RU53021U1

RU53021U1 - FIBER OPTICAL SENSOR OF MAGNETIC FIELD AND ELECTRIC CURRENT

Info

Publication number: RU53021U1
Application number: RU2005133669/22U
Authority: RU
Inventors: Марат Абдуллович Ураксеев; Игорь Сергеевич Бушмелев; Мусса Гумерович Баширов
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2006-04-27

Abstract

Полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использована в энергетике, сильноточной электронике для измерения электромагнитных полей, электрических токов и напряжений.The utility model relates to fiber-optic measuring devices and can be used in energy, high-current electronics for measuring electromagnetic fields, electric currents and voltages.

Задача, на которую направлена полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей датчика и повышении точности измерения.The task to which the utility model is directed is to expand the functionality of the sensor and increase the measurement accuracy.

Поставленная задача решается за счет того, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока источник оптического излучения выполнен в виде лазера или лазерного диода, в качестве приемника оптического излучения использован фотодиод, оптически соединенным с анализатором посредствам оптического волокна, а последовательно с фотодиодом соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий регистр и жидкокристаллический индикатор.The problem is solved due to the fact that the optical radiation source is made in the form of a laser or a laser diode in a fiber-optic magnetic field and electric current sensor, a photodiode is used as an optical radiation receiver, optically connected to the analyzer by means of an optical fiber, and connected in series with a photodiode amplifier, analog-to-digital converter, memory register and liquid crystal indicator.

В отличии от прототипа источник оптического излучения выполнен в виде лазера или лазерного диода, приемником оптического излучения является фотодиод, оптически связанный с анализатором посредством оптического волокна, а последовательно с фотодиодом соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий регистр, и жидкокристаллический индикатор.Unlike the prototype, the optical radiation source is made in the form of a laser or a laser diode, the optical radiation receiver is a photodiode optically connected to the analyzer via an optical fiber, and an amplifier, an analog-to-digital converter, a memory register, and a liquid crystal indicator are connected in series with the photodiode.

Description

Известен волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока (авторское свидетельство СССР №1383267, кл. G 01 R 3,/032, 1988), содержащий источник когерентного излучения, чувствительный элемент из волоконного световода, навитого на цилиндр из магнитострикционного материала с щелевидным разрезом вдоль образующей, фотодетектор и блок обработки сигнала.Known fiber-optic sensor of a magnetic field and electric current (USSR author's certificate No. 1383267, class G 01 R 3, / 032, 1988) containing a coherent radiation source, a sensing element of a fiber waveguide wound on a cylinder made of magnetostrictive material with a slit-like cut along the generatrix, a photodetector and a signal processing unit.

Недостатком данного датчика является его относительная громоздкость и недостаточно высокая точность вследствие косвенного метода измерения, заключающегося в том, что магнитное поле приводит к деформации цилиндра из магнитострикционного материала, и, следовательно, оптического волокна, намотанного на цилиндр. В результате изменяется оптическая длина пути, что приводит к изменению фазового сдвига, регистрируемого блоком обработки сигнала.The disadvantage of this sensor is its relative bulkiness and insufficiently high accuracy due to the indirect measurement method, which consists in the fact that the magnetic field deforms a cylinder of magnetostrictive material, and, consequently, an optical fiber wound on a cylinder. As a result, the optical path length changes, which leads to a change in the phase shift recorded by the signal processing unit.

За прототип принят волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока (патент US, №5463312, кл. G 01 R 1/04, 1996), содержащий источник оптического излучения в виде лазера, поляризатор, оптическое волокно, свернутое в катушку, обладающее линейным двойным лучепреломлением и круговым лучепреломлением, анализатор и приемник оптического излучения (фотоприемник). Внутри катушки расположен проводник с током.A fiber-optic sensor of magnetic field and electric current (US patent No. 5463312, class G 01 R 1/04, 1996) containing a source of optical radiation in the form of a laser, a polarizer, an optical fiber rolled into a coil having a linear birefringence and circular refraction, an analyzer and a receiver of optical radiation (photodetector). There is a current conductor inside the coil.

Недостатком данного датчика являются ограниченные функциональные возможности вследствие отсутствия блоков обработки сигнала с выхода приемника оптического излучения и возможности сопряжения с внешними устройствами и недостаточно высокая точность.The disadvantage of this sensor is its limited functionality due to the lack of signal processing units from the output of the optical radiation receiver and the possibility of interfacing with external devices and insufficient accuracy.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей датчика и повышение точности измерения.The task to which the utility model is directed is to expand the functionality of the sensor and increase the accuracy of the measurement.

Поставленная задача решается тем, что в волоконно-оптическом датчике магнитного поля и электрического тока, содержащем последовательно соединенные источник оптического излучения, лазер или лазерный диод, поляризатор, оптическое волокно, обладающее линейным двойным лучепреломлением, свернутое в катушку, внутри которой расположен проводник с током, анализатор и фотоприемник оптического излучения, в отличие от прототипа в качестве фотоприемника оптического излучения используется фотодиод, оптически соединенный с анализатором посредством оптического волокна, и последовательно с фотодиодом соединены усилитель, аналого-цифровой преобразователь, запоминающий регистр и жидкокристаллический индикатор.The problem is solved in that in a fiber-optic sensor of magnetic field and electric current, containing a series-connected optical radiation source, a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having linear birefringence, rolled into a coil, inside of which there is a current conductor, an analyzer and a photodetector of optical radiation, in contrast to the prototype, a photo diode optically connected to the analyzer via tion of the optical fiber, and a photodiode connected in series with an amplifier, an analog-digital converter, a storage register and a liquid crystal display.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока.Figure 1 shows the structural diagram of the inventive fiber-optic sensor of a magnetic field and electric current.

Устройство содержит в качестве источника оптического излучения 1 лазер или лазерный диод. Последовательно с ним соединены поляризатор 2, оптическое волокно, свернутое в катушку 3, обладающую линейным двойным лучепреломлением и круговым двойным лучепреломлением. Внутри катушки 3 проходит проводник 4 с измеряемым током I. Анализатор 5 оптически соединен посредством оптического волокна 6 с фотоприемником оптического излучения 7 в виде фотодиода.The device contains as a source of optical radiation 1 laser or laser diode. A polarizer 2, an optical fiber rolled up into a coil 3 having linear birefringence and circular birefringence, is connected in series with it. Inside the coil 3 passes a conductor 4 with a measured current I. The analyzer 5 is optically connected via an optical fiber 6 to a photodetector of optical radiation 7 in the form of a photodiode.

Последовательно с фотодиодом 7, соединены усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, запоминающий регистр 10 и жидкокристаллический индикатор 11. В волоконно-оптическом датчике In series with the photodiode 7, an amplifier 8, an analog-to-digital converter 9, a memory register 10 and a liquid crystal indicator 11 are connected. In the fiber optic sensor

магнитного поля и электрического тока предусмотрены узлы связи (аналоговый и цифровой) с внешними устройствами в виде аналогового 12 и цифрового 13 выходов.magnetic field and electric current communication nodes (analog and digital) are provided with external devices in the form of analog 12 and digital 13 outputs.

Заявляемый датчик работает следующим образом.The inventive sensor operates as follows.

При прохождении света, излучаемого лазером или лазерным диодом 1, через поляризатор 2 он становится плоскополяризованным.When the light emitted by the laser or laser diode 1 passes through the polarizer 2, it becomes plane-polarized.

При прохождении электрического тока I по проводнику 4 вокруг него создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как:When electric current I passes through conductor 4, a magnetic field is created around it, the intensity of which, according to the law of the total current, is defined as:

H=I/2πR (1)H = I / 2πR (1)

где R - расстояние от проводника с током до рассматриваемой точки.where R is the distance from the current conductor to the point in question.

В случае же измерения магнитного поля, последнее непосредственно воздействует на чувствительный элемент в виде катушки 3 из оптического волокна.In the case of measuring the magnetic field, the latter directly affects the sensitive element in the form of a coil 3 of optical fiber.

Катушка из оптического волокна служит магнитооптическим элементом Фарадея(Волоконно-оптические датчики/ Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.207). При воздействии на нее магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации плоскополяризованного луча света на угол фарадеевского вращения:A coil of optical fiber serves as the magneto-optical element of Faraday (Fiber Optic Sensors / Edited by T. Okoshi: Translated from Japanese. - L .: Energoatomizdat, 1990, p.207). When exposed to a magnetic field, the plane of polarization of the plane-polarized light beam rotates by the angle of the Faraday rotation:

φ=VN_oI (2)φ = VN _o I (2)

где I - электрический ток; N_о - число витков катушки из оптического волокна; V - постоянная Верде.where I is the electric current; N _about - the number of turns of the coil of optical fiber; V is the Verde constant.

При непосредственном воздействии магнитного поля угол фарадеевского вращения находится по формуле:With direct exposure to a magnetic field, the angle of the Faraday rotation is found by the formula:

φ=VHL (3)φ = VHL (3)

где L - длина пути света в катушке из оптического волокна.where L is the path length of light in a coil of optical fiber.

В анализаторе 5 угол поворота плоскости поляризации плоскополяризованного луча φ преобразуется в изменение мощности оптического сигнала(Волоконно-оптический датчик /Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.158).In analyzer 5, the angle of rotation of the plane of polarization of a plane-polarized beam φ is converted into a change in the power of the optical signal (Fiber Optic Sensor / Edited by T. Okoshi: Translated from Japanese. - L .: Energoatomizdat, 1990, p. 158).

P=0,5P_o(1+Sinφ) (4)P = 0.5P _o (1 + Sinφ) (4)

где Р_о - мощность света при отсутствии магнитного поля.where P _o - light power in the absence of a magnetic field.

Оптический сигнал (4) с выхода анализатора поступает по оптическому волокну в фотодиод 7, а далее в виде электрического сигнала в усилитель 8, усиленный аналоговый сигнал в аналого-цифровом преобразователе 9, преобразуется в цифровой код, который может храниться в запоминающем регистре 10 и представляется на жидкокристаллическом индикаторе 11 результатом измерения величины электрического тока или напряженности магнитного поля.The optical signal (4) from the output of the analyzer passes through the optical fiber to the photodiode 7, and then in the form of an electric signal to the amplifier 8, the amplified analog signal in the analog-to-digital converter 9 is converted into a digital code that can be stored in memory register 10 and presented on the liquid crystal indicator 11 by measuring the magnitude of the electric current or magnetic field strength.

В заявляемом датчике предусмотрены узлы связи (аналоговый и цифровой) с внешними устройствами в виде аналогового 12 и цифрового 13 выходов.The inventive sensor provides communication nodes (analog and digital) with external devices in the form of analog 12 and 13 digital outputs.

Таким образом, предлагаемый волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока отличается от аналогичных датчиков расширенными функциональными возможностями, заключающимися в возможности сохранения результатов измерения в запоминающем регистре и при необходимости его отображения на индикаторе и возможности сопряжения датчика с внешними устройствами посредствам аналоговых и цифровых выходов, а также увеличенной точностью.Thus, the proposed fiber-optic sensor of the magnetic field and electric current differs from similar sensors in its expanded functionality, which consists in the possibility of storing the measurement results in a memory register and, if necessary, displaying it on the indicator and the possibility of pairing the sensor with external devices via analog and digital outputs, as well as increased accuracy.

Claims

A fiber-optic magnetic field and electric current sensor containing a series-connected optical radiation source, a laser or a laser diode, a polarizer, an optical fiber having linear birefringence, rolled up into a coil, inside which there is a current conductor, an analyzer and a photodetector of optical radiation, characterized the fact that as a photodetector of optical radiation, a photodiode is used, which is optically connected to the analyzer by means of an optical fiber, and a follower a photodiode connected to an amplifier, analog-to-digital converter, a memory register and the liquid crystal display.