7.Волоконнооптические датчики электромагнитного поля

Посредством электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. В вакууме поле характеризуется вектором напряженности электрического поля _2Е и магнитной индукции _2В_0, которые определяют силы, действующие со стороны поля на неподвижные и движущиеся заряженные частицы. В среде поле характеризуется дополнительно двумя вспомогательными величинами: напряженностью магнитного поля _2Н и электрической индукцией _2D.

Для измерения интенсивности электромагнитных полей применяются ВОД и сенсорные устройства с ВС (табл.6).

Для измерения интенсивности магнитного поля используют явление магнитострикции и магнитооптический эффект Фарадея.

Таблица 6

Характеристики ВОД электромагнитного поля

Измеряемая ¦ Физический ¦Конструкция¦ Тип датчика¦ Пороговое ¦ Динамичес¦ Погрешность¦

величина ¦ эффект,¦сенсора ¦ ¦ значение ¦ кий [час ¦% ¦

¦ явлени妦 ¦ [чувстви ¦ тотный] ¦ ¦

¦ ¦¦ ¦ тельность] ¦ диапазон ¦ ¦

Магнитное ¦магнитоопти¦многопроходная¦поляриметр ¦300 мкТл¦[0...1 кГц]¦1 ¦

поле ¦ческий ¦ячейка из стекла ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦эффект ¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Фарадея¦катушка из кварце ¦поляриметр ¦ 10 мкТл¦[0...10кГц]¦ 1... 5 ¦

¦ ¦вого ОВС с малым ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦двулучепреломлением¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦магнито¦магнитострикционный¦интерферометр и ¦[0,1...1] ¦ 10_55 ¦ ¦

¦стрикция¦элемент с закреплен¦реверсивный¦иА/(м7_0мГц) ¦[0...20МГц]¦ 3... 5 ¦

¦ ¦ным ОВС ¦счетчик¦ ¦ ¦ ¦

Электричес¦электроопти¦электрооптические ¦ поляриметр¦ [5 мкВ]¦,_02 кВ/см ¦ 1,5... 3 ¦

кое поле ¦ский эффект ¦кристаллы¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦Поккельса ¦¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦пьезоэффект ¦пьезопреобразова ¦интерферометр и ¦ 100 мкВ¦[0,01... ¦ 1... 3 ¦

¦ ¦тель¦реверсивный¦ ¦ 10 кГц] ¦ ¦

¦ ¦¦счетчик¦ ¦ ¦ ¦

Электричес ¦магнитное ¦преобразователь, ¦поляриметр ¦ 10 А ¦10...10_55 А ¦ 1. 5 ¦

кий ток¦действие¦использующий ¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦тока ¦эффект Фарадея¦ ¦ ¦ ¦ ¦

¦ ¦магнитострикционный¦интерферометр и ¦ 1 нА ¦1нА...1 А ¦ ¦

¦ ¦преобразователь¦реверсивный¦ ¦[0..10МГц] ¦ ¦

¦ ¦¦счетчик¦ ¦ ¦ ¦

¦тепловое¦ВС, связанный с¦интерферометр и ¦ 10 нА¦1нА...1 А ¦ ¦

¦действие¦электрическим ¦реверсивный¦ ¦[0...10 Гц]¦ ¦

¦тока ¦нагревателем ¦счетчик¦ ¦ ¦ ¦

7.1.Датчики магнитного поля

Магнитооптический датчик представляет собой кристалл вещества с большим значением постоянной Верде, характеризующей магнитное вращение плоскости поляризации проходящего через кристалл света.В этих датчиках ВС играет роль линии связи.

В ВОД, основанных на использовании эффекта Фарадея, магнитное поле вызывает в ВС вращение плоскости поляризации света в соответствии с уравнением Qф=V H l, где V постоянная Верде (для кварца 4,7 мкрад/А); Н среднее значение продольной составляющей магнитного поля.

Для усиления проявления эффекта Фарадея и повышения значения постоянной Верде в ВС вводятся некоторые легирующие примеси, например редкоземельные элементы. Однако сравнительно слабая растворимость этих примесей в кварцевом стекле и вызываемое ими сильное поглощение света существенно ограничивают усиление эффекта Фарадея.

Поскольку выходным параметром служит состояние поляризации, необходимо применять ОВС с минимальным двулучепреломлением. Кроме того, любые изгибы и нагрузки увеличивают двулучепреломление. Поэтому в ВОД раздельно измеряются ортогонально поляризованные составляющие выходного излучения J1 и J2_0, связанные с величиной угла Qф соотношением

(J1 J2_0) / (J1+J2_0)=sin (2 Qф_0)

без учета линейного двулучепреломления в ВС.

В ВОД на основе пассивных ВС и магнитооптического модулятора (рис.27) свет от источника излучения по ВС через поляризатор поступает в монокристалл вещества В12SiO2(BSO). Константа Верде для кристалла ВSО составляет 0,1 мин /(Гс см) при длине волны света 870 нм, а температурный коэффициент 1,57104 на 1 _5o С. Угол, на который поворачивается плоскость линейнополяризованного света, проходящего через кристалл, пропорционален напряженности Н магнитного поля и пути l, проходимого светом в поле [12].

Рис.27. ВОД магнитного поля

Размеры кристалла BSO в рассматриваемом датчике невелики:10 х 15 х 3 мм. На его поверхность с обоих сторон нанесено отражающее многослойное покрытие, чтобы траектория луча в кристалле была зигзагообразной. Таким образом существенно (в данном случае до 30 мм) увеличивается длина пути света в кристалле.

Свет, прошедший через кристалл ВSO, поступает через анализатор в ВС и далее в фотоприемник.

Глубина вызываемой магнитным полем модуляции оптической мощности в кристалле BSO определяется соотношением

mм=sin (2VНL).

ВОД с магнитнострикционными преобразователями обеспечивают наиболее высокую чувствительность к магнитному полю. ВС крепится к преобразователю так, что при деформации последнего в магнитном поле деформируется и ВС [10].

Наиболее перспективными магнитострикционными материалами для ВОД являются металлы (железо, никель, кобальт), некоторые сплавы на основе железа или никеля, а также сплавы на основе ферромагнитных элементов, имеющие аморфное строение и именуемые металлическими стеклами (табл.7).

Таблица 7

Характеристики магнитострикционных материалов

¦ Магнитострикционные ¦Коэффициент магнитострикции¦

Материал ¦постоянные кубических¦для поликристаллического ¦

¦кристаллов ¦образца¦

++2 s100+3 s111 ¦

¦s1007_010_56_0¦s1117_010_56 ¦ ss_0=7_010_56 ¦

Железо ¦ 20¦20¦ 4 ¦

Никель ¦ 46¦24¦ 32,9 ¦

Сплавы: ¦¦ ¦ _5¦

Ni0,4 _0Fe0,6 ¦ 7¦30¦ 15,2 _5¦

Ni0,6 _0Fe0,4 _5¦ 27¦_5_022_5¦ _024_5 ¦

Ni0,73 _0Fe0,27_0_5¦ 14_5¦ 7_5¦ 9,8 _5¦

(после обжига) _5¦_0_5¦ _5¦ _5¦

Ni0,73 _0Fe0,27_0¦ 15¦14¦ 14,4 ¦

(после закалки) ¦¦ ¦ ¦

Ni0,8 _0Fe0,2 ¦9¦ 0¦ 3,6 ¦

Si0,03 _0Fe0,97_0¦ 27¦5¦ 7,8 ¦

Si0,07 _0Fe0,93_0¦ 5¦ 3¦ 1 ¦

Ni0,8 _0Fe2,2 _0O4 ¦ 36¦4¦ 15,1 ¦

Co0,8 _0Fe2,2 _0O4 ¦ 590¦120¦164 ¦

Магнитострикционное покрытие может быть нанесено на поверхность ВС методом электролитического осаждения или путем напыления в вакууме.

В случае резко выраженной текстуры сердечника (магнитостриктора), на который намотан ВС, проявляются анизотропные свойства материала. Чувствительность ВОД с таким магнитостриктором зависит от ориентации последнего относительно направления измеряемого поля (рис.28,а). О том, насколько эта зависимость критична к взаимной ориентации поля и магнитостриктора, можно судить по данным табл.7, в которой приведены значения коэффициента магнитострикции s для кубических кристаллов некоторых ферромагнитных металлов и сплавов, по разному ориентированных относительно направления поля [10].

Покрытие ВС никелем целесообразно использовать в ВОД магнитных полей благодаря простоте получения покрытия, отсутствию коррозии и дешевизне. Для достижения оптимальной чувствительности ВОД магнитных полей на ВС наносят покрытие из никеля толщиной 10 мкм методом гальванического покрытия с последующим отжигом при 1000 oС для удаления внутреннего напряжения (рис.28,б). Чувствительность таких ВОД превышает чувствительность ВОД, изготовленных из ВС, покрытых никелем путем напыления в вакууме.

Рис.28. Первичные преобразователи ВОД магнитного поля на основе магнитострикционных материалов (МСМ)

ВОД магнитных полей, в которых ВС намотано или наклеено на магнитостриктор из металлического стекла, обладает более высокой чувствительностью по сравнению с ранее рассмотренными. При изготовлении лент или пластин металлического стекла ферромагнитному сплаву придают аморфную структуру, охлаждая его после расплавления с высокой скоростью (отливка на холодную поверхность вращающегося металлического барабана). Одномодовый ВС приклеивается эпоксидным клеем к пластине или ленте из металлического стекла (рис.28,в).

Экспериментальные данные о чувствительности, обеспечиваемой некоторыми магнитострикционными преобразователями, приведенные к схеме регистрации с пороговой чувствительностью 1 мкрад, приведены в табл.8.

Таблица 8

Чувствительность интерферометрических ВОД магнитного поля с магнитострикционными преобразователями на частоте 1 кГц при реализации по схеме с пороговой чувствительностью 1 мкрад

¦ Величина ¦Пороговая ¦

Тип преобразователя ¦ смещения, ¦ чувствительность, в ¦

¦ мкТл¦ пТл на 1 м длины ВС ¦

Сплошная никелевая трубка¦ 300 ¦ 80 ¦

толщиной 15 мкм ¦ ¦ ¦

Пленка никеля,осажденная на ВС¦0 ¦ 60 ¦

электрохимическим способом¦ ¦ ¦

Пленка никеля толщиной 1,5 мкм,¦0 ¦ 10000¦

полученная вакуумным напылением¦ ¦ ¦

Пластина из аморфного¦0 ¦ 2,3¦

металла 2605 СО¦ ¦ ¦

¦ 2800¦ 10 ¦

Пленка из аморфного металла ¦0 ¦ 3000¦

толщиной 600 нм¦ ¦ ¦

Цилиндр из аморфного металла ¦94 ¦ 0,5¦

2605 SC ¦ ¦ ¦

Частотные свойства магнитострикционных материалов меняются в диапазоне 100... 1000 Гц. На высоких частотах чувствительность ВОД падает изза влияния вихревых токов. Нижняя граница, при которой применение ВОД становится неэффективным, определяется схемой измерения, возможностями используемого интерферометра, оптическим шумом источника света. Температурные эффекты при этом незначительны.

7.2.Датчики электрического поля

ВОД электрического поля используют электрооптические или пьезоэлектрические чувствительные элементы (см.табл.6).

Из веществ, обладающих электрооптическим эффектом, наилучшие характеристики обеспечивают кристаллы Bi12SiO20 ввиду присущей им малой зависимости эффекта Поккельса от температуры (погрешность составляет+104 1/ oС).

Для повышения чувствительности ячейку выполняют многопроходной. Так, кристалл Bi12_0SiO20 с размером сечения 3 _0х 3 мм при 50 проходах луча внутри него обладает полуволновым напряжением 112 В и обеспечивает пороговую чувствительность 1 В при отношении сигнал/шум 30 дБ [12].

Органические молекулярные кристаллы (например, метанитроанилин) можно вырастить в капиллярах и, таким образом, сделать электрооптический элемент в волоконном варианте. Недостатком органических материалов является низкая температура плавления (80...150 о С для группы метанитроанилина), что ограничивает возможности их применения.

Пьезоэлектрические материалы (поливинилфторид), деформирующиеся в электрическом поле, применяются в интерферометрических ВОД. Пьезокерамика обладает заметным гистерезисом и нестабильна во времени под напряжением. Поэтому она мало применяется для ВОД электрического поля.