Вибрационный волоконно-оптический магнитометр тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

московский ордена трудового красного знамени физико-технический институт

На правах рукописи

Александров Александр Юрьевич ВИБРАЦИОННЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ МАГНИТОМЕТР

специальность 01.04.04 - физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фиэико - математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени физихо-техническом институте.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Козел Станислав Миронович Научны!! консультант: кандидат физико-математических наук, доцент Листвин Владимир Николаевич Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Колачевский Николай Николаевич кандидат физико-математических наук Логозинский Валерий Николаевич Ведущая организация: Институт радиотехники и

электроники АН СССР

Защита состоится * I года в 15 часов на

О ( 1

заседании специального совета К. 063.91.01 в Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, г. Долгопрудный Московской области. Институтский переулок, 9, МФТИ, .-уд. 204 НК

С диссертацией можно ознакомиться б библиотеке Московского физико-технического института.

Г

Автореферат разослан " ['С^'р-.^ 1991г.

Г

Ученый секретарь

специализированного совета Коновалов Н. Д.

ОБЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Индукция магнитного поля является одной из наиболее важных физических величин, с помощью которых описываются фундаментальные свойства материи. Широкий диапазон измерений указанной величины, многообразие условий, от которых зависят требования, предъявляемые к средствам ее регистрации, предопределяют потребность науки и техники в датчиках магнитного поля н постоянное совершенствование средств и методов магнитных измерений.

При разработке новых методов и средств измерения параметров магнитного поля важной задачей является создание магнитометров с чувствительность«) Ю-0- 10~5Э/( Гц)1/2 (чувствительность приборов, применяемых в геофизике) [11. Разрабатываемые приборы должны не только не уступать существующим датчикам по таким эксплуатационным параметрам как пороговая чувствительность, быстродействие, ориентациошше свойства, диапазон измеряемых полей, размеры чувствительного элемента, габариты, энергопотребление, температурный режим, но и иметь какие-либо дополнительные преимущества как, например, пассивность, помехозащищенность.

Развитие волоконной оптики и датчиков физических величин па ее основе создает большие потенциальные возможности по созданию магнитометрической техники. Ломимо совершенствования указанных параметров магнитометрических систем в волоконно-оптических датчиках иагнитного поля возможно получение таких

-44 дополнительных преимуществ, как возможность размещеннячувствителыгого элемента на значительном расстоянии от регистрирующей аппаратуры, помехозащищенность, создание мультиплексных измерительных систем, сочетаемость с ВОЛС.

В волоконно оптических магнитометрах для преобразования воздействия магнитного поля в оптический сигнал используют как магнитооптические эффекты (в которых магнитное поле приводит к изменение характеристик оптических световодов! так и эффекты, влияющие на параметры оптической среды через промежуточное воздействие (натяжение, смещение, деформации световода). Магнитооптические эффекты обладает высоким быстродействием при относительно низкой чувствительности. Поэтому большой интерес при создании волоконно-оптических магнитометров проявляется к разработке датчиков с магиитомеханическими методами преобразования, позволяющих обеспечить высокую

чувствительность в измерении магнитного поля.

Таким образом. перспективность создания

высокочувствительных волоконно-оптических магнитометров с магиитомеханическими преобразователями, а также необходимость разработки и создаиия элементной базы таких магнитометров, определяет степень актуальности данной диссертации.

Цель работы. Целью работа является теоретическое и экспериментальное исследование физических принципов создания волоконно-оптических инфраниэкочастотных магнитометров с механическим ферромагнитным резонатором для измерения слабых магнитных полей.

Научная новизна работы. На основании исследовании, выполненных в диссертационной работе, на защиту выносятся следующие положения:

1. Метод измерения слабых инфраниэкочастотных магнитных поле)!, основанный на интерференционном измерении амплитуды поперечных колебании циклически 'перемапшчиваемой ферромагнитной консоли в измеряемом магнитном поле. Теоретический рассчет к результаты измерений характеристик разработанного чувствительного элемента.

2. Теоретический анализ и конструкция стабильного волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо слабого контраста ( волоконно-оптический торцевой интерферометр с активной стабилизацией' рабочей точки), предназначенного для регистрации колебаний чувствительного элемента магнитометра.

3. Результаты исследований разработанного вибрационного волоконно-оптического магнитометра, осуществляющего нулевой метод регистрации сигнала.

Практическая ценность. Предложен и разработан новый тип чувствительного элемента из магнитомягкого аморфного сплава для инфранизкочастотного волоконно-оптического магнитометра.

На основе торцевого интерферометра создана помехоустойчивая иитерферометрическая схема регистрации низкочастотных колебаний объектов с чувствительность» 5-Ю"2 А/(Гц)1/2.

Создан макетный образец волоконно-оптического вибрационного магнитометра и внедрен в НРЭ АН СССР.

Апробация работы. Материалы, включенные в диссертации докладывались на конференции "Быстродействующие элементы и

устройстза волокошю-оптнчесхих и лазерных информационных систем" (Севастополь, 1390), 1 Всесоюзной конференции "Физика и конверсил" (Калининград, 1931), а также (Зияй представлены стендовым докладом на 15th Congress of the International Condition for Optics. 'Optics in Complex Sistetis'. (Gariaish-Partenkirchen, Bavaria FRG, 1090!.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на страницах, включая рисунков и 2

таблицы. Список использовании источников содержит наименовании.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована основная цель исследования. Кратко изложено содержание материала по главам.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной волоконно-оптическим интерференционным датчикам магнитного поля. Дана общая характеристика ц указаны основные достоинства таких датчиков, отмечена тенденция роста числа разработок и коммерческих изделий в STOtt области.

В обзоре рассмотрены методы преобразования измеряемого магнитного поля в выходной сигнал волоконно-оптического интерферометра. На основании анализа работ посвященных волоконно-оптическим магнитометра» показано, что из датчиков такого типа наибольшее развитие получили датчики использующие

магнитомэханические методы преобразования. Для таких датчиков могут быть использованы эффекты, не обладавшие высоким быстродействием, но потенциально способные обеспечить высокую чувствительность в измерении магнитного поля.

Обсуждены различные конструкции волоконных магнитометров,

рассмотрены режимы работы, основные выходные характеристики, »

указаны их достоинства и недостатки. Сткечено, что улучшение эксплуатационных характеристик волоконных магнитометров (увеличение чувствительности, точности, стабильности ) связано с совершенствованием конструкций первичных преобразователей датчиков, и это является в настоящее время актуальной задачей.

Во второй главе предложен новый тип. магнитометра с вибрационным чцвствительным элементом. Проводится анализ работы основных элементов и систем волоконно-оптического инфранизкочастотного магнитометра: первичного преобразователя и волоконно -оптического интерферометра. Цельо анализа является определение потенциальных возможностей магнитометра с первичным преобразователем вибрационного типа, а также выработка требований к волоконно-оптическому торцевому интерферометру и четодике обработки сигнала, позволяющих реализовать рассчетшле характеристики магнитометра.

В первом разделе главы рассматривается принцип работы и характеристики первичного преобразователя вибрационного типа, осуществляющего модуляцию фазы в волоконно-оптическом интерферометре и предназначенного для регистрации инфранкзкочасготного магнитного поля.

Чувствительный элемент первичного преобразователя ферромагнитная пластинка длины I и поперечным сечением а х Ь,

где а - ширина пластинки, а Ь - ее толщина . Пластинка жестко зафиксирована с одного конца так, что образует консоль длины j (Рис.1). При циклическом перемагничивашш пластинки в постоянном магнитном поле Я, перпендикулярном плоскости пластинки на нее будет действовать периодически изменяющийся механический момент:

(Ш Ос, О = а Ь (И, 1(х, и/ йх (1)

где 1(х, О - намагниченность в единице объема.

Переменный момент сил вызывает изгибные колебания консоли, амплитуда которых пропорциональна величине внешнего магнитного поля. Из уравнения описывающего колебания консоли было получено, что на частоте первого механического резонанса коэффициент преобразования имеет максимальное значение и определяется выражением:

3,88 1с1э

К -С —-о (2)

ЕЪ

где 0 - добротность резонанса консоли, I3 - намагниченность насыщения в единице объема, 0<С<1 - коэффициент распределения магнитного момента по колебательной моде консоли.

Теоретическая оценка коэффициента преобразования при регистрации волоконно-оптическим торцевым интерферометром амплитуды колебаний преобразователя из иагнитомягкого аморфного сплава на его резонансной частоте / = ш/2п -(0,56/./2) (Е3/ц)1/2 (Е - модуль упругости, ц - масса единицы длины стержня, 3 = аЬ3/12. ) равной 624 Гц, составляет 970 рад/Э. Эта величина почти на два порядка превосходит коэффициенты преобразования, полученные на магнитострикционных

и лоренцевских чувствительных элементах волоконных магнитометров (2.31.

Принципиальным ограничением чувствительности

вибрационного преобразователя являются шумы тепловых колебаний. Уровень этих шумов в соответствии с флуктуацношю -диссипативноИ теоремой монет быть оценен следующим выражением:

5!> = П.й7 (Й)1/2

(3)

"тгц I 'V J а

(КТ)1/2 £1/8рЭ/В

= 0,27 и1'2--гу-г-

С15 Ь 1/л

Для вибрационного преобразователя с частотой резонанса { =. 624 Гц оценка дает значение 3'10~7Э/(Гц)1/г. При этом от интерферометра требуется фазовая чувствительность порядка 10~4рад/Гц1/2.

Таким образом, высокая чувствительность вибрационного преобразователя и большая величина коэффициента преобразования, позволявшая снизить требования к чувствительности волоконного интерферометра, необходимого для регистрации сигнала преобразователя, показывав!

переспектшшость его применения в волоконно-оптических магнитометрах.

Палее представлен теоретически!! анализ одномодового интерферометра Фабрн-Перо слабого контраста (торцевой интерферометр), модуляция излучения в котором осуществляется при изменении положения внешнего зеркала (чувствительного

элемента).

Рассмотрена задача возбуждения опорной и сигнальной волн ь торцевом интерферометре в зависимости от взаимного расположения и ориентации торца световода л внешнего отражателя. Показано, что при отклонении плоскости торца относительно плоскости, нормальной к продольной оси световода, для одномодового световода на длину волны Л = 0,63 мкм, уменьшение интенсивности в е раз соответствует = 2.1 10~г рад. (1.2°). При ^ = 4.5 1(Т2 рад. (2.в ) интенсивность уменьшается до 11У. от максимального значения. Таким образом, для осуществления возможности оптимальной юстировки интерферометра, технология подготовки торца световода должна обеспечивать точность углового положения плоскости торца не хуже 1°.

Получена аналитическая зависимость оптимального (обеспечивающего единичную видность при регистрации интерференционного сигнала) расстояния d между торцом световода и отражающей пластинкой в зависимости от угловой разьюстировки пластинки 6 к угла наклона торца световода 0, из которой следует, что для одномодового световода при коэффициенте отражения внешнего зеркала близкого к единице, расстояние между торцом саетовода и отражаглце/1 пластинкой может составлять величину до 230 мкм.

Рассчитана функция преобразования торцевого интерферометра при регистрации малых колебаний внешнего отражателя. Рассмотрены факторы, определяющие стабильность функции преобразования торцевого интерферометра. Обоснована необходимость применения схемы активной стабилизации рабочей

-11»

точки интерферометра, рассмотрен алгоритм позволяющий ее реализовать.

В третьей главе диссертации изложены результаты экспериментальных исследований основных систем и элементов волоконно-оптического вибрационного магнитометра. Описаны установки н методы измерений.

Предварительные исследования включали измерения параметров волоконных световодов, изготовленных в ИРЭ АН СССР, которые использовались при создании торцевого интерферометра.

Для создания торцевого интерферометра бил выбран анизотропный световод с длинной волны отсечки 0,58 мкм. Это позволило обеспечить одномодовый режим работы световода при использовании Ие-Ие лазера (ЛГИ 207Л), работающего на Л = 0,63 мкм. Выбор источника излучения работающего в видимом диапазоне спег.тра был обусловлен соображениями удобства при настройке л исследовании интерферометра.

Была исследована зависимость видности интерферограмны в торцезом интерферометре от величины зазора между торцом световода н внешшгм отражателем. Получено совпадение результатов расчета с экспериментальными данными, подтверждающее адекватность используемой* модели. Описана конструкция и схемотехническая реализация блока стабилизации рабочей точки интерферометра.

Представлены результаты измерений спектра шумов фотоприемника и лазера, а также результирующий спектр шумов интерферометра. Показано, что предельная чувствительность торцевого интерферометра определяется амплитудными шумами используемого лазера и составляет величину ^ 5'10~3 Л/(Гц)1/2

Для вибрационного чувствительного элемента проводились измерения его магнитных и механических характеристик, на основании чего проводилась оптимизация конструкции чувствительной головки датчика. Разработанная конструкция позволяла перемагничивать используемые в качестве чувствительных элементов ферромагнитные пластинки из магкитомягких аморфных сплавов по предельной петле гистерезиса, что повышало стабильность коэффициента преобразования чувствительного элемента.

Предельные характеристики вибрационного преобразователя оценивались по уровню его шумов в отсутствие перемагничивання и величине коэффициента преобразования.

N

Для преобразователя, использованного в дальнейшем для построения магнитометра (коэффициент преобразования 650 рад/Э) уровень шумов составил 5' 10"7Э/Гц1/2, что по порядку величины близко к значению, определяемому тепловыми шумами консольного резонатора.

Четвертая глава содержит результаты теоретического и экспериментального исследования вибрационного магнитометра реализующего нулевой метод регистрации сигнала ( Рис.2 ).

Прикладные задачи по измерению малых постоянных и инфраннзкочастотных магнитных полей в полевых условиях требует не только высокой чувстнтелыюсти и компактности магнитометрической аппаратуры, но и обеспечения точности измерений магнитного поля на уровне 0,01% с динамическим диапазоном 10s-10s 111.

Для того, чтобы обеспечить широкий динамический диапазон и высокую стабильность функции передачи в волоконно-оптических

инфраниэкочастотных магнитометрах- применяется нулевой метод регистрации магнитного поля, где измеряемое поле компенсируется в точке расположения чувствительного элемента датчика, а его величина определяется по величине тока в катушках компенсации (3-41.

Магнитометр, реализующего нулевой метод регистрации сигнала, отличается от датчика с прямой схемой регистрации наличием отрицательной обратной связи по магнитному полю. Характеристики системы могут существенно измениться' при введения в нее обратной связи, поэтому первая часть этсй главы посвящена анализу характеристик компенсационного магнитометра и их связи с параметрами и характеристиками магнитометра с прямой схемой регистрации.

Анализ работы волоконно-оптического магнитометра с нулевым методом регистрация сигнала показал увеличение стабильности функции передачи, а такте расширение динамического диапазона датчика за счет увеличения значения максимального измеряемого поля. Получены аналитические выражения описывающие передаточур и частотную характеристики датчика. Указана возможность расширения полосы пропускания датчика по сравнению с максимальной полосой, реализуемой в прямой схеме регистрации. Показано, что для датчика с вибрационным чувствительным элементом при нулевом методе регистрации существуют ограничения на величину- магнитного удара и скорость нарастания измеряемого поля.

Основным практическим результатом диссертации явилась разработка и создание волоконно-оптического магнитометра с вибрационным чувствительным элементом, способного. измерять

инфраннзкочастотные магнитные поля с чувствительностью порядка В" Ю~10 Тл. Типичный пример записи выходного сигнала магнитометра при ступенчатом изменении магнитного поля представлен на Рис. 3.

В экспериментальной части главы описаны методик!! и результаты измерений основных характеристик разработанного магнитометра: пороговой чувствительности, диаграммы направленности датчика, динамически« характеристик. Проведено измерение долговременной стабильности. Экспериментальные данные подтвердили корректности выбрано!! »гаде ли описания вибрационного магнитометра с нулевым методом регистрации сигнала.

Как показали исследования, созданный магнитометр обладает следующими характеристиками:

Пороговая чувствительность 5'10"ш Тл/(Гц)1/2

Динамический диапазон 0 + 1,С"10~4 Тл

Частотный диапазон 0 5 Гц Точность:

Дрейф нуля за 10 часов 2-10~° Тл

Стабильность коэффициента передачи 0,03 У.

Размер чувствительной области < 1 мм2 Размеры чувствительной головки 30 х 35 мм

Чувствительность, продемонстрированная вибрационным магнитометром, сравнима с результатами, полученными для инфранизкочастотных волококно-оптических магнитометров с магнитострикциоиными первичными преобразователями. В то ке время разработанный магнитометр выгодно отличается от

указашшх датчиков налил размером чувствительно!) области первичного преобразователя и не требует преиэнення высокочувствительных интерферометров для регистрации сигнала чувствительного элемента.

В заключении приведены основные результаты работ«: 1. Проведен теоретически!) анализ работы вибрационного первичного преобразователя инфрапнэкочастотного магнитометра. Получена аналитическая зависимость для коэффициента преобразования и пороговой чувствительности первичного преобразователя. Показано, что коэффициент преобразования возрастает пропорционально и * при уменьшении резонансной частоты преобразователя, при этом происходит улучшение его пороговой чувствительности, определяемой тепловыми шумами.

2 Создан чувствительный элемент для волоконно-оптического вибрационного магнитометра. коэффициент преобразования которого составил 650 Рад/Э, что почти на два порядка превосходит коэффициенты преобразования, полученные на магннтострикционных и лоренцевскнх чувствительных элементах волоконных магнитометров.

3. Разработан торцевой интерферометр с системой ' стабилизации рабочей точки, предназначенный для регистрации колебаний чувствительного элемента вибрационного магнитометра. Пороговая чувствительность интерферометра при

регистрации амплитуды низкочастотных колебаний составнвляет 5-10"3 Л/(Гц)1/2.

<1. Исследована связь статических и динамических характеристик вибрационного магнитометра, реализующего нулевой метод измерения магнитного поля, с , характеристиками

чувстЕнтельного элемента н схемы регистрации сигнала. Теоретически к экспериментально показано увеличение стабильности функции передачи магнитометра с нулевым методом регистрации сигнала и возможность четырехкратного расширения частотной характеристики относительно рабочей полосы чувительного элемента.

5. Создан и экспериментально исследован макет волоконно -оптического магнитометра, который продемонстрировал пороговую чувствительность 5'10"6Э/(Гц)1/2 долговременную стабильность 2"10~5Э, при динамическом диапазоне 105. ,

■^Нызн -

X

Рис. 1 Блок-схема чувствительного элемента (ЧЭ) и торцевого интерферометра

Не-Ме

0

БОРТ

<=£>П

ФНЧ -*

с ы

к чувствительно!! головке (ЧГ)

ттт

й! На КП

ЧГ

Рис. 2 Блок-схема вибрационного магнитометра,

реализующего нулевой метод регистрации сигнала. (БСРТ-блок стабилизации рабочей точки интерферометра, ФП-фотоприенник, Г-генератор перемагничивания ЧЭ, СУ- синхронный усилитель, ФНЧ-фильтр низкой частоты, КП- катушка перемагничивания ЧЭ, КК-катушка компенсации)

юо ко асо 400 еоо есо ^ [с]

Рис. 3 Запись выходного сигнала вибрационного магнитометра при ступенчатом изменении поля на 10 пТ. I Тф = 0,3 с ).

-181. Результаты, представленные в диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Александров А. Ю., Листвип В. Н., Чуренков A.B., "Волоконно-оптический датчик магнитного поля с механическим ферромагнитным микрорезонатиром". Тез. докл. конф. -"Быстродействующие элементы и устройства волоконно-оптических и лазерных информационных систем", с , Севастополь 1990.

2. Л. J. Alexandrov, Л. V. Churenkov, V.N.Listvin, "The Fiber-Optic Sensor of the Magnetic Field". 15th Congress of the International Commit ion for Optics. 'Optics ir. Complex Sistems*. CPIE Code Ho. 1319 169, Carmish-Partenkirchen, Bavaria, August 5-10, 1990,

3. В. H. Лнствин. A. I). Александров, С. M. Козел, А. В. Чуренков, "Волоконно-оптический датчик магнитного поля с микромеханическим ферромагнитным резонатором"., Письма КТФ, 1990, Том 16, вып. 15, с. 36-39.

4. Александров A.D., Козел С. Ii., Листвин В. Н., Чуренков А. В. , "Инфраннзкочастотный волоконно-оптический магнитометр", Тез. докл. 1 Всесоюзная конференция "Физика и конверсия", с 132-134 .Калининград 1991.

5. Александров А. ¡0., Залогин А. И., Козел С. К., Листвин В. И., Шаталин С. В. Юшкайтис Р. В. - Способ определения параметра сохранения состояния поляризации анизотропных одномодовых волоконных световодов. - АьторскЬе свидетельство Н 1429727, 1988.

6 ..Александров А. Ю., Залогин А. Н., Козел С. М., Лнствин В. К., - "Влияние нерегуляриостей одномодовых волоконных световодов па степень полризации излучения". - Оптика и спектроскопия,

198В, Т. 64, N 1,с. 199-203.

7. Александров A.B., Грнгорьянц D. В., Залопш А. II. и др., "Сохранение поляризации в анизотропных одномодовых волоконных световодах с эллиптической боросиликатной оболочкой". Радиотехника, 1988, И В, с. 90-95.

В.Александров A.D., Козел С. М. , Листвин В. Н. , - "О стабильности масштабного коэффициента волоконного кольцевого интерферометра". - в кн. : Лазерная интерферометрия: Междуведомственный сборник научных трудов. , Уосква 19Ö9, с. 83-89.

Э.Александров А. Ю. , Залогин А. II., Козел С. U., Листвин В П., Юшкайтис Р. В. - Определение параметра сохранения состояния поляризации в анизотропных одномодовых волоконных световодах.-Радиотехника и электроника, 1989, Том XXXIV, N 7, с. 1556-1558.

1. Тезисы докладов VII Всесоюзной научно - технической конференции "Проблемы магнитных измерений н магнитной аппаратуры", Ленинград, 1989.

2. II. Okamura "Fiber optic magnetic sensor utilizing the Lorentzian force", J. of Lightw. Technol., Vol.8, Ho 10, pp. 1558-1564, 1990.

3. K. P.Koo, „F.Buchoitz and A.B.Tveten, 'Stability of a fiber optic magnetometer", IEEE Transections on Magnetics, Vol HAG-22, No 3, pp. 141-144, 1986.

4. A. D. Kersley, D.A.Jacson, M.Corke, "Single - mode fiber -optic magnetoraeter with DC bias field stabilization",J. oi Lightw. Technol., Vol. LT-3, No.4, pp. 836-840, 1985.

Типог1Х1фин HiTU, 17.09.91. Заказ ti'l/b^f • тираж loo экз.

Цитированная литература.