Магнитооптические датчики магнитного поля.
1 – источник света в виде лазера или лазерного диода;
2 – поляризатор;
3 – магнитооптическая ячейка Фарадея;
4 – магнитная силовая линия какого-то источника магнитного поля;
5 – вектор напряженности магнитного поля в точке А;
6 – анализатор;
7 – приемник оптического излучения (например, лавинный фотодиод);
8 – это n-ое число плоскостей поляризации луча когерентного света (на рис. а);
9 – преобразователь тока IЭ в напряжение U;
10 – АЦП;
11 – микроконтроллер, содержащий в своей структуре порты ввода-вывода, микропроцессор и т.д. (усилитель, АЦП);
12 – ЖКИ;
13 – клавиатура управления;
14 – запись на носитель информации;
15 – при необходимости, канал передачи информации через интернет;
J0 – интенсивность света источника излучения;
КС – корректирующий сигнал;
JМ – интенсивность света на выходе анализатора функционально-связанная с углом фарадеевского вращения φ по закону Малюса.
Магнитооптический эффект Фарадея проявляется в оптически-активных средах (магнитооптических материалах), которые могут быть в виде магнитооптической ячейке Фарадея (как в вышерассмотренном примере), феррит-гранатовых пленок или эпитаксиальных пленок.
Помимо этого, магнитооптический эффект Фарадея проявляется и в оптических волокнах, которые свернуты в виде витка или намотаны в виде катушки.
Фарадей открыл, что во многих материалах круговое двулучепреломление (магнитооптических материалах) возникает под действием приложенного магнитного поля. Следовательно, можно измерять магнитное поле, используя линейнополяризованное излучение и измеряя величину кругового двулучепреломления, возникающего в определенных материалах под воздействием внешнего магнитного поля. Именно этот механизм в волоконно-оптических датчиках магнитного поля, основанных на эффекте Фарадея.
Статическое круговое двулучепреломление прямого отрезка круглой сердцевины оптического волокна обычно достаточно мало.
Однако присутствие напряженности магнитного поля H, возникшее в волокне круговое двулучепреломление повернет плоскость поляризации линейнополяризованного излучения на угол θ=V∫Hdl. Здесь, V – постоянная Верде, являющаяся мерой интенсивности проявления эффекта Фарадея в волокне.
Интегрирование выполняется по длине волокна, подвергнутого воздействию поля Н. Величина V зависит от состава материала волокна и оптической длины волны λ; намного она слабее зависит от температуры диэлектрического вещества волокна.
Примечательным свойством вращения под воздействием эффекта Фарадея является его зависимость от направления распространения. Свет, распространяющийся в одном направлении, подвергается вращению на угол θ; свет, двигающийся в противоположном направлении, подвергается вращению на угол –θ. Эту зависимость можно использовать в разъединителях мощности, как на оптических, так и на микроволновых частотах. С другой стороны, она может являться помехой в таких устройствах, как волоконно-оптические датчики вращения, основанные на исключении всех источников такой зависимости. Паразитное магнитное поле может действенно влиять на датчик через эффект Фарадея и искажать выходной сигнал.
Рассмотрим волоконно-оптические датчики электрического тока на основе одномодового оптического волокна.
1 – лазер;
2 – поляризатор;
3, 7 – линза;
4 – оптоволокно;
5 – виток из оптоволокна;
6 – провод;
8 – анализатор;
9 – фотодиод;
10 – АЦП;
11 – ЖКИ.
В общем случае при измерении тока N витков волокна намотано либо на каркас либо на проводник с током, внутри которого расположен проводник с током i. В соответствии с законом Ампера, линейный интеграл магнитного поля θ=V∫Hdl сводится к формуле θ=VNi.
В рассматриваемой нами схеме датчика электрического тока на входе в одномодовое волокно поляризатор создает линейнополяризованное излучение. Анализатор же (тот же поляризатор) устанавливается под фиксированным углом по отношению к входному поляризатору. Чтобы поддерживать строго определенное состояние поляризации на всем протяжении используется одномодовое волокно. Если анализатор установлен под углом ±45° по отношению к поляризатору, то мощность излучения (интенсивность J) на приемнике определяется как: P=P0/2(1±sin2 θ), где P0/2 – средняя оптическая интенсивность на приемнике.
Для небольших углов эта формула может быть преобразована следующим образом: P=P0/2(1+2VNi).
Из последней формулы следует, что интенсивность (мощность) является линейной функцией тока.