Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА - Патент РФ 2170439
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

МИКРОРЕЗОНАТОРНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: волоконно-оптические преобразователи физических величин с использованием микромеханических резонаторов, возбуждаемых светом. В волоконно-оптическом датчике коллимирование луча, взаимодействующего с микрорезонатором с зеркальным отражателем, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора. Изменение величины измеряемого электрического тока проводника с током сопряжено с изменением характеристик микрорезонатора под действием магнитного поля этого проводника с током. При этом изменение характеристик микрорезонатора приводит к изменению резонансной частоты в системе волоконно-оптический лазер - микрорезонатор. Волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода. Продольная ось микрорезонатора, выполненного в виде пленки из магнитного материала, совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током. Обеспечено дистанционное измерение электрического тока, повышена стабильность измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2170439
Класс(ы) патента: G01R15/24
Номер заявки: 99127768/28
Дата подачи заявки: 28.12.1999
Дата публикации: 10.07.2001
Заявитель(и): Московский государственный университет леса
Автор(ы): Малков Я.В.; Бурков В.Д.; Кузнецова В.И.; Потапов В.Т.; Гориш А.В.; Котов А.Н.; Егоров Ф.А.
Патентообладатель(и): Московский государственный университет леса
Описание изобретения: Изобретение относится к волоконно-оптическим преобразователям физических величин (температуры, давления, электромагнитных полей и др.) с использованием микромеханических резонаторов (МР), возбуждаемых светом.
Конструктивно МР, как правило, представляют собой микробалку, микроконсоль, микромембрану и т.п., изготовленные из монокристаллов кремния или пьезокварца методами анизотропного травления, плазмохимии монокристаллических материалов. Внешнее воздействие деформирует подложку МР и через изменение внутреннего механического напряжения изменяет резонансную частоту акустических колебаний, возбуждаемых светом.
В связи с малой амплитудой колебаний МР (~0,1 мкм) в волоконно-оптических датчиках (ВОД) физических величин применяется как интерферометрический метод съема информации о резонансной частоте МР с помощью интерферометра Фабри-Перо, так и частотный.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является ВОД физических величин с оптическим методом возбуждения колебаний МР и частотным съемом информации (см. патент РФ N 2135957, БИ N 24 от 27.08.99 г.).
Устройство содержит волоконно-оптический лазер (ВОЛ), МР, выполненный в виде микромостика (микромостика на мембране), коллиматор, выполненный в виде градиентной стержневой линзы (ГСЛ) в четверть периода, формирующей Гауссовы пучки, одномодовый изотропный световод, полупрозрачное зеркало, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух с коэффициентом отражения R1 = 3,2%, фотоприемник, анализатор спектра, полупроводниковый лазер накачки на длине волны λн = 0,98 мкм.
В известном техническом решении один торец световода ВОЛ оптически сопряжен с коллиматором, расположенным между этим торцом и МР, а второй торец является выходным и связан с анализатором спектра через фотоприемник, при этом отражающая поверхность МР образует с выходным торцом световода двухзеркальный оптический резонатор ВОЛ, а отражающая поверхность МР в исходном положении ориентирована к оптической оси коллимированного луча под некоторым заданным углом Θи.
Дискретная форма выходного сигнала ВОД, большая протяженность канала передачи и высокая точность измерения резонансной частоты делают этот тип ВОД перспективным при его использовании в системах измерения физических величин.
Недостатком данного решения является следующее. Наличие в конструкции ВОД автоколлиматора на основе стержневых линз снижает стабильность параметров коллимированного пучка в условиях воздействия на автоколлиматор таких дестабилизирующих факторов, как изменение температуры, давления, ускорения и др. Нестабильность параметров коллимированного пучки ухудшает такие характеристики микрорезонаторных ВОД физических величин, как надежность, точность, быстродействие, а также снижает эффективность взаимодействия ВОЛ с МР за счет нестабильности Θи - угла начальной ориентации оптической оси коллимированного пучка относительно нормали к отражающей поверхности МР. Кроме того, в известном техническом решении конструкция и технология изготовления МР ограничивают возможность его применения для дистанционного измерения электрического тока. Действительно, выполненный из монокристалла кремния методом анизотропного травления и плазмохимии МР также снабжен дополнительным покрытием из металла, которое выполняет роль второго зеркала резонатора ВОЛ (первое - граница раздела световод-воздух на входе фотоприемника). Такой МР мало эффективен для дистанционного измерения электрического тока.
Задача, решаемая данным изобретением, заключается в разработке микрорезонаторного ВОД физических величин для дистанционного измерения электрического тока на основе применения магнитосилового эффекта, возникающего при взаимодействии с МР магнитного поля проводника с током i, который подлежит измерению. Магнитное поле проводника с током изменяет характеристики МР, что приводит к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР пропорционально величине тока в проводнике.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в микрорезонаторном волоконно-оптическом датчике электрического тока, включающем волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло, а также тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.
Суть заявляемого технического решения заключается в разработке ВОД электрического тока, в котором коллимирование луча, взаимодействующего с МР, осуществляется с помощью волоконного автоколлиматора, а изменение величины измеряемого электрического тока проводника с током сопряжено с изменением характеристик МР под действием магнитного поля этого проводника с током. При этом изменение характеристик МР приводит к изменению резонансной частоты в системе ВОЛ-МР (при осуществлении модуляции добротности двухзеркального оптического резонатора вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений одного из зеркал резонатора ВОЛ, в качестве которого служит МР).
Предлагаемый волоконный автоколлиматор выполнен в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце этого световода.
В Гауссовом приближении зависимость параметров коллимированного пучка d, Θo от геометрических размеров микролинзы и характеристик световода описывается выражениями:

где d - диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе;
Θo - угол расходимости коллимированного пучка;
dc - диаметр световедущей сердцевины световода;
NA - числовая апертура одномодового световода;
l - длина микролинзы;
n - показатель преломления материала микролинзы.
Радиус микролинзы R рассчитывается по формуле:
(2)
которая получена из условия, что торец световода располагается в фокальной плоскости микролинзы, а показатель преломления среды (воздуха), в которой распространяется коллимированный пучок, принят равным 1. Оптимальное значение расстояния между микролинзой и МР определяется экспериментально из условия максимального значения отношения сигнал-шум.
Стабильность параметров коллимированного пучка обеспечивается, во-первых, конструкцией автоколлиматора, представляющей собой монолитную структуру из одномодового материала, в которой соединение кварцевого световода с микролинзой из кварцевого стекла осуществляется с помощью сварки в электрической дуге, позволяющей получить высокую механическую прочность и эффективное оптическое сопряжение элементов, во-вторых, слабым влиянием дестабилизирующих факторов (изменений температуры, давления, электромагнитных полей и др.) на показатель преломления и геометрические размеры микролинзы.
Так, в соответствии с формулой (1), исходя из известных значений термооптических и фотоупругих характеристик для кварцевого стекла (световода), получим оценки:


Это значит, что в диапазоне температур 0 - 800oC изменения параметров коллимированного пучка не превышают соответственно 5% и 3%.
Далее отметим, что при данном способе возбуждения автоколебаний в системе ВОЛ-МР основным фактором, определяющим эффективность взаимодействия ВОЛ и МР является угол расходимости пучка Θo, определяющий ширину интервала ΔΘи = Θ2- Θ1, а именно, чем меньше угол расходимости Θo, тем больше ширина интервала ΔΘи и наоборот.
В предлагаемой конструкции автоколлиматора АК обеспечивается возможность вариации значений Θo в широких пределах, что приводит к существенному увеличению ширины зоны существования устойчивых автоколебаний в системе ВОЛ-МР и, следовательно, повышает эффективность их взаимодействия и улучшает технические характеристики устройства: точность, надежность, стабильность.
Для иллюстрации возможностей волоконного АК ниже приводятся оценки параметров коллимированных пучков (d, Θo) при некоторых типовых значениях геометрических размеров волоконных АК и характеристик одномодового световода.
Имеем, при
- диаметре микролинзы, D (мкм), 200...300
- длине микролинзы, l (мкм), 700...900
- радиусе микролинзы, R (мкм), 200...300
- параметрах одномодового световода (λ = 1,55 мкм, NA = 0,15, dc 6,5 мкм)
следующие параметры коллимированных пучков:
- диаметр коллимированного пучка, формируемого микролинзой на ее выходе (мкм), d = 50...150,
- угол расходимости коллимированного пучка (рад) Θo = 8 • 10-3 ... 2 • 10-2.
Что касается сущности магнитосилового эффекта и его использования, то здесь следует отметить следующее.
Дифференциальное уравнение изгибных колебаний МР, находящегося под действием продольной силы Fx, направленной вдоль его длины, в общем случае записывается в виде:

где μ - масса единицы длины МР;
E - модуль Юнга МР;
J - момент инерции поперечного сечения МР.
Представляя изгибные колебания y (x, t) в виде Φ(x)eiωt, получаем:

где K4 = Ex/EJ
здесь ωк - частота собственных колебаний МР.
Решение уравнения (3) с учетом (4) требует введения соответствующих граничных условий.
Рассмотрим в качестве примера МР, выполненный в двух модификациях: в виде микроконсоли и микробалки. Для микроконсоли граничные условия в рассматриваемом случае можно представить как

где l - длина микроконсоли.
При размещении МР в виде микроконсоли (из магнитомягкого аморфного сплава) во внешнее магнитное поле проводника с током изменяются характеристики МР, что приводит к изменению частоты собственных колебаний МР.
Если магнитное поле проводника с током намагничивает консоль до насыщения, то
Fx = S•Ms•Hx
где Hx - напряженность магнитного поля проводника с током i;
Fx - магнитная сила, действующая на МР;
S - площадь поперечного сечения консоли (a•d);
Ms - намагниченность насыщения;
a - ширина консоли;
d - толщина консоли.
Решая совместно уравнения (3) и (5), получаем трансцендентное уравнение, из которого следует, что при Fxl2/EJ≅ 1 частота собственных колебаний МР зависит линейно от величины Hx:

При Hx ≅ HA (где HA - поле анизотропии, параметр ферромагнетика) эффект магнитосилового взаимодействия мал, и в выражении (6) можно пренебречь соответствующим членом в квадратных скобках по сравнению с единицей. Тогда частота собственных колебаний МР будет изменяться, главным образом, за счет изменения модуля упругости E от Hx

Не нарушая общности рассуждений, рассмотрим взаимосвязь частоты собственных колебаний МР в системе ВОЛ-МР с магнитным полем бесконечного прямолинейного проводника с током i, расположенного на расстоянии Z0 от МР.
С учетом принципа суперпозиции магнитных полей имеем:

Из выражения (8) следует, что при известном значении аргумента Hx, определяемом из выражения (7), вычисляется ток i, протекающий по проводнику, расположенному от МР на расстоянии r0. Аналогично по величине Hx дистанционно измеряется ток i проводников иных конфигураций: прямоугольного витка, кругового витка, тороида, соленоида и т.п.
При использовании МР в виде балки, закрепленной с двух сторон, ход рассуждений аналогичен. Применительно к балке, краевые условия запишутся в виде:

Решая уравнение (3) с учетом (9) в функциях Крылова, находим, что частота f собственных колебаний МР, нагруженного продольной силой Fx, связана с частотой ненагруженного резонатора f0 следующим образом:
f2 = f02(1+f2 = f20(1+αFxl2/EJ) (10)Fxl2/EJ) (10)
Константа α зависит от Fx и геометрических размеров МР (l, d, a). При Fxl2/EJ ≅ 10 значение α практически постоянно и равно α = 0,0246. В этом приближении уравнение (10) можно линеаризовать с точностью 0,5%, что дает следующую зависимость f(Fx):

где ρ - плотность образца МР.
При увеличении продольной силы Fx влияние упругих свойств балки на изгибную жесткость уменьшается, и в пределе при Fx___→ ∞ формула (11) переходит в формулу для частоты колебаний струны с α = 0,0197.
На чертеже представлена схема микрорезонаторного ВОД электрического тока, где 1 - ВОЛ, активированный эрбием, накачка которого осуществляется на длине волны λн = 0,98 мкм, 2 - одномодовый световод, 3 - АК, выполненный в виде участка одномодового кварцевого световода со сферической микролинзой, сформированной непосредственно на торце световода, 4 - зеркало M1 оптического резонатора, в качестве которого служит граница раздела световод-воздух, 5 - МР, представляющий собой ленту (пленку) из магнитомягкого аморфного сплава (например, спиновое стекло (металл-глас), монокристалл железоиттриевого граната) в виде микроконсоли (микробалки), 6 - угол Θи между нормалью к отражающей поверхности МР 5 и оптической осью пучка, сформированного волоконным АК 3, 7 - зеркало M2, в качестве которого использована отражающая поверхность МР 5, l - длина микролинзы, D - диаметр микролинзы, d - диаметр коллимированного пучка, H - расстояние между микролинзой и МР 5, 8 - проводник с током, Hx - магнитное поле проводника с током 8, 9 - фотоприемник, 10 - анализатор спектра.
Устройство работает следующим образом.
ВОД электрического тока, проградуированный по диапазону измеряемого электрического тока, размещается относительно проводника с током 8 на определенном расстоянии Z0 таким образом, чтобы продольная ось МР 5 и направление магнитных сил Fx магнитного поля проводника с током 8 совпадали. Независимо от конфигурации МР (консоль, балка) магнитное поле проводника Hx, воздействуя на МР 5, приводит к изменению характеристик МР 5 и, следовательно, его собственной резонансной частоты, связанной с измеряемым током. В системе ВОЛ 1 - МР 5 устанавливается автоколебательный режим с частотой колебаний F, совпадающей с резонансной частотой i-ой моды колебаний МР: fi = F, где i = 1, 2, ... m. При этом автоколебательный режим в системе ВОЛ-МР осуществляется за счет модуляции амплитуды коэффициента отражения оптического резонатора ВОЛ вследствие фотоиндуцированных угловых отклонений зеркала, в качестве которого служит МР.
Таким образом, предложен новый принцип построения микрорезонаторного ВОД электрического тока, содержащего волоконный автоколлиматор, обеспечивающий высокую стабильность параметров коллимированного пучка в широком диапазоне воздействия дестабилизирующих факторов.
Изобретение позволяет получить следующие положительные свойства:
- снижение массы и габаритов ВОД;
- повышение надежности, точности, стабильности, быстродействия;
- увеличение эффективности взаимодействия волоконно-оптического лазера и микрорезонатора.
Формула изобретения: 1. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока, включающий волоконно-оптический лазер в качестве источника оптического излучения, микрорезонатор с зеркальным отражателем, автоколлиматор, фотоприемник, анализатор спектра, отличающийся тем, что в качестве автоколлиматора использован волоконный автоколлиматор, выполненный в виде одномодового кварцевого световода со сферической линзой, сформированной на торце световода, а микрорезонатор выполнен в виде пленки из магнитного материала, при этом продольная ось микрорезонатора совпадает с направлением магнитных сил магнитного поля проводника с током.
2. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использовано спиновое стекло.
3. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока по п. 1, отличающийся тем, что в качестве магнитного материала микрорезонатора использован монокристалл железоиттриевого граната.