SE428061B - Fiberoptisk metapparatur - Google Patents

Description

:s1os47s-6p7 10. 15 20 225, 502 35 ~" “ 'Illätapparaturenenligt uppfinningen kännetecknas .där-av, att givaren: G för- sedd med minstitvå optiska filter, där minst ett filter är placerat i strål- gången på ena sidan om den magnetooptiska modulatorn och minst ett annat filter placerat i strålgången på motsatta sidan av modulatom, samt att mätelektroniken E innehåller minst tre ljuskällor med skilda emissionsspektra .som så valda realtivt filtren i givaren, att ljuset från en av ljuskällorna absorberas i givaren i större utsträckning än ljuset från övriga ljuskällor, att ljuset från övriga. ljuskällor reflekteras från givaren, men att den mag- netooptiska modulatorn modulerar ljuset från en av dessa sistnämda ljuskällor i större utsträckning än den andra, samt att mätelektroniken E innehåller en beräkningsenhet för att ur en signal från en detektor, optiskt kopplad till ljusledaren, beräkna den magnetooptiska modulationsgraden med kompensation för varierande och reflexer i fiberoptiksystemet. ' Uppfinningen är exemplifierad i bifogade figurer, av vilka figur 1 visar ett fiberoptiskt mätsystem för av magnetiska fält. Den i givaren ingående komponenten visas mer i detalj i figur 2 och spektralkurvor visas i figur 3.

I figur 4 sammanfattas strålgången i givaren och i figur 5 visas en spektral- karakteristik, Figur 6 visar ett filters transmissionskarakteristik och figur 7' visar' spektrala samband. Figur 8 visar hur magnetfält kring en strömgenom- fluten ledare _samlas upp i en ringkärna och figur 9 visar hur en strömgenom- fluten spole av önskad utformning också kan användas för generering av magnet- fåltet i givaren. Figur 10 visar hur man mäter mekaniska storheter med ett mätsystem enligt figur 1. Figur 11 och 12 visar en eller flera strömlmetsar som integreras med sensorstrulrturen i figur 2. i I i Figur1 visar ett fiberoptiskt mätsystem för mätning av magnetiska fält (B).

Switchen 1 kopplar i tur och ordning in lys- eller laserdioderna 2, 3, 4, som emitterar ljus lming centrumvåglängdešzna Å1, Å resp ÄB. För att inte emissionsspektra från ljuskällorna skall överlappa varandra finns ett optiskt filter 5, 6 resp 7 mellan varje ljuskälla och den optiskafibern 8, 9 resp 10, till vilken ljus inkopplas. .Via förgreningarna 11 och 12 leds ljuset till den transparenta fotodetektorn 15, vars utsignal förstärkas av 14 och via skill- nadsbildaren 15 och regulatorn 16 användes för reglering' ljusintensiteten från ljuskällor-na 1-3. Det ljus, som passerar den transparenta fotodetektorn 13, leds av fibem 17 fram till själva givaren, som består av en fältkoncentrator 18, en lins 19, två interferensfilter 20 och 24, två polarisatorer 21 och 23, ett magnetooptiskt material 22, en ljusabsorbator 25 samt en permanentmagzet 26. Det av interferensfiltren 20 och 24 tillbaka in i fibem 17 reflekterade 10 15 20 25 50 55 8105473~6 ljuset leds via förgreningen 12 och fibern 27 till fotodetektorn 28. Signalen från detektorn 28 kopplas av switchen 29 i tur och ordning till förstärkar- och sample-b-hold-kretsarna 30, 31 och 32 för lagring av värdena på. de ljus- intensiteter, som når 28 då. ljuskàlllorna 2, 3 resp 7 är ínkopplade. Utsigza- lerna från 50-32 påföres processorn 55, som ur dessa signaler beräknar mät- värdet, vilket indikeras av 54.

De i själva givaren ingående komponenterna, linsen utelämnad, visas mer i detalj i figur 2. Det magnetooptiska materialet består av ett substrat 22a med en tunn film av ferromagnetiskt material 22b, som är så valt, att optiska domäner uppträder. Ett exempel på en klass av sådana material utgör orto- ferriter (RFeO3), där E kan vara en sällsynt jordartsmetall. En mängd material finnes syntetiserade med egenskaper att vara magrietiskt anisotropa., så att domänstrllkturerna uppträder i tunna skikt. Vid val av material för givar- tillämpxzingar önskas stor Faraday-rotation (t ex FeB0öz4-10ö grader/ om vid Å = o,5/um, YIG=1,5-1o5 grader/cm vid A = 1,1 /um och Gdïenooï grader/Cm Ä = 1,15 vid de i fiberoptiksammazzhang normalt förekommande våglängderna samt en inte alltför hög ljusabsorption (FeBOB 100 cm_1 vid Ä = 0,5 /um och YIG 7 ëm"1 vid Ã= 1,1 /um). För att få ett så. litet temperaturberoende som möjligt bör materialet inte ha någon absorptionskant vid det andra våglängde- intervallet, samtidigt som Faraday-vridningens'temperatur-beroende bör vara minimal. Vidare bör materialet väljas så, att temperaturberoendet vad gäller domänernas storlek vid pålagt yttre fält hålles vid en låg nivå.. Det resul- terande temperaturberoendet hos den magnetooptiska modulatorn kan kompenseras genom att använda ett temperaturberoende biasmagnetfält, vilket t ex kan er- hållas med en temperaturberoende permanentmagnet 26. Denna kan t ex tillverkas av materialet Indox. För att erhålla ett väldefinierat fält, vinkelrätt mot skikten 22b, är en fältkoncentrator 18 anordnad på fibersidan av givaren.

För detektering av Faraday-rotationen åstadkommen av domäner-na i 22b finnes 'bvålpolariserande skikt 21 och 23. Dessa är vridna relativt varandra på. ett sådant sätt, att po-larisatidnsvridningen, âstadkommen av den ena domäntypen (magnetiserad i en riktning) ger liten ljustransmission, medan den andra domäntypen (magrxetiserad i motsatta riktningen) ger en högre ljustransmission.

Då. den ena domäntypen växer på den andras bekostnad på grund av ett ändrat externt magnetfält, kommer således ljustransmissionen genom det optiska syste- met 21, 22 och 23 att ändras. P För att med hög noggrannhet via den optiska fibern 17 kunna detektera dessa förändringar i ljustransmission användes våglängdsnniltiplexing, vilket utföres 10 415 20 25 504 55. s1cs47s-se 4 interferensfiltren 20 och 24. Den oytiska mättekniken bakom detta kan be- skrivas med hjälp av spektralklirvorna i figur 3. De tre ljuskällorna 2, 3 _ och 4 ger emissionsspektra 35, 36 och 37. Filtren 5, 6 och 7 med transmissions- spektra 38, 39 och 40 garanterar, att det vid de olika våglängdsområdena (A1, Ä? 5) in i fiberoptiken kopplade ljuset inte har överlappande spektra. Med hjälp av den transparenta fotodioden 13 garanteras, att ljus- energivärdena i de olika våglängdsområdena hålles vid ett konstant förhållande relativt varandra. Interferensfiltret 20 i givren med transmissionskurvan 41 reflekterar ljuset i våglängdsområdet Å1, vilket användes vid kompenseríng för varierande fiberdämpning. Interferensfiltret 24 i givaren med transmis- sionsbmvang42 reflekterar ljuset i våglängdsomz-ådet ÅZ, vilket användes för beräkning av ljustransmissionen genom_ 21, 22 och 23. Ljuset som transmitteras genom 24 och ligger i vâglängdsområdet Ä; absorberas i skiktet 25. I våglängde- området Ä 5 erhålles således endast till detektorn 28 ljus, som härrör från i reflexer i optiksystemet. Således användes ljuset i våglängdsområdet A5 för kompensering för varierande reflexer.

I figzm~4 sammanfattas strålgången i givaren. Inkommande ljus med våglängderna Å1, Å 2 och Ä 3 delas upp av interferensfiltret 20 i punkten 43 upp i en trans- mitterad opolariserad signal med våglängderna Å 2 och Å; och en reflekterad signal med Å1. I polarisatcrn 21 linjärpolariseras ljuset (vid 44) och i 22 vrides polarisationsplanet i två riktningar (45) i beroende av vilken domän- typ som passerats. Då. detta ljus passerat polarisatorn 23 (vid 46) kommerrljus med den ena polarisationsriktningen att släckas ut och i interferensfiltret 24 (vid 41) kommer därför endast en ljuskomponent från den andra polarisations- riktningen av reflekteras och åter passera 23 (46'), 22 (45') och 21 (44') för att bära mätinformationen vidare till detektorn 28. Det av 24 transmit- terade ljuset (i 47) med våglängden ÄB absorberas av 28 (i 48).

Om de polariserande ylattom 21 och 23 är dikroiska och om absorbatorn 25 er- sättas av en reflektor kan ínterferensfiltren 20 och 24 utelämnas. Detta förut- sätter att spektralkarakteristik enligt figur 5 användes. 49, 50 och 51 utgör Spektra för det till sensorn kommande ljuset. 52 är absorptionsspektrum för polarisatorerna 21 och 23 i en polarisationsriktning x och 53 i en annan polari- sationsriktning y. Enligt figur 5 kommer Ål att absorberas (användes för kom- pensering av reflexer i optiksystemet), Åz att polariseras (för mätning av domäntillståndet) och .Ä 3 att transmitteras. Då. 25 ersatts av en reflektor kommer således Ãz att reflekteras tillbaka och påverkas av polarisatorsystemet två gånger såsom beskrivits i anslutning till figur 4, medan 5 lcommer att 10 15 20 25 50 55 8105473-6 'sfl reflekteras tillbaka opåverkad och därigenom kan användas för kompensering av dämpning i optiksystemet.

För kompensering av temperaturberoendet hos sensorn kan ett temperaturkänslig-t filter 54 sättas in någonstans mellan interferensfiltren 20 och 24 i figur 2.

I figur 6 visas hur detta filters transmíssionskarakteristik 55 kan ordnas så, att en absorptionskant erhålles Åz-området. En höjning av temperaturen komer att flytta. denna absorptionskants läge åt längre våglängder (55a '-3 55b), varigenom ljuset vid Ãz komer att absorberas i större utsträckning. Detta kan direkt användas för kompensering av en på. grund av 21, 22 och 25 med tem- peraturen ökande transmission. Om 21-25 i stället erhåller en med temperaturen minskande transmission kan ett filter med. en absorptionskant enligt 56 använ- das. Filtren kan skräddarsys med olika. temperaturkoefficienter genom lämpligt val av tjocklek och material för en given ljuskarakteristik 50.

I stället för att optiskt kompensera för temperaturens inverkan på givaren kan detta göras elektroniskt, varvid givartemperaturen måste mätas. Detta göres enklast genom att införa. ytterligare en ljuskälla 58 med filter 59 och ljusledare 60 i mätoptiken (figur 1) och ytterligare ett optiskt filter 57 i själva givaren. De spektrala sambanden för detta system visas i figur 7. 61 utgör spektralfördehmingen hos ljuset från 58 sedan det passerat 59 och 62 utgör transmissionsspektrat hos filtret 57. Då. Gàåndras med temperaturen kommer en av temperaturen beroende ljushastighet att erhållas i våglängde- omrâdet Äâ. I beräkningsezmeten 35 extraheras sedan följande parametrar: fibërSystemets dämpning, fibersystemets reflexer, givarens temperatur samt magnetfältets storlek.

För detektering av de optiska domänerna har hittills Faraday-effekten i den magnetiska materialet utnyttjats. En alternativ teknik för domândetekterirlg utgör möjligheten att belägga. ytan hos 22b med en ferrofluid, varigenom domäner- nas skilda magnetiseringsriktningar kommer att orientera de magnetiska partik- larna i ferrofluiden så, att' en av domäntypen och domänväggama beroende ljus- dämpning erhålles i ferrofluidskiktet. För uppmätning av dessa. dämpningsvariaf- tioner kan antingen opolariserat ljus eller polariserat ljus användas, varvid 21 och 25 respektive enbart 25 blir överflödiga.

Magneten 26 är inte nödvändig om inget temperatur-matchat offsetmagzxetfält Icrävs eller om inte egenskaperna hos en speciell typ av domäner, som t ex bubblor är nödvändiga. Om magxetiska bubbeldomäner skall utnyttjas krävs ett sfo547s-6 fö 10 15 20 25 BO 55 'biasfält som är större än det fält, som krävs för att stripe-domäner skall falla sönder i bubbeldomäner och mindre än bubbelkollapsfältet. Eftersom 'bubbelkollapsfáltet minskas med ökad temperatur måste även offsetfältet från magzeten' 2,6- minska med ökad temperatur, vilket kan erhållas genom lämpligt i val av permanentmaguetmaterial (Index). En av fördelarna med att arbeta med domäner av 'bubbeltyp är en mindre hysteres och större relativa transmissions- förändringar. Om polarisatorerna 21 och 23 vrides så, att allt ljuset genom de delar av den magnetiska tunnfilmen 22b, som inte är bubblor utsläckes, kommer den optiska signalen efter polarisatorn 23 att vara proportionell mot D2 sing S , där D är diametern hos bubblorna och 6 ärf-vinkeln mellan polarisa- tionsriktningen hos det ljus, som passerat bubblorna och polarisationsriktnizxgen hos polarisatom 25. I t ex Y1,4Gdo,6l3i.'E'e5,8Ga1,2012 kan ljustransmissionen genom 21, 22 och ZB-systemet ändras en faktor 5 för en ändring av det externa magnetfältet utanför givaren mellan 0 och 20 Oe, förutsatt ett biasfält på 60 Oe.

Om magnetfaltet B genereras av en ström I kan mätsystemet enligt fig 1 även användas för strömmätning. I figur 8 visas således hus magietfältet B kring en strömgenomfluten ledare 66 samlas upp i en ringkärna 65, i vilken ett luft- gap tagits upp för inmontering av magnetfältsgivaren 64. 17 är den optiska fibern, som förbinder 64 med en mätutrustning 63(E). För införandet av fibern 1,7 i luftgapet har ett tangentiellt hål tagits upp i ringkärnan 65.' Naturligt- vis kan en strömgenomfluten spole 67 av önskad utformning också användas för generering av magnetfältet i givaren, vilket visas i fig 9. I stället för att generera magxetfältet med en yttre strömlcrets som i figur 8 och 9 kan detta göras med en flera strömlcretsar, som integreras med sensorstrlzkturen i figur 2.

Hur detta kan göras visas i figur 11 och 12. I figur 11 har en strömslinga 69 lagts i samma plan som den magnetooptiska modulatorn 22, varvid strömmen I kommer att addera eller subtrahera i beroende av dess riktning ett fält HI till respektive från det av biasmagzxeten 26 åstadkomma fältet Ebias. Strömmen I kan även utnyttjas för positionering av domänema på 22bzs yta genom att lägga på. ett ledningsmönster direkt på. 22 enligt figur 12. I figtir 12 är det utlagt ett antal parallella strömbanor, genom vilka strömmen I ledes i en och samma riktning. Härigenom uppstår magzzetfältsfördelningen enligt figur 12b, vilket ger ett väldefinrlerat beroende mellan strömmen I och domänernas stor- lek. Genom att skräddarsy ledningsbanornas lay-out till optiksystemet över- föringsfimktioner kan ett linjärt samband erhållas mellan I och detektorljuset.

Slutligen skall nämnas möjligheten att mäta mekaniska storheter med mätsystemet

Claims (16)

8105473-6 7 enligt figur 1, vilket exemplifieras av figur 10, där magetfältetmvid sensorn 64 moduleras av avståndet X till permanentmagneten 68. Anordningarna enligt ovan kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentlmav. PATENTKRAV

1. Fiberoptisk mätapparatulr för mätning av magrzetfält, ström, läge och olika. mekaniska storheter, bestående av en givare (G), kopplad till en mät- elektronik via minst en optisk fiber (17), och där givaren innehåller en magzetooptisk modulator (22) med ett domànbildande magnetiskt material (22b), k ä n n e t e c k n a. d därav, att givaren (G) är försedd med minst två optiska filter, där minst ett filter (20 ooh/eller 21) är placerat i strål- gången på. ena sidan om den magxetooptiska. modulatom (22) och minst ett annat filter (24 och/eller 25) är placerat i strålgången på motsatta Siam av modulatorn (22), samt att mätelektroniken :innehåller minst tre ljus- källor (2-4) med skilda emissionsspektra, som är så valda relativt filtren i givaren (G), att ljuset från en av ljuskällorna absorberas i givaren i större utsträolmíng än ljuset från övriga ljuskällor, att ljuset från övriga ljuskällor reflekteras från givaren, men att den magnetooptiska modulatorn modulerar ljuset från en av dessa sistnämnda ljuskällor i större utsträckning än den andra, samt att mätelektroniken ixmehåller en berälmingsenhet för att ur en signal från en detektor, optiskt kopplad till ljusledaren (17), beräkna. den magnetooptiska modulationsgraden med kompensation för varierande dämpning och reflexer i fiberoptiksystemet.

2. Fiber-optisk mätapparatur enligt patentkrrav 1, k ä n n e t e c k n a. d därav, att givaren (G) irmehåller ett i strålgången monterat filter (54 eller 57), som har en temperatur-beroende dämpning inom en av ljuskällornas våg- längdsområden (50 eller 61): varigenom temperatur-beroendet hos den optiska modulatom kompenseras .

3. 5. Fiberoptisk níärtapparatur enligt patentlmav 2, k ä n n e t e c k. n a d därav, att nämnda filter med temperaturberoende dämpning har en absorptions- kant i nämnda våglängdsområde, samt att temperatur-beroendet erhålles genom den av temperaturen inducerade våglàlngdsförskjutningen av nämnda absorptions- kant. 8¶05473-6 8

4. 7 Fiberoptisk mätapparatm enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d därav, att en fjärde ljuslmïlla (58) med från övriga ljuskällor skilt emissions- spektmzm (61) användes för avkänning av givarens temperatur, samt att nämnda filter med temperaturberoende dämpning är så valt och så placerat i givaren, att ljuset ut från givaren i den fjärde ljuskällans våglängdsområde har ett större temperatur-beroende än ljuset i övriga våglängdsområden.

5. (Fiberoptisk mätapparamr enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, 7 att av nämnda filter är minst ett av interferenstyp och/eller att minst två. är dikroiska polarisatorer. » _»

6. Fiber-optisk mätappamatur erLligt patentkrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att ljuskällorna utgöres av lys- och/eller laserdioder, och att nämnda våglëïngdseperation erhålles genom att välja halvledardioder med olika bandgap i det ljusemitterade halvledarskiktet och genom att placera interferensfilter (59, 5-7) mellan ljuakallorna och fibaroptikavstamat (60, 8-40).

7. Fiheroptisk mätapparattir enligt patentkrav 1, k ä n_n e t e o kn a d aarav, att ljuset från ljuakallama uppmanas innan det nått givaren (G) i och för kompensation för skillnader i ljusstyrka mellan ljuskällorzxa.

8. Fiheroptisk mätapparahir enligt patentkrav 7, k ä n n e t e c k n a' d därav, att mätning utföres med en transparent fotodiod i ljusledarens (17) strålgång, eller med en konventionell fotodetektor, som avkänner från ljusledaren (17) via beamsplitter och förgrening utkopplat ljus.

9. Fiberoptisk mätapparatnr enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda magnetooptiska modulator (22) består av ett anisotropt magnetiskt skikt (22b) med utbildade magrxetiska domäner, att dessa domäner är magnetiserade i två alternativa riktningar, antingen ut från skiktet eller in mot skiktet, att det magnetiska fältet har en komponent vinkelrät mot skik- tet och att storleksvariatidner hos denna magnetfältskomponent ger upphov till varierande storleksrelationer mellan de magnetiska domäner, som är' magnetíse- rade parallellt respektive antiparallellt i nämnda magetfaltskomponent.

10., Fiber-optisk mätapparatw enligt patentkrav 9, k ä n n e t e c k n a d därav, att nänmda. varierande storleksrelationer mellan magnetiska domäner med i förhållande till det yttre fältet parallell respektive antiparallell magne- tisering avkàlnnes optiskt medelst två ljuspolarisationer, där en polarisator 81205473-6 9 (21) är placerad i 'strålgången på ena sidan om den magnetooptiska modulatom (22) och den andra modulatorn (23) är placerad i strålgången på den andra sidan av modulator (22) samt att polarieatorerxxae polarisationsriktningar är vridna i förhållande till varandra för detektering av den av de magnetiska domänerna förorsakade polarieationsvridningen genom Faraday-effekten.

11. Fiberoptisk mätapparatwir enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c 'k n a. d därav, att minst en permanentmagtrlet (26) är placerad i sensorn för erhållande av ett biasmagnetfält, vikelrätt mot den magnetooptiska modulatorns yta (22).

12. Fiberoptisk mätapparatur enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den magnetiska modulatorn (22) är placerad i luftgapet av en magne- tisk krets, i vilken minst en elektrisk ström genererar ett magnetfält.

13. Fiberoptisk mätapparatur enligt patentkrav 1, k. ä n n e t ere k n a d därav, att en elektrisk spole (69) är lagd på modulatorns (22) yta, varigenom det av spolströmmen genererade magzetfältet vinkelrätt mot modulatorskiktet (22b) ger en optiskt detekterbar signal.

14. Fiberoptisk mätapparatur enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att elektriska ledare (70) lagts på. den magnetiska modulatorns (22) yta, varigenom en med den genom ledarna genomflutna strömmen beroende fält- fördelning erhålles över modulatorn för modulering av dess magnetiska och optiska egenskaper.

15.. Fiberoptisk mätapparatzrc enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den magnetooptiska modulatorn (22) är anordnad att påverkas av en eller flera i rymden rörliga permanentmagneter (68).

16. Fiberoptisk mätapparatllr enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den magnetiska modulatorns (22b) yta har försetts med ett skikt av en ferrofluid. °