Магнитопотический датчик тока

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

   Кафедра  Информационно-Измерительной Техники (ИИТ)




РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ВПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЕ
по направлению: 12.04.01 – Приборостроение

НА ТЕМУ: Магнитопотический датчик тока




 К защите допущен                      Обучающийся                                                                                    
                                                               ______Минлигалин В. А.    ___(___________________)
                                                                                    (фамилия, инициалы)                          (подпись) 
 

Зав. кафедрой                                     Руководитель дипломного проекта
__Ясовеев В._Х._(                        )           ____Ясовеев В, Х,____________(____________________)
   (фамилия, инициалы)             (подпись)                        (фамилия, инициалы)                          (подпись)  

«_____»________________2018 г.               
                                                                  

                                                                     Нормоконтролер

                                                                        ___________________________(___________________)
                                                                                               (фамилия, инициалы)                             (подпись)  




Уфа 2018 г.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………...…………………………………………4Глава 1. Назначение, классификация магнитооптических преобразователей электрического тока ……………………………………………………………...6
 Обзорная часть……………………………………………….....................6
 Сопоставительная оценка методов и средств измерения электрического тока…………………………………………………………………………8
  Магнитооптические эффект ……………………………………………16
  Классификация и принципы построения МОПТ принцип действия        системы …………………………………………………………………..19
  Способы улучшения эксплуатационных характеристик МОПТ на эффекте Фарадея …………………………………………………….…..29
Вывод по первой главе…………………………………………………..31
Глава 2. Математическая модель МОПТ…………………………..………….32
 Физическая модель МОПТ……………………………………..……….32
 Определение основных параметров, характеризующих величину магнитного поля…………………………………………………………34
 Влияния двойного лучепреломления на эффект Фарадея в МОПТ….35
 Движение световой волны в оптической системе чувствительного элемента МОПТ …………………………………………………………35
 Построение математической модели в LabVIEW 2013 ………………42
 Выводы по второй главе………………………………………………...47
Глава 3. Основы проектирования МОПТ. Расчет и выбор основных элементов структурной схемы ИС. Экономическая часть …………………...48




	3.1 Основы проектирования МОПТ ……………………………………….48
	3.2 Расчет и выбор основных элементов структурной схемы ИС ……….50
	3.3 Экономическая часть……………………………………………………57
Заключение …………………………………………………………………..49
Список литературы ………………………………………………………50


ВВЕДЕНИЕ
	Актуальность темы. В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию оптических систем сбора, обработки и передачи информации. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин. Бурное развитие оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны оптические датчики во взрывоопасных производствах, системах экологического мониторинга, предприятиях с вредными и пожароопасными производствами.
	По данным маркетингового агентства Frost&Sullivan, ежегодные мировые продажи оптических датчиков в последние годы составят около $2.5 млрд с ежегодным приростом 11% по всем отраслям промышленности. По оценкам Японской Ассоциации развития оптоэлектронной промышленности и технологии, к 2010 году объемы продаж возрастут до $5 млрд.
	За последние годы увеличилось число публикаций в патентной и научно-технической литературе по новым высокоэффективным магнитооптическим датчикам (ВОД) физических величин. Работы в этой области давно ведут многие компании: KDD (Германия), Toshiba(Япония), IBM, Verbatim(США) и др. В этих устройствах в качестве чувствительных используются магнитооптические и фото элементы, в основе которых лежит магнитооптический эффект Фарадея и эффект электрооптическом эффекте Поккельса .
	Целью работы является исследование влияние двойного лучепреломления на характеристики магнитооптического преобразователя электрического тока (МОПТ) для различных материалов чувствительного элемента.
	Исходя из поставленной цели, можно сформулировать задачи, которые необходимо решить:
 разработать имитационную модель поведения МОПТ повторяющая реальный прибор и его поведение в различных режимах;
 исследование влияние двойного лучепреломления на характеристики МОПТ для различных материалов чувствительного элемента.
	Достоверность научных результатов: достоверность представленных результатов определяться во производимость исследуемых характеристик при соблюдении описанных особенностей и условий экспериментов.
	Научная новизна диссертационной работы представлена в следующих аспектах: 
 Обобщены, классифицированы и проанализированы принципы построения МОПТ. Систематизированы способы улучшения эксплуатационных характеристик МОПТ.
 Впервые разработана математическая модель в виде зависимости напряжения на выходе усилителя от переменного тока в проводнике.
 Разработана методика проектирования МОПТ и произведен расчет и выбор основных элементов ИИС.
	Публикации. Результаты исследования были опубликованы в 2-х изданиях с докладом, представленных на конференции и школах-семинарах. 
	Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит: введение, трех глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть диссертационной работы состоит из 70 страниц машинописного текста, содержит 25 рисунка и 9 таблиц.


     Глава 1. Назначение, классификация магнитооптических преобразователей электрического тока
     1.1 Обзорная часть
      Как правило, измерительные системы, являясь довольно крупными, объединяют большое количество различных преобразователей сигналов, сигнальных процессоров, запоминающих устройств, приводов. Преобразователи в таких системах могут быть как наружными, так и встроенными. Чаще их размещают на входах ИИС для реагирования на внешние воздействия и сообщения системе об изменениях окружающих условий. Также они размещаются внутри ИС для поддержания корректной работы всех внутренних устройств.
      Волоконный датчик особенно хорошо подходит для применения в этом приложении, поскольку в нем используется непроводящее подсоединение к высоковольтной шине. Система представлена на рис. 8. Излучение гелий- неонового лазера поляризуется и вводится в одномодовое оптическое волокно посредство микрообъектива. Волокно скручено для создания постоянного кругового лучепреломления ?t и N раз обернуто вокруг шины. Выходное излучение сводиться в параллельный пучок и пропускается через призму Волластона, чтобы разделить две ортогональные линейно поляризованные моды. Разность выходов делиться на сумму для придания результату устойчивости и независимости от флуктуаций интенсивности.
      
      Рисунок 1.1 Волоконно-оптическое устройство отображения тока, основанное на эффекте Фарадея, в высоковольтной линии.
      
      Исходя из этого, сформулируем основные требования ‘ к преобразователям электрического тока и магнитного поля со стороны ИИС [4]:
	- высокое быстродействие;
	- высокая надежность;
	- высокая точность;
	- высокая линейность;
	- высокая температурная стабильность;
	- малые вес и габаритные размеры;
	- невысокая стоимость.
      	Вид и структура ИИС, функциональные возможности, технические и другие характеристики определяются объектом исследования, для которого создаётся данная система. ИИС могут быть одноканальными, многоканальными, мультиплицированными, сканирующими, многоточечными и др.


      1.2 Сопоставительная оценка методов и средств измерения электрического тока.
      Современная промышленность и научные разработки, проводимые с целью внедрения в существующие производства современных автоматизированных систем управления и повышения качества выпускаемой продукции, требуют измерения электрических токов до 1...2 МА [5]. Электрические токи при этом могут быть постоянными, переменными, импульсными с длительностью импульсов от 10'7 до 10'2 секунд. Измерение постоянных токов до 200...500 кА необходимо осуществлять в устройствах электролиза алюминия и в некоторых других отраслях химической промышленности, большие переменные токи до 150...200 кА требуют измерения в мощных дуговых электропечах; в термоядерных установках токи тоже достигают сотен килоампер. В некоторых случаях измерения токов необходимо производить при сверхнизких и сверхвысоких температурах и в неблагоприятных средах.
      Широкие диапазоны значений электрических величин, требования высокой точности измерений, разнообразие условий и областей их применения обусловили многообразие методов и средств измерений электрического тока. Диапазоны измерения тока различными устройствами приведены на рис. 1.2. 
      
      Рисунок 1.2 Диапазоны измерения тока различными устройствами

      Достоверное измерение токов в энергетическом и управляющем оборудовании является необходимым условием обеспечения высокой надёжности разнообразных промышленных систем и электронных приборов[6,7,8].
      Для измерения тока существует множество методов, однако наиболее широкое промышленное применение нашли четыре из них: резистивный, основанный на эффекте Холла, трансформатор тока и магнитооптический. Устройства, реализованные на базе указанных методов, имеют свои достоинства и недостатки [9]. Основные характеристики методов представлены в таблице 1.2.
      Резистивные преобразователи - самые дешёвые, линейные и точные. Однако вносимые в цепь измерения потери, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, а также саморазогрев и термо ЭДС при больших токах снижают точность измерения. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на токочувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор, особенно вблизи питающих напряжений.
      Таблица 1.2 – Сравнительные характеристики распространенных методов измерения тока
Метод измерения тока
Ток
Диапазон измерения, А
Вносимые потери
Внешний источник тока
Частотный диапазон, кГЦ
Погрешность измеренного тока, %
Относительная стоймасть
Резистор
Постоянный
Переменный

<20 Возможно с внешним источником питания
Есть
нет
Нет
Есть
?100
>500
<1
Очень низкая
Низкая
Ячейка Холла
Постоянный
Переменный

<1000
Нет
Есть
?200

<10
Средняя
Высокая
Трансформатор тока
Переменный

<1000
Есть
Нет
Сеть пере-менного тока
<5
Высокая
Магниторезистивный
Постоянный
Переменный

<200
Нет
Есть
<500
0,15
Средняя
Магнитооптический
Постоянный
Переменный

<4000
Нет
Нет
>6
0,03
Средняя
      
     Резистивные преобразователи - самые дешёвые, линейные и точные.
Однако вносимые в цепь измерения потери, отсутствие гальванической развязки, ограничение полосы пропускания, а также саморазогрев и термоЭДС при больших токах снижают точность измерения. Для усиления или обработки напряжения, выделяющегося на ток чувствительном резисторе, необходим дифференциальный усилитель или компаратор, особенно вблизи питающих напряжений [10,11].
     Главными преимуществами преобразователей, основанных на эффекте Холла является отсутствие вносимых потерь и ?естественная? гальваническая развязка. По сравнению с резистивными, приборы на основе ячейки Холла имеют более узкий частотный диапазон, паразитное напряжение смещения (в некоторых конструкциях), низкую точность, высокую стоимость и требуют для работы внешний источник питания.
      На рисунке 1.3 представлены две основные разновидности преобразователей тока на основе эффекта Холла — разомкнутого и замкнутого типов соответственно, где Ipnmary ~ ток в первичной цепи, I secondary -ток во вторичной цепи, Vout — выходное напряжение усилителя, пропорциональное току в первичной цепи. Преобразователи замкнутого типа обеспечивают высокую точность, в несколько раз более широкую полосу пропускания и, как правило, не имеют выходного смещения при нулевом токе. Их чувствительность прямо пропорциональная числу витков компенсирующей обмотки. Однако по стоимости они приближаются к трансформаторам тока.
      Рисунок 1.3 Холловский преобразователь электрического тока:
      а) разомкнутого типа; б) замкнутого типа
       Преобразователи на базе трансформаторов тока используются только в цепях переменного тока. К преимуществам трансформаторных преобразователей относятся отсутствие вносимых потерь и напряжения смещения при нулевом токе, гальваническая развязка с высоким пробивным напряжением, отсутствие дополнительного источника питания [12]. Недостатками трансформаторов тока являются высокая стоимость, насыщение сердечника	при наличии в первичном токе постоянной составляющей, что приводит к уменьшению динамического диапазона и термостабильности.
       Большую популярность приобретают магниторезистивные преобразователи тока. Однако для их работы требуется внешний источник питания и отсутствие внешних магнитных полей. Дополнительными
преимуществами магниторезистивных преобразователей тока являются: значительно меньшие	размеры и вес, а также более высокая чувствительность по	сравнению с датчиками на эффекте Холла и трансформаторами тока, отсутствие остаточной намагниченности после перегрузки, широкий частотный диапазон.
       При измерении переменного тока используются катушки Роговского, где в сочетании с современными недорогими цифровыми процессорами обработки сигналов, оборудованными встроенными АЦП, разработаны промышленные датчики, в которых погрешность измерения тока в диапазоне от 70 мА до 70 А не превышает 0,1% при 25°С. Ток, протекающий по проводнику, создаёт вокруг него пропорциональное магнитное поле, изменения которого наводят ЭДС в измерительной рамке (рис. 1.4). Для вычисления тока необходимо проинтегрировать напряжение по времени. Основной проблемой преобразователей на базе катушки Роговского является обеспечение надёжной защиты от внешних магнитных полей [13]. По сравнению с трансформаторными, катушки Роговского компактнее, легче, дешевле, обеспечивают широкую полосу частот и не насыщаются при больших токах.
       В последнее время широкое распространение получают устройства, основанные на магнитооптических эффектах и явлениях, поскольку они имеют такие достоинства, как высокая помехоустойчивость, точность, широкий диапазон измерения и др. Причём наибольшее внимание уделяется разработке МОПТ для измерения электрических токов и магнитных полей, основанных на магнитооптическом эффекте Фарадея, и реже Керра. МОПТ обеспечивает точность измерения 0,15...0,3% в диапазоне токов 1...3000А и в полосе частот 10 Гц...6 кГц.

Рисунок 1.4 Схема катушки Роговского
       Как правило, ИИС выполняют по правилу агрегатирования, согласно которому система строится из конструктивно законченных и выпускаемых серийно модулей. Для этого необходимо предусмотреть условие конструктивной, энергетической и информационной совместимости с микроэлектронными устройствами обработки информации [14,15]. Этим требованиям в большей степени удовлетворяют волоконно-оптические преобразователи (ВОП).
       Существующие оптические эффекты не нашли достаточного применения волоконной оптики в контрольно-измерительной технике, однако благодаря успехам в области оптоэлектроники и микропроцессорной технике определился рациональный подход к созданию оптических систем, сущность которого заключалась в том, что интенсивность исследуемого эффекта следует оценивать по результатам его влияния на излучение, распространяющееся от источника к фотоприёмнику. Таким образом, каждая магнитооптическая система должна состоять из источника излучения, оптических волокон, магнитооптической ячейки и фотоприёмника и свет подвергается воздействию используемого эффекта.
       При конструировании оптоволоконных магнитооптических преобразователей должны выполняться следующие требования:
        в конструкции преобразователя должны содержаться элементы, обеспечивающие осуществление выбранного вида модуляции — изменения параметров светового потока под влиянием используемого эффекта;
        конструкция преобразователя должна предусматривать возможно более узкую специализацию его использования в заданном диапазоне измерения значений используемого эффекта;
        оптические волокна должны быть по возможности нечувствительными к каким-либо внешним физическим возмущениям.
       В волоконно-оптических преобразователях могут модулироваться интенсивность проходящего через датчик излучения (амплитудная модуляция), фаза (фазовая модуляция), состояние поляризации света, спектральный состав излучения. При этом выбор применяемого вида модуляции не связан с конкретным назначением преобразователя, и модуляция с изменением одного и того же параметра излучения может использоваться в преобразователях различного назначения [16,17].
       Спрос на световодные магнитооптические преобразователи на мировом рынке растёт быстрыми темпами, конструкции преобразователей совершенствуются, а стоимость их уменьшается, особенно преобразователей с' амплитудной модуляцией. В меньшей степени снижается стоимость преобразователей, регистрирующих сдвиги фазы света, поляризационных и интерферометрических.
       По сведениям Управления связи Департамента торговли США, наблюдается динамика производства световодных преобразователей для измерения интенсивности магнитных полей и величин электрических токов (рис. 1.5) и эта тенденция не будет изменяться в ближайшее время.




Рисунок. 1.5 Диаграммы количества производства световодных преобразователей разного предназначения
а) преобразователей с амплитудной модуляцией (1 - химических; 2 - температурных: 3 - уровня жидкости и скорости потока жидкости или газа; 4 -давления; 5 - радиации; 6 - местонахождения и значений их взаимных смещений; 7 — акустических; 8 - электрических токов и магнитных полей; 9 - прочих); б) интерферометрических преобразователей (1 - для систем управления и регулирования; 2 - для систем и устройств локации; 3 - для измерения интенсивности магнитных полей и прочих).
      Отечественные потребности и разработки в этой области ИИС значительно уступают зарубежным по ряду причин, основными из которых являются отсутствие комплексного подхода к решению этой задачи и недостаточное экономическое сопровождение разработок. Это является сдерживающим фактором в создании и внедрении новых ИИС.
       В настоящее время интенсивно разрабатываются волоконно-оптические преобразователи электрических токов и магнитных полей. Это связано с потребностями многих отраслей науки и производства, а также с их широкими возможностями и большими преимуществами. ВОП электрических токов и магнитных полей обычно разрабатывают на основе следующих магнитооптических эффектов:
        изменение разницы показателей преломления по разным осям анизотропии в кристаллах без центральной симметрии (эффект Поккельса);
  ’	- механические деформации под действием магнитного поля
(магнитострикционный эффект);
        вращение плоскости поляризации света в среде под действием магнитного поля (эффект Фарадея).
       Наибольший интерес в плане перспективных разработок новых конструкций преобразователей представляет магнитооптический эффект Фарадея.
1.3 Магнитооптические эффекты
       Действие большинства МОПТ основано на магнитооптическом эффекте Фарадея, заключающемся в наблюдении магнитного кругового двулучепреломления света при распространении света через магнитоактивный элемент (МАЭ) параллельно вектору его намагниченности. Эффект Фарадея является нечетным, так как при изменении вектора напряженности на противоположное, также изменяется и знак эффекта (рис. 1.6)

Рисунок 1.6 Эффект Фарадея 
     После прохождения света через прозрачные оптические материалы в магнитном поле, вектор напряжённости которого совпадает с направлением распространения света, наблюдается поворот плоскости поляризации на угол:
                                                          ,                                              (1.1)
где L- длина светового пути под воздействием магнитного поля.
     Постоянная Верде зависит от магнитных свойств материала. У диамагнетиков и парамагнетиков (стекло, кубические кристаллы) она составляет 0,04...0,02 мин/(Э.см) [], у ферромагнетиков (железоиттриевый гранат) значение постоянной Верде достигает 9...50 мик/(Э.см) и угол поворота составляет:
                                                                    (1.2)
где - угол поворота при намагничивании насыщения H=4?M_s.

     В формуле (1.2) для ненасыщенного ферромагнетика и (1.2а) — для насыщенного ферромагнетика учитывается нелинейный характер намагниченности ферромагнетика, являющийся недостатком при разработке преобразователей на его основе [18]. Ферромагнетикам также присущ гистерезис, что приводит к снижению точности преобразователей и ограничению их использования в области высоких частот. Преимущество преобразователей на основе ферромагнетиков - малый размер МАЭ (плёнка железо-иттриевого граната толщиной 20..30 мкм позволяет регистрировать поля напряжённостью 1... 10 Гс).
      Некоторые прозрачные материалы имеют собственную оптическую активность, т. е. поворачивают плоскость поляризации на угол ?_c=?L, где ? – коэффициент поляризационной активности, что необходимо учитывать в преобразователях магнитного поля на основе эффекта Фарадея [].
     Если свет распространяется перпендикулярно направлению намагниченности, наблюдается магнитное двойное лучепреломление, называемое эффектом Коттона-Мутона. Эффект Коттона-Мутона является нечетным, т.е. он не меняется при изменении вектора напряженности на противоположное.
     Вышеперечисленные магнитооптические эффекты можно отнести к эффектам, наблюдаемым при прохождении света через магнитооптический материал. Они пропорциональны намагниченности насыщения магнитооптического материала. При отражении от поверхности МАЭ различают полярный (вектор намагниченности лежит в плоскости падения света и перпендикулярен поверхности МАЭ), меридиональный (вектор намагниченности направлен вдоль прямой, образованной пересечением поверхности МАЭ и плоскости падения света), и экваториальный (вектор намагниченности перпендикулярен плоскости падения света и лежит в плоскости поверхности МАЭ) эффекты Керра. В этом случае эффект пропорционален квадрату намагниченности насыщения.
     1.4 Классификация и принципы построения МОПТ
     С целью систематизации и выявления принципов построения МОПТ автором предложена классификация МОПТ, приведенная на рис. 1.7. В качестве материала магнитоактивного чувствительного элемента (ЧЭ) в МОПТ можно использовать волоконный световод, магнитооптическую пленку или магнитоактивный кристалл. 
     Далее рассмотрим подробнее различные конструкции, методы преобразования, используемые в МОПТ, и выявим их достоинства и недостатки.
      
     Рисунок 1.7 Классификация МОПТ
     Ячейка Фарадея в материале световода. Принцип основан на способности некоторых веществ, называемых оптически активными, вызывать вращения плоскости поляризации проходящего через них плоско поляризованного света. Угол поворота пропорционален пути L, пройденного лучом в веществе. Все активно оптические вещества существуют в двух разновидностях — правовращающей и левовращающей.
     Оптически неактивные вещества приобретают способность вращать плоскость поляризации под действием внешнего магнитного поля. Явление было обнаружено Фарадеем, называется иногда эффектом Фарадея, а последовательно соединённый поляризатор, МАЭ и анализатор, повёрнутый на 45° относительно поляризатора, носят название магнитооптической ячейки Фарадея (МОЯФ). Эффект Фарадея наблюдается только при распространении света вдоль направления намагниченности, которая пропорциональна напряжённости магнитного поля Н [21].
     Схема МОПТ, конструктивно выполненная с использованием МОЯФ, представлена на рис. 1.8.
      
     Рисунок 1.8 Схема МОПТ с МОЯФ внутри световода:
1 - He-Ne - лазер; 2 - пассивные многомодовые оптические волокна; 3 -стержневые линзы; 4 - поляризатор; 5 - МАЭ с высокой постоянной Верде; 6- анализатор; 7 - МОЯФ; 8 - проводник с измеряемым током; 9 –фотоприемник
	Чувствительность таких преобразователей можно повысить либо за счёт увеличения расстояния L, либо за счет роста постоянной Верде.
	МОПТ с разделением поляризованного светового сигнала на две пары взаимно ортогональных составляющих. МОПТ в целях повышения надёжности и стабильности измерений в условиях длительной эксплуатации очень часто в своих конструкциях имеют средства деления поляризованного луча на взаимно ортогональные линейно- поляризованные составляющие [22] (рис. 1.9).

Рисунок 1.9 Схема МОПТ с разделением поляризованного светового сигнала на взаимно ортогональные составляющие
     Токоведущий контур 2 охвачен МАЭ 1 в виде катушки из оптического
волокна, оптически связанной со средством ввода 3 в волокно поляризованного светового сигнала; средством деления поляризованного светового сигнала на две взаимно ортогональные линейно-поляризованные составляющие 4; блоком преобразования составляющих в нормированные по интенсивности электрические сигналы 5; блоком формирования измерительного сигнала 6.
     В идеальном случае, при отсутствии деформаций, вызванных механическими или термическими напряжениями, эти составляющие преобразуются в нормированные по интенсивности электрические сигналы:
                                                                               (1.3)
     Таким образом, измерительный сигнал зависит только от ц>, а значит и от величины измеряемого тока:
                                                        (1.4)
                               
     Немаловажным преимуществом подобных МОПТ является то, что катушка из оптического волокна может размещаться непосредственно на высоковольтной аппаратуре. Представленная конструкция позволяет создавать трансформаторы тока на любые классы напряжения, способные длительно функционировать в сложных метеорологических условиях и выполнять стабильные измерения при воздействии вибраций и температуры.
     Использование двух источников светового излучения. Для измерения тока существуют и совершенно противоположные по сравнению с предыдущими, способы и устройства, не зависящие от влияния температуры на результаты измерений и не требующие компенсационных устройств для силы света (рис. 1.11) [37].
     От двух лазерных источников LD1, LD2 лучи света 1,2 с помощью лучеделителя 3 попеременно поляризуются ортогонально друг другу и через коллиматоры 4 и 6, связанные НВ-волокном (волокно с сильно наведенным двулучепреломлением), через магнитооптический токовый датчик 7 (9 — проводник с током, 8 - изоляция проводника) попадает в анализатор 10.
     
      
     Рисунок 1.10 Схема МОПТ с двумя источниками светового излучения
     Далее световые лучи через коллиматоры 11 и 12, а также через многомодовые волокна 13 и 14 передаются к фотоприемникам DA, DB. Через определенные временные интервалы от этих фотоприемников последовательно друг за другом во времени формируются 1, 2 и 3, 4 сигналы мощности света SAI, SBI SA2 SB2- С помощью формирующего устройства 16, расположенного в блоке управления и обработки информации 15 вычисляется регистрируемая магнитооптическим токовым датчиком 7 сила тока I:
                                                                                      (1.5)
     Причем вместо объемного токового датчика 7 можно также применить ЦЗ-волокно (волокно со слабо наведенным двулучепреломлением), где свет посылается в обоих направлениях и раздельно обрабатывается.
     МОПТ с магнитооптическим материалом в Y-образном материале световода. В основе работы многих устройств, для измерения электрического тока в качестве чувствительного элемента используются пленки магнитооптического материала. Конструктивно такие преобразователи не очень отличаются друг от друга (рис. 1.12). Все они содержат источник света, устройство ввода излучения в оптическое волокно, оптическое волокно, в промежуточной части которого расположена пленка магнитооптического материала, фотоприемник на выходе волокна.
      
     Рисунок 1.11 Схема МОПТ с магнитооптическим материалом
     в Y- образном материале световода:
а) пленка магнитооптического материала между входным одномодовым и выходным многомодовым оптическим волокном; б) пленка магнитооптического материала в торце неразветвленнои части оптического волокна (1 - лазерный источник света, 2 - устройство для ввода излучения в оптическое волокно, 3 - входное одномодовое оптическое волокно, 4 - расширитель светового пучка, 5 — магнитооптический материал, 6 — выходное многомодовое оптическое волокно, 7 — фотоприемник)
	Оптическое волокно имеет Y-образную конструкцию, в промежуточной или неразветвленной части которого расположен магнитооптический материал. Если входное оптическое волокно выполнено одномодовым, а выходное многомодовым, между входным оптическим волокном и пленкой магнитооптического материала содержится расширитель светового пучка, а выходное многомодовое оптическое волокно содержит в центре световедущей жилы поглощающий свет слой, толщина которого на оси выходного оптического волокна связана с его числовой апертурой соотношением /d ? NA ( — длина волны света, d — толщина поглощающего свет слоя, NA - числовая апертура оптического волокна). Излучение из оптического волокна дифрагирует на пленке магнитооптического материала, период доменной структуры в которой также связан с числовой апертурой волокна соотношением /d ? NA. Излучение нулевого порядка дифракции распространяется по оптическому волокну, излучение высших порядков дифракции рассеивается в оболочке оптического волокна или во встроенном в неразветвленной части волокна модовом фильтре. Магнитное поле при помещении в него магнитооптического материала уменьшает интенсивность высших порядков дифракции на магнитооптическом материале и увеличивает интенсивность нулевого порядка дифракции. Световой поток, регистрируемый фотоприемником, обратно пропорционален напряженности магнитного поля и по величине светового потока можно определить напряженность поля.
     Преобразователи для измерения электрического тока с ЧЭ в виде пленки магнитооптического материала в- Y-образном волоконном световоде имеют повышенные динамический диапазон и точность измерения напряженности магнитного поля вследствие того, что фотоприемник регистрирует лишь излучение высших порядков дифракции на магнитооптическом материале и незначительную часть излучения нулевого порядка, а не весь продифрагировавший свет. Кроме того, конструкция датчика дает возможность использовать более толстые магнитооптические материалы с большим периодом доменной структуры и с более высокой дифракционной эффективностью, и дополнительно повысить полезный
сигнал, динамический диапазон, точность измерения. Преимуществом магнитооптических преобразователей электрического тока по сравнению, например с датчиками Холла или индукционными датчиками, является более высокая разрешающая способность. Они наиболее перспективны в устройствах для измерения токов и полей в агрессивных средах, так как не содержат токоведущих частей.
	МОПТ с магнитоактивным элементом внутри соленоида. В автоматике и вычислительной технике очень часто требуется усилить или модулировать электрический сигнал. Указанная цель достигается тем, что в конструкцию магнитооптического преобразователя вводится соленоид 3, внутри которого располагается пластина 1 из магнитоодноосного оптически прозрачного материала с однородными по площади оптическими характеристиками и низким значением коэрцитивной силы (рис. 1.13). Перпендикулярно плоскости пластины располагается источник 2 магнитного поля смещения. Оптическое устройство индикации магнитного состояния, состоящее из источника светового излучения 4, поляризатора 5, анализатора 6 и фотоприемника 7 использует эффект Фарадея. При этом оптическая ось устройства индикации перпендикулярна плоскости пластины 1 и коллинеарна оси соленоида 3. Чувствительный элемент 1 также должен иметь однородные по площади оптические характеристики: низкое поглощение излучения от источника 4, большой угол фарадеевского вращения, высокий оптический КПД, однородное по площади низкое значение коэрцитивной силы.
     
     Рисунок 1.12 Схема МОПТ с МАЭ внутри соленоида
     Эффект усиления электрического сигнала малого уровня заключается в том, что ток, протекающий через соленоид 3, создает поле, коллинеарное полю смещения Нсм. При совпадении по знаку с полем смещения, оно усиливает последнее, резко возрастает площадь доменов, имеющих намагниченность по полю смещения, что приводит к резкому увеличению фототока в фотоприемнике.
      Наибольшей эффективности магнитооптический преобразователь такого типа достигает при усилении электрических сигналов малого уровня (единицы и десятки микроампер).
     МОПТ с использованием двулучепреломляющего анализатора для измерения постоянных токов. На эффекте Фарадея выполняется конструкция магнитооптического преобразователя для бесконтактного измерения постоянных токов в системах питания электроустановок (рис. 1.14). Температурная зависимость в устройствах прямого измерения без обратной связи и значительные шумы приводят к большим погрешностям измерений. Применение компенсационных методов в устройствах, когда чувствительный элемент управляет цепью отрицательной обратной связи, существенно снижает температурную нестабильность, но не устраняет влияние шумов. Кроме того, шину с измеряемым током необходимо пропускать внутрь замкнутого магнитопровода, в котором создается компенсирующее магнитное поле, что требует разрыва токоведущей цепи для монтажа преобразователя, не позволяет выполнить устройство переносным, значительно увеличивая его габариты и массу.
      
     Рисунок 1.13 Схема МОПТ с использованием 
     двулучепреломляющего анализатора
     Для этого в устройство, включающее светодиод 1, оптически соединенный с входным поляризатором 2, магнитооптической пленкой (МОП) 4, расположенной так, что поле измеряемого тока, текущего в шине 15, ориентировано по линии пересечения плоскости падения света и плоскости пленки, анализатором с разведением лучей взаимно ортогональных поляризаций 5, фотодиодами 6 и 7, расположенными по ходу разведенных лучей, а также электромагнитной катушкой 12, дифференциальным усилителем 9, компаратором 10 и усилителем тока 11, соединенным выходом с катушкой, дополнительно введены прямая оптическая призма с основанием в виде равнобедре.......................