6.6. Волоконно-оптические датчики
6.6.1. Волоконно-оптические датчики магнитного поля
Датчики магнитного поля представляют собой важный класс аппаратуры. Для измерения низкочастотных (<10 Гц) магнитных полей с уровнем ниже 10-9 Тл (10-5 Гс) разработано пять различных технологий. На их основе могут быть построены: феррозондовые приборы, прецессионные приборы, сверхпроводящие квантовые интерферометры, оптоволоконные устройства и устройства на основе эффекта магнитоупругости, приводимые в действие механическим напряжением [24]. Устройства, применимые для измерения высокочастотных (>10 Гц) магнитных полей, это: проволочная петля (измерительная катушка), волоконно-оптические устройства на основе эффекта Фарадея и объемные устройства на основе эффекта Фарадея.
Свету, распространяющемуся через любую среду, присуще свойство поляризации. Состояние поляризации в любой точке характеризуется функцией зависимости вектора электрического поля Е световой волны в этой точке от времени. В наиболее общем случае конец вектора поля Е с течением времени описывает в пространстве эллипс. Такая поляризация называется эллиптической. Состояние поляризации любой распространяющейся волны может быть представлено как суперпозиция двух волн, имеющих ортоганальные состояния поляризации, например, две ортоганальные линейно поляризованные волны или две волны с круговой поляризацией, имеющие противоположные направления вращения. Если состояние поляризации некоторым образом изменяется при распространении излучения через вещество, такое вещество называют двулучепреломляющим и свойства двулучепреломления можно характеризовать по типу волн, на состояние поляризации которых среда не влияет. Таким образом, состояние поляризации излучения с круговой поляризацией остается постоянным в веществах, имеющих круговое двулучепреломление. Однако те же самые материалы сильно влияют на состояние поляризации линейно поляризованного излучения (рис. 6.43), где плоскость поляризации линейно поляризованного излучения поворачивается на угол после прохождения через круговую двулучепреломляющую среду [24].
Рис. 6.43. Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного
света круговой двулучепреломляющей средой
Статическое круговое двулучепреломление прямого участка круглой сердцевины оптического волокна обычно достаточно мало. Однако в присутствии магнитного поля (Н) возникшее в волокне круговое двулучепреломление повернет плоскость поляризации линейно поляризованного излучения на угол :
где магнитооптическая постоянная Верде V является мерой интенсивности проявления эффекта Фарадея в волокне и интегрирование выполняется по длине волокна, подвергнутого воздействию поля (Н). Примечательным свойством вращения под воздействием эффекта Фарадея является его зависимость от направления распространения. Если свет, распространяющийся в одном направлении, подвергается вращению на угол , свет, двигающийся в противоположном направлении, подвергается вращению на угол -. Эту зависимость можно использовать в разъединителях мощности, как на оптических, так и на микроволновых частотах. С другой стороны, она может являться помехой в таких устройствах, как волоконно-оптические датчики вращения, основанные на исключении всех источников такой зависимости, кроме эффекта Саньяка. Паразитное магнитное поле может действенно влиять на датчик через эффект Фарадея и искажать выходной сигнал [24].
В типичной схеме измерения тока N витков волокна намотано на проводник с током i. В соответствии с законом Ампера линейный интеграл магнитного поля сводится к
.
Изменение состояния поляризации можно измерить с помощью поляриметра (рис. 6.44-6.45). На входе в волокно поляризатор создает линейно поляризованное излучение, в то время как анализатор устанавливается под фиксированным углом по отношению к входному поляризатору. Чтобы поддерживать строго определенное состояние поляризации на всем протяжении, используется одномодовое волокно.
Рис. 6.44. Волоконный поляриметр, сконфигурированный как датчик тока
При наматывании волокна на проводник получается компактный датчик, преимуществом геометрии которого является симметричность по отношению к полю, создаваемому током.
Рис. 6.45. Оптическая схема ВОДТ