Поляризационные волоконно-оптические датчики магнитного поля.

Действие поляризационных волоконно-оптических датчиков магнитного поля основано на детектировании поворота плоскости поляризации излучения в сенсоре, соединенном с источником излучения и фотоприемником волоконными световодами. Обобщенная схема датчиков этого типа представлена на рис. 3.45. Сенсор может быть изготовлен либо на основе волоконного световода, смотанного в катушки или прикрепленного к держателю из магнитострикционного материала, либо на основе магнитооптических материалов, характеризующихся большим фарадеевским вращением. Принцип действия датчиков, в которых используется магнитострикционный эффект для преобразования изменения магнитного поля в изменение состояния поляризации, и датчиков, принцип действия которых основан на эффекте Фарадея, существенно отличаются.

В датчиках первого типа [317, 318] в результате деформаций магнитострикционного материала, возникающих под действием детектируемого магнитного поля, появляются неоднородные напряжения в двулучепреломляющем волоконном световоде, которые приводят к дополнительному увеличению разности фазовых скоростей поляризационных мод, что вызывает фазовый сдвиг После прохождения анализатора (например, призмы Волластона), установленного под углом 45° к направлению ортогональных поляризаций, интенсивность излучения, падающего на фотодетекторы 8 и 9, будет описываться выражениями:

где — фазовая задержка между поляризационными модами.

Рис. 3.45. Поляризационный датчик магнитного поля

1 — поляризатор, 2 — фокусирующая лииза, 3 — волокно; 4 — чувствительный элемент; 5 — коллимирующая лииза, 6 — компенсатор, 7 — призма Волластона; 8, 9 — фотоприемники

Результирующий сигнал после обработки электронной схемой пропорционален

Фазовый сдвиг определяется изменением фаз каждой поляризационной моды

где

Используя выражения (3.132)-(3.133), легкополучить уравнение для удельного изменения разности фаз [318]

где

Чувствительность определяется в основном величиной Для световодов с малым двулучепреломлением мкм, мкм. Если использовать волоконные световоды с большим двулучепреломлением в сенсоре такой

конструкции, чтобы деформации магнитострикционного держателя (цилиндра) приводили к анизотропным напряжениям по отношению к осям х и у волоконного световода, можно добиться значительного увеличения Для волоконных световодов с длиной биений мм экспериментально были зафиксированы значения мкм. Для сравнения заметим, что удельное изменение фазы интерферометра типа Маха — Цендера . При использовании волоконных световодов с мм чувствительность поляризационного интерферометра всего в 2,4 раза меньше, чем интерферометра Маха—Цендера.

Незначительная потеря чувствительности в данном случае компенсируется рядом преимуществ не требуются ответвители, допустимо снижение когерентности источников излучения, так как разность длин оптического пути для поляризационных мод обычно мала При длине волокна не более могут быть использованы даже светодиоды. Только при использовании волокна длиной в сотни метров и разности длин оптического пути мод, достигающей нескольких сантиметров, требуются лазеры со значительной длиной когерентности излучения. По этой же причине в поляризационном интерферометре фазовые шумы играют несущественную роль Для волоконно-оптических датчиков магнитного поля на основе поляризационного интерферометра достигнута чувствительность при работе на частоте 100 Гц при использовании волоконных световодов с малым двулучепреломлением и для волоконных световодов с длиной биений 2,6 мм [318].

Итак, при работе на частотах более 100 Гц поляризационные интерферометры почти не уступают интерферометрам других типов по чувствительности, но имеют ряд существенных преимуществ. Хотя возможность применения поляризационных интерферометров для детектирования квазистационарных полей и инфранизких частот не исследовалась, она, очевидно, существует, поскольку принципиальных ограничений для применения детектирования по нелинейности магнитострикционного отклика нет.

Поляризационные датчики магнитного поля на основе эффекта Фарадея можно, в свою очередь, разделить на две группы: полностью волоконные датчики, у которых сенсор изготовлен из волоконного световода; датчики, включающие элементы из магнитооптического материала, у которых волоконные световоды обеспечивают соединение сенсора с источником и приемником излучения.

В полностью волоконных датчиках под действием магнитного поля происходит перераспределение энергии между поляризационными модами, которое проявляется как поворот плоскости поляризации.

Соотношение между составляющими электрического поля оптического излучения, проходящего через волоконный световод

с однородным двулучепреломлением, может быть описано [137, 345] следующими выражениями:

где — двулучепреломление; — фарадеевское вращение на единицу длины;

Рис. 3.46. Катушка из оптического волокна в магнитном поле

Рис. 3.47. Зависимость интенсивности двух ортогональных мод на выходе волокна от числа витков в катушке при [на поле графика в более крупном масштабе показано периодическое изменение —

При отсутствии внешнего магнитного поля поляризация света, введенного в волоконный световод с однородным двулучепреломлением под некоторым углом к осям х и у, периодически меняется. На длине биений волоконного световода осуществляется полный цикл изменения состояния поляризации. В постоянном магнитном поле происходит периодическое перераспределение энергии между поляризационными модами. Для расчета соотношения необходимо учитывать влияние формы сенсора на фарадеевское вращение и двулучепреломление.

Для сенсора в виде катушки (рис. 3.46) фарадеевское вращение в однородном магнитном поле, приложенном [перпендикулярно к ее оси, определяется выражением

где V — константа Верде (для кварцевых световодов для нм); — радиус катушки; определяют вдоль волокна (для одного витка

Наведенное двулучепреломление описывается выражениями:

где радиус волокна; — экспериментально определяемый коэффициент, зависящий от материала волоконного световода (для кварцевых волокон при нм).

На рис. 3.47 представлены кривые, характеризующие распределение энергии между ортогональными модами в зависимости от числа витков в катушке Расчет произведен по формулам для случая т. е. для линейно-поляризованного света, вводимого параллельно оси х, для мкм, мм,

Когда (где — целое число витков), свет линейно поляризован с углом определяемым выражением

Для этого случая доля энергии, перераспределяемой от одной поляризационной моды в другую, описывается простым выражением

Минимально детектируемый сигнал у полностью волоконных поляризационных датчиков, в которых используется эффект Фарадея, определяется константой Верде и оптическими потерями в волоконном световоде. Расчет минимально детектируемого поля из уравнения, описывающего соотношение сигнал/шум с учетом только дробовых шумов фотодетектора, которое аналогично приведенному выше для интерферометрических датчиков (см. п. 3.4), показывает, что для волоконных световодов из чистого кварца при уровне оптических потерь оно составляет Таким образом, с точки зрения детектирования малых полей этот метод значительно уступает интерферометрическому, поэтому поляризационные датчики разрабатываются для измерения больших полей, например для контроля тока в линиях электропередач. Для этих целей не требуется очень высокая чувствительность, а такое достоинство датчика, как диэлектрическое исполнение, оказывается очень полезным. Установлено, что с помощью поляризационных датчиков возможно измерение токов от 0 до 1000 А.

Уменьшить габаритные размеры сенсоров можно за счет увеличения константы Верде, используя волоконные световоды из парамагнитных материалов [137]. Однако введение редкоземельных ионов в состав волоконного световода одновременно приводит к увеличению потерь.

В ряде случаев важную роль играет температурная стабильность датчика, а по этому параметру полностью волоконные поляризационные датчики уступают датчикам других типов.

Поляризационные ВОД магнитного поля, основанные на эффекте Фарадея, с сенсором из магнитооптического материала обладают теми же достоинствами, что и волоконные датчики (диэлектрическое исполнение). Это позволяет за счет выбора соответствующего материала и конструкции сенсора обеспечить

большие значения константы Верде, термостабильность и компактность сенсора. Важным достоинством является также использование дешевой элементной базы (многомодовых волоконных световодов и светодиодов). Схемы датчиков этого типа представлены на рис. 3.48-3.49. Под действием внешнего магнитного поля плоскость поляризации излучения, проходящего через сенсор, поворачивается на угол описываемый выражением

где — проекция поля на направление луча.

Рис. 3.48. Датчик магнитного поля с компонентами из парамагнитных стекол: а — сенсор; б - общая схема датчика; 1 — входное оптическое волокно; 2 — линза; 3 — поляризаторы; 4 — призма; 5 — отражающее покрытие — магнитооптическое стекло; 7 — выходное оптическое волокно; 8 — сеисор; 9 — подводящие оптические волокиа; 10 — оптические разъемы; 11 светоизлучающий диод; 12 — фотодиод; 13 — электропитание; 14 — система обратной связи; 15 — измерительный прибор

Интенсивность линейно-поляризованного света, плоскость поляризации которого повернута на угол изменяется после прохождения анализатора следующим образом:

где — угол между поляризатором и анализатором.

Для и малых справедлива аппроксимация

После обработки сигналов в решающем устройстве выходной сигнал становится пропорциональным

Такая схема обеспечивает невосприимчивость к амплитудным шумам источника излучения и вибрациям.

Материалы, применяемые для изготовления сенсоров, должны характеризоваться большими значениями постоянной Верде, обеспечивать стабильность ее значений в диапазоне измеряемых магнитных полей, малые оптические потери.

В табл. 3.9 приведены значения постоянной Верде материалов, используемых в настоящее время в датчиках [52]. Наиболее широко применяются парамагнитные стекла и пленки редкоземельных феррогранатов [195, 388, 392].

Схема датчика на основе парамагнитных стекол представлена на рис. 3.48. Для обеспечения компактности и достаточно большой длины оптического пути используется многократное отражение света. В полосе частот 1 кГц минимально детектируемый сигнал составляет обеспечивается линейность отклика в диапазоне частот до 500 Гц.

Рис. 3.49. Волоконно-оптический датчик магнитного поля на феррогранатовой пленке: 1 — преобразователь напряжения; 2 — схема пнтання источника излучения; 3 — оптические волокна; 4 — стержневая лннза; 5 — призма; 6 — поляризационный расщепитель пучка; 7 — феррогранатовая пленка; 8 — двулучепреломляющая призма; 9 — фотопрнемник; 10 — схема электронной обработки сигнала

Схема датчика магнитного поля на основе пленок редкоземельных феррогранатов приведена на рис. 3.49. Важным достоинством подобных датчиков является термостабильность. Линейность отклика в диапазоне напряженности магнитного поля составляет не менее

В диапазоне температур непостоянство выходного сигнала фиксировалось в пределах частотный диапазон составлял Гц. Диапазон измеряемых магнитных полей

Таблица 3.9. Константы Верде материалов, используемых в поляризационных ВОД [75, 212]

для датчиков на пленках редкоземельных феррогранатов определяется полем насыщения материала. Подобрав пленку определенного состава, можно обеспечить детектирование полей до Датчики магнитного поля на основе пленок феррогранатов в основном разрабатываются для измерения больших полей и конструируются на основе схемы, представленной на рис. 3.49, в которой излучение распространяется перпендикулярно к плоскости пленки. При этом нижний предел детектируемых полей определяется характеристиками движения доменных границ (коэрцитивностью, шумами Баркаузена) и на сегодня составляет

Рис. 3.50. Датчик магнитного поля на монодоменной плеике из феррогранатов: 1 — источник излучения; 2 — пленка феррограната; 3 — катушка, создающая поле насыщения; 4 — катушка, создающая внешнее поле; 5 — анализатор; 6 — фотопрнемник

Использование пленок с монодоменнойструктурой, имеющих очень малые поля насыщения (менее с вектором намагниченности, лежащим в плоскости пленки, и применение волноводного распространения света позволяют увеличить чувствительность датчиков до Схема построения датчика на монодоменной пленке представлена на рис. 3.50. В этом датчике излучение непосредственно вводится в пленку от источника излучения и выводится на фотодетектор, однако принцип действия датчика не изменяется при соединении пленки с источником и приемником излучения волоконными световодами. Теоретически достижимый минимально детектируемый сигнал при данной конструкции составляет

Таким образом, поляризационные ВОД магнитного поля могут быть созданы для детектирования полей от до Для измерения больших полей целесообразно применение более простых датчиков, в которых используется эффект Фарадея. На наш взгляд, перспективны датчики с сенсорами из парамагнитного стекла или пленок феррогранатов, так как они не требуют применения одномодового волокна и одномодовых источников излучения, более технологичны и обеспечивают хорошую стабильность параметров. При детектировании малых полей поляризационные интерфэрометры могут конкурировать по чувствительности с интерферометрами других типов, для конкретных целей их применение может оказаться наиболее целесообразным в связи с простотой технологии их изготовления. Для некоторых конкретных задач перспективно использование датчика на пленках из феррогранатов при волноводном распространении излучения, так как не всегда требуется максимальная чувствительность.

Хотя электронная обработка сигналов довольно сложна, такие датчики обладают целым рядом достоинств: они имеют малую массу и габаритные размеры, не требуют применения когерентных источников излучения и одномодовых волоконных световодов.