АП / аап / окоси

контроля в промышленности. Особенно важно применение во­локонно-оптических индикаторов в качестве датчиков изобра­жения там, где затруднительно введение телевизионной ка­меры и невозможно нахождение обслуживающего персонала или роботов (например, некоторые участки, цехи и оборудова­ние атомных электростанций, заводов металлургической и га­зовой промышленности). На рис. 5.20 поясняется применение подобного датчика для наблюдения за процессами в печи. В стене печи оборудуется маленькое (диаметром около 20 мм) окошко, в которое вводится лучевод изображения. К наруж­ному концу лучевода, на достаточно безопасном расстоянии от печи присоединяется камера промышленного телевидения.

5.4. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ СВЕТА

В настоящем параграфе описываются датчики, в которых используется модуляция измеряемым объектом поляризации света. Типичные примеры — датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея, датчик электрического поля на основе эф­фекта Поккельса, датчик давления на основе эффекта фотоуп­ругости.

1. Датчик магнитного поля. Эффект Фарадея. Этот эф­фект заключается в том, что под воздействием магнитного поля, вектор напряженности которого совпадает с направле­нием света, наблюдается поворот плоскости поляризации света, проходящего через вещество. Угол фарадеевского вращения ср^ при напряженности магнитного поля Н, длине светового пути в веществе L выражается как

y_P=V_rHL. (5.9)

Здесь величина У_г, называемая постоянной Верде, характери­зует активность эффекта Фарадея для данного вещества.

На рис. 5.21 приведена структурная схема датчика магнит­ного поля. Световые лучи передаются от источника света

Магниточувствительная

Рис. 5.21. Датчик магнитного поля на основе эффекта Фарадея

(обычно светодиода) в светочувствительную часть датчика с помощью многомодового оптического волокна. В чувствитель­ной части световая волна с линейной поляризацией попадает через поляризатор в элемент Фарадея, где под воздействием магнитного поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота <pf преобразуется анализатором в зна­чение интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство. При этом, если устано­вить угол между поляризатором и анализатором 45°, то свето­вая мощность на поверхности детектора (обычно /ия-фото- диода)

Р = Р₀ (l+sin<p_F), (5.10)

где Ро — мощность света при отсутствии магнитного поля.

Как видно из формулы, магнитное поле можно измерять по электрическому сигналу детектора. Для компенсации дрейфа измеряемого сигнала при переменном магнитном поле исполь­зуется преобразование «переменный ток — постоянный ток», а при постоянном поле — метод двух выходных световых лучей (см. рис. 5.21).

Материалы для элемента Фарадея. Характеристики мате­риалов с эффектом Фарадея приведены в табл. 5.2. Среди них на практике особенно важны диамагнитные материалы, такие, как свинцовое стекло, Bii₂Ge0₂o(BGO), Bii2Si0₂o(BSO) и дру­гие, отличающиеся слабой температурной зависимостью харак­теристик, а также ферромагнитные: (Tbo,i9Yo,8i)3Fe₅Oi2—в виде объемных монокристаллов, (YSmLuCa)3(FeGe)50i2— в виде тонких эпитаксиальных пленок и другие, для которых харак­терна температурная стабильность свойств.

Рассмотрим основные моменты, связанные с проектирова­нием датчиков, в которых применяются оптически активные¹ и ферромагнитные материалы. В оптически активных веществах, наподобие диамагнетиков BGO, BSO и других, поворот плоско­сти поляризации происходит за счет не только эффекта Фара­дея, но и оптической активности. Поэтому угол поворота <р бу­дет выражаться суммой:

Ф = V_rHL + Q_AL, (5.11)

где 0а — оптическая активность.

В ферромагнитных материалах вследствие высокой намаг­ниченности насыщения 4nM_s эффект Фарадея проявляется

Таблица 5.2. Основные характеристики типичных материалов с эффектом Фарадея

Материал	Структура	Постоянная Верде, мин/(Э-см)	Оптическая активность, . . . °/мм	Длина вол* ны, мкм	Температурная стабильность постоянной Верде
Свинцовое стекло As4Ss-CTewio ZnSe BiujSiOjo Bii2GeO20	Д и а м Аморфная » Кристал­ лическая (кубиче­ ская) То же »	а г н е 0,04 0,10 0,21 0,10 0,188	тики 10,5 9,6	0,85 0,90 0,82 0,87 0,85	±0,5 % (—25 ... 100 °С) ±1 % (—10 ... 80 °С) ± 1 % (20 . . . 120 °С) ± 1 % (—13 ... 85 °С) ±1,5 % (—25 ... 85 °С)
Стекло FR-5	П а р а м Аморфная	г н е 0,11	' и к и	0,85	±15 % (-25 ... 85 °С)

Ферромагнетики

YIG	Кристал­	9,0	—	1,30	±8 %
	лическая				(—25 ... 85 °С)
	(кубиче­
	ская)
(Tbo.ie^o.si )Fe6012	То же	15,6	—	1,15	±1,5 %
					(—20 ... 120 °С)
(YSmLuCa^FeGeJjO^	»	49		0,83	±0,5 % (—20 ... 80 °С)

сильнее. Тогда в зависимости от соотношения между напря­женностью внешнего магнитного поля и намагниченностью на­сыщения угол поворота определяется следующим образом:

q>_f = ** HL, Н < 4яM_s\

4 nM_s (5.12)

Фк = '1\L, H > 4яМ₅,

где i|)_s— угол поворота при Я = 4яЛ1*.

Следовательно, при проектировании датчиков магнитного поля на основе вышеописанных материалов можно воспользо­ваться формулой (5.10), подставив в нее выражение <р по фор­муле (5.11) или <pjp по формуле (5.12).

Рис 5 22. Магниточувствительная оптическая часть датчика: а — с объеди­нением оптических элементов; 6 — с многократным отражением; в — отража­тельного типа на основе магнитострикции

Преимуществом датчиков на диамагнитных материалах обычно считается возможность измерения ими напряженности магнитного поля в широком диапазоне — от десятков до не­скольких тысяч ампер на метр. Ферромагнитные же материалы при более высокой напряженности магнитного поля в силу свойства магнитного насыщения имеют нелинейные характери­стики, но зато датчики на их основе малогабаритны.

Датчик с объединением оптических элементов. На рис. 5.22, а представлена чувствительная часть датчика магнит­ного поля, у которого в качестве материала для элемента Фарадея используется свинцовое стекло. На стекле непосред­ственно изготовляется поляризатор и анализатор многослой­ного типа (диэлектрические пленки БЮг/ТЮг). Благодаря крн- структивному объединению этих элементов повышается на­дежность датчика и снижается его себестоимость. В качестве источника света используется светодиод (Х=0,85 мкм), свето­вого детектора—pm-фотодиод. Оптическое волокно — много­модовое из кварцевого стекла с диаметром сердечника 100 мкм. Датчик с длиной оптического пути 20 мм позволяет измерять напряженность магнитного поля 80...4000 А/м (10...500 Э) с нелинейностью не хуже ±0,25% и при отношении сигнал — шум не менее 40 дБ (В=1 кГц). Температурная погрешность ±0,5 % в диапазоне от —25 до 86 °С.

Датчик с многократным отражением. Этот датчик представ­лен на рис. 5.22, б. В нем вращение Фарадея происходит на­ряду с многократным отражением входящего в свинцовое сте­кло светового луча. При этом луч, отражаясь от верхней и нижней поверхности стекла, не изменяет поляризацию. Для бо­лее полного отражения на эти поверхности напыляется много­слойная пленка со свойствами четвертьволновой пластины. Одно из преимуществ такого датчика — удлинение действи­тельного оптического пути, а следовательно, и увеличение глу­бины модуляции интенсивности магнитным полем. При исполь­зовании для передачи света многомодового оптического волокна, для приема — жгута из оптических волокон, а в каче­стве источника света — светодиода на основе AlGaAs мини­мальная измеряемая напряженность магнитного поля 400 А/м («5 Э), диапазон измерений 0... 40 ООО А/м (0...500 Э), ли­нейность ±1%. Неравномерность частотной характеристики ±3 дБ в полосе от 3 до 750 Гц.

Датчик на основе ферромагнитного материала. В ходе ис­следования состава кристаллов разработан термостабильный монокристалл железоиттриевого граната (Tbo,i9Yo,8ibFe₅Oi2, который оказался весьма подходящим для датчика магнитного поля. На рис. 5.22, в представлена структура такого датчика с магниточувствительной частью отражательного типа. В ка­честве источника света используется светодиод на основе InGaAsP (^=1,3 мкм), а поляризатора и анализатора света — термостабильный, механически прочный рутил. Чувствитель­ность датчика составляет 10 % изменения интенсивности света на каждые 8000 А/м (^100 Э). Колебания амплитуды выход­ного сигнала ±1,5 % при температуре от —20 до 120 °С.

2. Датчики электрического поля. Эффект Поккельса и структура датчика на его основе. Среди кристаллов имеются такие, в которых одному направлению распространения света соответствуют две моды с линейной поляризацией. В этих кри­сталлах коэффициент преломления для направления поляриза­ции каждой моды (для главных осей) изменяется пропорцио­нально напряженности приложенного электрического поля. Это явление называется эффектом Поккельса или, иначе, элек- трооптическим эффектом первого порядка. При этом обычно в отношении поляризации и коэффициента преломления иссле­дуются цилиндрические образцы. Здесь же рассмотрим элемент Поккельса в виде кубического кристалла и при условии дей­ствия электрического поля вдоль оси х$ кристалла. Выражения для векторов поляризации вдоль главных осей, а также для со­ответствующих коэффициентов преломления имеют следующий вид:

_х'₁₌₌—L_ (х_{1 +} х₂)_; у 2

161