3.7. Фазовые и поляризационные датчики магнитного поля

Интерес к волоконно-оптическим датчикам магнитного поля вызван принципиальной возможностью достижения рекордной чувствительности сопоставимой только с чувствительностью магнитометров на основе сверхпроводимости [156, 392]. Достоинствами волоконно-оптических магнитометров являются: возможность эксплуатации при комнатной температуре, малый уровень потребляемой мощности, большой диапазон измеряемых полей, а также все перечисленные в п. 3.1 преимущества, присущие ВОД в целом.

Принципы построения ВОД и способы снижения влияния шумов для малых и больших полей, для различных диапазонов частот значительно различаются. Для детектирования малых полей в основном используются интерферометрические методы, а для контроля больших — поляризационные. Для некоторых частных целей могут оказаться перспективными также простые датчики с модуляцией интенсивности.

Интерферометрические волоконно-оптические датчики магнитного поля.

В основе действия всех волоконно-оптических интер-ферометрических магнитометров (ВОИМ) лежит детектирование

изменения длины оптического пути в сигнальном плече интерферометра (см. п. 3.3), вызванного деформациями магнитострикцион-ного материала, который тем или иным способом прикрепляют к волокну.

На рис. 3.35 представлена схема интерферометрического датчика магнитного поля. Порог чувствительности датчика (минимально детектируемый сигнал) и амплитудно-частотная характеристика в значительной степени определяются параметрами ма-гнитострикционного материала, способом крепления или нанесения его на оптическое волокно, формой сенсорной части датчика, методами детектирования сигнала и подавления собственных и внешних шумов.

Предельная чувствительность ВОИМ [392] может быть оценена в предположении, что все деформации магнитострикционного материала, возникшие под действием детектируемого поля, полностью преобразуются в деформации волоконного световода.

Рис. 3.35. Интерферометрический датчик магнитного поля: 1 — источник; 2 — ответвитель; 3 — смеситель;

4 — опорное плечо; 5 — чувствительный элемент; 6 — фотоириемиик

Это достигается при различных методах изготовления датчика — приклеивания волокна к ленте из магнитострикционного материала, непосредственном нанесении толстой пленки (больше 10 мкм) на поверхность волокна и др. (рис. 3.36).

При этом допущении продольную деформацию волокна можно выразить [239] следующим образом:

где — константа магнитострикции, зависящая от материала и технологии его изготовления; Н — напряженность магнитного поля.

Напряженность поля Н, в котором находится датчик, можно представить как сумму напряженностей постоянного поля (поля Земли или поля смещения, создаваемого для обеспечения оптимальных условий работы магнитострикционного материала) и измеряемого переменного На, причем . В этом случае формулу (3.113) легко преобразовать к виду

Из условия симметрии волокна следует равенство деформаций

а из условия сохранения объема —

Изменение фазы оптического излучения, проходящего через волоконный световод длиной в результате деформаций

где — показатель преломления; — его изменение.

Рис. 3.36. Чувствительный элемент (сенсор) датчика магнитного поля: а — с чехлом из магнитострнкционного материала; б — полоска метгласа с приклеенным к ней волокном; в — цилиндр из магнитострикционного материала, обвитый волокном; — лента из из метгласа на каркасе

Изменение показателя преломления деформированного оптического волокна в результате эффекта фотоупругости описывается выражениями:

где — компоненты тензора фотоупругости.

Так как свет, распространяющийся в волоконном световоде, поляризован практически в поперечном направлении, то

Для чистого кварца Учитывая это, уравнение (3.117) преобразуем к виду

опираясь на формулу (3.114), уравнение (3.122) можно записать как

где т. — коэффициент, зависящий от константы напряженности постоянного поля длины волны излучения X и оптических свойств волокна. Ток фотодетектора, зависящий от изменения фазы излучения в рабочем плече интерферометра, в соответствии с формулой (3.57)

Соотношение сигнал/шум с учетом формулы (3.55) получает следующий вид:

Принимая можно определить минимально детектируемую напряженность магнитного поля по аналогии с формулой

При Гц ( мкм), из формулы (3.126) можно определить, что (для никеля). Для аморфных магнитострикционных материалов (мет-гласов) коэффициент магнитострикции на порядок выше и

Таким образом в принципе можно достичь рекордной чувствительности без применения криогенной техники. Однако при реализации датчиков магнитного поля, имеющих на практике чувствительность, приближающуюся к теоретически достижимой, возникает ряд проблем, основной из которых является снижение различного рода шумов (источников излучения, а также обусловленных процессами, происходящими на границах зерен при перемагннчивании магнитострикционных материалов, перепадами температуры и вибрациями). Влияние различных по природе шумов в диапазонах инфранизких частот и более высокочастотной области (100—1000 Гц) различно. Более просто создать датчики для больших частот, так как здесь незначительны шумы

лазеров, пропорциональные а шумы, вызванные влиянием температурьг и вибрациями, лежат в более низкочастотном диапазоне. В диапазоне 100—1000 Гц основное влияние на параметры магнитометра оказывают свойства магнитострикционного материала и выбор конструкции сенсора.

Магнитострикционные материалы, пспользуемые при изготовлении сенсоров ВОИМ, можно разделить на две группы: 1) магнитострикционные металлы (железо, никель, кобальт), а также сплавы на их основе; 2) магнитострикционные металлические стекла (метгласы).

Таблица 3.7. Константы магнитострикции материалов, применяемых в сенсорах ВОИМ [156]

При нанесении магнитострикционного материала непосредственно на оптическое волокно (сенсор типа «чехла») среднее значение константы магнитострикции может быть рассчитано по формуле (3.114):

Значения константы магнитострикции для некоторых материалов приведены в табл. 3.7. Из представленных в ней данных видно, что можно обеспечить и положительную и отрицательную магнитострикцию, причем значение константы магнитострикции метгласов на один-два порядка выше, чем у металлов. Из металлических материалов чаще всего применяют никель, имеющий достаточно высокие значения констант магнитострикции. Использование никеля требует очень высокой чистоты материала и отжига, что вызывает дополнительные трудности при нанесении никеля непосредственно на волоконный световод. При толщине никелевой пленки более 10 мкм после отжига при 1000 °С в водороде свойства пленочного покрытия соответствуют свойствам объемных образцов.

В табл. 3.8 приведены данные о чувствительности ВОИМ различного типа при работе на частоте При использовании метгласов достигается чувствительность на уровне поскольку в этом случае можно использовать волоконные световоды длиной 100—1000 м, вполне реально создание датчиков для

диапазона частот 100—1000 Гц с минимально детектируемым сигналом

Важными характеристиками датчика являются зависимость выходного сигнала от внешнего поля и амплитудно-частотные характеристики. Эти зависимости определяются как параметрами магнитострикциониого материала, так и конструкцией сенсора.

Полевая зависимость для ленточного сенсора (волоконный световод, приклеенный к полоске метгласа), обеспечивающего высокую чувствительность, линейна (рис. 3.37) на частоте 1 кГц [163]. Линейность отклика в области сильных полей ограничена в соответствии с формулой (3.50).

Рис. 3.37. Зависимость выходного сигнала датчика магнитного поля от амплитуды напряженности поля

Рис. 3.38. Амплитудно-частотные характеристики интерферометрическо-го датчика магнитного поля (кривые 1—3 соответствуют сенсорам, изображенным на рис. 3.36, а-в)

Амплитудно-частотные характеристики в области 100—10 000 Гц в зависимости от конструкции сенсора представлены на рис. 3.38. из которого ясно, что, оптимизируя конструкцию

Таблица 3.8. Чувствительность волоконно-оптических интерферометрнческих датчиков магнитного поля с сенсорами различных типов

сенсора и метод крепления волоконного световода, можно обеспечить пологую амплитудно-частотную характеристику.

Итак, высокая чувствительность ВОИМ в области частот 100—10 000 Гц достигается за счет оптимизации магнитострикционного материала и конструкции сенсора. Влияние шумов лазеров, шумов, вызванных вибрациями и колебаниями температуры, в этой области достаточно легко устраняется. В области квазистационарных маглитных полей и инфранизких частот наряду с параметрами магнитострикционного материала и формой сенсора большое влияние на чувствительность оказывают собственные и внешние шумы.

Снизить влияние этих шумов позволяет анализ выходных сигналов (см.п. 3.5) и использование гистерезиса магнитострикционных характеристик.

Рис. 3.39. Оптическая схема интерферометра (без смесителя): 1 — лазер; 2 — направленный ответвитель; 3 — фокусирующие линзы; 4 — коллимирующая линза; 5 — матрица фотодиодов; 6 — микропроцессор

При этом возможно достижение минимально детектируемого сигнала

Показателен следующий пример применения модифицированного интерферометра Маха — Цендера (рис. 3.39) и анализа выходных сигналов с помощью микропроцессора. Поле интерференции, образованное излучением двух выходных торцов волоконных световодов, проецируется на поверхность матрицы фотодиодов из 128 элементов. В этом случае полезный сигнал, т. е. фазовый сдвиг в сигнальном плече интерферометра, приводит к сдвигу полос, а шумы, обусловленные нестабильностью параметров источника излучения, и поляризационные влияют только на соотношение контрастности и интенсивности интерференционной картины. Обработкой цифровых сигналов на микропроцессоре обеспечивается выделение полезного сигнала на фоне шумов, что является развитием метода дифференциальной обработки [388].

Достоинствами этой более сложной схемы является то, что отпадает необходимость поддерживать выходной сигнал в квадратуре, так как используется не один максимум интерференционной картины, а вся картина, и подавать тестовые сигналы на сенсор.

При детектировании квазистационарных магнитных полей с помощью модифицированного интерферометра порог чувствительности в значительной мере зависит от конструкции сенсора.

Очевидно, что относительно низкие значения достигаются как за счет приклеивания волоконного световода к линейной полоске метгласа, так и в случае предварительной намотки на пластиковый цилиндр. Это дает возможность конструировать малогабаритные сенсоры с волоконными световодами большой длины. Полевая характеристика датчиков также сильно зависит от конструкции сенсора (рис. 3.40).

Другие методы повышения чувствительности в области инфранизких частот специфичны для ВОИМ и основываются на нелинейном характере зависимости магнитострикционного отклика от поля смещения.

Рис. 3.40. Зависимость выходного сигнала интерферометрического датчика от напряженности магнитного поля для различных конфигураций чувствительного элемента (кривые 1—4 соответствуют сенсорам, изображенным на рис. 3.36, а-г)

Такая зависимость для никеля и метгласа представлена на рис. 3.41.

В магнитометре, построенном по схеме интерферометра Майкельсона (рис. 3.42), на сенсор в виде волоконного световода, намотанного на никелевый цилиндр, подается поле смещения, соответствующее максимальной магнитострикционной чувствительности, и тестовые сигналы с частотой Гц.

Аппроксимируя в этой области полевую зависимость магнитострикции для никеля (рис. 3.41) как квадратичную, получим, что

где — тестовые сигналы с частотой — напряженность детектируемого поля с частотой Легко показать, что детектирование низкочастотного поля приведет к возникновению сигналов с частотами

При анализе спектра выходного сигнала достигается достаточно высокая чувствительность в области низких частот Применение для изготовления сенсора метгласа, имеющего большие значения константы магнитострикции, может повысить чувствительность до Данный метод детектирования позволяет создать достаточно чувствительные датчики для низких частот 10—100 Гц, но возникают понятные сложности при детектировании квазистационарных полей в диапазоне частот

Рис. 3.41. Зависимость деформации магнитострнкционного материала от напряженности магнитного поля

Рис. 3.42. Датчик магнитного поля на базе интерферометра Майкельсона: 1 — лазер; 2 — фокусирующая линза; 3 — сигнальное плечо; 4 — ответвитель; 5 — пьезокерамический компенсатор; 6 — полоска никеля метгласа; 7, 8 — генераторы сигналов; 9 — источник питания для поля смещения; 10 — фильтр низких частот, П — фотоприемннк

Схема детектирования квазистационарных магнитных полей (рис. 3.43), в которой используются активная фазовая компенсация и сдвиг петли гистерезиса при воздействии квазистационарных полей, обеспечивает достаточно высокую чувствительность [2311. К сенсору прикладывается высокочастотное тестовое поле с частотой и низкочастотное поле с частотой 0,2 Гц. В результате нелинейности магнитострикционной восприимчивости метгласа (см. рис. 3.41, а) на экране осциллографа наблюдается петля гистерезиса. Низкочастотные шумы, вызванные изменениями температуры и вибрациями, компенсируются с помощью пьезоэлектрического фазового модулятора в опорном плече интерферометра, но эти сигналы не влияют на выходной сигнал, так как селективный усилитель пропускает и усиливает сигналы только на частоте в узкой полосе. Внешнее детектируемое поле сдвигает рабочую точку на кривой магнитострнкционного отклика и соответственно на экране осциллографа наблюдается сдвиг петли гистерезиса. При использовании сенсора в виде волоконного световода длиной 5 см, приклеенного к полоске метгласа, была достигнута чувствительность в области частот менее 1 Гц. Увеличивая длину волоконного световода в сенсорах, можно ожидать достижения чувствительности

Более удобный для практического использования нулевой метод, основанный также на сдвиге рабочей точки на зависимости магнитострикционного отклика, позволяет детектировать квазистационарные поля с чувствительностью Схема построения датчика, в котором используется нулевой метод, представлена на рис. 3.44. К сенсору прикладывается постоянное поле, соответствующее нулевой чувствительности на кривой магнитострикционного отклика, и высокочастотные тестовые поля с частотой Внешнее квазистационарное поле сдвигает рабочую точку на кривой магнитострикционного отклика из нуля, что приводит к возникновению на выходе интерферометра сигналов тестовой частоты

Рис. 3.43. Схема детектирования квазипостоянных магнитных сигналов: 1 — лазер, 2 — линза; 3 — ртветвитель; 4,5 — генераторы сигналов; 6 — соленоид; 7 — пьезокерамнка; 8 — смеситель, 9 — фотоприемники; 10 — схема рбработки; И — синхронный детектор; 12 — усилитель

Эти сигналы усиливаются и с помощью петли обратной связи смещают рабочую точку обратно в нуль. По току компенсации в цепи обратной связи определяют квазистационарное поле. При данной схеме детектирования с использованием сенсора, представляющего волоконный световод длиной приклеенный между двумя лентами метгласа, была достигнута чувствительность на частоте 2 Гц.

Таким образом, волоконно-оптические интерферометрческие датчики магнитного поля (ВОИМ) могут обеспечить детектирование малых полей в диапазоне частот от тысячных долей до десятков тысяч герц. Для диапазона частот выше 100 Гц достигнута чувствительность, близкая к теоретически достижимой , а при использовании волоконных световодов большой длины можно достичь чувствительности Основные трудности при создании] таких датчиков связаны с необходимостью применения одномодовых, сохраняющих состояние поляризации волоконных световодов и источников излучения, обладающих высокой когерентностью.

Для квазистационарных полей и инфранизких частот различные методы детектирования позволяют достичь чувствительности Все проблемы, возникающие в процессе создания интерферометрических датчиков, сохраняются и для этого диапазона, кроме того, требуются сложные электронные схемы детектирования. На наш взгляд, принципиальным недостатком

большинства схем ВОИМ является наличие электрических цепей в сенсоре, что сводит на нет такое достоинство ВОД, как диэлектрическое исполнение, и затрудняет изготовление датчиков с различной диаграммой направленности. В этом плане перспективна схема модифицированного интерферометра с обработкой сигналов в цифровой форме, однако уровень шумов в этой схеме еще остается высоким и обеспечивается чувствительность только

Рис. 3.44. Схема датчика постоянного магнитного поля, в которой используется нулевой метод: 1 — лазер. 2 — ответвитель; 3 — линзы; 4 — опорное плечо; 5 — сигнальное плечо, 6 — коллимирующие линзы, 7 — смеситель, 8 — синхронный детектор, 9 — усилитель; 10 — генератор подмагничивания; 11 — фильтр низких частот; 12 — чувствительный элемент

Можно предположить, что дальнейшее совершенствование этой схемы позволит создать высокочувствительные датчики магнитного поля для квазистационарных полей, включающие сенсоры с заданной диаграммой направленности.