Компенсация температурных дрейфов коэффициента преобразования волоконно-оптических датчиков магнитного поля на основе Bi12 SiO20 тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ



о;-1

На правах рукописи

Потапов Тимофей Владимирович

СОМПЕНСАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДРЕЙФОВ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ В1125Ю2о

Специальность: 01.04. 21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники РАН. Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Листвин Владимир Николаевич. Официальные оппоненты: доктор технических наук

Профессор

Малков Яков Вениаминович кандидат физико-математических наук Чаморовский Юрий Константинович Ведущая организация: Московская Государственная Академия

приборостроения и информатики

Защита состоится « ^» 1998 г. в - часов на

заседании диссертационного совета Д 002.74.04 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г. Москва , Моховая 18 ИРЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН Автореферат разослан & У* 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

'/¿Г^д

к.ф.-м.н. Левкин Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время все возрастающее значение приобретают работы в области оптоэлектроники. Оптоэлектронные приборы отвечают современным требованиям увеличения скорости обработки и передачи информации, на их основе создаются новые средства измерения, контроля и управления. В последнее десятилетие оформилось и достаточно бурно развивается новое научно-техническое направление оптоэлектроники - волоконно-оптические датчики (ВОД) физических величин. Развитие технологии волоконной и интегральной оптики достигло такого уровня, что обеспечивает создание ВОД, которые имеют более высокие метрологические характеристики, по сравнению с традиционными средствами измерений, при наличии таких преимуществ, как полная помехозащищенность и закрытость канала, пожаровзрывобезопасность, гальваническая развязка между объектом измерения и регистрирующей аппаратурой, пассивность датчика, его малый вес, габариты.

Быстрое внедрение ВОД осуществляется в настоящее время в энергетике, поскольку там наиболее полно проявляются такие их качества, как электромагнитная совместимость, пассивность и дистанционность измерения. Определенные успехи достигнуты в работах по созданию ВОД магнитного поля и электрического тока. Так в работе [7] описан ВОД для измерения и контроля токов питания в бортовых системах космических аппаратов, самолетов и кораблей, где необходимы прочные, легкие, надежные и точные датчики для измерения переменного электрического тока до 1000А на частотах от 50Гц до 20кГц, работающие в очень сложных условиях при наличии вибраций, ускорений, электромагнитных помех и перепадах температур от -80°С до +125°С. Целый цикл работ [8-11] посвящен разработке и применениям ВОД электрического тока в энергетике для измерения токов на электроподстанциях, трансформаторах, ЛЭП ах. Применение ВОД магнитного поля и электрического тока в научных исследованиях в ядерной физике, импульсной технике, ускорителях, предопре-

делено отсутствием других средств, обеспечивающих решение поставленных задач. [12]

Одним из наиболее перспективных ВОД для измерения средних и сильных магнитных полей и электрических токов (от 1 до 10бА/м), являются датчики, в которых в качестве чувствительного элемента применяются кристаллы типа силленита, в частности Bii2SiO20-

Преимуществами этого материала являются высокое значение константы Верде и слабая зависимость ее от температуры, отсутствие естественного линейного двулучепреломления, стабильность оптических свойств, доступность и технологичность. Особенностью Л/у^У/О^о является наличие в нем естественного кругового двулучепреломления или оптической активности. Из числа всех требований, предъявляемых к чувствительным элементам ВОД магнитного поля и тока, одним из основных является температурная стабильность коэффициента преобразования [13]. Анализ практических и научных задач, решаемых с помощью ВОД, показывает, что температурные дрейфы коэффициента преобразования не должны превышать 1% на 100°С. К моменту постановки данной работы были известны ВОД магнитного поля, в которых Bi:2^Ю2о использовался в качестве материала для чувствительных элементов, и в которых была подтверждена перспективность применения этого материала для создания термостабильных чувствительных элементов [2]. В частности, высказывалось мнение, [3] что наличие оптической активности в Bi^StOio может быть использовано для стабилизации температурной зависимости коэффициента преобразования ВОД. Однако вопрос о степени этой термостабилизации, причинах ее ограничивающих и способе ее достижения оставался открытым.

Целью работы является теоретический анализ и экспериментальные исследования температурных зависимостей магнитооптической модуляции в чувствительных элементах ВОД магнитного поля на основе эффекта Фарадея в

В//25/С>2о и разработка методов компенсации температурных дрейфов коэффициентов преобразования чувствителышх элементов ВОД магнитного поля. Научная новизна.

=> Выполнен теоретический анализ температурных зависимостей коэффициента магнитооптической модуляции света в гиротропных кристаллах типа 5//.Л'<92о с ^етом собственного кругового и линейного двулучепреломлений. Показано, тго наличие в В/^&Ого собственного кругового двулучепреломления позволяет 1а порядок снизить температурный дрейф коэффициента преобразования ВОД магнитного поля, вызванный зависимостью от температуры константы Верде материала.

=> Определены условия связывающие длину кристалла чувствительного эле-лента и взаимную ориентацию разрешенных направлений поляризаторов при соторых наблюдается минимальная зависимость коэффициента преобразования ЗОД от температуры. Показано, что при выполнении этих условий возможно ¡оздание чувствительных элементов ВОД магнитного поля, температурный фейф коэффициента преобразования которых составляет величину г 0.1% на (00 °С.

=> Экспериментально подтверждена возможность создания чувствительных шементов ВОД магнитного поля обладающих коэффициентом температурной ¡естабилыюсти 5 0.3% на 100 °С. положения, выносимые на защиту.

. Теоретический анализ и результаты расчета температурных дрейфов коэффициента преобразования чувствительных элементов датчиков магнитного поля [а основе эффекта Фарадея в Ш^Юм, позволяющие определить условия тер-юстабилыюсти чувствительных элементов.

-62. Экспериментальное подтверждение теоретической модели и реализация чувствительного элемента волоконно-оптического датчика магнитного поля, обладающего коэффициентом температурной нестабильности менее 0,3% на 100°С. 3. Волоконно-оптический датчик магнитного поля с термостабильным чувствительным элементом и результаты его исследования.

Практическая ценность работы. Разработан метод расчета температурных зависимостей магнитооптической модуляции света в гиротропных кристаллах, который может быть использован для определения температурных дрейфов коэффициента преобразования ВОД магнитного поля на основе таких материалов как Ви£Ю2о, В112СеО20„ В1,2ТЮ20..

Рассчитаны семейства кривых, позволяющие графически определять длину чувствительного элемента ВЬ&Юзо и взаимные ориентации осей поляризатора и анализатора, при которых реализуется минимальная величина температурного дрейфа коэффициента преобразования ВОД.

Экспериментально доказана возможность создания чувствительных элементов ВОД магнитного поля, обладающих температурным дрейфом 0,3% на 100°С.

Создан макет волоконно-оптического датчика магнитного поля, который продемонстрировал температурную стабильность не хуже 0,6% на 100°С, что соответствует мировому уровню аналогичных разработок.

Данные результаты использованы в ИРЭ РАН и в концерне «Росэнергоатом» Министерства Атомной Энергии РФ при разработках термостабильных волоконно-оптических датчиков электрического тока.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались на 51-ой Научной сессии, посвященной дню Радио, секция "Оптоэлектроника", Москва, 1996 г., на Семинаре РНТО им. Попова "Новые средства измерения физических пардметров", Москва 1997 год, на 53-ей Науч-

гой сессии РНТО им. Попова, посвященной дню Радио, Москва, 1998 г., на научных семинарах ИРЭ РАН.

По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ [1-6].

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за-лючения и списка цитируемой литературы. Работа содержит 116 страниц тек-та, 25 рисунков. Список цитируемой литературы включает 66 наименований.

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформу-ированы основные цели и задачи исследования. Кратко излагается содержание цссертации по главам.

В первой главе дан обзор литературы, посвященный волоконно-птическим датчикам магнитного поля и электрического тока на основе эффек-а Фарадея в магнитооптических материалах и волокнах. Отмечено, что ВОД агнитного поля и электрического тока находят все более широкое применение бортовых измерительных системах, приборах, применяемых в энергетике, на-шых исследованиях, экологии. Рассмотрены и проанализированы различные ты ВОД на основе эффекта Фарадея: цельноволоконные, ВОД с чувствитель-ями элементами на основе ферромагнитных материалов, ВОД с чувствигель-лми элементами из диамагнитных стекол и ВОД с чувствительными элемен-1ми на основе кристаллов типа BiißiO20 и Si'j^eCbo-- Основное внимание в ом анализе уделено ВОД с чувствительными элементами на основе диамаг-ггных материалов и, в частности, кристаллов типа Bii2Si02o, Bi^GeOm- Пока-но, что BinSi02o является наиболее перспективным материалом для создания ЭД магнитного поля и электрического тока. В заключении главы обсуждены мпературные характеристики известных ВОД магнитного поля и электриче-ого тока и пути их улучшения.

Во второй главе диссертации содержится теоретический анализ темпера-рных зависимостей магнитооптической модуляции света в гиротропных кри-аллах с учетом линейного двулучепреломления и коэффициентов преобразо-

вания чувствительных элементов ВОД магнитного поля на основе кристалла В1,2$Ю20..

Анализ выполнен на основе формализма матриц Джонса. Для среды, обладающей как линейным, так и круговым двулучепреломлением, матрица Джонса имеет вид [14]:

М =

г 0 С ^

со5(/и£) + i — %т(тЬ) — эт (т£)

т т

С В

--5т{т1) соз(т1) - / — ш(тЬ)

т т )

0),

где т = ,/с2+ /? , С - коэфф!щиент суммарного кругового двулучепреломления, Р - коэффициент линейного двулучепреломления, Ь - длина кристалла.

Для кристалла В11^Ю2о в магнитном поле суммарное круговое двулуче-преломление складывается из собственного и наведенного полем (эффекта Фа-радея) двулучепреломлений: где: в - коэффициент собственного круго-

вого двулучепреломления (оптической активности) в кристалле; Р=У-Н, V- константа Верде, Н - проекция приложенного магнитного поля на направление распространения световой волны. В идеальных кристаллах Ш^Ю^о отсутствует собственное линейное двулучепреломление р так, как кристалл имеет кубическую симметрию и является изотропным. На практике, вследствие несовершенств и дефектов кристаллов, могут возникать внутренние напряжения и, как следствие этого, возникает и линейное двулучепреломление. Однако величине его мала по сравнению с величиной собственного кругового двулучепреломления 9 [15], что позволяет упростить расчеты коэффициентов преобразован® чувствительных элементов. Рассмотрены две типичные оптические схемы чув ствительных элементов ВОД: отражательного типа, когда излучение проходи! через кристалл чувствительного элемента дважды туда и обратно, отражаясь о-задней грани кристалла чувствительного элемента, рисунок 1; проходного типа

О

Рисунок 1. Схема датчика с отражательным чувствительным элементом: 1 -жочник излучения; 2 - градиентная линза, 3 - входной поляризатор, 4 -агнитооптический материал, 5 - анализатор (выходной поляризатор), Ф, -отоприемник; б - волоконный световод, 7 - зеркало, 8 - деполяризующий делитель Iетового пучка.

2 . 3

О

1

¿1

Рисунок 2. Схема датчика с однопроходным чувствительным элементом: I - источник излучения; 2 - градиентная линза, 3 - входной юляризатор, 4 - кристалл силиката висмута, 5 - поляризационный делитель, Ф - фотоприемник; 6 - волоконный световод.

когда излучение проходит через кристалл чувствительного элемента один раз, рисунок 2. В данной главе проведен теоретический анализ коэффициентов преобразования для этих двух схем чувствительных элементов ВОД, рассчитаны их зависимости от температуры. С этой целью были найдены матрицы оптических систем обоих схем чувствительных элементов и путем их преобразования получены выражения для векторов Максвелла, описывающие состояние поляризаций световых волн на выходе той и другой схем.

Особенностью "отражательной" схемы является то, что величины собственного двулучепреломления и наведенного магнитным полем (эффекта Фара-дея) кругового двулучепреломления суммируются за прямой и обратный проход кристалла чувствительного элемента, в то время как значения собственного кругового двулучепреломления (оптической активности) вычитаются.

Состояние поляризации световой волны на ее выходе описывается вектором Максвелла:

А =

'= КФ)-Р■ Ч-Ф)-М(т2,С2)т ■ М^С^-Ц \Еу) 1°

(2),

- (\ 0^

где /?(«)- матрица поворота на угол а, Р = I I- матрица «идеального» поляризатора, М(т,С)- матрица, описываемая выражением (1), С,

Сг -в-Р, т1 = -/с,2 + /З2, т2 =л]с| + р2, А/' - транспонированная матрица М. Полагая, что р«в и магнитное поле Н и длина кристалла Ь достаточно малы, так, что Р= УН, «в, /?£<<я/2 РЬ«7г/2, получим следующее выражение для интенсивности световой волны на выходе:

/ г А"А £ 11 - 4№ + /Я¿;Ъп(26Е,)- с<к(2Ж,)+1)2 [ (3)

= А"А £ -2

где ¡о - интенсивность излучения на входе чувствительного элемента.

Как известно из литературы [9] величина остаточного линейного двулуче-преломления /? для Ш^Юю--составляет =10"2 рад/мм, а его относительный температурный дрейф лежит в пределах 1% в диапазоне температур 0+100° С. В этом случае, как показывает анализ выражения (3), вклад Р в магнитооптическую модуляцию света не превышает 0,02% и им можно пренебречь. Таким образом, выражение (3) можно записать в виде:

(4)

Коэффициент преобразования чувствительного элемента ВОД есть относительное изменение интенсивности излучения на единицу магнитного поля:

еЩН)

ан

- 2-УЬ.

н=о

Из последнего выражения видно, что коэффициент преобразования чувствительного элемента отражательного типа зависит только от величины константы Верде и длинны кристалла, а его температурный дрейф определяется только дрейфом константы Верде материала и, для В112БЮ2в составляет 1 ЛГ

45 =

Уп Л1

~ 1.5% в интервале температур от 0 до 100 °С.

Матрица чувствительного элемента проходного типа представляется следующим образом:

М = Я(а)-Р-Я(-а)-М1

вм

(5)

Состояние поляризации света на выходе такой системы описывается вектором Максвелла:

Л =

= Я(о)-Р- Я{-а)-М

вяо

(6)

Проведя вычисление интенсивности света на выходе чувствительного элемент при условии, что ¡3 « С, Д. « л/2 и 61Ла ~ дополучим:

. 2 0

1 - 2F£sin(2a + 20L) + cos(2a + 29L)~ flL -^-sin(2a + 2CL)

6 + F

0

Оценка влияния температурного дрейфа линейного двулучепреломлеш A¡3 на дрейф интенсивности А!р при сделанных ранее предположениях и в пр небрежении членами порядка А0, показывает, что для L-Юлш А1р<0,01% диапазоне температур (Ы00°С.

Таким образом, наличие в кристалле BiaSiOw большой, по сравнению с собс венным линейным двулучепреломлением, собственной оптической активносп ослабляет влияние собственного линейного двулучепреломления пропорцш нально коэффициенту ¡5/6, что позволяет не учитывать линейное двулучепр« ломление в дальнейшем рассмотрении.

В случае переменного магнитного поля H=HoCos((oí) сигнал представляс собой сумму переменной составляющей, с амплитудой пропорциональной Н0, постоянной составляющей, медленно меняющейся от температуры. Использу полосовой фильтр, мы можем выделить переменную составляющую сигнала г частоте со и не учитывать в дальнейшем рассмотрении постоянную составляй щую сигнала cos(20L+2a). Таким образом, для переменного магнитного поля ¡ интенсивность 1 будет иметь вид:

/ = /0 ■VHL-sm{2-eL + 2-á) (Í

Поскольку интенсивность / зависит только от V и в, то изменение коэффициент преобразования датчика при изменении температуры окружающей среды опр< деляется, в основном, двумя факторами: температурным дрейфом констант] Верде V материала и изменением от температуры величины коэффициента coi ственной оптической активности в.

Анализ последних выражений показывает, что величина относительного отклонения коэффициента преобразования от температуры для датчика, настроенного на максимальную глубину модуляции, а именно 2(01+а)=9(('определяется только отклонением от температуры величины константы Верде материала. Для ВI!^К)20 эта величина составляет -1,5% на 100°С. Такая величина температурного дрейфа не удовлетворяет требованиям многих задач, например, изменения токов в линиях электропередач и на электрических станциях.

Датее в главе проанализированы возможности повышения температурной стабильности коэффициента преобразования чувствительных элементов ВОД. В первом порядке приближения получено аналитическое выражение, связывающее длину кристалла /. и угол а между разрешенными направлениями осей поляризатора и анализатора с константой Верде V и оптической активностью в материала:

а{1) = -9-1~—агсЯап

2 ■(

АС I ЛС )

(П

Показано, что подбором а и Ь можно существенно улучшить температурную стабильность датчика. Так при длине кристалла 5мм величина температурного дрейфа коэффициента преобразования при определенной значении а составляет всего «0,2% на 100°С. Однако это справедливо только до определенных длин кристалла, когда еще пренебрежимо мат вклад величин второго порядка малости в коэффициент преобразования ВОД.

В третьем разделе главы 2, на основе модельного представления магнитооптической модуляции света в й/'/г&С'го рассчитаны зависимости величины температурного дрейфа коэффициента преобразования от длины чувствительного элемента, с учетом влияния собственного линейного двулучепреломления. На рисунке 3 представлены зависимости дрейфа коэффициента преобразования от длины кристалла и угла между разрешенными направлениями поляризаторов

Рисунок 3. Зависимость относительного дрейфа коэффициента преобразования при изменении температуры на 100 °С от Ь и а.

[увствителыюго элемента. Как видно из рисунка величина минимально-Юстижимого температурного дрейфа возрастает с увеличением длины кристал-та и достигает значения 0.5% при Ь=17 мм. Таюке с увеличе1шем длины кри-;талла ужесточаются требования на точность установки угла между разрешен-1ыми направлениями поляризаторов.

В главе III описана методика и приведены результаты экспериментальных «следований температурных дрейфов коэффициента преобразования чувствительного элемента ВОД. Согласно результатам расчетов, полученных в преды-тущсй главе, величины температурных дрейфов коэффициента преобразования гувствительного элемента (или коэффициента модуляции), которые необходимо Зудет измерять для количественной проверки теории, могут составлять величины »0,2% в диапазоне температур 0-100°С. Поэтому, для обеспечения удовлетворительной точности измерений, необходимо иметь стабильность всех измеряемых величин (полезного сигнала фотоприемника, температуры и магнитного поля) по крайней мере, не хуже чем 10"3 в течение всего времени эксперимента, который продолжается 1ч-1,5 часа. Методика измерения зависимости коэффици-;ита преобразования от температуры заключалась в следующем: одновременно осуществлялась регистрация трех сигналов: сигнала с фотоприемника, сигнала пропорционального величине магнитного поля и сигнала с датчика температуры. Для проведения экспериментов по описанной выше методике была разработана экспериментальная установка, включавшая интерфейс сопряжения с ПЭВМ. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый светодиод с внутренней стабилизацией мощности излучения по обратной связи длина волны источника составляла 0.85 мкм. Относительная стабильность мощности излучения не хуже 10"', при уровне вводимой в многомодовый световод мощности ~ 10~3 Вт. Фотоприемник был выполнен на основе кремниего р-мг фотодиода. Исследуемые кристаллы чувствительных элементов помещались в магнитное поле соленоида. Температура образцов измерялась с помощью диод-

пого датчика. Величина отношения сигнал/шум, в течении всех экспериментов составляла 10\ Точность измерении определялась величиной шумов, и составляла 10~3.

На рисунке 4 приведены зависимости от температуры нормированного ко-

Би)

эффициепта 1фсобразования Л9(/) = , где Бо - значение коэффициента преобразования при комнатной температуре, для чувствительных элементов с кристаллами длиной 3 мм., 8 мм. и 13 мм. Кривые на рисунке 4 а)б), полученные с кристаллами длиной 3 мм. и 8 мм., соответствуют углу между поляризаторами чувствительного элемента выбранным по формуле (9), согласно расчетам проделанным в главе И, при таких углах наблюдаются минимальные значения температурных дрейфов коэффициента преобразования. Расчетные значения этих величин составляют 0.1% и 0.4%, экспериментально полученные значения составляют 0.3% и 0.6%. Различие экспериментальных и расчетных значений объясняется неточностью при установке угла а.. Кривая на рисунке 4 в) получена с кристаллом длиной 13 мм. и углом между разрешенными направлениями поляризаторов, выбраным так, что вЬ+а=л/4, значение а в таком случае составляет 0°. Расчетное значение температурного дрейфа для такого чувствительного элемента составляет =0.6%, на 100 °С экспериментальное значение совпадает с расчетным. Таким образом, экспериментально показана возможность создания чувствительного элемента ВОД магнитного поля обладающего коэффициентом температурной нестабильности 0.3% на 100 °С. В IV главе описан макет ВОД магнитного поля с термостабильным чувствительным элементом на основе кристалла Ы12$Ю2(, и приведены результаты его исследования. В данном макете длина кристалла определялась по результатам теоретических и экспериментальных исследований в предыдущих главах. При этом учитывались следующие два фактора: а) температурный дрейф коэффициента преобразования должен быть

ге более 1% при максимальной чувствительности датчика; б) технология сборки [увствительного элемента датчика должна быть достаточно простой и надеж-юй.

8 1.0) г

О О

J_Л.

о

_1_1_

J_1_I

15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115

'исуиок 4 а). Зависимость коэффициента преобразования от температуры для значения угла 01+а=45 °-13°и Ь=3мм.

>исунок 4 б) Зависимость коэффициента преобразования от температуры ля значения угла 01+а=45 °-5 °и Ь=8мм.

Рисунок 4 в). Зависимость нормированного коэффициента преобразования от температуры для чувствительного элемента с кристаллом длиной 13 мм., и углом между разрешенными направлениями поляризаторов, выбранными так, что вЬ+а=45°.

Исходя ю этих факторов и из тогою, что в схеме применены призменные поляризаторы, имеющие более высокое качество и надежность, длина кристалла была выбрана такой, что максимальная величина коэффициента достигается при угле между разрешенными направлениями поляризаторов а=ат=0. Это снимает проблему угловой юстировки и существенно упрощает сборку чувствительных элементов. В качестве источника излучения используется полупроводниковый суперлюминесцентный светодиод, обеспечивающий ввод в много-модовое волокно «1(Г3Вт световой мощности на длине волны Л»0,85мкм. Размеры поляризационных призм составляли 5x5x5мм, коэффициент экстинции не

менее 102. Согласование чувствительного элемента с волокном осуществлялось

\

с помощью градиентных линз. Фотоприемник был выполнен на основе кремниевого р-ьп фотодиода.

Датчик обладает следующими характеристиками:

• чувствительность (коэффициент преобразования) ВОД: 7мкВ/(А/м);

» минимальное значение регистрируемого переменного магнитного поля: ЮА/м в полосе частот 1 Гц;

■ динамический диапазон: • 103;

■ полоса рабочих частот 30-Ю6 Гц;

■ температурный дрейф коэффициента преобразования чувствительного элемента не более 0.6 % в диапазоне температур 15-г115 °С.

• потери мощности излучения в чувствительном элементе 9.4 дБ.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты рабо-

гы:

I. Проведен теоретический анализ температурных характеристик чувствитель-шх элементов ВОД магнитного поля на основе эффекта Фарадея в гиротроп-шх кристаллах типа В1128Ю2о. С учетом линейного двулучепреломления полу-1ены аналитические выражения для расчета температурных зависимостей ко-»ффициентов преобразования двух типичных схем ВОД: проходного и отражательного типов.

!. Показано, что наличие в В1цБЮ2о оптической активности позволяет на порядок снизить температурный дрейф коэффициента преобразования датчика пе->еменного магнитного поля, вызванный зависимостью от температуры константа Верде и делает пренебрежимо малым вклад в температурный дрейф коэффи-даента преобразования зависящего от температуры линейного двулучепрелом-юния, по сравнению с вкладом константы Верде и оптической активности. I. На основе математической модели чувствительного элемента установлена ;вязь между длиной кристалла и значением минимально достижимого темпера-урного дрейфа коэффициента преобразования.

-204. Создана автоматизированная экспериментальная установка, позволяюща проводить измерения дрейфов коэффициентов преобразования чувствительны: элементов ВОД с точностью 0.1%, в диапазоне температур 15... 115 °С.

5. Экспериментально исследованы температурные зависимости коэффициент, преобразования чувствительных элементов на основе кристаллов В!12ЗЮ2о раз личных длин, при различных углах между разрешенными направлениями поля ризаторов чувствительного элемента. Экспериментальные данные подтвержда ют теоретические расчеты. Экспериментально подтверждена возможность соз дания чувствительных элементов ВОД переменного магнитного поля, обла дающих коэффициентом температурной нестабильности а0.3% на 100 °С.

6. Создан макет ВОД магнитного поля со следующими характеристиками:

1) чувствительность (коэффициент преобразования) ВОД: 7мкВ/(А/м);

2) минимальное значение регистрируемого переменного магнитного поля 10А/м в полосе частот 1 Гц;

3) динамический диапазон: 103;

4) полоса рабочих частот 30-=Т05 Гц;

5) температурный дрейф коэффициента преобразования чувствительного элемента не более 0.6% в диапазоне температур 15-И 15 °С.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Листвин В. Н. Потапов Т. В. «Температурная стабилизация датчиков использующих магнитооптическую модуляцию в кристаллах со структурой силлени-та». 51-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва 1996.

2. Т. В. Потапов. «Температурная стабилизация магнитооптической модуляции в кристаллах со структурой силленита». Препринт ИРЭ РАН №5(619), Москва ИРЭ РАН 1997.

i. Т. В. Потапов. «Экспериментальное исследование термостабильности чувст-¡ительных элементов ВОД магнитного поля на основе кристалла Bi|2Si02o-Трепринт ИРЭ РАН №5(620), Москва ИРЭ РАН 1997.

■. Т. В. Потапов. «Температурная стабилизация магнитооптической модуляции I кристаллах силиката висмута». Радиотехника № 4 стр. 29-33, 1998. L Кухта А. В., Потапов В. Т., Потапов Т. В. «Волоконно-оптический датчик тгнитного поля и электрического тока с термостабильным чувствительным лементом, на основе Bi^SiO^o- «Экология, мониторинг и рациональное приро-юпользование» вып. 294(11) стр. 129-138, изд-во МГУЛ, Москва 1998. I. Потапов В. Т., Потапов Т. В. «Теоретический анализ термостабильности ко-ффициента преобразования чувствительных элементов ВОД магнитного поля и лектричесйого тока на основе Bii2Si02o. «Экология, мониторинг и рациональное фиродопользование» вып. 294(11) стр. 158-166, изд-во МГУЛ, Москва 1998.

{итированная в автореферате литература.

R.L.Patterson, A.N.Rose, D.Tang and G.W.Day "A Fibcr-Optic Current Sensor for Aerospace Applications, IEEE AES System Magazine, December 1990. : Y.Yamagata, T.Oshi, H.Katsukawa S.Kato, Y.Sakurai "Development of Optical Current Transformer and Application to Fault Location Systems for Substations", EEE Trans, of Power Del., vol.8,№ 3 July 1993.

N.Mitsui, K.Hosoe, H.Usami, S.Miyamoto "Development of fiber-optic voltage and lagnetic-field sensors", IEEE Trans, on Power Delivery, v.PWRD-2, №1, pp.87-93, 987.

10 Toshiko Yoshino "Optical fiber sensors for electric industry", SPIE, v.798 Fib Optic Sensors II, pp.258-256, 1987.

11 A.J.Rogers "Optical fiber current measurement", Intern. Journ. Optoelectronic vol.3, №5, pp. 120-126, 1998.

12 H.Takada, S.Miymoto, T.Mitsui and T.Tomimasu "Application on fibre-opt magnetic-field sensor to kicker magnet". Phys.E.Sci Instrum., v.21, pp.371-374, 198

13 A.Papp and H.Harms, "Magnetooptical current transformer", Appl. Optics, vol. i (I: Principles), p.3729; (II: Components), p.3735; (III: Measurements), p.3741, 1980.

14 P. Аззам, H. Башара «Эллипсометрия и поляргоованный свет», пер. с англи ского. «МИР» Москва 1981.

15 С.М.М. van den Tempel "Model of new temperature-compensated optical curre sensor using BiI2Si02o", Appl. Optics v32, No 25 Sept. 1993, pp 4869-4874.

Подписано в печать 15.04.1998 г. Формат 60x84/16. Объем 1.39 усл.п.л. Ротапринт ИРЭ РАН. Тираж 100 экз. Зак.Ю.