Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока с многопроходными чувствительными элементами на основе эффекта Фарадея в Bi12GeO20

• Автор: Удалов, Максим Евгеньевич
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 183 с. : ил.

Введение
ГЛАВА I. ВОЛОКОННООПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, ОСНОВАННЫЕ НА ЭФФЕКТЕ ФАРАДЕЯ В МАТЕРИАЛЕ СО СТРУКТУРОЙ СИЛЛЕНИТА
1.1. Теоретический анализ характеристик чувствительного элемента волоконнооптического датчика магнитного поля и электрического тока для различных схем его построения.
1.2. Аналитический расчт температурных характеристик коэффициента преобразования однопроходного чувствительного элемента ВОД
1.3. Экспериментальные исследования однопроходной схемы чувствительного элемента ВОД магнитного поля и электрического

1.4. Описание схемы и конструкции ВОД

1.5. Оценка потерь в макете датчика с однопроходным чувствительным элементом.

1.6. Расчт соотношения сигналшум и чувствительности датчика

1.7. Выводы к главе

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МНОГОПРОХОДНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННООПТИЧЕСКОГО ДАТЧИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

2.1. Обоснование необходимости математической модели.

2.2. Уравнения математической модели.
2.3. Постановка задачи математического моделирования.
2.4. Выводы к главе
ГЛАВА 3. ПРОГРАММА МОДЕЛИРОВАНИЯ ЧЭ ВОД МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.
3.1. Требования к программе моделирования ЧЭ ВОД.
3.2. Структура данных программы ВБО
3.2.1. Структура данных вычислительного блока.
3.2.2. Структура данных блока интерфейса
3.3. Разработка алгоритма программы.
3.3.1. Алгоритм расчта вектора Максвелла на выходе ЧЭ ВОД
3.3.2 Алгоритм расчта выходной интенсивности.
3.3.3 Алгоритм расчта коэффициента преобразования
3.3.4 Алгоритм расчта температурного дрейфа выходных величин
ЧЭ ВОД.
3.3.5 Алгоритм организации вычисления выходной величины
ЧЭ ВОД по изменяемому параметру
3.3.6 Алгоритм организации вычисления выходной величины
ЧЭ ВОД по двум изменяемым параметрам.
3.4. Графический интерфейс программы
3.4.1 Главная панель программы
3.4.2 Окно табличного вывода результатов
3.4.3 Окно графического вывода результатов. График
3.4.4 Окно графического вывода результатов. Номограмма
3.5. Практическое применение программы моделирования чувствительного элемента ВОД.
3.5.1. Задача лабораторной работы 1.
3.5.2. Задача лабораторной работы 2.
3.5.3. Внедрение программы.Г
3.6. Выводы по главе
ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОПРОХОДНОГО ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОД МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ОТРАЖАТЕЛЬНОЙ СХЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ.
4.1 Коэффициент преобразования многопроходного ЧЭ.
4.2. Обоснование расчта влияния ЛДП на характеристики ЧЭ.
4.3. Влияние ЛДП на выходную характеристику ЧЭ
4.4. Влияние ЛДП на коэффициент преобразования ЧЭ.
4.5. Влияние ЛДП на температурный дрейф характеристик ЧЭ
4.6. Математическое обоснование возможности стабилизации влияния
ЛДП на характеристики ЧЭ.
4.7. Сравнительный расчт влияния ЛДП на коэффициент преобразо
вання ЧЭ.
4.8. Сравнительный расчт влияния ЛДП на температурный дрейф
коэффициента преобразования ЧЭ.
4.9. Определение возможности использования ЛДП для компенсации температурного дрейфа константы Верде в кристалле ЧЭ.
4 Выводы к главе
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДАТЧИКОВ
МАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА.
5.1 Описание оптической схемы ВОД
5.2. Блок излучателя ВОД магнитных полей и электрических токов
5.3. Блок оптического приемника для ВОД магнитных и электрических полей.
5.4. Блок оптоэлектронного модуля для ВОД магнитных полей и электрических токов
5.5. Технология изготовления и настройки чувствительного элемента
ВОД магнитных полей и электрических токов
5.6. Технология сборки чувствительного элемента
5.7. Описание экспериментальной установки.
5.8. Результаты измерений и их обсуждение.
5.9. Выводы к главе 5.
Заключение.
Список литературы


Теоретический анализ, математическая модель, следующие из не алгоритмы и реализующая их программа для расчта характеристик ЧЭ ВОД магнитного поля на основе эффекта Фарадея в Вцео для больших длин оптического пути, позволяющие определить условия температурной стабильности коэффициента преобразования ЧЭ. Результаты численного моделирования, показывающие, что остаточное линейное двулучепреломление является критическим фактором термостабильности коэффициента магнитооптической модуляции при длинах оптического пути, характерных для многопроходных схем построения ЧЭ. Способ стабилизации и минимизации температурного дрейфа коэффициента преобразования МЧЭ датчика магнитного поля на основе эффекта Фарадея в Вц2СеО. Волоконнооптический датчик магнитного поля и электрического тока с многопроходным ЧЭ отражательного типа и коэффициентом преобразования, 8кратно превосходящим коэффициент однопроходного ЧЭ при незначительном увеличении массогабаритных параметров. ГЛАВА I. В чувствительном элементе волоконнооптического датчика магнитного поля и электрического тока на кристалле со структурой силленита используется эффект Фарадея явление магнитооптической модуляции света в кристалле . Особенность кристалла со структурой силленита состоит в наличии в этом материале собственного кругового двулучепреломления, которое может оказывать влияние на магнитооптическую модуляцию помимо константы Верде кристалла , , , , . С точки зрения построения датчика, основными характеристиками ЧЭ являются коэфициент преобразования и коэффициент модуляции, которые определяют чувствительность ВОД. Для теоретического расчта этих величин был применн формализм Джонса, в котором кристалл со структурой силленита был отражн как среда, обладающая и круговым, и линейным двулучепреломлением. Н проекция приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны. В идеальных кристаллах со структурой силленита собственное линейное двулучепреломление отсутствует, так как идеальный кристалл предполагается имеющим кубическую симметрию и изотропным. На практике дефекты кристалла обуславливают наличие линейного двулучепреломления вследствие образующихся изза несовершенств кристалла внутренних напряжений. На основании того, что величина собственного линейного двулучепреломления мала сравнительно с величиной собственного кругового линейного двулучепреломления , для первого приближения расчта характеристик ЧЭ ВОД собственным линейным двулучепреломлением пренебрегали, что однако, для актуальных для того времени схем не влияло на результаты расчта такой характеристики ЧЭ ВОД, как коэффициент преобразования. Ниже рассматриваются две конструктивных схемы построения ЧЭ ВОД отражательного типа и проходного типа. Схема отражательного типа рис. ЧЭ. Схема проходного типа рис. Рис. Оптическая схема двухпроходного чувствительного элемента. Рис. Функциональной особенностью схемы отражательного типа является то, что величины собственного двулучепреломления и наведнного магнитным полем кругового двулучепреломления за прямой и обратный проходы суммируются, а значения собственного кругового двулучепреломления оптической активностью вычитаются. Происходит это изза разной ориентации излучения относительно оптической оси кристалла на прямом и обратном проходе. Формализм Джонса предусматривает описание состояния поляризации световой волны по прохождении некоторого оптического тракта через вектор Максвелла. Результирующий вектор получается путм перемножения матриц, соответствующих описанию сред, через которые пролегает оптический тракт. Л яг 4. Р . Я V Н 0 , р Ь я2,Яг2, 1. Ло4Я ДГп. Ь
у
где о интенсивность света на входе чувствительного элемента. ВЮ и ВОеО составляет 2 радмм при температурном дрейфе этой величины приблизительно в 1 на интервале температур О. ЛООС. Из анализа выражения 1. Следовательно, им можно пренебречь, а выражение 1. М Яа Р Ла МВР, 1. С учтом сделанных ранее предположений, оценка влияния температурного дрейфа ЛДП на дрейф интенсивности А1р в пренебрежении членами порядка. I 0, для интервала температур 0. ЧЭ ВОД при соблюдении условий 1. Если чувствительный элемент находится в переменном магнитном поле Н 0 , то выходной сигнал будет представлять собой сумму переменной составляющей, пропорциональной Я0, и постоянной составляющей, медленно меняющейся от температуры.