Оптический датчик электрического поля

(12) ,(51) 6 011 31/00, 19/155 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОИ СОБСТВЕННОСТИ(54) ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники(72) Авторы Гончаренко Игорь Андреевич Конойко Алексей Иванович Кулещов Владимир Константинович (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники НАН Беларуси (ВУ)Оптический датчик электрического поля, включающий источник света, сенсорную головку, световод доставки излучения источника к сенсорной головке, измеряющее устройство и электрически связанный с ним фотоприемник, отличающийся тем, что содержит первый У-образный оптический разветвитель, оптически связанный с источником света и световодом доставки излучения к сенсорной головке, второй У-образный оптический разветвитель, оптически связанный с первым У-образным оптическим разветвителем и фотоприемником, оптически связанную со вторым У-образным оптическим разветвителем сканирующую волоконно-оптическую брэгговскую решетку, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света, и блок управляющего напряжения, электрически связанный со сканирующей волоконно-оптической брэгговской рещеткой, а сенсорная головка состоит из последовательно оптически связанных между собой измерительной волоконно-оптической брэгговской рещетки и волоконно-оптической брэгговской рещетки точки отсчета, спектральный максимум отражения которых соответствует длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света.Оптический датчик электрического поля относится к области измерительной техники и может быть использован в научном, технологическом и медицинском приборостроении в качестве точного измерителя как электрических напряжений, так и электрических полей.Известен оптический датчик напряжения 1, который состоит из источника света, поляризатора, четверть волновой пластинки, четного количества электрооптических элементов, анализатора и оптоэлектронной конвертирующей части.Такой оптический датчик не обеспечивает высокую достоверность и точность измерений вследствие его чувствительности к изменению температуры. Кроме того, он имеет достаточно большие габариты, что снижает его функциональные возможности.Наиболее близким по технической сущности является датчик электрического поля 2,который состоит из источника света, световода доставки излучения к сенсорной головке,сенсорной головки, световода доставки света от сенсорной головки к фотоприемнику, фотоприемника и измеряющего устройства.Такой датчик электрического поля не обеспечивает высокую достоверность и точность измерений вследствие его чувствительности как к температурным градиентам, так и вибрациям. Кроме того, он имеет достаточно существенные габариты, что снижает его функциональные возможности.Технической задачей изобретения является увеличение достоверности и точности измерений величины электрического поля при одновременном расщирении функциональных возможностей.Поставленная техническая задача рещается тем, что оптический датчик электрического поля, включающий источник света, сенсорную головку, световод доставки излучения источника к сенсорной головке, измеряющее устройство и электрически связанный с ним фотоприемник, дополнительно содержит первый У-образный оптический разветвитель,оптически связанный с источником света и световодом доставки излучения к сенсорной головке, второй У-образный оптический разветвитель, оптически связанный с первым Уобразнь 1 м оптическим разветвителем и фотоприемником, оптически связанную со вторым У-образным оптическим разветвителем сканирующую волоконно-оптическую брэгговскую рещетку, спектральный максимум отражения которой находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света, и блок управляющего напряжения, электрически связанный со сканирующей волоконно-оптической брэгговской рещеткой, а сенсорная головка состоит из последовательно оптически связанных между собой измерительной волоконно-оптической брэгговской рещетки и волоконно-оптической брэгговской рещетки точки отсчета, спектральный максимум отражения которых соответствует длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света.Совокупность указанных признаков позволяет преобразовать величину измеряемого электрического поля в конечном счете во временной интервал между световыми сигналами, соответствующими как точке отсчета, так и измеряемой величине, компенсировать влияние температурных, механических воздействий в волоконно-оптических брэгговских рещетках на характеристики регистрируемых световых сигналов и тем самым увеличить достоверность и точность измерений величины электрического поля при одновременном расщирении функциональных возможностей.Сущность изобретения поясняется на фигуре, где1 - источник света, 2 - первый У-образный разветвитель, 3 - световод доставки излучения к сенсорной головке, 4 - сенсорная головка, 5 - измерительная волоконно-оптическая брэгговская решетка, 6 - волоконно-оптическая брэгговская решетка точки отсчета, 7 - второй У-образный разветвитель, 8 - сканирующая волоконно-оптическая брэгговская решетка, ВУ 7046 С 12005.06.30Устройство содержит последовательно оптически связанные Между собой источник света 1, первый У-образный разветвитель 2, световод доставки излучения К сенсорной головке 3, сенсорную головку 4, включающую в себя последовательно оптически связанные измерительную волоконно-оптическую брэгговскую решетку 5 и волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 6, второй У-образный разветвитель 7, оптически связанный с первым У-образным разветвителем 2, сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой 8, электрически связанной с блоком управляющего напряжения 9,фотоприемник 10, оптически связанный со вторым У-образным разветвителем 7 и электрически связанный с измеряющим устройством 11.Первый 2 и второй 7 У-образные разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна, имеющих оптический контакт, как в 3.Световод доставки излучения к сенсорной головке 3 выполнен в виде отрезка оптического волокна на диапазон длин волн, соответствующий спектральному диапазону источника света 1.Сенсорная головка 4 выполнена в виде электрооптического волокна, в сердцевине которого размещена брэгговская решетка с периодом 0,5 мкм.Измерительная волоконно-оптическая брэгговская решетка 5 представляет собой первую половину электрооптического волокна сенсорной головки 4 с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными измерительными электродами длиной 5 мм.Волоконно-оптическая брэгговская решетка точки отсчета 6 представляет собой вторую половину электрооптического волокна сенсорной головки 4 с брэгговской решеткой в сердцевине длиной 5 мм.Сканирующая волоконно-оптическая брэгговская решетка 8 выполнена в виде отрезка электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами.Блок управляющего напряжения 9 выполнен из тактового генератора МСК 155 АГ 3,счетчика МСК 155 ИЕ 5 и преобразователя код-напряжение МСКР 572 ПА 2, собранных по стандартной схеме цифрового генератора пилообразного напряжения на микросхемах.Фотоприемник 10 выполнен на базе фотодиода ФД 21 КП.Измеряющее устройство 11 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416 УД 1, тригеров КР 1531 ТМ 2, коммутатора КР 1 О 1 ОКТ 1, схемы запуска частотомера, сброса тригеров и управления коммутатором, собранной на ИС К 155 АГ.Оптический датчик электрического напряжения работает следующим образом.В исходном состоянии свет от источника света 1 поступает через первый У-образный разветвитель 2, световод доставки излучения к сенсорной головке 3 на вход сенсорной головки 4. В результате дифракции света на измерительной волоконно-оптической брэгговской решетке 5 и волоконно-оптической брэгговской решетке точки отсчета 6 сенсорной головки 4 в обратном направлении к первому У-образному разветвителю 2 через световод доставки излучения к сенсорной головке 3 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения волоконно-оптических брэгговских решеток сенсорной головки 4, спектральный максимум отражения которых соответствует длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света 1. Этот световой поток, пройдя через первый и второй У-образные разветвители 2, 7, поступает на вход сканирующей волоконнооптической брэговской решетки 8, через которую он проходит, не испытывая отражения,так как спектральный максимум ее отражения находится на краю рабочего спектральногодиапазона источника света 1. Поэтому свет, не испытывая отражения, выводится из оптической системы и не поступает на фотоприемник 10.В тестовом режиме, при подаче с блока управляющего напряжения 9, на управляющий электрод сканирующей волоконно-оптической брэгговской рещетки 8 управляющего пилообразного напряжения происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, в котором сформирована брэгговская рещетка, по закону2 а где по - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом материале, П приложенное напряжение, (1 - расстояние между управляющими электродами измерительной 5 и сканирующей 8 волоконно-оптических брэгговских рещеток (щирина волновода),г 33 - электрооптический коэффициент. Изменение показателя преломления приводит к изменению длины световой волны Ж (брэгговской длины волны), при которой отражение от сканирующей волоконно-оптической брэгговской рещетки 8 максимально. Зависимость брэгговской длины волны от показателя преломления рещетки имеет видЖ 2 пА, где А - период волоконно-оптической брэгговской рещетки. Свет от источника света 1 поступает через первый У-образный разветвитель 2, световод доставки излучения к сенсорной головке 3 на вход сенсорной головки 4. В результате дифракции света на измерительной волоконно-оптической брэгговской рещетке 5 и волоконно-оптической брэгговской рещетке точки отсчета 6 сенсорной головки 4 в обратном направлении к первому У-образному разветвителю 2 через световод доставки излучения к сенсорной головке 3 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения волоконно-оптических брэгговских рещеток сенсорной головки 4, спектральный максимум отражения которых соответствует длине волны, соответствующей нулевому потенциалу на управляющем электроде измерительной волоконнооптической брэгговской рещетки 5. Этот световой поток, пройдя через первый и второй У-образные разветвители 2, 7, поступает на вход сканирующей волоконно-оптической брэгговской рещетки 8, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение, позволяющее сканировать весь рабочий спектральный диапазон излучения источника света 1. При сканировании в результате дифракции света на сканирующей волоконнооптической брэгговской рещетке 8 в обратном направлении через второй У-образный разветвитель 7 на фотоприемник 9 поступает световой сигнал, обладающий спектральным составом излучения, соответствующим спектральному распределению произведения коэффициентов отражения брэгговских рещеток сенсорной головки 4 и сканирующей волоконнооптической брэгговской рещетки 8. Поэтому середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать нулевому значению величины измеряемого электрического напряжения, а его щирина будет определять точность измерения. В режиме измерения, при подаче на управляющие электроды измерительной брэгговской рещетки 5 сенсорной головки 4 и сканирующей брэгговской рещетки 8, соответственно, измеряемого и управляющего напряжений происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, что приводит к изменению длины световой волны Ж, при которой отражение от измерительной 5 и сканирующей 8 брэговских рещеток максимально. Свет от источника света 1 поступает через первый У-образный разветвитель 2, световод доставки излучения к сенсорной головке 3 на вход сенсорной головки 4. В результате дифракции света на измерительной волоконно-оптической брэгговской рещетке 5 и волоконно-оптической брэгговской рещетке точки отсчета 6 сенсорной головки 4 в обратном направлении к первому У-образному разветвителю 2 через световод доставки излучения к сенсорной головке 3 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральным распределениям коэффициентов