элементом однопроходного типа", ИЗМЕРЕНИЕ МОНИТОРИНГ УПРАВЛЕНИЕ КОНТРОЛЬ, No3(9), 2014 г., стр.41-46. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
---|---|---|
JP4556463B2 (ja) | 複屈折率測定装置 | |
JPS5918923A (ja) | 複屈折測定装置 | |
Pan et al. | Optical AC Voltage Sensor Based on Two $\hbox {Bi} _ {4}\hbox {Ge} _ {3}\hbox {O} _ {12} $ Crystals | |
CN102620907B (zh) | 一种测量光学器件相位延迟角度的方法 | |
Eftimov et al. | A simple fiber optic magnetic field and current sensor with spectral interrogation | |
BR102015012892A2 (pt) | aparelho de medição de tensão óptica | |
RU2606935C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик электрического тока | |
CN105300531A (zh) | 一种新型基于磁致旋光效应的波长计 | |
RU2590344C1 (ru) | Устройство для калибровки дихрографов кругового дихроизма | |
Ding et al. | Demonstration of compact in situ Mueller-matrix polarimetry based on binary polarization rotators | |
Barczak et al. | New optical glasses with high refractive indices for applications in optical current sensors | |
RU2648014C1 (ru) | Поляриметр для измерения постоянной верде прозрачных веществ | |
Jerrard | A high precision photoelectric ellipsometer | |
RU83340U1 (ru) | БЕСКОНТАКТНЫЙ ТЕРМОСТАБИЛЬНЫЙ ДАТЧИК НАПРЯЖЕННОСТИ ПОСТОЯННЫХ И ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В КРИСТАЛЛЕ Bi12SiO20 (BSO) | |
RU2608576C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик электрического тока | |
CN108801604A (zh) | 一种弹光调制器的相位延幅值定标与闭环控制装置及方法 | |
RU2723238C1 (ru) | Ячейка фарадея для измерителей тока в высоковольтных сетях | |
Yu | Fully variable elliptical phase retarder composed of two linear phase retarders | |
Garzarella et al. | Effects of crystal-induced optical incoherence in electro-optic field sensors | |
RU2213356C2 (ru) | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока | |
Marat et al. | Mathematical modeling of the fiber-optic converter on the magneto-optical faraday effect | |
Shopa et al. | Application of two-dimensional intensity maps in high-accuracy polarimetry | |
RU2539130C1 (ru) | Волоконно-оптическое устройство для измерения напряженности электрического поля | |
RU2748305C1 (ru) | Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока | |
del Mar Sánchez-López et al. | Simple spectral technique to identify the ordinary and extraordinary axes of a liquid crystal retarder |