CC BY
20ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОГРАНИЧЕННОМ ЧАСТОТНОЙ ПОЛОСЫ В ВОЛОКОННОМ ДАТЧИКЕ ТОКА
НА ЭФФЕКТЕ ФАРАДЕЯ
Старостин Н.И.1'2*, Губин В.П.1'2, Пржиялковский Я.В.1'2, Моршнев С.К.1'2,
Сазонов А.И.1'2
1 Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В А .Котельникова РАН, ,г.Фрязино
2ООО НПЦ Профотек, г. Москва *Е-таИ: [email protected]
Б01 10.24411/2308-6920-2019-16016
Интерферометрический волоконно-оптический датчик тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея позволяет измерять постоянные и переменные токи, в том числе короткие токовые импульсы [1,2]. Датчик использует низкокогерентное излучение суперлюминесцентного источника, а измерение основано на индуцировании магнитным полем тока фазового сдвига между ортогональными циркулярно поляризованными световыми волнами в оптическом чувствительном волокне, охватывающем токопровод. Интерференция этих волн на выходе оптической схемы ВОДТ преобразует фазовый сдвиг в изменение интенсивности излучения, регистрируемой фотоприемником. В результате на выходе фотоприемника формируется отклик на измеряемый ток. Форма отклика на короткий импульс зависит от полосы фоторегистрации ВОДТ и времени прохода излучения по контуру. При этом для получения отклика с малой погрешностью требуется широкая полоса фоторегистрации существенно превышающая обратное время распространения излучения по волокну. Однако при широкой полосе значительно возрастает шум на выходе датчика, что увеличивает предельный порог регистрации малых токов. Простое увеличение мощности излучения на фотоприемнике не решает проблему, поскольку в этих условиях определяющим становится избыточный шум суперлюминесцентного источника, величина которого растет пропорционально падающей на фотоприемник мощности. Наши исследования показали, что при регистрации коротких импульсов тока существует оптимальная частотная полоса, при которой отношение сигнала к шуму максимально.
В работе экспериментально и теоретически изучались амплитудные и шумовые параметры отклика волоконно-оптического датчика тока на прямоугольный импульс тока при разной частотной полосе фоторегистрации (фотоприемника). Использовались импульсы тока с длительностью Тс не превышающей время прохода излучения по чувствительному волоконному контуру датчика Т(. Схема экспериментальной установки дана на рис.1.
Рис.1 Экспериментальная установка
1 - волоконный источник излучения, 2 - направленный ответвитель, 3 - поляризатор, 4 - фарадеевский дискретный ротатор, 5 - соединительная линия, 6 - чувствительный контур,
7 - соленоид, 8 - фотодиод, 9 -фильтр низких частот с изменяемой полосой пропускания, Яр - резистор, Ср - конденсатор для подбора полосы пропускания, 10 - двухлучевой осциллограф, 11 - усилитель импульсного тока, 12 - задающий генератор импульсов
Установка представляла собой цельноволоконный низкокогерентный интерферометр, выходной сигнал которого детектировался фотодиодом 8. Многовитковый чувствительный контур 6 на основе эрип-волокна состоял из N = 2000 витков, намотанных на оправку с начальным диаметром
42 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
ВКВ0-2019 Волоконно-оптические датчики
намотки 14 мм. Расчетное время двойного прохода света для этого контура составляло Т = 1100 нс. Отклик ВОДТ на прямоугольный импульс, пропорциональный фарадеевскому сдвигу Дфр, снимался с выхода фильтра низкой частоты 9, полоса которого изменялась с помощью конденсатора Ср, и регистрировался на экране осциллографа 10. Измеряемый импульс тока пропускался через медный соленоид 7 с числом витков 5, охватывающих волоконный контур. Импульсы тока формировались с помощью полевого транзистора 7 и имели амплитуду 6 А при длительностях 1.1 мкс и 0.275 мкс.
При расчете формы отклика ВОДТ использовалось дифференциальное уравнение первого порядка Тр + ЦЦг) = для напряжения Ц(/) на выходе фильтра низких частот при входном
напряжении в виде трапеции, где Тр постоянная времени фильтра низкой частоты
(фотоприемника). Такую форму имеет отклик на прямоугольный импульс при бесконечно
широкой полосе фоторегистрации [2]. На рис.2 показаны экспериментальная и расчетная зависимости нормированного отношения сигнала к шуму от нормированной постоянной времени Тр/ Т фотоприемника при различной относительной длительности импульса тока Тс/ Тх.
2,0
0,8 ^—I—I I—I—I—■—I—I I—■—I ■—I—"—I—I—I 1
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
т/г,
Рис.2. Зависимость сигнала к шуму от постоянной времени фотоприемника.Сплошная линия:расчет (среднее) в диапазоне T</Tt = 0.25 ... 1.0. Экспериментальные точки: темные - T</Tt = 1.0,
светлые - T</Tt = 0.25
Данная зависимость показывает наличие оптимальной полосы фоторегистрации, при которой отношение сигнала к шуму имеет выраженный максимум. При этом данная полоса близка по величине обратному времени прохода света по волокну. Обнаруженную закономерность мы объясняем различными зависимостями амплитуды отклика и величины белого шума оптического излучения от частотной полосы фотоприемника. Максимальное увеличение отношения сигнала к шуму при выборе оптимальной полосы может достигать двух и более раз по сравнению с режимом фоторегистрации, при котором искажения формы отклика, обусловленные полосой фотоприемника малы.
Рассмотрены также вопросы коррекции амплитудных искажений отклика ВОДТ при оптимальной частотной полосе и приводится обоснование методики такой коррекции.
Результаты исследований позволяют без значительной потери в точности снизить требования к быстродействию фотоэлектронного блока регистрации при разработке ВОДТ для регистрации импульсных токов.
Литература
1. LamingR.I., Payne D.N. Journal of Lightwave Technology 7(12), 2084-2094 1989
2. Пржиялковский Я.В., и др. Квантовая электроника 48 (1), 62-69 (2018)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
