Курсовая работа (т): Проектирование высокоэффективного магнитооптического датчика тока на основе магнитооптического эффекта Керра

Эффект Керра - появление анизотропии у самой молекулы. Неполярные молекулы приобретают дипольные моменты и ориентируются в электрическом поле-Полярные молекулы просто ориентируются. Эффект зависит от концентрации молекул.

Электрооптический эффект Керра. Многие изотропные вещества, помещенные в электрическое поле, приобретают свойства одноосных кристаллов, т.е. обнаруживают оптическую анизотропию, приводящую к двойному лучепреломлению света, проходящего через вещество перпендикулярно направлению поля. При этом величина двойного лучепреломления пропорциональна квадрату напряженности поля и ее знак не меняется при изменении направления поля на обратное, (другие названия эффекта: квадратичный электрооптический эффект, поперечный эл. опт. эффект). Величина эффекта зависит от вещества, его температуры и длины волны света. В газах эффект Керра мал, а в жидкостях его величина гораздо больше. Аномально сильно он проявляется в нитробензоле и подобных ему жидкостях. Наиболее часто указанный эффект реализуется в т.н.электрооптических затворах Керра, Прозрачную кювету с электродами для создания поля, заполненную нитробензолом, помещают между скрещенными поляризатором и анализатором таким образом, что направление поля составляет угол 45 градусов с их главными плоскостями поляризации. Если поле отсутствует, такое устройство не прозрачно для света. При наложении поля, линейно поляризованный свет при прохождении через кювету расцепляется на два перпендикулярно поляризованных луча, имеющих в пределах кюветы различные скорости распространения. При этом между ними возникает разность фаз, что приводит к эллиптической поляризации света, вышедшего из кюветы. При этом часть его проходит через анализатор. Затвор открыт (6). Высокая скорость срабатывания такого затвора (10 в минус 11 степени сек.) обусловило его применением в исследованиях быстропротекающих процессов и для высокочастотной (до 10 в 9 степени Гц) модуляция оптических сигналов. Применение эффекта дает хорошие результаты и в том случае, когда требуется безинерционное пространственная модуляция света (отклонение луча, его расщепление и т.п.). Взаимосвязь через эффект Керра двух полей - электрического и оптического - позволяет применять его для дистанционного измерения электрических величин оптическими методами. Еще два примера применения эффекта Керра:

) Оптическая система с управляемым фокусным расстоянием, отличающийся тем, что с целью безинерционного изменения фокусного расстояния она выполнена в виде цилиндрического рабочего тела из вещества, обладающего электрооптическим эффектом, помещенного внутрь, например, шестипольного конденсатора, электрическое поле которого создает такое распределение показателя преломления в веществе рабочего тела, что падающий на его торец параллельный пучок света собирается в фокусе, положение которого на оси системы зависит от приложенного конденсатору напряжения.

) Устройство для измерения температуры содержащее источник света, пластины из матированного прозрачного материала, пространстве между которыми заполнено жидкостью с близким поистинным показателем преломления и различным по знаку или величине температурным коэффициентом показателя преломления, отличающееся тем, что с целью расширения диапазона измерений, в него введены, прозрачные электроды, выполненные, например, на основе пленок окиси олова, нанесенные снаружи на пластины, подключенные к источнику питания, а в качестве жидкости заполняющей пространство между пластинами использован нитробензол.

.7 Эффект Поккельса

Электрооптическим эффектом называют изменение показателя преломления вещества под действием электрического поля. Различают линейный электрооптический эффект (эффект Поккельса), когда изменение показателя преломления вещества пропорционально первой степени напряженности внешнего электрического поля, и квадратичный электрооптический эффект (эффект Керра), так как в этом случае изменение показателя преломления пропорционально квадрату напряженности электрического поля.

Эффект Поккельса наблюдается в кристаллах, которые под действием внешнего электрического поля становятся оптически анизотропными, что проявляется в изменении показателя преломления для световой волны, поляризованной параллельно внешнему электрическому полю (электрическое поле волны параллельно внешнему полю). Изменение показателя преломления n определяется выражением

=r*n^3* Евн./2

где r - линейный электрооптический эффект,- показатель преломления вещества в отсутствие внешнего электрического поля,

Евн. - напряженность электрического поля.

К таким кристаллам относятся: ниобат лития, дигидрофосфат калия, титанат лития.

Для обнаружения и исследования электрооптического эффекта обычно используют плоско поляризованный свет, пропускаемый через кристалл так, чтобы он распространялся перпендикулярно направлению электрического поля (то есть направлению электрической оси), а плоскость поляризации световой волны на входе составляла бы угол 45градусов с направлением внешнего поля.

Такую волну можно представить как суперпозицию двух взаимно перпендикулярных плоскополяризованных (одна параллельно внешнему электрическому полю, другая перпендикулярно внешнему электрическому полю - на рис.1 это Ех и Еу) когерентных волн равной интенсивности и распространяющихся в одном направлении (на рис.1 - в направлении оси z).

В отсутствии внешнего электрического поля обе волны характеризуются одинаковыми показателями преломления n и, следовательно, распространяются в кристалле с одинаковой скоростью v= vx= v y =c/n, где с - скорость света в вакууме. В этом случае в любой точке эти волны будут иметь одинаковую фазу и на выходе из кристалла дадут ту же поляризацию, которую имеют на входе в кристалл.

Если электрическое поле присутствует, то из-за возникшей анизотропии кристалла в направлении поля показатель преломления волны, поляризованной параллельно полю, изменяется на величину n, определяемую по формуле (1). Поэтому эта волна будет теперь распространяться внутри кристалла со скоростью:

=c/n* n

На рис.3.приведена структурная схема датчика электрооптического поля.

Датчик электрооптического поля на основе эффекта Поккельса

-источник света

-поляризатор

-ЭОЯП

-анализатор

-фотодиод

-усилитель

-АЦП

-ЖКИ

-ЦАП

Световые лучи передаются от источника света -лазерный диод, который питается от пальчиковой батарейки, на поляризатор с помощью оптического волокна. Через поляризатор световая волна с линейной поляризацией попадает в элемент Поккельса, где под воздействием электрооптического поля происходит поворот плоскости поляризации. Значение угла поворота jF преобразуется анализатором в значение интенсивности света, и далее свет передается оптическим волокном в светоприемное устройство то есть, на фотодиод с операционным усилителем.

2. Расчетно-конструкторская часть

.1 Структурная схема

Принцип действия устройства основано на изменении фототока в оптическом волокне за счет поворота угла поляризации световых сигналов в материале оптоволокна под воздействием магнитного поля.

В качестве источника световых импульсов применяется лазерный диод IDL5S-640, сигналы которого находятся в диапазоне красного света (длина волны составляет λ= 635…640 нм) .Частота генерируемых импульсов составляет f=16кГц, мощность излучения - Р=5мВт. Выбор источника обусловлен тем, что диоды, излучение которых находится в красном спектре, обладают меньшим энергопотреблением и большей чувствительностью.

C выхода диода сигналы поступают в поляризатор, выполненный из исландского шпата (Марка ИШУ) (13). Область прозрачности для данной марки полевого шпата составляет λ = (240÷1900) нм.

С выхода поляризатора световые сигналы поступают в оптическое волокно, материал из которого оно выполнено должен обладать существенной чувствительностью к изменению внешнего магнитного поля. В данном датчике используется оптическое волокно MMF50/125 (14), выполненное из кварцевого стекла. Технические характеристики приведены ниже:

Коэффициент затухания сигналов красного диапазона (λ=640 нм) - 2,4дБ/км;

Постоянная Верде - СВ =10-5 град/(эрстед*м)=104 град/(Тл*м);

Диаметр сердечника - d=0,1 мм.

Сигналы из оптического волокна поступают в анализатор, выполненный аналогично поляризатору. Угол между плоскостями поляризатора и анализатора составляет α=45°, при данном значении α обеспечивается максимальная чувствительность датчика к углу поворота плоскости поляризации оптоволокна.

На выходе поляризатора установлен фотодиод, который преобразует световые импульсы в электрические сигналы. Главным требованием к фотодиоду является его чувствительность, так как изменения фототока носят чрезвычайно малую величину. В данном устройстве в качестве фотодиода принят ФД-7Г (15), интегральная чувствительность которого составляет Y=1,4*10-2.

Полученные электрические сигналы поступают в блок усилителей, где производится их фильтрация и усиление. Затем сигналы поступают в аналого-цифровой преобразователь, который осуществляет вывод значений на индикаторы.

2.2 Оптические характеристики

цифровой преобразователь магнитооптический ток

Входная интенсивность определяется следующим образом:

Jвх = Ф/ S

где Ф - световой поток излучения;

S - площадь освещаемой поверхности.

Уровень светового потока определяется как

Ф = Iсв * ω

где Iсв - сила света;

ω - телесный угол, в котором происходит излучение.

Для выбранного светодиода Iсв==100мкКд, ω=10 ср. [1]

Ф=10-4 * 10 = 10-3 лм.

В качестве освещаемой поверхности в данном случае выступает площадь поперечного сечения оптического волокна.

Sсеч=π*R2=π*d2/4

где d - площадь поперечного сечения оптоволокна.

S= π*(10-4)2/4=785*10-9 мм2,вх = 10-3/(785*10-9)=1247 лк.

Уровень выходной интенсивности Jвых светового потока при заданной разнице углов поляризации поляризатора и анализатора (α=45°) определяется следующим образом [4]:

Jвых = Jвх * (1±sin2Θ)/2

где Θ - изменение угла поляризации в оптоволокне.

Θ = СВ * В * L

где СВ - постоянная Верде;

В - индукция магнитного поля;

L - длина пути света в оптическом волокне.

L= l1*w,

где l1 - длина одного витка;

w - количество витков/

D = 50 мм.

Тогда длина одного витка l1 составит:

l1 = π*D2 = 157 мм

Определим оптические параметры устройства при В=10-5 Тл, что соответствует нижнему пределу измерения индукции магнитного поля для датчиков подобного типа (16).

Изменение угла поляризации в оптоволокне составит:

Θ = 104 * 10-5 * 1,57=0,157 град,

Jвых=1274* (1+sin(2*0,157))/2=640,5 лк.

Уровень протекающего фототока Iф определяется следующим образом:

Iф = Y * Jвых

где Y - интегральная чувствительность;

Iф = 1,4*10-2 640,5 ≈ 9 мА.

Коэффициент затухания в преобразовательном тракте разрабатываемого устройства определяется следующим образом [6]:

Кз = 1/L * 10*lg (Pвх/Рвых)

В данном случае КЗ = 2,4 дБ/км.

2.3. Расчет узлов электрической принципиальной схемы

.3.1 Расчет элементов входного усилителя

Усилительный каскад

Для корректной работы усилительного каскада необходимо обеспечить падение напряжения не на вход операционного усилителя, а на резистор R2 Фотодиод VD1 подключается к усилительному каскаду через делитель напряжения.

Делитель напряжения

Уменьшает входной сигнал в два раза, при этом R1=R2=2 кОм.

Такое включение позволяет зафиксировать коэффициент его усиления (при последовательном включении VD1 и R3 коэффициент усиления был бы переменным, т.к. сопротивление диода нелинейно).

Усилительный каскад

Усилительный каскад реализован на основе ОУ К533УД1.

Коэффициент усиления каскада: К=-R4/R3,

Принимаем, К=1,3, тогда R3= 1кОм, R4 = 1.3 кОм.

Резистор R5

Резистор R5 необходим для уменьшения напряжения смещения операционного усилителя.

R5=R3||R4,=560 Ом.

.3.2 Расчет полосового фильтра

Выполним фильтр в данной схеме на основе резонансного контура. Он прост в реализации и обладает значительной добротностью. Входными сигналами преобразовательного тракта устройства являются импульсы частотой 16 кГц.

Определение значений L1 и C2

Для резонансной частоты справедливо выражение:

рез = 1/(2π*(L1*C2)1/2)

В данном случае fрез = 16 кГц

Номиналы L1 и C2 определяются исходя из значения резонансной частоты fрез.

Методом подбора получаем: L1 = 5 мГн, C2 = 20 нФ.

Определение значения конденсатора C1

Конденсатор C1 необходим для предотвращения попадания постоянной составляющей (напряжения смещения) сигнала от входного каскада в колебательный контур. Номинал конденсатора должен быть соизмерим с полным сопротивлением LC- контура на резонансной частоте.

ZLC = 1/(j*2πfрез*L1- (1/j*2πfрез*C2)),

C1=1/ j*2πfрез* ZLC.

Получаем, С1 = 50 мкФ.

Выходной каскад выполняет роль буфера, поэтому К=1.

Номиналы резисторов примут следующие значения:

R6=R7=1 кОм,

R8 = R6||R7 = 510 Ом.

.3.3 Расчет элементов аналого-цифрового преобразователя и его включение с ндикаторами.

Для приведения измеренных сигналов в цифровую форму применяется аналого-цифровой преобразователь КР572ПВ2. Микросхема используется в своем стандартном подключении с индикаторами АЛС324Б.

Номиналы навесных элементов принимают справочные значения (Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) (19) RU (11) 2161315 (13) C1(51) 7 G01R33/032).

С3=1 мкФ; С4=0,1 мкФ; С5=0,47 мкФ; С6= 3нФ;С7=1 мкФ;R9=500 Ом;

R10=47 кОм; R11=10 кОм.

3. Заключение

Изобретение относится к области электрических измерений и может быть использовано в измерительной технике высоких напряжений, в области релейной защиты и автоматике.

В последнее время отмечается активное техническое перевооружение производящих электроэнергию отраслей. При этом общей тенденцией развития электротехнического оборудования, в частности систем измерения и защиты, используемых при производстве и распределении электроэнергии, является внедрение современных цифровых технологий, гарантирующих его стабильную и надежную работу. Возможности традиционных методов измерения с использованием электромагнитных трансформаторов тока и напряжения уже практически полностью исчерпаны. Принципиально другой перспективный подход, основанный на использовании магтооптического эффекта Фарадея и электрооптического эффекта Керра, реализуется в оптикоэлектронных трансформаторах тока и оптикоэлектронных трансформаторах напряжения, применяемых в сочетании с современными способами обработки сигналов и передачи данных.

Известен способ оптического определения физических величин, преимущественно высокого электрического напряжения (см. патент Германии № 4416298 МПК G01D5/26,G01R15/00,публ.16.11.95). Согласно способу линейно поляризованное излучение от источника света подается на электрооптический кристалл. После прямого и обратного прохождения, находящегося под воздействием электрического поля электрооптического кристалла, возникает фазовое смещение света, для анализа которого световой сигнал разделятся на две составляющие, которые потом преобразуются в электрические сигналы интенсивности. Далее из этих сигналов формируется измерительный сигнал напряжения, который корректируется относительно температурных изменений с помощью поправочной функции.

Известно устройство для осуществления данного способа (см. патент Германии № 4416298 МПК G01D5/26,G01R15/00,публ.16.11.95), которое включает оптически связанные источник света, первый поляризатор, делитель светового пучка, и электрооптический кристалл с поворотным зеркалом, четверть волновую пластину, второй поляризатор и два детектора света с блоком формирования измерительного сигнала.