Рис. 3. Конструкция сенсорного узла ВОД магнитного поля и тока (1 - чувствительный элемент, 2 и 3 - поляройдные пленки,4 - трубка из кварцевого стекла, 5 и 6 - направляющие оптических волокон 7 и 8, 9 и10 - штекеры для подсоединения к передающему и фотоприемному модулю)
В датчиках использованы образцы ЖИГ+Bi № 1, 2 и 3, в соответствии с номером датчика. Оптическая ось максимального светопропускания поляроидной пленки - анализатора была повернута относительно оси поляроидной пленки - поляризатора на угол 45°. Волоконно-оптические линии для датчиков М1 и М3 состояли из оптического кабеля длиной 10 м с подводящим и отводящим волокнами типа "кварц-полимер" (с диаметром световодной сердцевины 400 мкм). Волоконно-оптические линии для датчика М2 состояли из оптического кабеля длиной 30 м, причем подводящая линия была из волокна типа "кварц-полимер" с диаметром световодной сердцевины 250 мкм, а отводящая - с диаметром световодной сердцевины 400 мкм
Структурная схема испытательного стенда для проверки датчиков тока приведена на рис.4.
Рис. 4. Структурная схема стенда для проверки ВОД магнитного поля и тока (1 - HeNe-лазер, 2 - микрообъектив,3 - позиционер, 4 и 6 -оптические волокна, 5 - сенсорный узел, 7 - фотоприемник, 8 - измерительно-индикаторный блок, 9 - катушка подмагничивания, 10 - амперметр, 11 - блок питания)
Стенд включает следующие элементы: 1 - гелий-неоновый лазер типа ЛГН-207А с выходной мощностью излучения 1 мВт на длине волны 633 нм, 2 - микрообъектив для фокусировки и ввода излучения в оптическое волокно, 3 - микропозиционер с втулкой для штекера датчика, 4 оптическое волокно, 5 - чувствительная головка, 6 - волокно с штекером для подвода излучения к фотоприемнику, 8 - измерительно-индикаторный блок прибора ОМК3-76, 9 - катушка подмагничивания, 10 - амперметр, 11 - блок питания постоянного тока. Катушка подмагничивания изготовлена из 1800 витков провода ПЭВ2 Ж0,35 мм, намотанного на цилиндрическом корпусе Ж10 мм длиной 50 мм.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Результаты измерений зависимости мощности оптического сигнала на выходном конце ВОД от силы тока в катушке подмагничивания для датчиков М1 и М2 приведены на рис.5. Аналогичные результаты для датчика М3 приведены на рис.6. На рис.5 и 6 одно из направлений тока в катушке подмагничивания принято за положительное, а другое - за отрицательное, что соответствует противоположным направлениям вектора напряженности магнитного поля, действующего на датчик. Экспериментально измеренные значения мощности оптического сигнала в зависимости от силы тока в катушке подмагничивания отмечены крестиками. Прямые линии определены методом наименьших квадратов. Средне-квадратическая ошибка аппроксимации для линий 1 и 2 (рис.5) составила не более 1% от мощности сигнала при максимальном светопропускании. Максимальные значения отклонений экспериментальных значений от апроксимационной прямой не превышали 2% для всех датчиков.
Рис. 5. Зависимость мощности проходящего излучения от тока в катушке подмагничивания для датчиков М1 (1) и М2 (2)
Как видно на рис.5, экспериментальные кривые, для датчиков М1 и М2, имеют линейную зависимость выходной мощности от силы тока в катушке. Для датчика М1 линейная зависимость выполняется в диапазоне от -400 до +320 мА. Для датчика М2 линейная зависимость выполняется в диапазоне от -360 до +420 мА. Эти диапазоны близки в связи с тем, что их чувствительные элементы изготовлены из образцов ЖИГ+Bi № 1 и 2 близких по своим параметрам. Отличия по интенсивности проходящего света (и наклона прямых) связаны с разной длиной волокон, различием их диаметров, потерями в оптических соединителях и с тем, что поляризаторы установлены под разными углами.
На рис.5 видно, что для датчика М1 при токе в цепи катушки подмагничивания равном -400 мА наступает коллапс доменной структуры и угол вращения Фарадея составляет -45°. Последнее приводит к полному гашению света выходным поляризатором-анализатором. При изменении тока от -400 до +340 мА наблюдается строго линейная зависимость выходной мощности оптического сигнала от тока в катушке подмагничивания. Количественная оценка отклонений от линейной зависимости показала, что отклонения не превышают 2%. Последнее значение вполне соответствует требованиям, предъявляемым к дистанционным измерителям-преобразователям.
При токе в катушке подмагничивания равном 340 мА напряженность магнитного поля в катушке достигает такой величины, при которой происходит коллапс доменов и угол вращения за счет эффекта Фарадея составляет +45°. Последнее приводит к почти максимальному пропусканию света через чувствительный элемент. Дальнейшее увеличение тока в катушке подмагничивания приводит к нелинейному увеличению интенсивности света на выходе датчика М1. Это связано с дальнейшим нарастанием угла поворота плоскости поляризации излучения и переходом её через область благоприятного пропускания поляризатора-анализатора.
Примерно аналогичная зависимость наблюдается у датчика М2 с набольшим смещением границ диапазона и наклона прямолинейного участка кривой (рис.6). Те же результаты получены для датчика М3. Линейный участок для этого датчика простирается от -350 до 450 мА. Более подробные закономерности можно видеть на рис.6.
Рис. 6. Зависимость мощности проходящего излучения от тока в катушке подмагничивания для ВОД М3
Для оценки погрешности измерений, связанных с гистерезисом магнитной пленки чувствительных элементов проводились измерения зависимости светопропускания датчиков М1,М2 и М3 от силы тока в катушке подмагничивания при его постепенном уменьшении от +500 мА до 0 и от -500 мА до 0. Разница с данными, полученными при увеличении силы тока в катушке до предельных значений, и при уменьшении до нуля составляла не более 1%, при точности измерений прибором ОМКЗ-76 равной 0,1%. Т.е., для требования точности дистанционных измерений 2%, гистерезис практически не значим.
Полученные результаты измерений показывают, что перестройка доменной структуры, как плавная, так и с изменением формы доменов, не сказывается на усредненном изменении светопропускания и не вносит нелинейных искажений в линейную зависимость интенсивности выходного сигнала от силы тока. Более того, при смене направления тока наблюдается изменение оптического сигнала в сторону уменьшения при возрастании силы тока противоположного направления. Это позволяет сделать заключение о возможности применения датчика для определения как силы тока, так и его направления.
Можно также отметить, что изменение формы доменов не сказывается на усредненном по сечению светового пучка угле поворота плоскости поляризации (за счет эффекта Фарадея), возникающем при действии на пленку магнитного поля. Другим следствием исследований является то, что перестройка доменной структуры в ферритовой пленке ЖИГ с Bi связана с электронной перестройкой и практически не требует энергетических затрат. Это создаёт предпосылки применения подобных датчиков для измерения высокочастотных токов и быстрых изменений магнитных полей.
Для калибровки магнитного поля и установления связи между напряженностью магнитного поля и силой тока в катушке подмагничивания, применялась следующая формула [6]:
H = JЧN (1+(2R/L)2)1/2, (2)
где J - сила тока, N - число витков, R - средний радиус витков, L -длина соленоида.
Катушка подмагничивания имела следующие параметры:
N = 1870 витков; R= 8 мм; L= 50 мм.
Подставив эти значения в формулу, получим: H » 2000ЧJ А/м.
С другой стороны, учитывая что напряженность поля при коллапсе третьего образца составляла 175 Эрст, а ток при этом составлял 0,35 А, получим: H = КЧJ = 175 Эрст. при токе 0,35 А или К=500 Эрст/А.
Учитывая, что при коллапсе наступало полное просветление, найдем постоянную Верде, воспользовавшись формулой (1):
B = j/(HЧZ) = 90°/(175 ЭрстЧ30Ч10-6 м) =2Ч104 град/Эрст.м.
Сравнивая полученный результат с данными о постоянных Верде для других материалов [6], можно отметить, что для ЖИГ с Bi она на два порядка выше, чем у чистого ЖИГ. Этот результат согласуется с данными [12].
Анализируя установку для исследования датчиков тока, приведенную на рис.4, можно сделать заключение о больших возможностях датчика тока с катушкой подмагничивания. Изменяя число витков в катушке подмагничивания можно получить линейный участок для измерения силы тока как в пределах от -1до +1А, так и в пределах от -100 кА до +100 кА. Причем можно измерять как постоянные, так и переменные токи.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведенные результаты исследований показывают большие возможности использования волоконно-оптических датчиков магнитных полей и токов с использованием в качестве сенсорного элемента тонких пленок ЖИГ с Bi. Измерители-преобразователи на их основе позволяют получать датчики дистанционного контроля с относительной точностью не хуже 2%. Сочетание катушки подмагничивания с отводками через определенное количество витков, через которую пропускается ток магистральной линии, позволяет изменять диапазон измерения силы тока от 100 мА до 100 кА. Для измерения сильных токов (более 1 кА) достаточно приложить датчик к токоведущей шине.
Установленный механизм изменения доменной структуры тонких магнитных пленок ЖИГ с Bi от напряженности магнитного поля и отсутствие влияния этих изменений на линейность светопропускания в зависимости от напряженности магнитного поля или силы тока показывает перспективность применения этих материалов в качестве сенсорных элементов. Наиболее целесообразно применение ВОД с подобными сенсорными элементами в условиях сильных электромагнитных наводок и помех, т.е. там, где требуется электромагнитная совместимость с электрическими цепями других устройств. Волоконно-оптические датчики необходимы и там, где требуется искро- и пожаробезопасность а также там, где необходим прямой контроль токов в высоковольтных тоководах.
Использование тонкопленочных сенсорных элементов позволяет делать их миниатюрными вплоть до размеров диаметра оптического волокна (250 мкм). Это дает возможность использовать их в труднодоступных местах и там где требуется исключить искажающее воздействие датчика на распределение поля. В частности такие датчики могут быть использованы для контроля электромагнитных полей ВЧ и СВЧ волноводов. По данным [8]магнитные пленки ЖИГ с Bi позволяют осуществлять модуляцию на частотах вплоть до 10 ГГц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Корнеев Г.И., Красюк Б.А. Оптические системы связи и световодные датчики. М., "Радио и связь", 1985
2. Hamasaki Y. Et al. Optical fiber sensor of electromagnetic fields on BSO. / J. of Opt. Commun.1981, v. 2, №1, с. 7-11.
3. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990, 310 с.
4. Волоконная оптика и приборостроение. / Под ред. М.М. Бутусова. Л.: Машиностроение, 1987.
5. Горчаков В.К., Куцаенко В.В., Потапов В.Т. Волоконно-оптические датчики электромагнитных полей на БГО и БСО. М.: Радиотехника. 1988, N8, 28.
6. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с яп. Л.: Энергоатомиздат, 1990, 312 с.
7. Световодные датчики. / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. М.: Машиностроение, 1990.
8. Tailor H.F. Application of Guided wave optics in signal processing and sensing. Proc. of the IEEE. 1989,11, v.75.
9. Мировицкий Д.И., Козлова Н.Д. Волоконно-оптические датчики. Сб. “Радиотехника. Тенденции и развитие”. М.: НИИЭИМ, 1990, №11, с.12.
10. Kersey Alan D. A review of resent developments in fiber optic sensor technology // Optical fiber technology. 1996. № 3. р. 291-317.
11. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Пер. с яп. М.: Мир. Т.1: Магнитные свойства веществ, 1987. Т. 2: Магнитные характеристики и практические применения, 1987.
12. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990, 320 с.
13. Берикашвили В.Ш., Мировицкий Д.И. Волоконно-оптические датчики-преобразователи параметров электромагнитных полей./ Ж. Датчики и системы, 1999, №1, стр. 40-45