Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока
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 В2O 3, при этом в оболочке концентрация В2 O3 превышает концентрацию GeO 2, а в области сердцевины концентрация GeO 2, превышает концентрацию В2О 3, 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.
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).
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.
Чувствительный элемент представляет собой волоконный световод, уложенный в виде многовиткового контура, в котором число волоконных витков определяется рабочим диапазоном измеряемого электрического тока.
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.
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.
Другим подходом для построения высокоточного датчика тока является использование в качестве световода для чувствительного элемента Spun световода с большим встроенным двулучепреломлением (ДЛП).
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
электрического тока с чувствительным элементом на основе Spun световода известны [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).
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 
T температуры размягчения кварцевого стекла Т м в области, создающей напряжения, и окружающей температуры Т0:Т=Тм-То. Типичное значение Тм составляет 600-800°С.
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.
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 GeO 2 и В2О3, в оболочке концентрация B2O 3 превышает концентрацию GeO2, а в области сердцевины концентрация GeO2, превышает концентрацию В2O 3, причем сердцевина и оболочка
имеют одинаковые коэффициенты температурного расширения, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки всегда положительная и может меняться в больших пределах.
В общем термоупругие напряжения, а значит и ДЛП определяются выражением [8]:
где, Е - модуль Юнга для световода, С - фотоупругий коэффициент материала световода, 
1 и 2 - коффициенты температурного расширения сердцевины и оболочки, Tm - температура размягчения кварцевого стекла, Ta - температура окружающей среды, R(
) - радиус до границы слоев (оболочка - матрица), 0 - полярная координата
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 GеО 2 и В2О3. При этом в области оболочки должно быть больше В2 О3, а в области сердцевины GеО 2, 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 В2 O3 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 - GeO 2 (28.2 мол.%), В2O 3 (0 мол.%), оболочка - В2О 3 (10.5 мол.%), GeO2 (4.3 мол.%).
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.
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.
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.
Источники информации:
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.
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.
3. US Patent, Appl. No.: 183977, 1998.
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.
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.
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.
Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока, выполненный в виде многовиткового контура из волоконного световода, имеющего светоотражающую оболочку, легированную соединениями В2O3 и GeO 2 и эллиптическую световедущую сердцевину, легированную соединением GeO2 и В2 O3 со спиральной структурой быстрых и медленных осей двулучепреломления, отличающийся тем, что концентрация В 2O3 в светоотражающей оболочке превышает концентрацию GeO2, при этом оболочка и сердцевина имеют одинаковый коэффициент температурного расширения, а разница показателей преломления сердцевины и оболочки всегда положительная.
