RU64383U1

RU64383U1 - SENSITIVE ELEMENT OF FIBER OPTICAL SENSOR OF ELECTRIC CURRENT

Info

Publication number: RU64383U1
Application number: RU2006122855/22U
Authority: RU
Inventors: Геннадий Анатольевич Иванов; Виктор Алексеевич Исаев; Сергей Аполлонович Никитов; Максим Владимирович Рябко; Николай Иванович Старостин; Юрий Константинович Чаморовский
Original assignee: ООО "Уникальные волоконные приборы"
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2007-06-27

Abstract

Изобретение относится к волоконной оптике. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока, выполнен в виде многовиткового контура из волоконного световода с эллиптической световедущей сердцевиной и со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления. Световедущая жила и светоотражающая оболочка волоконного световода имеют двойное легирование соединениями GeO₂ и В₂O₃, при этом в оболочке концентрация В₂O₃ превышает концентрацию GeO₂, а в области сердцевины концентрация GeO₂, превышает концентрацию В₂О₃, так что и оболочка и сердцевина имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки всегда положительная и может меняться в больших пределах. Техническим результатом изобретения является значительное повышение температурной стабильности чувствительного элемента и повышение точности волоконно-оптического датчика электрического тока при измерениях в широком диапазоне температур.The invention relates to fiber optics. The sensitive element of the fiber-optic electric current sensor is made in the form of a multi-turn contour of a fiber waveguide with an elliptical light guide core and with a spiral structure of fast and slow birefringence axes. The light guide conductor and the reflective cladding of the fiber have double doping with GeO ₂ and B ₂ O ₃ compounds, while in the cladding the concentration of B ₂ O ₃ exceeds the concentration of GeO ₂ , and in the core region the concentration of GeO ₂ exceeds the concentration of B ₂ O ₃ , so and the shell and core have the same coefficient of thermal expansion, and the difference in the refractive indices of the core and shell is always positive and can vary within wide limits. The technical result of the invention is a significant increase in the temperature stability of the sensing element and an increase in the accuracy of the fiber-optic electric current sensor during measurements in a wide temperature range.

Description

Изобретение относится к области волоконной оптики и предназначено для повышения точности измерений волоконно-оптических датчиков электрического тока (до 0.1%) в широком диапазоне температур (-40°С +85°С).The invention relates to the field of fiber optics and is intended to improve the accuracy of measurements of fiber-optic sensors of electric current (up to 0.1%) in a wide temperature range (-40 ° C + 85 ° C).

Волоконные датчики электрического тока (ВОДТ) могут применяться в силовых электрических сетях, контроле процессов плавления цветных металлов, системах электрической защиты и контроля токов утечки, в качестве вторичных эталонов тока.Fiber electric current sensors (VODT) can be used in power electrical networks, monitoring the processes of non-ferrous metal melting, electrical protection systems and monitoring of leakage currents, as secondary current standards.

Чувствительный элемент представляет собой волоконный световод, уложенный в виде многовиткового контура, в котором число волоконных витков определяется рабочим диапазоном измеряемого электрического тока.The sensitive element is a fiber light guide laid in the form of a multi-turn circuit, in which the number of fiber turns is determined by the operating range of the measured electric current.

Магнито-оптические свойства чувствительного световода зависят от наличия линейного двулучепреломления в световоде (внутреннего или наведенного внешним воздействием), которое, как правило, зависит от температуры. Этот фактор во многом определяет температурную стабильность чувствительного элемента и, соответственно, погрешность измерения электрического тока.The magneto-optical properties of a sensitive fiber depend on the presence of linear birefringence in the fiber (internal or induced by external influence), which, as a rule, depends on temperature. This factor largely determines the temperature stability of the sensitive element and, accordingly, the error in measuring the electric current.

В [1] для снижения температурного влияния двулучепреломления на точность ВОДТ в качестве световода для чувствительного элемента используют световод с предельно низким внутренним линейным двулучепреломлением. Для снятия наведенного изгибного двулучепреломления многовитковый контур из такого световода помещается в кольцевой кварцевый капилляр и отжигают в течение суток при температуре порядка 1000 градусов Цельсия, а капилляр заполняется сухим азотом и защищается силиконом. При этом температурные возмущения циркулярного двулучепреломления минимизируются, а изгибно наведенное напряжение снимается, фазовое запаздывание из-за остаточного внутреннего линейного двулучепреломления в контуре не превосходит 6 градусов на 20 м и почти не зависит от температуры. Проблема точности измерения тока в широком диапазоне внешних температур решается при таком подходе. Недостатком являются технологические сложности при изготовлении чувствительного элемента и высокие затраты, кроме того теряется ряд важных преимуществ цельноволоконного датчика тока, в частности, установка чувствительного элемента без разъединения силовой электрической цепи.In [1], in order to reduce the temperature effect of birefringence on the accuracy of the VODT, a fiber with an extremely low internal linear birefringence is used as a fiber for the sensitive element. To remove induced birefringence, a multi-turn contour from such a fiber is placed in an annular quartz capillary and annealed for a day at a temperature of about 1000 degrees Celsius, and the capillary is filled with dry nitrogen and protected by silicone. In this case, the temperature disturbances of the circular birefringence are minimized, and the flexurally induced voltage is removed, the phase delay due to the residual internal linear birefringence in the circuit does not exceed 6 degrees by 20 m and is almost independent of temperature. The problem of the accuracy of measuring current in a wide range of external temperatures is solved with this approach. The disadvantage is the technological difficulties in the manufacture of the sensitive element and the high costs, in addition, a number of important advantages of the whole-fiber current sensor are lost, in particular, the installation of the sensitive element without disconnecting the power circuit.

Другим подходом для построения высокоточного датчика тока является использование в качестве световода для чувствительного элемента Spun световода с большим встроенным двулучепреломлением (ДЛП).Another approach for constructing a high-precision current sensor is to use a fiber with a large integrated birefringence (DLP) as a fiber for the Spun sensing element.

Spun световод изготавливается из кварцевой заготовки с большим линейным ДЛП, которая крутится в процессе вытяжки световода. В результате образуется световод со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления с шагом спирали определяемым скоростью вытяжки световода и угловой скоростью вращения заготовки. При этом на чувствительность световода к магнитному полю электрического тока влияют встроенное линейное двулучепреломление и шаг спирали [2]. При определенном соотношении периода вращения двулучепреломляющих осей к длине биений встроенного двулучепреломления чувствительность Spun световода к продольному магнитному полю измеряемого электрического тока близка к чувствительности идеального световода. Достоинствами чувствительного элемента на Spun световоде является слабая чувствительность к механическим и акустическим воздействиям, простота изготовления и монтажа, а также возможность изготавливать чувствительные элементы для ВОДТ малых размеров (до 2 см в диаметре). Датчики The Spun fiber is made of a quartz blank with a large linear DLP, which spins during the drawing of the fiber. As a result, a fiber with a spiral structure of fast and slow birefringence axes is formed with a spiral pitch determined by the drawing speed of the fiber and the angular rotation speed of the workpiece. In this case, the built-in linear birefringence and the helix pitch affect the sensitivity of the fiber to the magnetic field of the electric current [2]. With a certain ratio of the rotation period of the birefringent axes to the beat length of the integrated birefringence, the sensitivity of the fiber Spun to the longitudinal magnetic field of the measured electric current is close to the sensitivity of an ideal fiber. The advantages of the sensing element on the Spun fiber are low sensitivity to mechanical and acoustic influences, ease of manufacture and installation, as well as the ability to produce sensitive elements for small-sized VODTs (up to 2 cm in diameter). Sensors

электрического тока с чувствительным элементом на основе Spun световода известны [US Patent, Appl. No.: 183977, 1998], [Us Patent, Appl. No.: 313690, 1994].electric current with a sensing element based on a Spun fiber is known [US Patent, Appl. No .: 183977, 1998], [Us Patent, Appl. No .: 313690, 1994].

Недостатком такого чувствительного элемента является зависимость линейного ДЛП используемых Spun световодов от температурных напряжений [5], что приводит к погрешности измерения электрического тока из-за температуры. В частности, масштабный коэффициент ВОДТ с чувствительным элементом на имеющихся Spun световодах может иметь температурную нестабильность (±5% в диапазоне -40°С до 85°С).The disadvantage of such a sensitive element is the dependence of the linear DLP of the used Spun optical fibers on temperature voltages [5], which leads to an error in the measurement of electric current due to temperature. In particular, the scaling coefficient of the HFTC with a sensitive element on existing Spun fibers can have temperature instability (± 5% in the range of -40 ° C to 85 ° C).

Наиболее близким по технической сущности и поставленной технической задаче является чувствительный элемент в датчике тока [6]. Чувствительным световодом здесь является Spun световод с линейным двулучепреломлением, определяемым геометрией сердцевины. Температурная стабильность данного чувствительного элемента несколько выше, чем у элементов на основе Spun световодов с другим типом ДЛП. Однако недостаточно высока для решения поставленной задачи. Объяснение тому следующее. Для создания ДЛП в световодах используются два основных подхода [7]: создание ассиметричного термоупругого механического напряжения в заготовке (или непосредственно в волокне) или создание волноводного (геометрического) ДЛП за счет некруглой формы световедущей области оптического волокна. Первый механизм принципиально зависит от температуры так как величина наведенного термоупругими напряжениями ДЛП пропорциональна разнице ΔT температуры размягчения кварцевого стекла Т_м в области, создающей напряжения, и окружающей температуры Т₀:ΔТ=Т_м-Т_о. Типичное значение Т_м составляет 600-800°С.The closest in technical essence and the technical task posed is a sensitive element in the current sensor [6]. The sensitive fiber here is the Spun fiber with linear birefringence determined by the geometry of the core. The temperature stability of this sensitive element is slightly higher than that of elements based on Spun optical fibers with a different type of DLP. However, not high enough to solve the problem. The explanation is as follows. Two main approaches are used to create DLP in optical fibers [7]: creating asymmetric thermoelastic mechanical stress in the workpiece (or directly in the fiber) or creating a waveguide (geometric) DLP due to the non-circular shape of the light-guiding region of the optical fiber. The first mechanism is fundamentally dependent on temperature since the value of the DLP induced by thermoelastic stresses is proportional to the difference ΔT of the softening temperature of the silica glass T _m in the voltage-generating region and the ambient temperature T ₀ : ΔТ = T _m -T _о . A typical T _m value is 600-800 ° C.

Второй механизм обычно рассматривается как температурно независимый, так как волноводное ДЛП действительно определяется только параметрами волновода и рабочей длиной волны. Наиболее типичным представителем таких волокон с большим ДЛП являются волокна с эллиптичной сердцевиной, как в [6]. Однако в реальности такие волокна дают уменьшение температурной зависимости линейного ДЛП примерно в 5-10 раз по сравнению с волокнами с термоупругим механизмом ДЛП. Это объясняется тем, что при создании эллиптической сердцевины образуются несимметричные области с различным типом и уровнем легирования. Такие области неизбежно приводят к появлению первого механизма ДЛП, который складывается или вычитается с геометрическим, и суммарное значение ДЛП также становится температурно зависимым.The second mechanism is usually considered as temperature independent, since the waveguide DLP is really determined only by the waveguide parameters and the operating wavelength. The most typical representative of such fibers with large DLP are fibers with an elliptical core, as in [6]. However, in reality, such fibers give a decrease in the temperature dependence of linear DLP by about 5–10 times compared with fibers with the thermoelastic mechanism of DLP. This is due to the fact that when creating an elliptical core, asymmetric regions with a different type and level of doping are formed. Such regions inevitably lead to the appearance of the first DLP mechanism, which is added or subtracted from the geometric one, and the total value of the DLP also becomes temperature-dependent.

Задача изобретения заключается в разработке новой модификации световода типа Spun для чувствительного элемента датчика электрического тока. Техническим результатом изобретения является минимизация влияния температуры на встроенное двулучепреломление световода, сложенного в многовитковую катушку и повышение точности волоконно-оптического датчика с чувствительным элементом из Spun световода до уровня, сравнимого с требованиями Европейского энергетического стандарта (0.1% в диапазоне температур -40°С +85°С). Сущность изобретения заключается в следующем. Предлагается волокно типа "Spun", в котором встроенный механизм линейного ДЛП определяется только волноводным механизмом, а термоупругий механизм полностью подавлен. Это достигается за счет того, что чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока, выполнен в виде многовиткового контура из волоконного световода с эллиптической световедущей сердцевиной и со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления, при этом световедущая жила и светоотражающая оболочка волоконного световода имеют двойное легирование соединениями GeO₂ и В₂О₃, в оболочке концентрация B₂O₃ превышает концентрацию GeO₂, а в области сердцевины концентрация GeO₂, превышает концентрацию В₂O₃, причем сердцевина и оболочка The objective of the invention is to develop a new modification of the fiber type Spun for the sensitive element of the electric current sensor. The technical result of the invention is to minimize the effect of temperature on the integrated birefringence of a fiber folded into a multi-turn coil and to increase the accuracy of a fiber optic sensor with a sensing element from a Spun fiber to a level comparable to the requirements of the European energy standard (0.1% in the temperature range -40 ° C +85 ° C). The invention consists in the following. A fiber of the "Spun" type is proposed in which the integrated linear DLP mechanism is determined only by the waveguide mechanism, and the thermoelastic mechanism is completely suppressed. This is achieved due to the fact that the sensitive element of the fiber-optic electric current sensor is made in the form of a multi-turn contour of a fiber light guide with an elliptical light guide core and with a spiral structure of fast and slow birefringence axes, while the light guide core and the reflective sheath of the fiber light guide are double doped GeO ₂ and В ₂ О ₃ compounds; in the shell, the concentration of B ₂ O ₃ exceeds the concentration of GeO ₂ , and in the core region, the concentration of GeO ₂ exceeds the concentration of В ₂ O ₃ , the core and the shell

имеют одинаковые коэффициенты температурного расширения, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки всегда положительная и может меняться в больших пределах.have the same coefficients of thermal expansion, and the difference in the refractive indices of the core and shell is always positive and can vary within wide limits.

В общем термоупругие напряжения, а значит и ДЛП определяются выражением [8]:In general, thermoelastic stresses, and hence DLP, are determined by the expression [8]:

где, Е - модуль Юнга для световода, С - фотоупругий коэффициент материала световода, α₁ и α₂ - коффициенты температурного расширения сердцевины и оболочки, T_m - температура размягчения кварцевого стекла, T_a - температура окружающей среды, R(θ) - радиус до границы слоев (оболочка - матрица), θ₀ - полярная координатаwhere, E is the Young's modulus for the fiber, C is the photoelastic coefficient of the fiber material, α ₁ and α ₂ are the thermal expansion coefficients of the core and cladding, T _m is the softening temperature of quartz glass, T _a is the ambient temperature, R (θ) is the radius to the boundary of the layers (shell - matrix), θ ₀ - polar coordinate

Отсюда следует, что, если все области с различными значениями термоупругих напряжений имеют круговую форму, то термоупругого ДЛП не возникает, а значит задача сводится к созданию структуры волокна в которой некруглая (эллиптичная) сердцевина окружена светоотражающей оболочкой, имеющей тот же самый коэффициент линейного расширения (КТР), что и сердцевина и максимально круговую внешнюю границу (Рис.1). Этого можно достичь, например, при двойном легировании GеО₂ и В₂О₃. При этом в области оболочки должно быть больше В₂О₃, а в области сердцевины GеО₂, так как первая добавка увеличивает показатель преломления, а вторая его уменьшает. Суммарная же концентрация подбирается так, чтобы обе области имели одинаковый коэффициент температурного расширения (обе добавки его увеличивают). В этом варианте возможно реализовывать различные величины разницы показателей преломления сердцевины и оболочки, а значит и реализовывать различные параметры распространения в волокне, например, изменять в широком пределе размер пятна основной моды. При этом в общем случае для сердцевины концентрация GеО₂ может меняться от 10 мол.% до до 30 мол.%, а концентрация В₂O₃ от 0 до 7 мол.%, для оболочки концентрация В₂O₃ лежит в пределах от 6 мол.% до 18 мол.%, а концентрация GеО₂ от 2.5 мол.% до 10.5 мол.%. Для нашего опытного образца световода были использованы следующие концентрации: сердцевина - GeO₂ (28.2 мол.%), В₂O₃ (0 мол.%), оболочка - В₂О₃ (10.5 мол.%), GeO₂ (4.3 мол.%).It follows that if all regions with different values of thermoelastic stresses have a circular shape, then thermoelastic DLP does not arise, which means that the task is to create a fiber structure in which a non-circular (elliptic) core is surrounded by a reflective sheath having the same linear expansion coefficient ( KTR), as the core and the most circular outer border (Fig. 1). This can be achieved, for example, by double doping of GeO ₂ and B ₂ O ₃ . Moreover, in the region of the shell there should be more than В ₂ О ₃ , and in the region of the core, ГеО ₂ , since the first additive increases the refractive index, and the second decreases it. The total concentration is selected so that both regions have the same coefficient of thermal expansion (both additives increase it). In this embodiment, it is possible to realize various values of the difference in the refractive indices of the core and the cladding, and, therefore, to realize various propagation parameters in the fiber, for example, vary the spot size of the fundamental mode over a wide range. Moreover, in the general case, for the core, the concentration of GeO ₂ can vary from 10 mol.% To 30 mol.%, And the concentration of В ₂ O _{3 is} from 0 to 7 mol.%, For the shell, the concentration of В ₂ O ₃ lies in the range from 6 mol.% up to 18 mol.%, and the concentration of GeO ₂ from 2.5 mol.% to 10.5 mol.%. The following concentrations were used for our prototype fiber: core — GeO ₂ (28.2 mol%), B ₂ O ₃ (0 mol%), sheath — B ₂ O ₃ (10.5 mol%), GeO ₂ (4.3 mol .%).

На рис.2 показана блок-схема волоконно-оптического датчика тока. Ее оптическая часть представляет собой отражательный волоконный интерферометр, который включает в себя расположенные в линию волоконно-оптические элементы, в частности, оптический излучатель 1, волоконный поляризатор 5, модулятор двулучепреломления 7, соединительную волоконную линию 8, четвертьволновую пластинку 9, чувствительный элемент 10 и зеркало 11.Figure 2 shows a block diagram of a fiber optic current sensor. Its optical part is a reflective fiber interferometer, which includes in-line fiber optic elements, in particular, an optical emitter 1, a fiber polarizer 5, a birefringence modulator 7, a connecting fiber line 8, a quarter-wave plate 9, a sensitive element 10 and a mirror eleven.

Оптическая схема датчика построена так, что на вход чувствительного волоконного контура поступают две циркулярно поляризованные ортогональные моды. Датчик работает следующим образом. Провод с электрическим током 12 помещается внутрь чувствительного волоконного контура. Магнитное поле протекающего тока в соответствии с эффектом Фарадея вызывает сдвиг фаз между циркулярно поляризованными световыми волнами, распространяющимися по чувствительному световоду. Этот сдвиг фаз пропорционален величине тока, числу витков контура и постоянной Вердэ для материала волоконной сердцевины. Анализируя интерференционный сигнал на выходе интерферометра получают информацию о величине измеряемого тока.The optical circuit of the sensor is constructed so that two circularly polarized orthogonal modes arrive at the input of the sensitive fiber circuit. The sensor operates as follows. A wire with electric current 12 is placed inside the sensitive fiber circuit. The magnetic field of the flowing current in accordance with the Faraday effect causes a phase shift between circularly polarized light waves propagating through a sensitive fiber. This phase shift is proportional to the magnitude of the current, the number of turns of the loop and the Verde constant for the material of the fiber core. By analyzing the interference signal at the output of the interferometer, information is obtained on the magnitude of the measured current.

Экспериментальная проверка опытного образца световода с линейным двулучепреломлением, изготовленного с учетом отмеченных выше требований, установила почти 100 кратное уменьшение температурной зависимости линейного двулучепреломления по сравнению с оптическим волокном с термоупругим механизмом ДЛП и 20 кратное по сравнению с данными, приводимыми в [6]. Проведенные нами расчеты влияния величины встроенного двулучепреломления на чувствительность Spun световода к магнитному полю электрического тока показывают, что достигнутой температурной стабильности линейного двулучепреломления достаточно для решения поставленной задачи.An experimental verification of a prototype linear birefringent optical fiber made taking into account the above requirements established an almost 100-fold decrease in the temperature dependence of linear birefringence compared to an optical fiber with a thermoelastic DLP mechanism and a 20-fold decrease in comparison with the data given in [6]. Our calculations of the effect of the built-in birefringence on the sensitivity of the Spun fiber to the magnetic field of the electric current show that the achieved temperature stability of linear birefringence is sufficient to solve the problem.

Источники информации:Information sources:

1. К.Bohnert, P.Gabus, J.Nehring and H.Brandle "Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor", Journal of Lightwave Technology, vol.20, No.2, pp.267-276, 2002.1. K. Bohnert, P. Gabus, J. Nehring and H. Brandle, “Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor”, Journal of Lightwave Technology, vol. 20, No.2, pp. 267-276, 2002.

2. В.П.Губин, В.АИсаев, С.К.Моршнев, А.И.Сазонов, Н.И.Старостин, Ю.К.Чаморовский, А.И.Усов "Использование волоконных световодов типа Spun в датчиках тока". Квантовая электроника, 36, (3), 287-291, 2006.2. V.P. Gubin, V.AIsaev, S.K. Morshnev, A.I. Sazonov, N.I. Starostin, Yu.K. Chamorovsky, A.I. Usov "Use of Spun fiber waveguides in current sensors " Quantum Electronics, 36, (3), 287-291, 2006.

3. US Patent, Appl. No.: 183977, 1998.3. US Patent, Appl. No .: 183977, 1998.

4. US Patent, Appl. No.: 313690, 1994.4. US Patent, Appl. No .: 313690, 1994.

5. Laming, Richard I. and David N. Payne " Electrical Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers" Journal of Lightwave Technology, v.7, No.12, pp.2084-2094.5. Laming, Richard I. and David N. Payne, “Electrical Current Sensors Employing Spun Highly Birefringent Optical Fibers,” Journal of Lightwave Technology, v. 7, No.12, pp. 2084-2094.

6. Ian G.Clarke, "Temperature-Stable Spun Elliptical-Core Optical-Fiber Current Transducer", Optics Letters, v.18, No.2, 1993, pp.158-160.6. Ian G. Clarke, "Temperature-Stable Spun Elliptical-Core Optical-Fiber Current Transducer", Optics Letters, v. 18, No.2, 1993, pp. 158-160.

7. Scott С.Rashleigh "Origins and control of polarization effects in single-mode fibres" // Journal of lightwave technology, vol. LT-1, No.2 June 1983.7. Scott C. Rashleigh "Origins and control of polarization effects in single-mode fibers" // Journal of lightwave technology, vol. LT-1, No.2 June 1983.

8. Pak L. CHU and ROWLAND A. SAMMUT "Analytical Method for Calculation of Stresses and Material Birefringence in Polarization - Maintaining Optical Fiber" //Journal of lightwave technology, vol. LT-2, No.5 October 1984, pp.650-662.8. Pak L. CHU and ROWLAND A. SAMMUT "Analytical Method for Calculation of Stresses and Material Birefringence in Polarization - Maintaining Optical Fiber" // Journal of lightwave technology, vol. LT-2, No.5 October 1984, pp. 650-662.

Claims

The sensitive element of the fiber-optic electric current sensor, made in the form of a multi-turn contour of a fiber waveguide having a reflective sheath doped with В ₂ O ₃ and GeO ₂ compounds and an elliptical light guide core doped with a GeO ₂ and В ₂ O ₃ compound with a spiral structure of fast and slow birefringence axes, characterized in that the concentration of B ₂ O ₃ in the reflective shell exceeds the concentration of GeO _2, wherein the sheath and core have the same coefficient of thermal races Irene, and the difference in refractive index of the core and shell is always positive.