Волоконно-оптические датчики контроля напряженности магнитного поля и силы тока

.

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

 

Изучить устройство и принцип работы волоконно-оптических датчиков, получить навыки расчета их рабочих параметров.

 

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

2.1. Изучить теоретический материал по устройству и принципам работы волоконно-оптических датчиков.

2.2. Ознакомится с методикой расчета рабочих характеристик волоконно-оптических датчиков.

 

3. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

 

В качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков -преобразователей магнитного поля традиционно используют чувствительные пленки с присадкой висмута (Bi) толщиной около 10 мкм на подложке из расплава окислов свинца.

Толщину пленки измеряют методом интерференционных биений с помощью спектрофотометра СФ-16. Монохроматическое излучение со спектральной полосой 1 нм направлялось на поверхность пленки под углом 2-3ْ к вертикали. Отраженный свет регистрируется фотоприемником, сигнал усиливался и записывается графопостроителем с метками отсчета длин волн. При равномерной перестройке длины волны излучения монохроматора можно наблюдать периодические биения интенсивности сигнала, регистрируемого аппаратурой. По периоду биений рассчитывают толщину пленки с точностью 0, 3 мкм.

Структурная схема испытательного стенда для проверки датчиков приведена на рис. 6.1.

 

Рис. 6.1. 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,

7 - фотоприемник,

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 Ø 0, 35 мм, намотанного на цилиндрическом корпусе Ø 10 мм длиной 50 мм.

Конструкция чувствительной головки датчиков с волоконно-оптическими магистралями приведена на рис. 6.2. Чувствительная головка состоит из следующих элементов:

1 – диск с пленкой Bi,

2 – поляроидная пленка (поляризатор),

3 - поляроидная пленка (анализатор),

4 – полиамидная опорная трубка,

5 и 6 – штекеры подводящего 7 и отводящего 8 оптических волокон,

7 - подводящее оптическое волокно,

8 - отводящее оптическое волокно,

9 и 10 – штекеры для подключения к излучающему и фотоприемному блокам.

 

Рис. 6.2. Конструкция сенсорного узла ВОД магнитного поля и тока (1 – чувствительный элемент, 2 и 3 - поляроидная пленка, 4 – трубка из кварцевого стекла, 5 и 6 – направляющие оптических волокон 7 и 8, 9 и10 - штекеры для подсоединения к передающему и фотоприемному модулю)

 

С целью изучения физических явлений, происходящих в пленках под действием магнитного поля, проводят детальные исследования и наблюдения доменной структуры. При этом наблюдается плотная лабиринтная доменная структура с темными и светлыми полосами примерно равной толщины. Наличие темных и светлых полос указывает на то, что доменные структуры в разрезе по вертикали к плоскости пленки представляют собой замкнутые намагниченные кольца (рис. 6.3).

 

Рис. 6.3. Видимые темные и светлые полосы доменов в скрещенных поляроидах (а) представление их поперечном сечении (б) и расположение силовых линий магнитной индукции (в)

 

Линейно поляризованное излучение, которое можно представить как суперпозицию право- и левовращающихся волн, поворачивается за счет эффекта Фарадея на угол равный:

φ = B ۰ H ۰ Z, (6.1)

где H – напряженность магнитного поля в эрстедах, B - постоянная Верде в град./(эрстед۰ м), Z - расстояние, пройденное светом в феррите (м).

Величина В изменяется от 10^-1 град./(эрстед۰ м), для кварцевого стекла до 10^-2 град./(эрстед۰ м), для ферритовых диэлектриков, причем для Bi она аномально высока на длинах волн близких к краю поглощения и на длине волны λ =0, 63 мкм и составляет от 5 ۰ 10^-2 до 5 ۰ 10^-4 град./(эрстед۰ м) в зависимости от содержания Bi.

В лабиринтной доменной структуре тонких пленок с Bi, наблюдаемых в скрещенных под 45ْ поляроидах (рис. 6.4), светлые полосы свидетельствуют о том, что в этих зонах магнитное поле направлено так, что за счет эффекта Фарадея линейно поляризованное излучение поворачивается на 45ْ в одном направлении (принятом за положительное) и проходит через поляризатор-анализатор. Наоборот, темные полосы говорят о том, что в них противоположная намагниченность, плоскость поляризации излучения поворачивается в противоположную сторону. Поляризатор-анализатор воспринимает подходящее излучение как ортогональное и не пропускает его (рис. 6.4).

 

Рис. 6.4. Эволюция доменной структуры (а – плотная структура с равнотолщинными темными и светлыми полосами, б – истончение темных полос, в – вытягивание доменов, г - переход в коллапс)

 

Изменения доменной структуры наблюдаются под воздействием постоянного магнитного поля при изменении напряженности поля и его направленности. Для волоконно-оптических датчиков (ВОД) знание напряженности магнитного поля и силы тока важно, чтобы соблюдать линейную зависимость выходного оптического сигнала от уровня напряженности поля или силы тока.

Для калибровки магнитного поля и установления связи между напряженностью магнитного поля и силой тока в катушке подмагничивания применяется следующая формула:

H = J ۰ N (1+(2R/L)2)1/2, (6.2)

где J - сила тока, N - число витков, R – средний радиус витков, L -длина соленоида.

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.

 

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

4.1. Изучить теоретический материал.

4.2. Ознакомиться с методикой оценки параметров волоконно-оптических датчиков.

4.3. Изучить принцип работы и устройство волоконно-оптических датчиков.

4.4. Получить задание на выполнение работы (см. табл. 6.1).

Таблица 6.1

 

Данные	Варианты
L (мм)
N (шт)
R (мм)
I (A)	0, 30	0, 35	0, 40	0, 45	0, 50	0, 55	0, 60	0, 65	0, 70	0, 75
z (м)	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 06	0, 05	0, 04	0, 03

 

Данные	Варианты
L (мм)	12, 5	12, 7	12, 6	12, 7	13, 5	13, 4	13, 6	14, 1	14, 3	15, 6
N (шт)
R (мм)	19, 8	12, 5	11, 2	13, 8	13, 5	12, 5	13, 8	13, 5	13, 2	15, 3
I (A)	0, 80	0, 85	0, 90	0, 95	0, 10	0, 15	0, 11	0, 15	0, 12	0, 13
z (м)	0, 01	0, 02	0, 03	0, 04	0, 05	0, 06	0, 06	0, 05	0, 04	0, 03

 

4.5. Выполнить расчет показателей линейно-поляризованного излучения.

4.6. Рассчитать параметры калибровки магнитного поля для изучения работы волоконно-оптических датчиков.

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 

Отчет должен содержать:

5.1. Расчеты, выполненные в последовательности, соответствующей общему порядку выполнения работы.

5.2. Оценку данных, полученных в результате расчетов.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

6.1. Каково устройство волоконно-оптического датчика?

6.2. В чем заключается принцип работы волоконно-оптического датчика?

6.3. Приведите основные положения методики оценки параметров волоконно-оптических датчиков.

6.4. Опишите конструкцию установки применяемой для оценки параметров волоконно-оптических датчиков.

6.5. Как осуществляется калибровка магнитного поля при оценке параметров волоконно-оптических датчиков?

6.6. Обоснуйте необходимость выполнения оценки параметров волоконно-оптических датчиков.

6.7. Чем объясняется наличие доменной структуры волоконных датчиков?