Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с температурной компенсацией, нечувствительный к изменению параметров датчика

Волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с температурной компенсацией, нечувствительный к изменению параметров датчика

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к волоконно-оптическому датчику тока или датчику магнитного поля, который содержит чувствительное волокно, подвергающееся воздействию магнитного поля, например, измеряемого тока. Датчики этого типа обычно используются при измерении высокого напряжения или сильного тока.

Уровень техники

Волоконно-оптические датчики тока обычно основаны на эффекте Фарадея в волокнах из плавленого кварца. Эффект Фарадея изменяется в зависимости от температуры. Постоянная V Верде волокна из плавленого кварца, которая является параметром для эффекта Фарадея, изменяется в соответствии с выражением (1/V) ∂V/∂T=7·10^-5°С^-1, то есть в диапазоне рабочих температур, например, от -40 до +80°С, сигнал датчика изменяется в пределах 0,84%. Тем не менее, во многих областях применения датчика требуется точность в пределах ±0,2% или ±0,1% и, следовательно, требуется предпринять меры по температурной компенсации. В документах ЕР 1107029, ЕР 1115000 и [1] описан способ собственной температурной компенсации для эффекта Фарадея в волоконно-оптических датчиках тока отражательного типа и волоконно-оптических датчиках тока на основе интерферометров Саньяка. Способ собственной температурной компенсации исключает необходимость в дополнительном датчике температуры, что особенно важно для измерения тока при большой разности потенциалов. Этот способ основан на температурной зависимости волоконно-оптического устройства запаздывания, которое порождает обычно циркулярно-поляризованные световые волны, распространяющиеся в измерительном волокне. Для температурной компенсации запаздывание установлено равным такому значению, которое отличается от обычного запаздывания в 90° на ненулевую величину ε. Изменение запаздывания в зависимости от температуры влияет на масштабный коэффициент датчика. При надлежащим образом выбранном запаздывании, например, при ε=10°, влияние устройства запаздывания на чувствительность датчика (масштабный коэффициент S) компенсирует изменение постоянной Верде в зависимости от температуры.

В документе WO 2005/111633 и [2] показано, что на масштабный коэффициент S датчика также оказывает влияние угол между перпендикуляром к плоскости катушки из волокна и осью наименьшей скорости распространения света сохраняющего поляризацию волокна перед устройством запаздывания, указанный угол называется азимутальным углом β=45°-β', где β' - это угол между перпендикуляром к плоскости катушки из волокна и осью наименьшей скорости распространения света для устройства запаздывания. В этом случае катушка из измерительного волокна состоит из единственного витка не подвергшегося отжигу одномодового волокна с большим радиусом витка и, таким образом, отличается малым вызванным изгибом линейным двулучепреломлением. Волокно расположено в капилляре с уменьшающим трение средством и упаковано в гибкую полосу армированной волокном эпоксидной смолы. Изменение масштабного коэффициента S в зависимости от азимутального угла β имеет синусоидальную форму и лежит в диапазоне 0,8% в случае устройства запаздывания с ε=10° и запаздыванием двулучепреломления в измерительном волокне, равным 1,5°. Следовательно, для получения стабильного масштабного коэффициента азимутальным утлом нужно управлять и его фиксировать. В той же заявке на патент заявлено, что азимутальные углы β=0° (по модулю 90°) и β=45° (по модулю 90°) позволяют достичь минимальной чувствительности масштабного коэффициента по отношению соответственно к изменениям вызванного изгибом двулучепреломления и азимутального угла. Влиянием температурной зависимости вызванного изгибом двулучепреломления [3] пренебрегли, так как в этом случае оно очень мало. Тем не менее, возможны катушки из измерительного волокна, которые состоит из нескольких (не подвергшихся отжигу) витков волокна малого диаметра. Такие катушки могут быть использованы, например, в высоковольтном оборудовании. Катушки этого типа могут характеризоваться большой величиной двулучепреломления волокна, что приводит к запаздыванию фазы при двулучепреломлении, например, на величину δ=5…25°.

В документах ЕР 0856737 и [1] описан способ высокотемпературного отжига, который эффективно уменьшает вызванное изгибом двулучепреломление в катушках из волокон, имеющих малый диаметр и несколько витков волокна. Волокно таких катушек может снова располагаться в стеклянном капилляре как во время процедуры отжига, так и в окончательной конфигурации датчика. В зависимости от диаметра катушки и количества витков после отжига измерительное волокно может сохранить некоторое двулучепреломление. Соответствующие фазовые сдвиги при двулучепреломлении могут иметь порядок нескольких градусов. Более того, при изготовлении двулучепреломление может до некоторой степени изменяться от катушки к катушке. Изменения двулучепреломления, являющиеся результатом допусков в процессе изготовления и/или изменении температуры, влияют на упомянутую выше температурную компенсацию эффекта Фарадея. Это верно как для подвергшихся отжигу катушек, так и для катушек, не подвергшихся отжигу.

Раскрытие изобретения

Таким образом, настоящее изобретение должно решить следующую задачу: предложить гибкий волоконно-оптический датчик тока или магнитного поля с малой чувствительностью к изменениям двулучепреломления волокна, вызванного, например, допусками при изготовлении или изменениями температуры.

Эта задача решена с помощью волоконно-оптического датчика тока или магнитного поля, который содержит:

измерительное волокно, которое открыто для воздействия со стороны магнитного поля измеряемого тока I, при этом указанное измерительное волокно образует виток в плоскости датчика и имеет постоянную Верде, равную V,

по меньшей мере одно устройство запаздывания, расположенное между сохраняющим поляризацию волокном и указанным измерительным волокном и предназначенное для преобразования света линейной поляризации к свету эллиптической поляризации, при этом главная ось сохраняющего поляризацию (сп) волокна непосредственно перед указанным устройством запаздывания поворачивается относительно перпендикуляра к указанной плоскости датчика на угол β и указанное устройство запаздывания вносит дифференциальный фазовый сдвиг ρ=π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль своих главных осей, и ε является дополнительным ненулевым фазовым сдвигом, и

блок управления, вырабатывающий сигнал, в частности, пропорциональный индуцированному током фазовому сдвигу Δϕ, который может быть записан следующим образом:

Δ φ = 4 S ( ε , δ , β , ϕ F ) ⋅ ϕ F ,

где φ_F=V·N·I и N - количество витков указанного измерительного волокна, δ - вызванный линейным двулучепреломлением фазовый сдвиг указанного измерительного волокна и S - масштабный коэффициент, при этом нормированная производная S по температуре Т равна

Z ( ε ( T ) , δ ( T ) , β , ϕ F ) = 1 S ∂ S ( ε , δ , β , ϕ F ) ∂ T .

Датчик отличается тем, что β и ε и Q = 1 ρ ∂ ρ ∂ T таковы, что условие

| 1 Δ φ ∂ ( Δ φ ) ∂ T | < t 1

или эквивалентное условие

| Z + 1 V ∂ V ∂ T | < t 1

выполняется в диапазоне значений φ_F и для ненулевого значения вызванного двулучепреломлением фазового сдвига δ и его заданной температурной зависимостью P = 1 δ ∂ δ ∂ T , по меньшей мере, при температуре Т₀, предпочтительно находящейся в центре диапазона рабочих температур датчика, t₁ является первым пороговым значением, которое меньше 7*10^-5 1/К, в частности меньше 2*10^-5 1/К. Это условие далее будем называть «первым условием».

Температурная зависимость Q = 1 ρ ∂ ρ ∂ T дифференциального фазового запаздывания ρ волоконного устройства запаздывания может быть до некоторой степени адаптирована надлежащим выбором параметров волокна. Температурная зависимость или температурный коэффициент P = 1 δ ∂ δ ∂ T линейного двулучепреломления в измерительном волокне соответствует приблизительно 6*10^-4 1/К [3].

В датчике, соответствующем настоящему изобретению, составляющая ε фазового сдвига, а также угол β направления сп-волокна до устройства запаздывания целесообразно выбирать так, чтобы нормированная производная масштабного коэффициента S по температуре Т была противоположна по знаку - и предпочтительно аналогична или наиболее предпочтительно совпадала по величине - нормированной производной постоянной V Верде по температуре Т. Как показано ниже, при этих условиях устройство запаздывания компенсирует - частично или полностью - температурную зависимость постоянной V Верде измерительного волокна. По сравнению с уровнем техники, эта схема имеет две дополнительные степени свободы, так как можно изменять не только ε, но также Q и β. Эта схема также имеет одну дополнительную степень свободы, если значение Q зафиксировано и равно Q₀. Эта ситуация будет рассмотрена в следующем разделе.

Дополнительная степень свободы может быть использована для различных оптимизаций.

В одном целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительная степень свободы используется для такого выбора ε и β, что они удовлетворяют, в дополнение к первому условию, следующему условию (целесообразно при температуре Т₀, находящейся в центре диапазона рабочих температур датчика):

| ∂ Z ∂ δ | < t 2 ,

где t₂ является вторым пороговым значением, меньшим 2*10^-3 (K^-1*рад^-1), в частности меньшим 0,5*10^-3 (K^-1*рад^-1).

Другими словами, ε и β выбирают так, что выполняется не только первое условие, но также первое условие справедливо (при линейном приближении) даже если изменяется двулучепреломление измерительного волокна. Это, в частности, полезно для датчиков тока, в которых измерительное волокно является подвергшимся отжигу волокном, то есть после сматывания в катушку волокно подверглось термическому отжигу, так как в таких системах остаточный вызванный двулучепреломлением фазовый сдвиг δ может до некоторой степени изменяться от устройства к устройству, что происходит из-за допусков в процессе отжига. Более того, это также полезно для датчиков с одним или несколькими витками не подвергшегося отжигу волокна. Такие не подвергшиеся отжигу катушки могут иметь значительно большее двулучепреломление по сравнению с подвергшимися отжигу катушками и в результате имеют большее абсолютное отклонение δ как функции температуры.

В другом целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

| ∂ S ∂ δ | < t 3 ,

где t₃ является третьим пороговым значением, которое меньше 0,2 (рад^-1), в частности меньше 0,05 (рад^-1).

Другими словами, ε и β выбраны так, чтобы они удовлетворяли не только первому условию, но также чтобы масштабный коэффициент S был (при линейном приближении независим от изменений двулучепреломления измерительного волокна, например, из-за потенциальных изменений двулучепреломления, происходящих со временем.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретение дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

| ∂ S ∂ β | < t 4 ,

где t₄ является четвертым пороговым значением, которое меньше 0,06 (рад^-1), в частности меньше 0,01 (рад^-1). В этом случае при линейном приближении S не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков, связанных с изготовлением в отношении угла направления устройства запаздывания. Для случаев, в которых собственное двулучепреломление волокна пренебрежимо мало или оси собственного двулучепреломления совпадают с осями вызванного изгибом двулучепреломления, указанное выше условие выполняется для β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения дополнительную степень свободы используют для такого выбора ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующему условию:

| ∂ Z ∂ β | < t 5 ,

где t₅ является пятым пороговым значением, меньшим 5*10^-4 (K^-1*рад^-1), в частности меньшим 1*10^-4 (K^-1*рад^-1). В этом случае, при линейном приближении, Z не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении в отношении угла направления устройства запаздывания. Для случаев, в которых собственное линейное двулучепреломление в волокне пренебрежимо мало или ось наименьшей скорости распространения света совпадает с осью вызванного изгибом двулучепреломления, указанное выше условие выполняется для β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее.

В случаях, когда температурная зависимость Q устройства запаздывания может быть выбрана, например, путем надлежащего выбора типа сохраняющего поляризацию волокна (например, сохраняющего поляризацию (сп) волокна, с эллиптической сердцевиной, с вызванным напряжением сп-волокном, таким как волокно типа «панда», «бабочка», с эллиптической сердцевиной) или путем надлежащего выбора параметров конкретного сп-волокна (например, примеси или геометрия сердцевины волокна), при этом предложенная схема датчика имеет две дополнительные степени свободы после выполнения первого условия. Две степени свободы могут быть использованы для дальнейшей оптимизации.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

| ∂ Z ∂ δ | < t 2 и | ∂ S ∂ δ | < t 3 ,

где t₂ и t₃ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S и Z не зависят от δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении и от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

| ∂ Z ∂ δ | < t 2 и | ∂ Z ∂ β | < t 5 ,

где t₂ и t₅ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении Z не зависит от β и δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно двулучепреломления δ в измерительном волокне и угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления δ как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

| ∂ Z ∂ δ | < t 2 и | ∂ S ∂ β | < t 4 ,

где t₂ и t₄ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении Z не зависит от δ и S не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно δ и угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

| ∂ S ∂ δ | < t 3 и | ∂ S ∂ β | < t 4 ,

где t₃ и t₄ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S не зависит от β и δ, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

В еще одном целесообразном варианте осуществления изобретения две дополнительные степени свободы используют для такого выбора Q, ε и β, чтобы они удовлетворяли, помимо первого условия, следующим двум условиям:

| ∂ S ∂ δ | < t 3 и | ∂ Z ∂ β | < t 5 ,

где t₃ и t₅ являются определенными выше пороговыми значениями. В этом случае Q, ε и β выбраны так, что выполняется не только первое условие, но также при линейном приближении S не зависит от δ и Z не зависит от β, что делает проектирование менее зависимым от допусков при изготовлении относительно угла ориентации β устройства запаздывания, а также менее зависимым от потенциальных изменений со временем двулучепреломления в измерительном волокне как для подвергшихся отжигу, так и не подвергшихся отжигу измерительных катушек.

Для случаев, в которых собственное двулучепреломление волокна пренебрежимо мало или оси собственного двулучепреломления совпадают с осями вызванного изгибом двулучепреломления, при оптимальном выборе параметр β с целью достижения нечувствительности S и Z к углу направления β принимает тоже значение, а именно одновременно выполняется β mod 90°=45°, то есть для β=45°, 135° и так далее, и параметры ε и Q выбраны так, что выполняется первое условие и

| ∂ Z ∂ δ | < t 2 и | ∂ S ∂ δ | < t 3 .

Различные целесообразные варианты осуществления изобретения перечислены в зависимых пунктах формулы изобретения, а также в последующем описании.

Датчик, соответствующий различным вариантам осуществления изобретения, минимизирует чувствительность схемы температурной компенсации и/или масштабного коэффициента S к изменениям двулучепреломления δ в волокне или других параметров, имеющим место, например, из-за допусков при изготовлении или эффектов старения. Это особенно важно для катушек малых диаметров с несколькими витками, которые нужны, например, в высоковольтных приложениях, так как фазовое запаздывание δ при двулучепреломлении и его изменение в зависимости от температуры обычно больше, чем в случае витков одного волокна большего диаметра, которые используют, например, при измерении постоянных токов большой силы, смотри документ WO 2005/111633 и [2].

На изменение масштабного коэффициента S в зависимости от температуры влияет запаздывание ρ=90°+ε устройства запаздывания, азимутальный угол β и двулучепреломление δ в волокне. При надлежащем выборе ρ и β может быть спроектирована катушка датчика, которая будет нечувствительна к температуре и не будет зависеть от небольших изменений двулучепреломление δ в волокне. При учете температурной зависимости самого δ ясно, что надлежащий выбор азимутального угла β отклоняется от 0° - упомянутого выше угла - на значительную величину, например на Δβ=9°, для обычных свойств волокна. Выбор азимутального угла β и соответствующего запаздывания ρ основан на численном оценивании температурной зависимости масштабного коэффициента, которое основано на выражениях, приведенных в [2], и дополнительно на температурной зависимости вызванного изгибом двулучепреломления, как описано в [3].

Краткое описание чертежей

Из последующего подробного описания изобретение будет лучше понятно и станут яснее цели, отличающиеся от тех, которые приведены выше. Такое описание содержит ссылки на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид, показывающий схему волоконно-оптического датчика тока;

фиг.2 - вид, показывающий вариант осуществления волоконно-оптического устройства запаздывания;

фиг.3 - вид, показывающий направление поворота устройства запаздывания и сохраняющего поляризацию волокна, расположенного до устройства запаздывания, относительно плоскости измерительного волокна;

фиг.4 - вид, показывающий масштабный коэффициент S как функцию азимутального угла β;

фиг.5 - вид, показывающий температурную зависимость Z масштабного коэффициента S как функцию азимутального угла β;

фиг.6 - вид, показывающий в увеличенном масштабе секцию VI графика с фиг.5;

фиг.7 - вид, показывающий влияние Х изменения двулучепреломления на температурную зависимость Z масштабного коэффициента S как функцию азимутального угла β;

фиг.8 - вид, показывающий оптимальный азимутальный угол βopt в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.9 - вид, показывающий допуск Δβ азимутального угла в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.10 - вид, показывающий оптимальную величину составляющей εopt запаздывания в зависимости от двулучепреломления δ для Х=0;

фиг.11 - вид, показывающий составляющую масштабного коэффициента S, температурную зависимость постоянной Верде и их совместные вклады в датчик с температурной компенсацией как функции температуры Т для не подвергшейся отжигу катушке с четырьмя витками, при этом диаметр катушки равен 15 см, а диаметр волокна равен 80 мкм;

фиг.12 - вид, показывающий масштабный коэффициент S как функцию 4φ_F для трех различных запаздываний ρ при азимутальном угле β, равном 45°, 90° и 135°.

Варианты осуществления изобретения

Конструкция датчика

На фиг.1 показан принцип работы волоконно-оптического датчика тока, описанный в [1]. Две ортогональные линейно поляризованные световые волны посылают от блока 1 управления через соединительное сохраняющее поляризацию волокно 2 (сп-волокно) на измерительную головку, в целом обозначаемую ссылочной позицией 3. Измерительная головка 3 содержит оптическое устройство 4 запаздывания, измерительное волокно 5 и отражатель 7.

Устройство 4 запаздывания представляет собой, например, волоконно-оптическое устройство запаздывания, содержащее эллиптическую сердцевину и предназначенное для преобразования линейно поляризованного света в сп-волокне 2 в эллиптически поляризованный свет в измерительном волокне 5. Указанное устройство содержит две главные оси, и соответствующее запаздывание вызывает фазовый сдвиг на π/2+ε между световыми волнами, поляризованными вдоль указанных главных осей, при этом ε является дополнительным, ненулевым фазовым сдвигом.

Измерительное волокно 5 образует N>0 витков вокруг одного или нескольких проводников 6, по которым течет ток I, который необходимо измерить. В настоящем варианте осуществления изобретения отражатель 7 расположен в конце измерительного волокна 5 и предназначен для отражения света назад через измерительное волокно 5, устройство 4 запаздывания, сп-волокно 2 в блок 1 управления. Циркулярное право- и левополяризованные световые волны имеют разные фазовые скорости при перемещении в магнитном поле вокруг проводника, что объясняется эффектом Фарадея. В варианте осуществления с фиг.1 световые волны имеют разницу фаз Δϕ, определяемую из выражения

Δ φ = 4. ϕ F = 4 V . N . I .     ( 1 )

Здесь V - постоянная Верде, N - количество витков измерительного волокна вокруг проводника 6 и I - сила тока. Выражение (1) справедливо для катушек из волокна, свободных от какого-либо линейного двулучепреломления (δ=0) и абсолютно циркулярно-поляризованных световых волн (ε=0°).

После обратного преобразования в линейную поляризацию с помощью устройства 4 запаздывания блок 1 управления измеряет магнитное поле, индуцированное разностью фаз, с помощью технических приемов, приспособленных от волоконно-оптических гироскопов [1, 4].

Предпочтительно, чтобы устройство 4 запаздывания являлось волоконно-оптическим устройством запаздывания, изготовленным на конце участка сохраняющего поляризацию волокна 2 рядом с измерительным волокном 5 с малым двулучепреломлением, как показано на фиг.2. На фиг.2 главная ось наименьшей скорости распространения света для волокна с устройством запаздывания направлена под углом +45° по отношению к первой главной оси сп-волокна непосредственно перед устройством запаздывания, как показано на фиг.3. (Заметим, что для того, чтобы сделать определение β однозначным, главная ось сп-волокна 2 выбрана так, чтобы главная ось наименьшей скорости распространения света волокна с устройством запаздывания была отклонена на угол +45° относительно первой главной оси сп-волокна 2. Тогда главная ось наименьшей скорости распространения света для волокна с устройством запаздывания отклонена на угол -45° по отношению к другой второй главной оси сп-волокна 2.)

В качестве сохраняющего поляризацию волокна 2 может быть использовано несколько типов сохраняющих поляризацию волокон, например волокна с эллиптической сердцевиной или волокна с полем внутреннего напряжения (типа «панда», «бабочка», эллиптическая сердцевина). Устройство этого типа описано в документе ЕР 1107029.

Как упомянуто выше, запаздывание, соответствующее устройству 4 запаздывания, отклоняется от запаздывания π/2 совершенного четвертьволнового устройства запаздывания на подходящим образом выбранную величину (то есть фазовый сдвиг между двумя ортогональными поляризованными модами равен ρ > π / 2 или ρ < π / 2 ), что сделано для компенсации температурной зависимости постоянной V Верде. Запаздывание, соответствующее устройству 4 запаздывания, выбрано так, чтобы два основных источника температурной зависимости масштабного коэффициента компенсировали друг друга: (i) V(T), увеличение постоянной V Верде при увеличении температуры Т, и (ii) S(T), уменьшение составляющей масштабного коэффициента S, происходят благодаря изменению запаздывания ρ, вызванного изменением температуры, и увеличению двулучепреломления δ, вызванного изменением температуры. Заметим, что для волокон с эллиптической сердцевиной, которые целесообразно использовать для изготовления устройства запаздывания, увеличение температуры приводит к уменьшению ρ. Корректно выбранная оптическая длина устройства запаздывания (например, ρ~100° для заданной температурной зависимости Q от ρ и малой величины двулучепреломления в волокне) позволяет компенсировать зависимость от температуры магнитооптического эффекта, то есть изготовить датчик с независимым от температуры общим масштабным коэффициентом. Выбор текущего запаздывания ρ устройства запаздывания также может быть следующим: ρ < 90 ∘ , и указанное значение зависит от значений следующих параметров: двулучепреломление δ, присутствующее в измерительном волокне, и его температурная зависимость Р, азимутальный угол β и температурная зависимость Q от ρ. Температурная независимость датчика необходима для удовлетворения требованиям, предъявляемым к точности (точность в пределах ±0,2% или даже ±0,1% при температуре, изменяющейся в пределах, например, от -40 до 85°С) в обычных областях применения датчиков.

Принцип работы

Как показано в документах WO 2005/111633 и [2], на масштабный коэффициент датчика с температурной компенсацией ( ρ ≠ 90 ∘ ) и линейным двулучепреломлением волокна ( δ ≠ 0 ∘ ) влияют три главных параметра датчика: запаздывание ρ = π / 2 + ε устройства запаздывания, двулучепреломление δ в измерительном волокне и азимутальный угол β. Азимутальный угол β показан на фиг.3 как угол между главной осью х сп-волокна до устройства 4 запаздывания и вектором n, перпендикулярным к плоскости катушки из измерительного волокна 5.

Заметим, что параметр δ относится к вызванному изгибом линейному двулучепреломлению волокна или остаточному вызванному изгибом линейному двулучепреломлению волокна, оставшемуся после термического отжига катушки из волокна. Кроме того, может присутствовать собственное линейное двулучепреломление δi волокна, вызванное, например, анизотропией волокна или остаточным напряжением, возникшим при изготовлении. Обычно δi можно пренебречь благодаря соответствующим уровню техники измерительным волокнам с низким двулучепреломлением.

Магнитооптический фазовый сдвиг Δϕ, наблюдаемый в настоящем устройстве, может быть записан следующим образом:

Δ φ = 4 S ( ε , δ , β , ϕ F ) ⋅ ϕ F ,       ( 2 )

где ϕ F = 4 V . N . I .

Параметр S представляет собой нормированную составляющую масштабного коэффициента. Параметр S равен единице при ε=0° и δ=0°. В общем случае значение Δϕ вычисляется по формуле из [2]

Δ φ = arctan ( 2 U 1 − U 2 ) ,       ( 3 )

где

U = 2 ϕ F tan ( Г ) Г cos ( ε ) − δ sin ( ε ) sin ( 2 ( β + ψ ) ) tan ( Г ) Г ,     ( 4 )

Г = [ δ ' 2 + ( 2 ϕ F ) 2 ] 1 / 2 ,       ( 5 )

δ ' = [ δ 2 + δ 2 + 2 δ δ i cos ( 2 ( β i − β ) ) ] 1 / 2 ,       ( 6 )

ψ = arctan ( δ i sin ( 2 ( β i − β ) ) δ