Оптикоэлектронный трансформатор тока

Оптикоэлектронный трансформатор тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

В.А.Брыэгалов, А.Д.Крастина и 8.. Зубков,, (72) Авторы изобретения (7!) Заявитель

Научно-исследовательский институт постоянного тока

{54) ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР ТОКА

Изобретение относится к измерительной технике.

Известно устройство, измеряющее угол поворота плоскости поляри- зации, содержащее источник оптического излучения, поляризатор, блок вра". щения плоскости поляризации, анализатор, фотодетектор, генератор опорных электрических сигналов и вычислитель сдвига фаз (1).

Недостатком известного устройства является существенная зависимоСть результатов измерения от параметров элементов оптического тракта,.что понижает точность измерения.

Известно устройство (оптико-электронный трансформатор тока), содержащее источник оптического излучения, датчик угла поворота плоскости поляризации, управляемый измеряемым током, модулятор и демодулятор светового потока, в.котором измеряемый, угол поворота плоскости поляризации оптического излучения создается ячейкой Фарадея, выполняющей функцию дат" чика угла поворота плоскости поляризации, управляемого измеряемым током.

Отличительной особенностью устройства является наличие главной компен" сационной обратной связи, в которой обработка и выделение сигнала обратной связи осуществляется с использова10 нием принципа модуляции и демодуляции светового потока f2).

Недостатком данного устройства является также низкая точность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, измеряющее угол б. поворота плоскости поляризации, возникающий под действием постоянного тока (оптико-электронный трансформатор тока), включающее в себя датчик угла поворота плоскости поляризации, выполненный в виде ячейки Фарадея, управляемый измеряемым током,,и главную обратную связь, содержащую источ3 91709 ник оптического излучения, поляризатор, модулятор плоскости поляризации, компбнсатор угла поворота плоскости поляризации - ячейку Фарадея, анализатор, фотоприемник, селективный уси- литель, синхронный детектор, генератор, усилитель мощности входного сигнала модулятора, усилитель мощности входного сигнала компенсатора.

Измерение тока с помощью такого 36 устройства осуществляется путем измерения сигнала компенсации, содержащего информацию об угле поворота плоскости поляризации светового потока, пропорционального измеряемому 1$ току 31.

Недостатком данного устройства является то, что на точность измерений влияют нестабильность следующих

1 параметров: мощности излучения излу- щ чателя, коэффициента пропускания оптической системы, глубины модуляции модулятора, чувствительности фотоприемника, коэффициента усиления селективного усилителя., 23

Цель изобретения - повышение точ ности измерений. 1

Поставленная цель достигается тем, что в оптико-электронный трансформатор тока, содержащий источник оптического излучения, последовательно включенные поляризатор, датчик угла поворота плоскости поляризации, модулятор плоскости поляризации, компенсатор угла поворота плоскости поля»

35 ризации, анализатор, фотоприемник и селективный усилитель, выход которого подключен к первому входу основно" го синхронного детектора, второй вход

49 которого соединен с выходом генератора и через усилитель мощности модулятора с управляющим входом модулятора плоскости поляризации, а выход основного синхронного детектора через

4$ усилитель мощности компенсатора подключен к управляющему входу компенсатора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощности коипенсатора является выходом усто ,ройства, введены удвоитель частоты, дополнительный синхронный детектор, фазовращатель, элемент сравнения, .источиик опорного напряжения, управ-ляемый оптический аттвнюатор и блок регулирования, при этом первый вход дополнительного синхронного детектора через удвоитель частоты подключен к

;выходу генератора, второй вход через

8 4 фазовращатель подключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан.с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к входу источника оптического излучения, выход которого через управляемый оптический аттенюатор соединен со входом поляризатора.

На чертеже приведена функциональная схема оптико-электронного трансформатора тока.

Схема содержит источник 1 оптического излучения, управляемый оптический аттенюатор 2, поляризатор 3, датчик Й угла поворота плоскости поляризации, модулятор 5 плоскости поляризации, компенсатор 6 угла поворота плоскости поляризации, анализатор 7, фотоприемник 8, селективный усилитель 9, основной синхронный детектор 10, генератор 11, усилитель

12 мощности модулятора, усилитель 13 мощности компенсатора, удвоитель 14 частоты, дополнительный синхронный детектор 1 вспомогательной обратной связи, фазовращатель 16 элемент t» сравнения, источник 18 опорного напряжения, блок 19 регулирования. Вы" ходом устройства является выход усилителя 13 мощности компенсатора.

Связи, показанные на чертеже пунктиром.означают, что выход блока 19 ре" гулирования может бь1ть подключен ко входу одного из следующих элементов устройства с регулируемым выходным сигналом: к усилителе 12 мощности модулятора, к фотоприемнику 8, к управляемому оптическому аттенюатору 2, к селективному усилителю 9, к источнику 1 оптического излучения.

Управляемый оптический аттенюатор

2 может быть выполнен одним из из" вестных способов, например, в виде жидкокристаллической ячейки с электрически управляемой прозрачностью, оптического затвора на основе использования магнито- или электрооптического эффектов и т.п.

Датчиком Й угла поворота плоскос ти поляризации может служить вещество, обладающее естественным или магнитным вращением плоскости поляризации, а также элемент, преобразующий линейно поляризованное излучение в рллиптически поляризованное, опти-.

917098

5 чески связанный с четвертьволновой пластинкой, которая устанавливается по ходу луча после. этого элемента, по схеме Сенармона.

Электрически управляемый модулятор плоскости поляризации и компенсатор угла поворота плоскости поляризац. и могут быть выполнены на основе одного из физических эффектов: фарадея, Поккельса или Керра. В мо- 1В дуляторе плоскости поляризации и компенсаторе угла поворота плоскости поляризации в .предлагаемом устройстве используется эффект Фарадея.

Устройство работает следующим образом.

Коллимированный монахроматический пучок света от источника 1 оптического излучения проходит последовательно через оптический аттенюатор 2, 20 поляризатор 3, датчик 4 угла поворота плоскости поляризации, модулятор

g плоскости поляризации, компенсатор

6 угла поворота плоскости поляризации (ячейку Фарадея), анализатор 7 и йо" И ступает на Фотоприемник 8. Плоскость . поляризации светового пучка, выходящего из поляризатора 3, при прохожде" нии через датчик 4 угла поворота плоскости поляризации испытывает по" 36 ворот на некоторый постоянный угол

611, подлежащий измерению, а в модуляторе 5 плоскости поляризации под действием сигнала, поступающего от

" генератора 11 через усилитель мощнос"з ти модулятора 12, это положение плос" кости поляризации дополнительно моду" лируется с круговой частотой Ю

Йромодулированный по углу поворота плоскости поляризации пучок света через4о оптический элемент компенсатора б угла гповорота плоскости поляризации (ячвй-! ,ку Фарадея) поступает в анализатор g, плоскость поляризации которого ортого" нальна плоскости поляризации поляризатора 3. При этом на вход Фотоприемника 8 поступает световой пучок, интенсивность которого в каждый момент времени в соответствии с законом е

Иалюса имеет величину

-) -) (.,„г. „

- О = )ис, (2) где 3ис - интенсивность светового пучка, поступающего в опти->> ческий аттенюатор 2;

- коэффициент пропускания oo" тического аттенюатора 2, коэффициент, учитывающий потери в оптическом тракте системы, угол, на который поворачивается плоскость поляризации светового потока, падающего на анализатор 7 под действием оптических эле- . ментов, расположенных. на пути его распространения между поляризатором 3 и анализатором 7 коэффициент пропускания анализатора 7 при г .= Ж/2.

Световой поток, имеющий интенсив-. ность Д, на выходе Фотоприемника 8 создает Фототок

1ф= ф + 1т, где - интегральная чувствительность фотоприемника 8;

1-г - темновой ток Фотоприемника 8.

Фототок 1ь через селективный усилитель 9 поступает на вход основного синхронного детектора 10. В результате сравнения сигналов, поступающих от генератора 11 и селективного усилителя 9, основной синхронный детек" тор 10 вырабатывает электрический сигнал, поступающий через усилитель

13 мощности в электрическую цепь компенсатора б угла поворота плоскости поляризации (ячейки Фарадея). Под действием этого сигнала плоскость поляризации светового потока, проведшего чувствительный оптический элемент компенсатора Ь, поворачивается на угол Вк, равный (с 1гочностью да угла некомпенсации) и обратный по .знаку углу Оп, подлежащему измерению. В установившемся режиме работы суммарный поворот плоскости поляриа зации светового потока на входе в анализатор 7 равен 9=-P(QypQg ) +9 „ 1и чА g, (4) где 9+- амплитудное значение угла поворота плоскости поляризации, изменяющегося с частотой,модуляции Щ„ осуществляемой модулятором 12,, С учетом (1) и (4) выражение (3) приобретает вид @"-"ф„-((%е S„+S gj" w<) ) „, где 1 в 71Ф Зоi (б)

i! "1фо р+ i . (7} автоматическую коррекцию погрешности, ся с помощью дополнительного синхронного детектора 1, на один вход котомаемых с выхода селективного усилителя 9 и удвоителя !4 частоты. Сигнал детектора 15 в виде постоянного напряжения, пропорционального амплитуде второй гармоники„ поступает на вход элемента 17 сравнения, на другой вход которого подается напряжеНа выходе элемента 17 сравнения формируется сигнал рассогласования, который воздействует на соответствующий параметр одного из следующих элементов прямой ветви главной обратной связи: источника 1 оптического излучения, управляемого оптического аттенюатора 2, фотоприемника 8, селективного усилителя 9, усилителя

12 мощности модулятора, что приводит к возврату амплитуды сигнала второй гармоники на выходе селективного усилителя 9. к заданному уровню и, как следствие, - к стабилизации множителя при(6 (6 -9к)$ выражении (10), При этом для достижения максимальной независимости частотно-фазовой характеристики элементов, 8, 9 и 12 от изменения коэффициентов передачи этих элементов в пределах заданного диапаэона их регулировки. В зависимости от вида регулируемого параметра Q <,, ф „Q, 5@ ) выбирается то или иное схемное решение блока

7 917098 8

При малых углах х sin x = х, поэтому выражение (5) можно представить обусловленной нестабильностью парав вийе 1 -1 ((Ви-Q }+&и 61ирвь)ет- метРов 01,, 1, g, гв, Я и, G1 }

2 о в выражении (10). Из выражейия (9 )

+1 = 1ф (Q-B ) +2

При прохождении этого сигнала че- 2m, что позволяет испольэовать это рез селективный усилитель 9 подавляет- значение для выделения и коррекции ся постоянная составляющая (1-ый и <0 нестабильности множителя при угле

3-ий члены в выражении (8) } и шумы, рассогласования (©< - 8к) в первом содержащиеся в члене i, спектр ко- члене этого выражения за счет введеTopblx лежит за пределом полосы про- ния дополнительной обратной связи пускания селективного усилителя 9. по значению этой амплитуды.

В результате сигнал ОС„ на выходе З Сигнал второй гармоники выделяет селективного усилителя имеет вид

О

c3=G (®)146(BH ek) e 81ÈÆ+

° а рого подается удвоенная частота от

1 -4(яю) Фо и, С08 %mt генератора 11 (удвоение частоты осуС учетом (2) и (Ь) 2о ществляется удвоителем 14 частоты), «(» -,) у у (g e )e „,< а на другой вход через фазовращатель

16 поступает сигнал с выхода селек (Ъю) ис CQ3y6 cOS2&t, - тивного усилителя 9. При этом фазогде 6,, 6„ с коэффициенты переда- вращатель осуществляет согласование

1(2се чи селективного уси- 5 фаз сигналов удвоенной частоты, сжилителя 9 на частотах (у и 2 0 соответственно (считаем с выхода дополнительного синхронного

Gq((b) + %1(Ъ6)", Ч )

Основной синхронный детектор f6 30 вспомогательного канала выделяет (демодулирует) из сигнала, описываемого выражением (9), постоянную составляющую (сигнал компенсации1, зна- ние источника 18 опорного напряжения. чение. и знак которой определяется соответственно амплитудой и фазой первого члена этого выражения. Ток компенсации на выходе усилителя 13 удовлетворяет следующему равенству:

1" (Ъс С и З О, )G (e — Ba)р где K ™ некоторый постоянный коэффициент, зависящий от конкрет-, ного схемного решения основ- . ного синхронного детектора

10 вспомогательного канала, 1ЕЦ

G "- общий коэффициент передачи

2. по постоянному току усилителя 13 и синхронного детектора 10.

Значение 31 является мер " яется ме ой иэметочности желательно соблюдать условие ряемого угла поворота плоскости поляризации Юи,.

Одновременно с процессами автокомпенсации и выделения информации об иэмеряемом угле поворота плоскости поляризации, происходящими в цепи главной обратной связи, вспомогательная обратная связь осуществляет

Формула изобретения

9 91709

19 регулирования ° Например, если в качестве регулируемого параметра ис" пользуется коэффициент усиления 6,1 селективного усилителя 9, то блок 19 регулирования выполняют в виде 5 управляемого делителя, который изме- . няет коэффициент усиления селективного усилителя 9. Если в качестве регулируемого параметра используется интенсивность светового потока

3ис, то блок 19 регулирования выпол" няют в виде управляемого источника тока, предназначенного для питания источника 1 оптического излучения, и т.д. .35

Применение дополнительной обрат" .ной связи обеспечивает автоматическое введение поправки, учитывающей суммарное влияние на точность измерения нестабильности :светового по- тока и коэффициентов преобразования следующих элементов прямой цепи глав.ной обратной связи - модулятора $ плоскости поляризации, усилителя 32 мощности мбдулятора, фотоприемнйка В,.ь селективного усилителя 9..8 резуль.тате повыаается точность измерений и снижаются требования к стабильнос,-., ти перечисленных вьпае элементов схемы, 30

Оптико-электронный трансформатор тока, содержащий источник оптического излучения, последовательно вклю" ченные поляризатор, датчик угла по» ворота плоскости поляризации, модулятор плоскости .поляризации, компеиса, тор угла поворота плоскости поляриза-4 ции, анализатор, фотоприемник и селективный усилитель, выход которою

8 10 подключен к первому входу основного синхронного детектора, второй вход которого соединен с выходом генератора и через. усилитель мощности модуля" тора с управляющим входою модулятора плоскости поляризации, а выход основ" ного синхронного детектора через усилитель мощности компенсатора подключен к управляющему входу компенсатора угла поворота плоскости поляризации, причем выход усилителя мощнос" ти компенсатора является выходом устройства, отличающийся

;тем, что, с целью повышения точности . измерения, в него введены удвоитель частоты, дополнительный синхронный детектор, Фазовращатель, элемент сравнения, источник опорного напря;жения, управляемый оптический аттенюатор и блок регулирования, при этом первый вход дополнительного синхронного детектора через удвоитель частоты подключен к выходу генератора, второй вход через фазовращатель подключен к выходу селективного усилителя, а его выход связан с первым входом элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход через блок регулирования подключен к входу источника оптического излучения, выход которого через управляемый оптический аттенюатор соединен с входом поляризатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Авторское свидетельство СССР

8 515065, кл. 6 01 В 15/02, 1972.

2. йатент Франции It 2045019, кл. 6 01 Й 21/00, 1974.

3. Патент Франции It 1555799 кл. Я 01 я, 1969 (прототип).

917098

Составитель В. Костин

Редактор Н.Гришанова Техредй. Рейвес Корректор С.Векмар

Заказ 1880/64 Тираж 719 Подписйое

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, N-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4