Шпаргалки к экзаменам и зачётам

студентам и школьникам

  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

Шпаргалки по основам проектирования приборов и систем - Магнитооптические датчики магнитного поля

 

 

Магнитооптические датчики магнитного поля.

clip_image082

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.

clip_image084

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.

clip_image086

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.