• Датчики физических величин на основе волоконно-оптических низкокогерентных интерферометров

  Руководитель направления Моршнев Сергей Константинович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н., старший научный сотрудник эл. почта: morshnev@profotech.ru

   

  Волоконно-оптический датчик тока (ВОДТ) на эффекте Фарадея в оптическом световоде является важным объектом современной оптоэлектроники и волоконной оптики. Он использует современные физические принципы отражательной низкокогерентной интерферометрии, новые материалы – поляризационные волоконные световоды со спиральной структурой осей двулучепреломления, позволяющие накапливать с длиной волокна сдвиг фаз, связанных с эффектом Фарадея, и современную оптоэлектронику для обработки и передачи результатов измерения. В настоящее время существующие ВОДТ активно внедряются в силовую энергетику и электрометаллургию для точных измерений низкочастотных и постоянных токов. Высокое быстродействие эффекта Фарадея (постоянная времени порядка 10^-9с) позволяет в принципе использовать ВОДТ также для точной регистрации быстропротекающих токовых процессов, длительностью до десятков наносекунд. например в линейных электронных ускорителях и установках для нагрева и сжатия плазмы. ВОДТ для подобных применений должен иметь с одной стороны широкую рабочую полосу частот (до десятков мГц), а с другой стороны для точного измерения короткого токового процесса время распространения световых волн по чувствительному волоконному контуру датчика не должно превышать длительности токового процесса, что означает ограничение на длину магниточувствительного волокна контура. Однако увеличение частотной полосы приводит к увеличению шума выходного сигнала датчика, а уменьшение длины магниточувствительного волокна уменьшает интегральное накопление сдвига фаз из-за эффекта Фарадея, т.е. чувствительность датчика. Таким образом данные требования приводят к снижению отношения сигнал/шум выходного отклика датчика на быстро протекающий токовый процесс и, соответственно, к увеличению погрешности измерения.
  Поскольку основным источником шума выходного сигнала датчика тока является избыточный шум интенсивности широкополосного оптического излучения, не зависящий от величины световой мощности на фотоприемнике, актуальной задачей является поиск путей подавления избыточного шума излучения ВОДТ. Ниже показана экспериментальная установка для реализации данного подхода.

  Экспериментальная установка ВОДТ с подавлением избыточного шума.

  Сборка и настройка волоконно-оптического интерферометра для датчика тока с подавлением избыточного шума.

• Предложена и исследована новая оптическая схема широкополосного волоконно-оптического датчика коротких импульсов тока с подавлением избыточного шума низкокогерентного оптического излучения.

  Новая схема ВОДТ с подавлением избыточного шума

  Установлено, что основным физическим фактором, ограничивающим эффективность подавления шума является изгибное двулучепреломление, возникающее в магнито-чувствительном spun волокне при его укладке в контур.
  Экспериментально показано снижение избыточного шума на 15 дБ. Продемонстрировано использование предлагаемого устройства для регистрации импульса тока длительностью 200 нс.

  Публикации:
  

  • V.P. Gubin, Y.V. Przhiyalkovskiy, N.I. Starostin, S.K. Morshnev, A.I. Sazonov . «A broadband Faraday fiber-optic current sensor with excess noise compensation» // Results in Physics. – 2020. – Volume 18. – 103286

• Изучен механизм влияния изгиба spun-волокна в чувствительном контуре фарадеевского волоконно-оптического датчика тока на подавление избыточного шума. Теоретически показано, что, при отражении оптического излучения от зеркала контура в интерферометре датчика наряду с рабочими световыми волнами могут возникать дополнительные волны, амплитуда которых зависит от величины наводимого в spun-волокне изгибного двулучепреломления, определяемого размерами контура. Теоретический анализ подтверждается экспериментальными данными. Дополнительные волны влияют на оптический спектр выходного сигнала датчика и приводят к снижению подавления избыточного шума.

  Публикации:
  

  • Y.V. Przhiyalkovskiy, N.I.Starostin,S.K.Morshnev, A.I.Sazonov. Excess noise suppression in fiber-optical current sensors with small-radius coiling of the spun fiber // Optical Fiber Technology. – 2022. – Vol. 71, July 102923.

• Предложена специальная геометрия чувствительного контура датчика тока ддля минимизации влияния изгибного двулучепреломления на эффективность подавления шума.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН