Оптический датчик переменного электрического поля

(51)01 29/12, 29/08 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Гончаренко Игорь Андреевич Конойко Алексей Иванович Кулешов Владимир Константинович Ярмолицкий Вячеслав Феликсович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт электроники Национальной академии наук Беларуси(57) Оптический датчик переменного электрического поля, содержащий источник света,световод доставки излучения к сенсорной головке, сенсорную головку, фотоприемник и измеряющее устройство, отличающийся тем, что содержит первый -образный оптический разветвитель, оптически связанный с источником света и через волоконнооптическую брэгговскую решетку точки отсчета со вторым -образным оптическим разветвителем, оптически связанным через световод доставки излучения к сенсорной головке с сенсорной головкой, содержащей измерительную волоконно-оптическую брэгговскую решетку, и оптически связанным с третьим -образным оптическим разветвителем, который оптически связан с первым фотоприемником, электрически связанным с измеряющим устройством, и оптически связан с первой сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, электрически связанной с блоком управляющего напряжения, электрически 9176 1 2007.04.30 связанным со второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, спектральный максимум отражения которой соответствует длине волны, находящейся на краю рабочего спектрального диапазона источника света, оптически связанной с четвертым образным оптическим разветвителем, оптически связанным с первым -образным разветвителем и вторым фотоприемником, электрически связанным с измеряющим устройством,причем спектральные максимумы отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета и измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки соответствуют длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света. Оптический датчик переменного 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, четвертьволновой 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 переменного электрического поля при одновременном расширении функциональных возможностей. Поставленная техническая задача решается тем, что оптический датчик переменного электрического поля, содержащий источник света, световод доставки излучения к сенсорной головке, сенсорную головку, фотоприемник и измеряющее устройство, дополнительно содержит первый -образный оптический разветвитель, оптически связанный с источником света и через волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета со вторым -образным оптическим разветвителем, оптически связанным через световод доставки излучения к сенсорной головке с сенсорной головкой, содержащей измерительную волоконно-оптическую брэгговскую решетку, и оптически связанным с третьим -образным оптическим разветвителем, который оптически связан с первым фотоприемником,электрически связанным с измеряющим устройством, и оптически связан с первой сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой, электрически связанной с блоком управляющего напряжения, электрически связанным со второй сканирующей волоконнооптической брэгговской решеткой, спектральный максимум отражения которой соответствует длине волны, находящейся на краю рабочего спектрального диапазона источника света, оптически связанной с четвертым -образным оптическим разветвителем, оптически связанным с первым -образным оптическим разветвителем и вторым фотоприемником, электрически связанным с измеряющим устройством, причем спектральные максимумы отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета и измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки соответствуют длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света. 2 9176 1 2007.04.30 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 решетках на характеристики регистрируемых световых сигналов и тем самым увеличить достоверность и точность измерений величины электрического поля при одновременном расширении функциональных возможностей. Сущность изобретения поясняется на фигуре, где 1 - источник света,2 - первый -образный оптический разветвитель,3 - волоконно-оптическая брэгговская решетка точки отсчета,4 - второй -образный оптический разветвитель,5 - световод доставки излучения к сенсорной головке,6 - сенсорная головка,7 - измерительная волоконно-оптическая брэгговская решетка,8 - третий -образный оптический разветвитель,9 - первая сканирующая волоконно-оптическая брэгговская решетка,10 - первый фотоприемник,11 - четвертый -образный оптический разветвитель,12 - вторая сканирующая волоконно-оптическая брэгговская решетка,13 - второй фотоприемник,14 - блок управляющего напряжения,15 - измеряющее устройство. Устройство содержит последовательно оптически связанные между собой источник света 1, первый -образный оптический разветвитель 2, волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3, второй -образный оптический разветвитель 4, световод доставки излучения к сенсорной головке 5, сенсорную головку 6, включающую в себя измерительную волоконно-оптическую брэгговскую решетку 7, третий -образный оптический разветвитель 8, оптически связанный со вторым -образным оптическим разветвителем 4, первым фотоприемником 10, электрически связанным с измеряющим устройством 15, и первой сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой 9,электрически связанной с блоком управляющего напряжения 14, электрически связанным со второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решеткой 12, оптически связанной с четвертым -образным оптическим разветвителем 11, оптически связанным с первым -образным оптическим разветвителем 2 и вторым фотоприемником 13, электрически связанным с измеряющим устройством 15. Источник света 1 выполнен в виде светодиода. Первый 2, второй 4, третий 8 и четвертый 11 -образные оптические разветвители выполнены в виде двух отрезков оптического волокна, имеющих оптический контакт, как в 3. Световод доставки излучения к сенсорной головке 5 выполнен в виде отрезка оптического волокна на диапазон длин волн, соответствующий спектральному диапазону источника света 1. Сенсорная головка 6 выполнена в виде электрооптического волокна, в сердцевине которого размещена брэгговская решетка с периодом 0,5 мкм. Измерительная волоконно-оптическая брэгговская решетка 7 представляет собой электрооптическое волокно сенсорной головки 6 с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными измерительными электродами длиной 5 мм. Волоконно-оптическая брэгговская решетка точки отсчета 3 представляет собой вторую половину электрооптического волокна сенсорной головки 4 с брэгговской решеткой в сердцевине длиной 5 мм. 3 9176 1 2007.04.30 Первая 9 и вторая 12 сканирующие волоконно-оптические брэгговские решетки выполнены в виде отрезков электрооптического волокна с брэгговской решеткой в сердцевине и наружными управляющими электродами. Блок управляющего напряжения 14 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. Первый 10 и второй 13 фотоприемники выполнены на базе фотодиодов ФД 21 КП. Измеряющее устройство 15 выполнено на основе частотомера 43-54, работающего в режиме измерения длительностей импульсных сигналов, усилителя 1416 УД 1, триггеров КР 1531 ТМ 2, коммутатора КР 1010 КТ 1, схемы запуска частотомера, сброса триггеров и управления коммутатором, собранной на ИС К 155 АГ. Оптический датчик переменного электрического напряжения работает следующим образом. В исходном состоянии свет от источника света 1 поступает через первый -образный оптический разветвитель 2 на волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3. В результате дифракции света на волоконно-оптической брэгговской решетке точки отсчета 3 в обратном направлении к первому -образному оптическому разветвителю 2 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3, спектральный максимум отражения которой соответствует длине волны,находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света 1. Этот световой поток, пройдя через первый и четвертый -образные оптические разветвители 2, 11,поступает на вход второй сканирующей волоконно-оптической брэговской решетки 12,через которую он проходит, не испытывая отражения, так как спектральный максимум ее отражения находится на краю рабочего спектрального диапазона источника света 1. Поэтому свет, не испытывая отражения, выводится из оптической системы и не поступает на второй фотоприемник 13. Световой поток, прошедший волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3, второй -образный оптический разветвитель 4, поступает на вход сенсорной головки 6, через которую он проходит не испытывая отражения, так как спектральный максимум отражения ее измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7 соответствует спектральному максимуму волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3. Поэтому свет, не испытывая отражения, выводится из оптической системы и не поступает на первый фотоприемник 10. В тестовом режиме, при подаче с блока управляющего напряжения 14 на управляющий электрод второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 12 управляющего пилообразного напряжения, происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, в котором сформирована брэгговская решетка, по закону 1 где 0 - показатель преломления обыкновенной волны в электрооптическом материале,приложенное напряжение,- расстояние между управляющими электродами измерительной 5 и сканирующей 8 волоконно-оптических брэгговских решеток (ширина волновода),33 - электрооптический коэффициент. Изменение показателя преломления приводит к изменению длины световой волны(брэгговской длины волны), при которой отражение от второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 12 максимально. Зависимость брэгговской длины волны от показателя преломления решетки имеет вид 2,где- период волоконно-оптической брэгговской решетки. Свет от источника света 1 поступает через первый -образный оптический разветвитель 2 на волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3. В результате дифракции света на волоконно 4 9176 1 2007.04.30 оптической брэгговской решетке точки отсчета 3 в обратном направлении к первому образному оптическому разветвителю 2 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3, спектральный максимум отражения которой соответствует длине волны, находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света 1, и длине волны, соответствующей нулевому потенциалу на управляющем электроде измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7. Этот световой поток, пройдя через первый и четвертый образные оптические разветвители 2, 11, поступает на вход второй сканирующей волоконно-оптической брэговской решетки 12, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение, позволяющее сканировать весь рабочий спектральный диапазон излучения источника света 1. При сканировании в результате дифракции света на второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетке 12 в обратном направлении через четвертый -образный оптический разветвитель 11 на второй фотоприемник 13 поступает световой сигнал, обладающий спектральным составом излучения, соответствующим спектральному распределению произведения коэффициентов отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3 и второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 12. Поэтому середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать нулевому значению величины измеряемого электрического напряжения, а его ширина будет определять точность измерения. Световой поток, прошедший волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3, второй -образный оптический разветвитель 4, поступает на вход сенсорной головки 6, через которую он проходит, не испытывая отражения, так как спектральный максимум отражения ее измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7 соответствует спектральному максимуму волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3. Поэтому свет, не испытывая отражения, выводится из оптической системы и не поступает на первый фотоприемник 10. В режиме измерения, при подаче на управляющие электроды измерительной брэгговской решетки 7 сенсорной головки 6, первой 9 и второй 12 сканирующих волоконнооптических брэгговских решеток, соответственно, измеряемого и управляющего напряжений, происходит изменение показателя преломления в электрооптическом материале, что приводит к изменению длины световой волны , при которой отражение от измерительной 7, первой 9 и второй 12 сканирующих волоконно-оптических брэговских решеток максимально. Свет от источника света 1 поступает через первый -образный оптический разветвитель 2 на волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3. В результате дифракции света на волоконно-оптической брэгговской решетке точки отсчета 3 в обратном направлении к первому -образному оптическому разветвителю 2 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3, спектральный максимум отражения которой соответствует длине волны,находящейся в середине рабочего спектрального диапазона источника света 1, и длине волны, соответствующей нулевому потенциалу на управляющем электроде измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7. Этот световой поток, пройдя через первый и четвертый -образные оптические разветвители 2, 11, поступает на вход второй сканирующей волоконно-оптической брэговской решетки 12, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение, позволяющее сканировать весь рабочий спектральный диапазон излучения источника света 1. При сканировании в результате дифракции света на второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетке 12 в обратном направлении через четвертый -образный оптический разветвитель 11 на второй фотоприемник 13 поступает световой сигнал, обладающий спектральным составом излучения, соответствующим спектральному распределению произведения коэффициен 5 9176 1 2007.04.30 тов отражения волоконно-оптической брэгговской решетки точки отсчета 3 и второй сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 12. Поэтому середина промежутка времени регистрации полученного светового сигнала будет соответствовать нулевому значению величины измеряемого электрического напряжения, а его ширина будет определять точность измерения. Второй фотоприемник 13 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 15 осуществляет измерение необходимых параметров. Световой поток, прошедший волоконно-оптическую брэгговскую решетку точки отсчета 3, второй -образный оптический разветвитель 4 и световод доставки излучения к сенсорной головке 5, поступает на вход сенсорной головки 6. В результате дифракции света на измерительной волоконно-оптической брэгговской решетке 7 сенсорной головки 6 в обратном направлении ко второму -образному оптическому разветвителю 4 через световод доставки излучения к сенсорной головке 5 поступает световой поток, обладающий спектральным составом, соответствующим спектральному распределению коэффициента отражения измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7 сенсорной головки 6. Этот световой поток, пройдя через второй 4 и третий 8 образные оптические разветвители, поступает на вход первой сканирующей волоконнооптической брэгговской решетки 9, на управляющий электрод которой подается пилообразное напряжение. При сканировании в результате дифракции света на первой сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетке 9 последовательно в обратном направлении через третий -образный оптический разветвитель 8 на первый фотоприемник 10 поступает сдвинутый во времени, относительно светового сигнала, поступающего на второй фотоприемник 13, оптический сигнал. Этот сигнал обладает спектральным составом излучения, соответствующим спектральному распределению произведения коэффициентов отражения измерительной волоконно-оптической брэгговской решетки 7 сенсорной головки 6 и первой сканирующей волоконно-оптической брэгговской решетки 9. Первый фотоприемник 10 преобразует световые сигналы в электрические. После чего измеряющее устройство 15 осуществляет измерение необходимых параметров.Временной сдвиг регистрируемых световых сигналов будет определять как знак, так и величину измеряемого электрического напряжения. Источники информации 1.6411077, МПК 01 31/00. 2.5781003, МПК 01 23/16 (прототип). 3. Булушев А.Г. и др. Волоконная оптика. Труды ИОФАН. - М. Наука. Т. 23, 1990. С. 159. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6