Россия
Волоконно-оптические устройства применяются во многих конструкциях вследствие их небольшого размера и высокой точности. Новые волоконно-оптические устройства снабжены системой Slab Coupled Fiber (SCF). В методе SCF используется резонансная связь между оптическим волокном и пластинчатым волноводом при создании внутриволоконного устройства. Изготовленные с использованием этой технологии устройства состоят из поляризаторов, фильтров и датчиков. Оптоволоконные системы получили применение в системах измерения крутящего момента в нефтегазовой и аэрокосмической отраслях. Применение подобной системы на судах является более дорогостоящим по сравнению с использованием технологий на основе тензодатчиков. Предлагается применение недорогой оптической измерительной системы, основанной на использовании пластинчатых оптических датчиков. Устройства SCF используют D-образное волокно в качестве платформы. Устройства с пластинчатым оптическим датчиком (SCOS) основываются на применении электрооптического датчика. В настоящее время разработан датчик магнитного поля, связанный с D-волокном. Устройство объединяет магнитооптический пластинчатый волновод с D-волокном для измерения магнитных полей. Магнитооптический датчик с пластинчатым сопряжением (MO-SCOS) измеряет магнитные поля до 2 А/м. Благодаря небольшой длине датчик может отображать поля с пространственным разрешением всего 1 мм.
оптический датчик, пластина, магнитооптический датчик, пластинчатый оптический датчик, волна
Введение
Мощные микроволновые и электромагнитные импульсы на судах вызывают серьезные опасения по поводу безопасности и надежности электронного оборудования [1–5]. Эти импульсы наблюдаются при применении электромагнитного оружия во время учений военных многих стран мира. Оружие спроектировано для генерации коротких мощных высокочастотных импульсов, способных взаимодействовать с проводящими линиями в электронике и индуцировать большие переходные токи для разрушения чувствительных схем и полупроводниковых устройств. Атака с применением подобного оружия может быстро вывести из строя системы связи, базы данных, системы управления, системы навигации и т. д. Для защиты электроники от такого рода оружия была разработана металлическая защита. Чтобы лучше понять эффективность данного оружия для экранированных электронных схем, необходимы датчики для измерения высокочастотных высокоэнергетических импульсов в непосредственной близости от схемы внутри экранирования без воздействия на электронику, экранирование или значительного изменения полей в пределах цели. Уже разработаны небольшие датчики электрического поля, которые можно разместить внутри металлической защиты для измерения электрических полей [6]. Датчик электрического поля может определить, какая часть поля проникает в экран. Однако электрическое поле внутри экрана не является конечной целью, т. к. ток, наведенный в электронных схемах, разрушит электронику. Датчик магнитного поля может определять ток в проводе путем измерения сопутствующего магнитного поля вокруг провода.
Устройство с пластинчатым оптическим датчиком
В последние годы участились случаи «обесточивания судов» (Blackout) с полной потерей электроэнергии на судах [1], вызванные электрическими неисправностями в энергосистеме судна, которые не были своевременно устранены должным образом. Необходим целостный подход к мониторингу и защите электрооборудования судна. Устройство SCOS работает как оптический модулятор для обнаружения изменений показателя преломления. Данное устройство состоит из пластинчатого волновода и D-образного оптического волокна. За счет связи пластинчатый волновод взаимодействует с оптической мощностью в волокне. При выборе плиты, показатель преломления которой зависит от внешнего фактора, мощность, передаваемая через волокно, модулируется тем же внешним фактором.
Базовое устройство SCOS состоит из магнитооптического пластинчатого волновода толщиной t, расположенного в непосредственной близости от сердцевины оптического волокна (рис. 1). Резонансная связь мод между пластинчатым волноводом и D-образным оптическим волокном формирует основу для измерения SCOS.
Спектр пропускания SCOS состоит из множества периодических провалов передачи, соответствующих длине волн, где свет резонансно связан с оптическим волокном. Рисунок 2 иллюстрирует SCOS, где режимы в сочетании с волокном диспергированы в плите волновода, а соответствующие резонансные провалы наблюдаются в спектре пропускания.
Рис. 1. Базовое устройство SCOS
Fig. 1. Basic device SCOS
Рис. 2. Устройство SCOS, иллюстрирующее оптический вход в D-волокно
и связанный пластинчатый волновод; передача SCOS с выхода D-волокна иллюстрирует
резонансные режимы; свободный спектральный диапазон – это интервал между последующими волнами
Fig. 2. Device SCOS device showing D-fiber optical input and coupled plate waveguide; SCOS transmission
from D-fiber output illustrates resonant modes; free spectral range is the interval between subsequent waves
Резонансные всплески возникают на длинах волн, где эффективный показатель парности волокна совпадает с одной из пар в пластинчатом волноводе. Для толстой пластины в парном режиме более высокого порядка эффективный показатель m-й пластины совпадает с показателем волокна, когда длина волны задается выражением
где t и n0 – толщина и показатель преломления материала покрытия соответственно; Nf – показатель пластины волокна (1,451 для D-волокна при λ = 1 550 нм); m – номер пластины.
При изменении внешнего фактора изменяется показатель преломления пластины, спектральное положение провалов пропускания также смещается. Обнаружение изменения высокой частоты в n0 требует отслеживания соответствующих изменений передаваемой мощности на средней резонансной длине волны. Это включает зондирование на средней резонансной длине волны, где крутизна связи велика (рис. 3). Когда изменение в n0 вызывает сдвиг на ∆λ в спектре пропускания, выходной сигнал на средней резонансной длине волны модулируется ∆Τ.
Рис. 3. Небольшой сдвиг в длине волны вызывает заметное изменение
выходной мощности передачи для датчика SCOS
Fig. 3. Illustration of a small shift in wavelength causes a noticeable change
in the transmit output power for a SCOS sensor
Чтобы связанный волновод мог работать как датчик магнитного поля, он должен испытывать изменение показателя преломления в зависимости от приложенного поля. Магнитооптический эффект Керра помогает количественно оценить изменение показателя в зависимости от магнитного поля H. Эффект Керра иллюстрирует, что гиротропные материалы можно классифицировать по их вектору электрогирации:
где Х(m) – магнитооптическая восприимчивость. Если g (и, следовательно, H) направлены к z, тензор диэлектрической проницаемости в простейшем виде принимает вид:
где ε1 и ε2 – атрибуты материала. Недиагональные члены чувствительны к магнитному полю, если материал является диамагнитным или парамагнитным. Затем можно написать
где f связано с постоянной Верде V; Hz является приложенным магнитным полем; f может быть
где n – показатель преломления материала. В идеальном случае, если бы можно было в полной мере воспользоваться преимуществами надлежащих модальных изменений индекса в пластине, созданных магнитным полем, изменение индекса, созданное полем, можно было бы выразить как
Изменение индекса вызовет сдвиг длины волны; чем больше константа Верде, тем больше сдвиг.
Константы Верде многих магнитооптических материалов известны в инфракрасном диапазоне длин волн. Хотя его константа Верде – соотношение между V и вращением Фарадея – используется для расчета V для двухосевой установки при 1 550 нм. Постоянная V напрямую связана с вращением Фарадея β следующим образом:
где µ – проницаемость (µ = µrµo); d – толщина.
Чтобы измерить фарадеевское вращение образца, испытывают магнитооптический брусок толщиной 500 мкм (рис. 4); он находится между парой индукторов, соединенных последовательно электрически, на определенном расстоянии по оси, приблизительно равном радиусу обмотки катушки (формат катушки Гельмгольца). Эта конфигурация обеспечивает оптимальную однородность магнитного поля в средней точке разделения, сохраняя при этом отклонение менее 6 % в другом месте в пределах зазора между парой индукторов.
Рис. 4. Экспериментальная установка для определения постоянной Верде
Fig. 4. Experimental unit for determining the Verde constant
Пара поляризатор/анализатор используется для преобразования вращения поляризации в изменение обнаруженной оптической интенсивности. Магнитное поле H в зазоре катушки Гельмгольца:
где I – ток; R – радиус катушки индуктивности; n – количество витков в каждой катушке индуктивности. Измеренный угол поворота θ в зависимости от поля H проиллюстрирован на рис. 5.
Рис. 5. Измеренное вращение Фарадея в зависимости от приложенного поля
Fig. 5. Measured Faraday rotation in the relation to the field applied
С учетом измеренных значений вращение Фарадея составляет около 0,05 град/Э.
Заключение
В настоящем исследовании рассмотрено устройство, которое можно применять при контроле крутящего момента двигателя либо судовой электроэнергетической системы. Технология SCOS использует преимущества высокочувствительного характера парной связи при отслеживании небольшого изменения индекса в материале плиты. Использование магнитооптической пластины корреляции между напряженностью магнитного поля и индексом пластины повышает эффективность устройства SCOS в качестве датчика магнитного поля.
1. Доровской В. А., Черный С. Г., Бордюг А. С. Компараторная идентификация частотных характеристик систем автоматического управления судовой энергетической установки // Вестн. Поволж. гос. технолог. ун-та. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2020. № 1 (45). С. 47-57.
2. Catastrophic failure of a capacitor and explosion in an 11kV harmonic filter on board the passenger cruise vessel RMS Queen Mary 2: Marine Accident Investigation Board Safety Bulletin 4/2010. Marine Accident Investigation Branch. 6 p.
3. Варжель С. В. Волоконные брэгговские решетки. СПб.: Изд-во Ун-та ИТМО, 2015. 65 с.
4. Chernyi S. G., Bordug A. S., Kozachenko L. N., Erofeev P. A., Zhukov V. A. The reliability assessment of functioning of autonomous power system of drilling rigs // Proceedings of the 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, EIConRus 2020 (Moscow, Saint-Petersburg, January 27-30, 2020). Saint-Petersburg: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2020. P. 259-263.
5. Бордюг А. С. Применение технологии распределенного оптического контроля в судовых электроэнергетических системах // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2021. № 2. С. 75-81.
6. Сметюх Н. П., Черный С. Г., Ениватов В. В., Бордюг А. С. Скалярное многофакторное оценивание диагностических характеристик судовых энергетических систем // Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. 2019. № 12 (557). С. 15-19.
