1.3. Экспериментальные исследования однопроходной схемы чувствительного элемента вод магнитного поля и электрического тока

Количественная проверка приведённых расчётов состоит в измерении температурного дрейфа коэффициента преобразования чувствительного элемента. Как было показано выше, температурный дрейф теоретически может быть уменьшен до для интервала температур 0...100 ⁰С.

Приведённый порядок величин предъявляет важные требования к стабильности измеряемых величин (в данном случае полезного сигнала фотоприёмника, температуры и магнитного поля), согласно которым такая стабильность должна быть по меньшей мере не хуже 10^–3 в течение всего времени эксперимента, который проходит в течение 1–1,5 часа.

Методика измерения зависимости коэффициента преобразования от температуры состояла в одновременной регистрации трёх сигналов:

1) сигнала с фотоприёмника;

2) сигнала, пропорционального величине магнитного поля;

3) сигнала с датчика температуры.

Методика измерения определила состав экспериментальной установки, включавшей в себя интерфейс сопряжения с персональным компьютером.

В качестве источника излучения применялся полупроводниковый светодиод с внутренней стабилизаций мощности излучения по обратной связи. Длина волны источника излучения составляла 0,85 мкм, относительная стабильность мощности излучения была не хуже 10^–3 при том, что в многомодовый световод вводилась мощность порядка ~10^–3 Вт.

Фотоприёмник выполнен на основе кремниевого p-i-n фотодиода.

Кристаллы исследуемых чувствительных элементов помещались в магнитное поле соленоида.

Температура образцов измерялась диодным датчиком температуры.

Точность измерений определялась величиной шумов и составляла 10^-3.

Величина отношения «сигнал-шум» в течение всех экспериментов составляла 10³.

На рис. 1.3 приведена зависимость от температуры нормированного коэффициента преобразования

, (1.20)

где S₀ – значение коэффициента преобразования при комнатной температуре.

Рис. 1.3. Зависимость нормированного КП от температуры для ЧЭ с кристаллом длиной

13 Мм, и углом между разрешенными направлениями поляризаторов,

выбранными так, что L +  = 45

Кривая на рис. 1.3 получена для параметров чувствительного элемента L = 0,012 м и . Расчётное значение температурного дрейфа для такого чувстительного элемента составляет на интервале 0...100 ⁰С величину . Экспериментальное значение совпадает с расчётным, что означает возможность создания чувствительного элемента ВОД магнитного поля с температурной стабильностью на интервале температур 0...100 ⁰С [37].

1.4. Описание схемы и конструкции вод

Оптическая схема ВОД приведена на рис. 1.4

Рис.1.4. Конструкция ВОД: 1 – оптическое волокно; 2 – кристалл Bi₁₂GeO₂₀;

3– поляризационные призмы; 4 – градиентные линзы; 5 – источник

оптического излучения; 6 – фотоприемник

Оптическое излучение от источника (5) передаётся по волоконно-оптическому кабелю (1), изготовленному на основе многомодового волокна с диаметром световедущей жилы 65 мкм, через поляризационные призмы (3) в чувствительный элемент на кристалле Bi₁₂GeO₂₀ (2).

В качестве источника излучения использовался суперлюминесцентный светодиод, обеспечивающий ввод в волокно излучения мощностью ~10^-5 Вт для длины волны мкм.

Система «поляризатор-анализатор» построена на поляризационных делительных кубиках размером 5х5х5 мм³, с коэффициентом экстинкции ~10².

Расходящийся пучок излучения от торца волоконного световода коллимируется градиентной линзой и попадает на поляризующий делительный кубик, одна из линейно поляризованных компонент излучения составляющих проходит через кубик, не меняя своего направления, другая отклоняется на 90⁰ и попадает в кристалл, затем покидает его и, по прохождении через анализатор-вторую поляризационную призму световой пучок опять разделяется на две линейно поляризованные компоненты, одна из которых отклоняется на 90⁰ и через градиентную линзу вводится в оптическое волокно, по которому поступает на фотоприёмник, выполненный на основе кремниевого p-i-n фотодиода с полосой пропускания Гц и пороговую чувствительности 10^-9 Вт.

Выбор призменных поляризаторов для системы «поляризатор-анализатор» сделан в пользу облегчения сборки и настройки чувствительного элемента и общего упрощения конструкции ВОД. Длина кристалла Bi₁₂GeO₂₀ была выбрана как L = 0,012 м по следующим соображениям: как показали исследования температурных характеристик, при такой длине температурный дрейф коэффициента преобразования составляет примерно 0,6 % на интервале температур 15...115 ⁰С, при достаточно высокой чувсвительности датчика. Кроме того, с учётом оптической активности в материале Bi₁₂GeO₂₀ на данной длине кристалла максимальная величина коэффициента преобразования достигается при углу между разрешёнными направлениями поляризаторов в системе «поляризатор-анализатор» , что в случае использования в этой системе призменных делительных кубиков снимает проблему угловой юстировки поляризаторов, а это сильно упрощает сборку чувствительного элемента. Конструкция датчика, при которой оптические световоды подходят перпендикулярно направлению распространению света в кристалле, позволяет помещать его в труднодоступные места, а также применять методику измерения электрического тока через помещение чувствительного элемента датчика магнитного поля в зазор магнитопровода. Фотография собранного чувствительного элемента показана на рис. 1.5

Рис. 1.5. Однопроходный чувствительный элемент ВОД магнитного поля

Элементы ВОД магнитного поля собирались на пластине из диэлектрика, форма которой обеспечивала фиксацию градиентных линз параллельно друг другу и перпендикулярно к месту расположения собственно чувствительного элемента, состоящего из призменных кубиков и кристалла. Монтаж чувствительного элемента проводился в две стадии. Сперва элементы устанавливаются на тонкий слой пластичного полимера и проводится юстировка для минимизации потерь световой мощности. На второй стадии элементы закрепляются на подставке с помощью эпоксидного клея.