Лабораторная работа №6 Волоконно-оптические датчики контроля напряженности магнитного поля и силы тока
.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучить устройство и принцип работы волоконно-оптических датчиков, получить навыки расчета их рабочих параметров.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Изучить теоретический материал по устройству и принципам работы волоконно-оптических датчиков.
Ознакомится с методикой расчета рабочих характеристик волоконно-оптических датчиков.
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 Ø0,35 мм, намотанного на цилиндрическом корпусе Ø10 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 = B۰H۰Z , (6.1)
где H – напряженность магнитного поля в эрстедах, B - постоянная Верде в град./(эрстед۰м), Z - расстояние, пройденное светом в феррите (м).
Величина В изменяется от 10-1 град./(эрстед۰м), для кварцевого стекла до 10-2 град./(эрстед۰м), 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 5 ۰10-2 до 5 ۰10-4 град./(эрстед۰м) 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 = J۰N (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.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Изучить теоретический материал.
Ознакомиться с методикой оценки параметров волоконно-оптических датчиков.
Изучить принцип работы и устройство волоконно-оптических датчиков.
Получить задание на выполнение работы (см. табл. 6.1).
Таблица 6.1
Данные |
Варианты |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
L (мм) |
13 |
15 |
15 |
14 |
15 |
17 |
18 |
12 |
15 |
18 |
N (шт) |
30 |
20 |
25 |
28 |
24 |
27 |
29 |
34 |
24 |
35 |
R (мм) |
10 |
12 |
13 |
18 |
20 |
22 |
25 |
30 |
33 |
35 |
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 |
|||||||||
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
20 |
|
L (мм) |
12,5 |
12,7 |
12,6 |
12,7 |
13,5 |
13,4 |
13,6 |
14,1 |
14,3 |
15,6 |
N (шт) |
36 |
45 |
54 |
58 |
39 |
37 |
59 |
38 |
36 |
45 |
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 |
Выполнить расчет показателей линейно-поляризованного излучения.
Рассчитать параметры калибровки магнитного поля для изучения работы волоконно-оптических датчиков.
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
Отчет должен содержать:
5.1. Расчеты, выполненные в последовательности, соответствующей общему порядку выполнения работы.
5.2. Оценку данных, полученных в результате расчетов.
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?