CC BY
99
w
Ураксеев М.А. Urakseev М.А.
доктор технических наук, профессор кафедры «Технологические машины и оборудование», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет», Россия, г. Уфа.
Закурдаева Т.А. Zakyrdaeva Т.А.
аспирант кафедры «Информационно-измерительная техника», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», Россия, г. Кумертау.
УДК 621.383.8 + 535.8
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И КОНСТРУИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
В последние годы появилось большое количество публикаций по созданию современных волоконно-оптических приборов измерительных систем, основанных на электрооптическом эффекте Поккельса. В последнее время они находят широкое применение в электроэнергетике, металлургии, стекольной промышленности, приборостроении и других отраслях. Это объясняется их высокими техническими характеристиками, которые удается получить за счет использования новейших технологий и материалов для создания элементной базы. Авторами на основании анализа патентов на изобретения и полезные модели выявлены принципы построения и конструирования электрооптических измерительных систем, позволяющие улучшить основные характеристики новых технических решений. Для достижения технических характеристик и их улучшения достигаются: введение на выходе анализатора последовательной цепочки преобразования, обработки и отображения сигнала.; введение двух оптических систем с линзами; введение между основными электродами дополнительных, установленных параллельно основным; введение двух фотодиодов, подключенных своими выходами к блоку обработки сигналов; введение на выходе PIC-микроконтроллера устройства, выход которого соединен с устройствами отображениями информации и записи; введение дополнительных плоских электродов между четырьмя диафрагмами; выполнение электрооптических элементов в виде призм, в основании которых расположены электроды; введение анализатора между кристаллами чувствительного элемента и параллельная ориентация оптических осей кристаллов; выход дифференциального усилителя через интегратор соединен с источником света.
В настоящие время разработкой волоконно-оптических датчиков электрического тока напряжения и напряженности магнитного и электрического поля занимается целый ряд компаний, среди которых следует отметить канадскую компанию NxtPhase T&D Corporation, шведскую фирму PowerSense, американские фирмы OptiSense Network, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics, Inc. (FMI), шведско-швейцарскую компанию ABB.
В России разработкой и исследованием подобных датчиков и измерительных систем занимается ООО «Уникальные волоконные приборы» и в ряде других организаций России.
Ключевые слова: линейный электрооптический эффект, ячейка Поккельса, датчики электрического напряжения и напряженности, электрооптика, двойное лучепреломление.
PRINCIPLES OF MEASUREMENT AND CONSTRUCTION ELECTRO SYSTEMS
In recent years, a large number of publications on the creation of modern fiber-optic instrument measurement systems based on electro-optical Pockels effect. Recently, they are widely used in electric power, metallurgy, glass industry, instrument-making and other industries. This is due to their high performance, which can be obtained through the use of new technologies and materials to create components. The authors based on the analysis of patents for inventions and utility models are revealed principles of construction and design of electro-optical measuring systems that improve the basic characteristics of new technical solutions. In order to achieve specifications and improvements are achieved: an introduction to the output of the analyzer daisy chain transformation, process and display signal; administration of two optical systems of lenses; introduction between the main electrodes of additional installed parallel to the main; administration of two photodiodes connected by their outputs to the signal processing unit; introducing at the output-PIC microcontroller device, the output of which is connected to the display device and recording; introduction of additional plane electrodes among four diaphragms; performing electrooptic elements in the form of prisms, which are located at the base electrodes; the introduction of the analyzer crystals between the sensor and the parallel orientation of the optical axes of the crystals; the output of the differential amplifier is connected via an integrator to the light source. Currently, the development of fiber-optic sensors electric current voltage and the magnetic and electric fields has been a number of companies, notably the Canadian company NxtPhase T & D Corporation, the Swedish company PowerSense, American firms OptiSense Network, Inc., Airak, Inc., FieldMetrics , Inc. (FMI), the Swedish-Swiss company ABB.In Russia, the development and research of such sensors and measuring systems engaged LLC "Unique optic devices" and a number of other organizations in Russia.
Keywords: linear electro-optic effect, Pockels cell, voltage sensors, and tension, electro-optics, birefringence.
В последние годы появилось большое количество публикаций по созданию современных волоконно-оптических приборов измерительных систем, основанных на электрооптическом эффекте Поккельса [1 -5].
Эффект Поккельса использует двойное лучепреломление в оптических средах электрооптических кристаллов при наложении постоянного или переменного электрического поля. Электрооптический эффект- это изменение коэффициента преломления некоторых материалов под действием электрического поля. Материалы, обладающие такими свойствами, называют электрооптическими материалами. Электрооптические эффекты бывают двух видов:
1) первый называют линейным электрооптическим эффектом Поккельса. При нем коэффициент
преломления линейно зависит от силы поля, приложенного к кристаллу, не имеющему внутренней симметрии;
2) второй называют квадратичным электрооптическим эффектом Керра. При нем коэффициент преломления пропорционален квадрату силы поля в веществах с внутренней симметрией [1].
Авторами на основании анализа патентов на изобретенияиполезныемоделивыявленыпринципы построения и конструирования электрооптических измерительных систем, позволяющие улучшить основные характеристики новых технических решений. При этом учитывались во всех патентах достигаемые технические результаты и пути их реализации. В результате исследований получены улучшаемые характеристики, приведенные на рисунке 1.
Рис. 1 Улучшаемые характеристики и пути их достижения
Далее рассмотрим на примерах технических решений пути их улучшения характеристик по результатам анализа патентных материалов.
1. Расширение функциональных возможностей. Данная цель достигается в патенте№ 71441 (Рис. 2) [6].
Рис. 2. Схема для измерения напряженности электрического поля и напряжения: 1 - источник оптического излучения; 2 - поляризатор; 3 - электрооптическая ячейка Поккельса; 4 - анализатор; 5 - фотодиод; 6 - преобразователь ток -напряжение на базе операционного усилителя; 7 - микроконтроллер; 8 - устройство записи информации; 9 - жидкокристаллический индикатор.
Луч света проходит по оптической цепочке, образованной элементами 1, 2, 3, 4, 5. Электрическое напряжения и подводится к электродам элемента 3, электрический сигнал с выхода элемента 5 проходит по цепочке, содержащей звенья 6, 7, 8, 9.
2. Повышение точности измерения. Данная цель достигается в патенте № 67723 (рисунок 3) [7].
1
?
7
5
I— 6
Цифродов Збено
11 t
7 L 8 9 - 10
t 1
Рис. 3. Структурная схема волоконно-оптического информационно-измерительного устройства: 1 - источник оптического излучения; 2 - первая оптическая система с микрообъективом; 3 - электрооптическая ячейка Поккельса; 4 - вторая оптическая система с линзами; 5 - фотоприемник; 6 - усилитель; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - региср памяти; 9 - контроллер;10 - жидкокристаллический индикатор; 11 - печатующее устройство.
Луч света проходит по следующей цепочке, имеющей две оптические системы, к первой относятся такие элементы системы как 1, 2, 3, а ко второй системе 4, 5, 6, 7, 8, 9, выходы которого связаны с элементом 10 и 11. Точность измерения заключается от длин волн поступающих на измерительное плечо.
3. Уменьшение полуволнового напряжения. Данная цель достигается в патенте №2029977 (рисунок 4)
[8].
Рис. 4. Схема электрооптического модулятора света: 1- поляризатор; 2- электрооптический кристалл; 3 и 4- основные электроды; 5 , 6- дополнительные электроды.
В данном устройстве все элементы расположены последовательно 1, 2, 3, 4. Элементы 3 и 4 устанавливаются на входном и выходном концах элемента 2, также имеются дополнительные элементы 5 и 6, которые устанавливаются на боковые поверхности элемента 2. В элементе 2 возникает наведенное двулучепрелом-ление, что приводит к уменьшению полуволнового напряжения.
4. Повышение и стабильности характеристик. Данная цель достигается в патенте № 111679 (рисунок
5) [9].
Рис. 5. Схема блока обработки сигналов: 1 - измерительный датчик; 2 - оптико-электронный блок; 3- источник излучения; 4, 5 - фотодетекторы; 6 - блок обработки сигналов; 7 - измерительный элемент; 8 - оптическое волокно; 9, 10 - поляризация световой волны; 11,12 - оптические волокна; 13 - коллиматорная линза; 14 - поляризатор; 15 - четвертьволновая пластинка; 16 - оптический разветвитель; 17, 18 - комплементарные компоненты световой волны; 19, 20 - коллиматорные линзы.
В данном датчике находится входная схема, которая состоит из звеньев 8, 3, 7. И также имеет выходную схему состоящую из звеньев 9 и 10, 11, 12, 4 и 5. Звено 16 создает компоненты звеньев 17 и 18 соответствующие La и Lв, которые следуют на звенья 19, 20.
5. Повышение точности измерения. Данная цель достигается в патенте № 62713 (рисунок 6) [10].
1 ' 2 3 , 1
- 4 1
7
8 |
_
5 1
Рис. 6. Структурная схема информационно-измерительного устройства контроля магнитного поля и электрического тока: 1 - лазерный диод; 2 - поляризатор; 3 - поляризатор; 4 - магнитооптическая ячейка Фарадея; 5 - анализатор; 6 -фотоприемное устройство (фотодиод); 7 - Р1С-микроконтроллер; 8 - устройство отображения информации; 9 - записывающее устройство.
Сигнал с выхода элемента 1 поступает на элементы 6, 7, 8, 9. В результате прохождения сигнала через все элементы прибора, на выходе получаем увеличение точности измерения.
6. Повышение чувствительности. Данная цель достигается в патенте №2032181 (рисунок 7) [11].
2К 1 г А 5 6 15 16 ? 20 3
Рис. 7. Схема волоконно-оптического измерителя напряженности электрического поля и напряжения: 1- двухволновый источник; 2 - световод; 3 - датчик; 4 - микрообъектив; 5 - интерференционный светофильтр; 6- 9 - стержневые линзы; 14 -модулирующий элемент; 15 - электроды; 20 - модулирующий элемент; 22 - зеркало; 23 - фотоприемник.
Двухволновое излучение проходит по оптической цепочке, образованной элементами 1, 23, 2, 3, 14, 15, 4, на оптической оси которого под углом 45 расположены элементы 5, а на другой грани, под углом 135°размещены элементы 4 и 22. Элементы 6 -9, и 20, 21 связаны с элементов 23.
7. Повышение мощности сигнала. Данная цель достигается в патенте №2405179 (рисунок 8) [12].
Рис. 8. Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха-Цендера: 1 - делитель светового потока на два пучка света, 2 - соединитель разделенных пучков света, 3 - электрооптические элементы, 4 - электроды, 5 - отражающие элементы, 6 - поглощающий элемент.
Два пучка света проходят через оптическую цепочку состоящая из следующих элементов 1, 2, 3, 4, 5. На выходе двух световых пучков, которые имеют разные перемещения, получают разность фаз.
8. Повышение глубины модуляции. Данная цель достигается в патенте №2267802 (рисунок 9) [13].
Луч света проходит по оптической цепочке, образованной элементами 1, 2, 3, 4, 5, элементы 4 и 5 расположены под углом 45 градусов. Звено 7 связано с элементов 2 . Луч проходя через элемент 6 на выходе получает лучи различных длин волн.
Рис. 9. Схема электрооптического модулятора: 1,2 - электрооптические кристаллы; 3 - поляризатор; 4,5 - анализаторы; 6 - источник немонохроматического излучения; 7 - генератор управляющего электрического поля.
9. Повышение мощности сигнала. Данная цель достигается в патенте № 144464 (рисунок 10) [14].
Рис. 10-Схема электрогирационного измерительного преобразователя высокого переменного напряжения; 1 - монокристалл; 2 - поляризатор; 3 - второй поляризатор; 4 - первый световод; 5 - второй световод; 6 - второй порт светоделителя; 7 - источник света; 8 - фотоприемник; 9 - интегратор; 10 - источник опорного напряжения; 11 - дифференциальный
усилитель.
Луч света проходит по оптической цепочке, образованной элементами 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11. Электрическое напряжения подводится к электродам световые потоки поворачиваются в одну сторону.
В результате анализа вышерассмотренных патентов, можно представить в виде таблицы 1 принципы построения электрооптических датчиков для улучшения их характеристик. Ниже приведена эта таблица.
Таблица 1
Выявленные принципы построения электрооптических датчиков для улучшения их технических
характеристик
№ п/п Цель Принципы построения для достижения цели Рисунок Источник
1 Расширение функциональных возможностей. Введение на выходе анализатора последовательной цепочки преобразования, обработки и отображения сигнала. Рис. 2 Схема для измерения напряженно сти электрического поля и напряжения [ 6 ]
Рис. 3
2 Повышение точности измерения Введение двух оптических систем с линзами Структурная схема волоконно-оптического информационно-измерительного устройства [ 7 ]
3 Уменьшение полуволнового напряжения Введение между основными электродами дополнительных, установленных параллельно основным Рис. 4 Схема электрооптического модулятора света [ 8 ]
Окончание таблицы 1
№ п/п Цель Принципы построения для достижения цели Рисунок Источник
4 Повышение стабильности характеристик Введение двух фотодиодов, подключенных своими выходами к блоку обработки сигналов. Рис. 5 Схема блока обработки сигналов [ 9 ]
5 Повышение точности измерений Введение на выходе Р1С-микроконтроллера устройства, выход которого соединен с устройствами отображениями информации и записи. Рис. 6 Структурная схема информационно-измерительного устройства контроля магнитного поля и электрического тока [ 10 ]
6 Повышение чувствительности Введение дополнительных плоских электродов между четырьмя диафрагмами Рис. 7 Схема волоконно-оптического измерителя напряженности электрического поля и напряжения [ 11 ]
7 Повышение мощности сигнала Выполнение электрооптических элементов в виде призм, в основании которых расположены электроды Рис. 8 Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха-Цендера [ 12 ]
8 Повышение глубины модуляции Введение анализатора между кристаллами чувствительного элемента и параллельная ориентация оптических осей кристаллов Рис. 9 Схема электрооптического модулятора [ 13 ]
9 Повышение мощности сигнала выход дифференциального усилителя через интегратор соединен с источником света Рис. 10 Схема электрогирационного измерительного преобразователя высокого переменного напряжения; [ 14 ]
Список литературы
1. Волоконно-оптические датчики [Текст] / под ред. Эрика Удда. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2008.
2. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики [Текст] / Окоси Т. и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.256 с.
3. Гонда С. Оптоэлектроника в вопросах и ответах [Текст] / С. Гонда, Д. Сэко. - Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 184 с.
4. Вострокнутов Н. Г. Основы информационно-измерительной техники: учебное пособие [Текст] / Н. Г. Вострокнутов, Н. Н. Евтихиев. - М.: Ин-т радиотехники, электроники и автоматики, 1972. - 237 с.
5. Презентация фирмы Пролайн «Измерительные оптически трансформаторы тока и напряжения».
6. Патент №71441 Российская Федерация, МПК G01R13/40 Устройства для измерения напряженности электрического поля и напряжения [Текст] / М.А. Ураксеев, О.А. Михина, Д.Г. Хамета; патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет. - заявл. 16.10.2007. - опубл. 10.03.2008.
7. Патент №67723 Российская Федерация, МПК G01R13/40 Волоконно-оптическое информационно-
измерительное устройство [Текст] / М.А. Ураксеев, О.А. Михина, Д.Г. Хамета; патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет. - заявл. 13.06.2007. - опубл. 27.10.2007.
8. Патент 2029977 Российская Федерация МПК G02F1/03 Электрооптический модулятор света на продольном эффекте Поккельса [Текст] / М.А. Новиков, А.Ю. Лукьянов, В.Н. Ромашов; патентообладатель: Институт прикладной физики РАН. - заявл.13.06.1991. - 27.02.1995.
9. Патент 111679 Российская Федерация, МПК G01R13/40 Устройство измерения напряженности электрического поля [Текст] / М.В. Воронков, М.А. Власов, Б.Б. Малков, А.А. Сердцев; патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «Профессиональная линия». -Заявл.20.05.2011. - опубл.20.12.2011.
10. Патент 62713 Российская Федерация, МПК G01R29 Информационно-измерительное устройство контроля магнитного поля и электрического тока [Текст] / М.А. Ураксеев, К.В. Соловей; патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет. - заявл. 14.12.2006. -опубл.27.04.2007.
11. Патент 2032181 Российская Федерация, МПК G01R13/40 Волоконно-оптический измеритель напряженности электрического поля и напряжения [Текст] / В.В. Киселев, В.В. Сыромятников, А.В. Ярошенко. - Заявл. 05.02.1991. -опубл.27.03.1995.
12.Патент РФ на изобретение № 2405179 МПК7 G02F1/00. Электрооптический модулятор по схеме интерферометра Маха - Цендера [Текст] / Д.Р. Древко, Ю.А. Зюрюкин; патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет» (СГТУ) (RU). - № 2009137927/28. - заявл. 13.10.2009. -опубл. 27.11.2010. - Бюл. № 33.
13. Патент РФ на изобретение № 2267802 МПК7 G02F1/00. Электрооптический модулятор [Текст] / В.И. Строганов, Е.В. Толстов, В.В. Криштоп, И.В. Рапопорт, М.Н. Литвинова, А.В. Сюй; патентообладатель ГОУ ВПО Дальневосточный государственный университет путей сообщения МПС России (ДВГУПС) (RU). - № 2004116031/28. - Заявл. 25.05.2004. - Опубл. 10.01.2006. - Бюл. № 1.
14. Патент 144464 Российская Федерация, МПК G01R13/40 Электрогирационный измери-
тельный преобразователь высокого переменного напряжения [Текст] / И.А. Гиниятуллин, В.Б. Архангельский; патентообладатель Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие Марс-Энерго». - Заявл. 23.05.2014. - опубл.20.08.2014.
References
1. Volokonno-opticheskie datchiki [Tekst]/ pod red. Jerika Udda. - M.: TEHNOSFERA, 2008.
2. Okosi T. Volokonno-opticheskie datchiki [Tekst] / Okosi T. i dr. - L.: Jenergoatomizdat, 1990.- 256 p.
3. Gonda S. Optojelektronika v voprosah i otvetah [Tekst] / S. Gonda, D. Sjeko. - L.: Jenergoatomizdat, 1989. - 184 p.
4. Vostroknutov N.G. Osnovy informacionno-izmeritel'noj tehniki: uchebnoe posobie [Tekst]/ N. G. Vostroknutov, N. N. Evtihiev. - M.: In-t radiotehniki, jelektroniki i avtomatiki, 1972. - 237 p.
5. Prezentacija firmy Prolajn «Izmeritel'nye opticheski transformatory toka i naprjazhenija».
6. Patent №71441 Rossijskaja Federacija, MPK G01R13/40 Ustrojstva dlja izmerenija naprjazhennosti jelektricheskogo polja i naprjazhenija [Tekst]/ M.A. Urakseev, O.A. Mihina, D.G. Hameta; patentoobladatel': Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija Ufimskij gosudarstvennyj aviacionnyj tehnicheskij universitet. -zajavl. 16.10.2007. - opubl. 10.03.2008.
7. Patent №67723 Rossijskaja Federacija, MPK G01R13/40 Volokonno-opticheskoe informacionno-izmeritel'noe ustrojstvo [Tekst] / M.A. Urakseev, O.A. Mihina, D.G. Hameta; patentoobladatel': Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija Ufimskij gosudarstvennyj aviacionnyj tehnicheskij universitet. -zajavl. 13.06.2007. - opubl. 27.10.2007.
8. Patent 2029977 Rossijskaja Federacija MPK G02F1/03 Jelektroopticheskij moduljator sveta na prodol'nom jeffekte Pokkel'sa [Tekst] / M.A. Novikov, A.Ju. Luk'janov, V.N. Romashov; patentoobladatel': Institut prikladnoj fiziki RAN. - zajavl.13.06.1991. -27.02.1995.
9. Patent 111679 Rossijskaja Federacija, MPK G01R13/40 Ustrojstvo izmerenija naprjazhennosti jelektricheskogo polja [Tekst] / M.V. Voronkov, M.A. Vlasov, B.B. Malkov, A.A. Serdcev; patentoobladatel': Obshhestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju «Professional'naja linija». - Zajavl.20.05.2011. -opubl.20.12.2011.
10. Patent 62713 Rossijskaja Federacija, MPK G01R29 Informacionno-izmeritel'noe ustrojstvo kontrolja magnitnogo polja i jelektricheskogo toka
[Tekst] / М.А. Urakseev, К.У. Solovej; ра!еп1хюЬ^а1еГ: Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija Ufimskij gosudarstvennyj aviacюnnyj tehnicheskij universitet. - zajav1. 14.12.2006. - opubl.27.04.2007.
11. Patent 2032181 Rossijskaja Federacija. МРК G01R13/40 Volokonno-opticheskij izmeritel' naprjazhennosti jelektricheskogo ро) i naprjazhenija [Текй] / V.V. V.V. Syromjatnikov, А.У
Jaroshenko. - Zajavl. 05.02.1991. - opubl.27.03.1995.
12^ей RF na izobretenie № 2405179 МРК7 G02F1/00. Jelektroopticheskij moduljator ро sheme interferometra Maha - Cendera [Tekst] / D.R. Drevko, Ju.A. Zjurjukin; patentoobladatel' Gosudarstvennoe obrazovatel'noe uchrezhdenie vysshego professional'nogo obrazovanija «Saratovskij gosudarstvenny) tehnicheskij universitet» (SGTU) (RU). - № 2009137927/28. - zajavl. 13.10.2009. -ориЫ.
27.11.2010. - В)и1. № 33.
13. Patent RF na izobretenie № 2267802 МРК7 G02F1/00. Jelektroopticheskij moduljator [Tekst] / V.! Stroganov, E.V. Tolstov, V.V. Krishtop, IV. Rapoport. M.N. Litvinova, А.У Sjuj; patentoobladatel' GOU VPO Dal'nevostochny) gosudarstvenny) universitet putej soobshhenija MPS Rossii (DVGUPS) (RU). - № 2004116031/28. - Zajavl. 25.05.2004. - ОриЫ. 10.01.2006. - В)и1. № 1.
14. Patent 144464 Rossijskaja Federacija. MPK G01R13/40 Je1ektrogiracionnyj izmerite1'nyj preobrazovate1' vysokogo peremennogo naprjazhenija [Tekst] / 1.А. Ginijatu11in, V.B. Arhange1'skij; patentoob1adate1' Obshhestvo s ogranichennoj otvetstvennost'ju «Nauchno-proizvodstvennoe predprijatie Mars-Jenergo». - Zajav1. 23.05.2014. -opub1.20.08.2014.
