Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока

Полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использована в энергетике, сильноточной электронике для измерения электромагнитных полей, электрических токов и напряжений.

Задача, на которую направлена полезная модель, заключается в расширении функциональных возможностей датчика и повышении точности измерения.

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.

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.

Полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным устройствам и может быть использована в энергетике, сильноточной электронике для измерения электромагнитных полей, электрических токов и напряжений.

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.

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.

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.

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.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей датчика и повышение точности измерения.

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.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока.

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.

Последовательно с фотодиодом 7, соединены усилитель 8, аналого-цифровой преобразователь 9, запоминающий регистр 10 и жидкокристаллический индикатор 11. В волоконно-оптическом датчике

магнитного поля и электрического тока предусмотрены узлы связи (аналоговый и цифровой) с внешними устройствами в виде аналогового 12 и цифрового 13 выходов.

Заявляемый датчик работает следующим образом.

При прохождении света, излучаемого лазером или лазерным диодом 1, через поляризатор 2 он становится плоскополяризованным.

При прохождении электрического тока I по проводнику 4 вокруг него создается магнитное поле, напряженность которого по закону полного тока определяется как:

H=I/2R (1)

где R - расстояние от проводника с током до рассматриваемой точки.

В случае же измерения магнитного поля, последнее непосредственно воздействует на чувствительный элемент в виде катушки 3 из оптического волокна.

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:

=VN_oI (2)

где I - электрический ток; N_о - число витков катушки из оптического волокна; V - постоянная Верде.

При непосредственном воздействии магнитного поля угол фарадеевского вращения находится по формуле:

=VHL (3)

где L - длина пути света в катушке из оптического волокна.

В анализаторе 5 угол поворота плоскости поляризации плоскополяризованного луча преобразуется в изменение мощности оптического сигнала(Волоконно-оптический датчик /Под ред. Т.Окоси: Пер. с япон. - Л.: Энергоатомиздат, 1990, с.158).

P=0,5P_o(1+Sin) (4)

где Р_о - мощность света при отсутствии магнитного поля.

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.

В заявляемом датчике предусмотрены узлы связи (аналоговый и цифровой) с внешними устройствами в виде аналогового 12 и цифрового 13 выходов.

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.

Волоконно-оптический датчик магнитного поля и электрического тока, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.