RU2724099C1 - Fibre-optic sensor of electric field intensity - Google Patents

Fibre-optic sensor of electric field intensity Download PDF

Info

Publication number
RU2724099C1
RU2724099C1 RU2019123484A RU2019123484A RU2724099C1 RU 2724099 C1 RU2724099 C1 RU 2724099C1 RU 2019123484 A RU2019123484 A RU 2019123484A RU 2019123484 A RU2019123484 A RU 2019123484A RU 2724099 C1 RU2724099 C1 RU 2724099C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
fbg
sensor
electric field
electret
optical fiber
Prior art date
Application number
RU2019123484A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Георгий Иванович Леонович
Валерий Николаевич Захаров
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные системы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные системы" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные системы"
Priority to RU2019123484A priority Critical patent/RU2724099C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2724099C1 publication Critical patent/RU2724099C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/12—Measuring electrostatic fields or voltage-potential

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

FIELD: optics.SUBSTANCE: invention relates to fibre-optic sensors of voltage, current and temperature. Principle of operation is based on the property of a fibre Bragg grating (FBG) reflecting light radiation with wavelength depending on its deformation. Device comprises a section of optical fibre with two sensor sections with FBG, first of which measures temperature, and second, attached to electrostriction element along axis of its deformation, measures temperature and electric field intensity generated by two measuring electrodes and two electret plates arranged in parallel to electrodes. First electret plate and the first end of the electrostriction element are rigidly attached to the first edge of the coupling. Second electret plate is fixed on the opposite edge of the coupling, and in its hole the free end of the electrostriction element freely moves. As a result of exposure to electric field generated by electret plates installed opposite to each other with unlike poles, permanent hyperextension of second sensory section is realized, which shifts zero point of quadratic transformation characteristic to zone of high steepness.EFFECT: technical result is increased sensitivity and accuracy of sensor.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения значения напряженности электрического поля во взрывоопасных и жестких условиях производства и эксплуатации.The invention relates to measuring technique and can be used to determine the value of the electric field in explosive and harsh conditions of production and operation.

Известны аналогичные датчики напряженности электрического поля, построенные на основе МЭМС-структур, содержащие элементы из активных диэлектриков, непосредственно контактирующие с воздействующей на них электрической величиной или заключенные между контактными (зондирующими) обкладками (электродами) сформированного таким образом измерительного конденсатора (например, патент RU 2198409, приоритет 22.05.2001; патент RU 2212678, приоритет 10.10.2001; патент US 20150325779 A1, 15.01.2013; патент US 8653822 В1, приоритет 18.02.2011; патент US 8339131 В2, приоритет 5.11.2009; патент US 8049486 В1, приоритет 17.17.2008; патент WO 2007029275 А1, приоритет 5.09.2005; патент WO 2005092781 А1, приоритет 4.03.2004; JP 2006105937 А, приоритет 10.08.2004; Бирюков С.В. Физические основы измерения параметров электрических полей: Омск: Изд-во СибАДИ, 2008. - 111 с.; Турик А.В., Резниченко Л.А. Сегнетокерамика в сильных электрических полях: электромеханический гистерезис, пьезоэффект и электрострикция. Обзор // Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. Ростов-на-Дону: Ростовский университет. 2008. №1. С. 1-4.; Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Материалы современной электроники / В.Ф. Марков, X.Н. Мухамедзянов, Л.Н. Маскаева; Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. - 272 с.) В аналогичных датчиках активный диэлектрик выполнен, как из пьезоэлектрического, так и из электрострикционного материала, и деформируется в результате воздействия на него внешнего электрического поля (ЭП) или ЭП, создаваемого электродами, подключенными к источнику электрического тока. К подвижной обкладке (электроду) измерительного конденсатора или непосредственно к перемещающейся в пространстве поверхности деформируемого активного диэлектрика закрепляется подвижный индикаторный элемент, параметры перемещения которого зависят от конструкции датчика, типа активного диэлектрика, параметров и характера воздействия электрической энергии.Known similar electric field sensors built on the basis of MEMS structures, containing elements of active dielectrics, directly in contact with the electric quantity acting on them, or enclosed between contact (probing) plates (electrodes) of the measuring capacitor thus formed (for example, patent RU 2198409 , priority 22.05.2001; patent RU 2212678, priority 10.10.2001; patent US 20150325779 A1, 01/15/2013; patent US 8653822 B1, priority 02/18/2011; patent US 8339131 B2, priority 5/11/2009; patent US 8049486 B1, priority 17.17.2008; patent WO 2007029275 A1, priority 5.09.2005; patent WO 2005092781 A1, priority 4.03.2004; JP 2006105937 A, priority 10.08.2004; Biryukov SV Physical principles for measuring electric field parameters: Omsk: Publishing House SibADI, 2008. - 111 pp .; Turik A.V., Reznichenko L.A. Ferroceramics in strong electric fields: electromechanical hysteresis, piezoelectric effect and electrostriction. review // Phase transitions, ordered states and new materials. Rostov-on-Don: Rostov University. 2008. No. 1. S. 1-4 .; Rez I.S., Poplavko Yu.M. Dielectrics. Basic properties and applications in electronics. - M .: Radio and communications, 1989. - 288 p .; Physics of active dielectrics: textbook / Poplavko Yu.M., Pereverzeva L.P., Raevsky I.P. - Rostov-on-Don: Publishing House of SFU, 2009. - 480 p .; Materials of modern electronics / V.F. Markov, X.N. Mukhamedzyanov, L.N. Maskaev; Yekaterinburg: Publishing House Ural. Univ., 2014. - 272 p.) In similar sensors, an active dielectric is made of both piezoelectric and electrostrictive material and is deformed as a result of exposure to it by an external electric field (EP) or by an electric field created by electrodes connected to the source electric current. A movable indicator element is fixed to the moving plate (electrode) of the measuring capacitor or directly to the surface of the deformable active dielectric moving in space, the movement parameters of which depend on the sensor design, type of active dielectric, parameters and nature of the effect of electrical energy.

Функция электромеханического преобразования пьезоэлектрического материала носит линейный биполярный характер (Головнин В.А., Мовчикова А.А., Педько Б.Б., Каплунов И.А., Малышкина О.В. Физические основы, методы исследования и практическое применение пьезоматериалов. - М.: Техносфера, 2013. - 272 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Богуш М.В. Проектирование пьезоэлектрических датчиков на основе пространственных электротермоупругих моделей. М: Техносфера, 2014. - 316 с.; Казанцев С.Г., Макриденко Л.А., Овчаренко Т.Н. Термостабильные пьезоэлектрики с умеренной и сильной электромеханической связью для акустоэлектронных устройств радиочастотных трактов и систем контроля параметров космических аппаратов / Вопросы электромеханики Т. 117. 2010. С. 17-32).The function of the electromechanical transformation of a piezoelectric material is linear bipolar in nature (Golovnin V.A., Movchikova A.A., Pedko B.B., Kaplunov I.A., Malyshkina O.V. Physical foundations, research methods and practical application of piezomaterials. - M .: Technosphere, 2013. - 272 p .; Physics of active dielectrics: a training manual / Poplavko Yu.M., Pereverzeva L.P., Raevsky I.P. - Rostov-on-Don: Publisher SFedU, 2009. - 480 pp.; Bogush M.V. Designing piezoelectric sensors based on spatial electrothermoelastic models.M: Tekhnosfera, 2014. - 316 p .; Kazantsev S.G., Makridenko L.A., Ovcharenko T.N. Thermostable piezoelectrics with moderate and strong electromechanical communication for acoustoelectronic devices of radio frequency paths and spacecraft parameters control systems / Electromechanics Issues T. 117. 2010. P. 17-32).

Относительное осевое удлинение и сжатие ξ пьезоэлектрика происходит пропорционально и синхронно с изменением величины и знака напряженности Е электрического поля:The relative axial elongation and compression ξ of the piezoelectric occurs proportionally and synchronously with a change in the magnitude and sign of the electric field strength E:

Figure 00000001
Figure 00000001

где dk - пьезоэлектрический модуль пьезоэлектрика.where d k is the piezoelectric module of the piezoelectric.

В пьезоэлекрических преобразователях используют кристаллы кварца, сульфата лития, сегнетовой соли, ниобата и танталата лития, пьезоэлектрическую керамику, получаемую в основном из твердых растворов цирконата-титаната свинца PbZrO3-PbTiO3 (ЦТС) и др. Например, в монокристалле кварца в форме бруска с Х-срезом при напряженности ЭП E=10 В/мкм величина ξ=2,25⋅10-8, для бруска из пьезокерамики системы цирконата-титаната свинца при E=10 В/мкм величина ξ=5⋅10-6. Пьезоэлектрические материалы с гигантской пьезочувствительностью, например, релаксоры (1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3 (PMN-PT) и PbZn1/3Nb2/3О3-PbTiO3 (PZN-PT), имеют ξ≥10-3 при E=10 В/мкм. Это наряду с высокими значениями коэффициента электромеханической связи (более 90%), открывает перспективы их широкого использования в электромеханических преобразователях. Увеличение чувствительности и расширение динамического диапазона преобразования пьезоэлектрических датчиков возможно также путем формирования многослойных структур (пакетов) из группы однотипных элементов с одинаковыми или различными электромеханическими параметрами, введением предварительного механического напряжения. Коэффициент электромеханической связи есть квадратный корень из доли механической энергии, которая преобразуется в электрическую (или наоборот). Остальная энергия рассеивается или расходуется на упругий или диэлектрический гистерезис. Площадь гистерезисной петли пропорциональна энергии, рассеиваемой в диэлектрике за один период. Вследствие потерь на гистерезис пьезоэлектрики характеризуются большим тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ, который в типичных случаях принимает значение порядка 0,1. Ширина петли гистерезиса может достигать 20% от максимального значения перемещения. Таким образом, для прецизионного электромеханического преобразования необходимо исключить явление гистерезиса, присущего практически всем применяемым пьезоэлектрическим материалам [Яффе, Б. Пьезоэлектрическая керамика / Б. Яффе, У. Кук, Г. Яффе; - М.: Изд-во Мир, 1974. - 288 с., Есис А.А., Турик А.В., Вербенко И.А., Шилкина Л.А., Резниченко Л.А., Юрасов Ю.И., Кравченко О.Ю., Комаров В.Д. Электромеханический гистерезис, обратный пьезоэффект и реверсивные характеристики пьезоэлектрических материалов различной степени сегнетожесткости // Конструкции из композиционных материалов. 2007. №1. С. 82-93; Вербенко, И.А. Бессвинцовая пьезоэлектрическая керамика и экологически безопасная технология ее получения / И.А. Вербенко, Л.А. Резниченко, О.Н. Разумовская, Л.А. Шилкина, В.П. Сахненко // Экология промышленного производства - 2007. - №4. - С. 45-47].Piezoelectric transducers use crystals of quartz, lithium sulfate, Rochelle salt, lithium niobate and tantalate, piezoelectric ceramics, obtained mainly from solid solutions of lead zirconate-titanate PbZrO 3 -PbTiO 3 (CTS), etc. For example, in a quartz single crystal in the form of b with an X-cut at an electric field strength of E = 10 V / μm, the value ξ = 2.25⋅10 -8 , for a bar made of piezoelectric ceramics of a lead zirconate-titanate system at E = 10 V / μm, the value ξ = 5⋅10 -6 . Piezoelectric materials with gigantic piezoelectric sensitivity, for example, relaxors (1-x) PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3-x PbTiO 3 (PMN-PT) and PbZn 1/3 Nb 2/3 O 3 -PbTiO 3 (PZN- PT), have ξ≥10 -3 at E = 10 V / μm. This, along with high values of the electromechanical coupling coefficient (more than 90%), opens up prospects for their widespread use in electromechanical converters. Increasing the sensitivity and expanding the dynamic range of the conversion of piezoelectric sensors is also possible by forming multilayer structures (packets) from the group of the same elements with the same or different electromechanical parameters, by introducing preliminary mechanical stress. The electromechanical coupling coefficient is the square root of the fraction of mechanical energy that is converted into electrical energy (or vice versa). The rest of the energy is dissipated or spent on elastic or dielectric hysteresis. The area of the hysteresis loop is proportional to the energy dissipated in the dielectric in one period. Due to hysteresis losses, piezoelectrics are characterized by a large dielectric loss tangent tanδ, which in typical cases takes a value of the order of 0.1. The width of the hysteresis loop can reach 20% of the maximum displacement value. Thus, for precision electromechanical conversion, it is necessary to eliminate the hysteresis inherent in almost all applied piezoelectric materials [Jaffe, B. Piezoelectric ceramics / B. Jaffe, U. Cook, G. Jaffe; - M.: Mir Publishing House, 1974. - 288 p., Yesis A.A., Turik A.V., Verbenko I.A., Shilkina L.A., Reznichenko L.A., Yurasov Yu.I. ., Kravchenko O.Yu., Komarov V.D. Electromechanical hysteresis, inverse piezoelectric effect and reverse characteristics of piezoelectric materials of varying degrees of ferro-rigidity // Designs from composite materials. 2007. No1. S. 82-93; Verbenko, I.A. Lead-free piezoelectric ceramics and environmentally friendly technology for its production / I.A. Verbenko, L.A. Reznichenko, O.N. Razumovskaya, L.A. Shilkina, V.P. Sakhnenko // Ecology of industrial production - 2007. - No. 4. - S. 45-47].

Коррекция гистерезиса в пьезоэлектрических датчиках и других МЭМС-структурах на пьезоэлектриках до величины 1% от диапазона перемещения актюатора достигается путем активной стабилизации функции преобразования с применением систем управления с обратной связью (патент US 8884492 В2, приоритет 3.02.2013; патент US 4263527 А, приоритет 17.05.1979; патент US 5714831 А, приоритет 13.11.1995; Афонин С.М. Устойчивость систем управления деформацией пьезопреобразователя нано- и микроперемещений / Известия Российской академии наук. Механика твердого тела, №2, 2014. - С. 98-111; Ерофеев А.А., Ерофеев С.А. Гистерезис пьезокерамики: способы и устройства его компенсации // Пьезотехника - 94. - Барнаул, 1994. - С. 36-38; Смирнов А.Б. Мехатроника и робототехника. Системы микроперемещений с пьезоэлектрическими приводами: Учеб. особие / А.Б. Смирнов; Санкт-Петербургский государственный политехнический университет. - :http://elib.spbstu.ru/dl/local/356.pdf.; Dong An ID, Haodong Li, Ying Xu and Lixiu Zhang / Compensation of Hysteresis on Piezoelectric Actuators Based on Tripartite PI Model / Micromachines, 2018, 9, 44; Бардин В.А., Васильев B.A., Чернов П.С. Современное состояние и разработки актюаторов нано- и микроперемещений / https://docplayer.ru/69418358-Sovremennoe-sostoyanie-i-razrabotki-aktyuatorov-nano-i-mikroperemeshcheniy.html; Тае hoon Kim. Ana Claudia Arias, Ed. Characterization and applications of piezoelectric polymers / Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley // Technical Report No. UCB/EECS-2015-253 / http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2015/EECS-2015-253.html; Damjanovic D. Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials / The Science of Hysteresis, Volume 3; I. Mayergoyz and G. Bertotti (Eds.); Elsevier (2005) / P.: 337-452; Rodriguez-Fortun J., Orus J., Buil A.F., Castellano J.A. Hysteresis in Piezoelectric Actuators: Modeling and Compensation / IFAC Proceedings Volumes / Volume 44, Issue 1, January 2011, P.: 5237-5242).Correction of hysteresis in piezoelectric sensors and other MEMS structures on piezoelectrics to a value of 1% of the actuator movement range is achieved by actively stabilizing the conversion function using feedback control systems (US patent 8884492 B2, priority 02/03/2013; US patent 4263527 A, priority 05.17.1979; patent US 5714831 A, priority 13.11.1995; Afonin SM Stability of deformation control systems for a piezoelectric transducer of nano- and microdisplacements / Bulletin of the Russian Academy of Sciences, Solid State Mechanics, No. 2, 2014. - P. 98-111; Erofeev A.A., Erofeev S.A. Hysteresis of piezoceramics: methods and devices for its compensation // Piezotekhnika - 94. - Barnaul, 1994. - P. 36-38; Smirnov AB Mechatronics and Robotics. Systems of micromotion with piezoelectric drives: Textbook / A.B.Smirnov; St. Petersburg State Polytechnical University .--: http: //elib.spbstu.ru/dl/local/356.pdf .; Dong An ID, Haodong Li, Ying Xu and Lixiu zhang / Compensation of Hysteresis on Piezoelectric Actuators Based on Tripartite PI Model / Micromachines, 2018, 9, 44; Bardin V.A., Vasiliev B.A., Chernov P.S. The current state and development of actuators of nano- and microdisplacement / https://docplayer.ru/69418358-Sovremennoe-sostoyanie-i-razrabotki-aktyuatorov-nano-i-mikroperemeshcheniy.html; Tae hoon Kim. Ana Claudia Arias, Ed. Characterization and applications of piezoelectric polymers / Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley // Technical Report No. UCB / EECS-2015-253 / http://www.eecs.berkeley.edu/Pubs/TechRpts/2015/EECS-2015-253.html; Damjanovic D. Hysteresis in Piezoelectric and Ferroelectric Materials / The Science of Hysteresis, Volume 3; I. Mayergoyz and G. Bertotti (Eds.); Elsevier (2005) / P .: 337-452; Rodriguez-Fortun J., Orus J., Buil A.F., Castellano J.A. Hysteresis in Piezoelectric Actuators: Modeling and Compensation / IFAC Proceedings Volumes / Volume 44, Issue 1, January 2011, P .: 5237-5242).

Другим распространенным эффектом, используемым в аналогичных датчиках, является электрострикционный эффект в активных диэлектриках (Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989. - 288 с.; Физика активных диэлектриков: учебное пособие / Поплавко Ю.М., Переверзева Л.П., Раевский И.П. - Ростов-на-Дону: Издательство ЮФУ, 2009. - 480 с.; Материалы современной электроники / В.Ф. Марков, X.Н. Мухамедзянов, Л.Н. Маскаева; - Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2014. - 272 с.; Thakur О.P., Agrawal N. Modelling of Sensing Performance of Electrostrictive Capacitive Sensors / Smart Sensors, Measurement and Instrumentation book series (SSMI, volume 11); Sensing Technology: Current Status and Future Trends III, pp 341-358; Shkel Y.M. and Klingenberg D.J.J. Material parameters for electrostricti Appl. Phys., Vol. 80, No. 8, 15 October 1996; Minh Quyen Le and other, All-organic electrostrictive polymer composites with low driving electrical voltages for micro-fluidic pump applications / Scientific Reports, V.: 5, Article number: 11814 (2015)).Another common effect used in similar sensors is the electrostrictive effect in active dielectrics (Physics of Active Dielectrics: Tutorial / Poplavko Yu.M., Pereverzeva LP, Raevsky IP - Rostov-on-Don: Publishing House SFU, 2009. - 480 p .; Poplavko Yu.M. Dielectrics. Main properties and applications in electronics. - M.: Radio and communications, 1989. - 288 p .; Physics of active dielectrics: a training manual / Poplavko Yu.M., Pereverzeva L.P., Raevsky I.P. - Rostov-on-Don: Publishing House of SFU, 2009. - 480 p .; Materials of modern electronics / V.F. Markov, X.N. Mukhamedzyanov, L.N. Maskaev; - Yekaterinburg: Ural University Press, 2014 .-- 272 p .; Thakur O.P., Agrawal N. Modeling of Sensing Performance of Electrostrictive Capacitive Sensors / Smart Sensors, Measurement and Instrumentation book series (SSMI, volume 11) ; Sensing Technology: Current Status and Future Trends III, pp 341-358; Shkel YM and Klingenberg DJJ Material parameters for electrostricti Appl. Phys ., Vol. 80, No. October 8, 15, 1996; Minh Quyen Le and other, All-organic electrostrictive polymer composites with low driving electrical voltages for micro-fluidic pump applications / Scientific Reports, V .: 5, Article number: 11814 (2015)).

Функция преобразования электрострикционного материала носит униполярный квадратичный характер:The conversion function of electrostrictive material is unipolar quadratic in nature:

Figure 00000002
Figure 00000002

где q - постоянная электрострикции, зависящая от сжимаемости, плотности и диэлектрической проницаемости диэлектрика.where q is the electrostriction constant, depending on the compressibility, density and permittivity of the dielectric.

Основное достоинство электрострикционных материалов заключается в высокой внутренней стабильности, что обусловливает существенно малое значение гистерезиса функции электромеханического преобразования по сравнению с пьезоэлектрическими материалами и составляет менее 1%. На основе электрострикционных материалов в основном строятся МЭМС-структуры электростатического и низкочастотного типа. Расширение динамического диапазона преобразования и увеличение чувствительности датчиков на основе элементов из электрострикционных материалов возможно за счет применения материалов с гигантской электрострикцией, стабильной в широком диапазоне температур, и формирования сложных МЭМС-структур. В патенте US 2015/0325779 А1, приоритет 9.12.2013, приведен аналитический обзор электромеханических свойств ряда электрострикционных материалов (в частности, полиуретановых эластомеров), способных стабильно работать от слабых электрических полей в диапазонах температур от -20°С-+40°С, -50°С-120°С, -100°С-+50°С и др. Высокими электрострикционными свойствами обладает сегнетокерамика с сильно размытым фазовым переходом, который занимает область температур, достигающую ~200°С. Керамические материалы на основе магнониобата свинца PbMg1/3Nb2/3O3, в частности, твердые растворы магнониобата свинца с титанатом свинца PbTiO3 и скандониобатом свинца PbSc1/2Nb1/2O3, имеют функцию электромеханического преобразования без гистерезисной и на 2-3 порядка больше чем у линейных диэлектриков, достигая величины ξ=10-3 при Е=103 В/мкм при комнатной температуре. Композиционные материалы, например, в виде полимерной матрицы с медным фталоцианином (CuPc) как органическим наполнителя с высокой диэлектрической постоянной ε имеют ξ=2⋅10-2 при Е=13 В/мкм. Нижний порог чувствительности ξ=10-3 наблюдается при Е<1 В/мкм.The main advantage of electrostrictive materials is their high internal stability, which leads to a substantially small value of the hysteresis of the electromechanical conversion function in comparison with piezoelectric materials and is less than 1%. On the basis of electrostrictive materials, MEMS structures of the electrostatic and low-frequency types are mainly constructed. Extending the dynamic range of conversion and increasing the sensitivity of sensors based on elements made of electrostrictive materials is possible due to the use of materials with giant electrostriction, stable over a wide temperature range, and the formation of complex MEMS structures. In the patent US 2015/0325779 A1, priority 9/12/2013, an analytical review of the electromechanical properties of a number of electrostrictive materials (in particular, polyurethane elastomers), capable of working stably from weak electric fields in the temperature range from -20 ° С- + 40 ° С, is given -50 ° С-120 ° С, -100 ° С- + 50 ° С, etc. Ferroceramics with a highly diffuse phase transition, which occupies the temperature range reaching ~ 200 ° С, possesses high electrostrictive properties. Ceramic materials based on lead magnoniobate PbMg 1/3 Nb 2/3 O 3 , in particular, solid solutions of lead magnoniobate with lead titanate PbTiO 3 and lead scandoniobate PbSc 1/2 Nb 1/2 O 3 , have the function of electromechanical conversion without hysteresis and 2-3 orders of magnitude more than linear dielectrics, reaching ξ = 10 -3 at E = 10 3 V / μm at room temperature. Composite materials, for example, in the form of a polymer matrix with copper phthalocyanine (CuPc) as an organic filler with a high dielectric constant ε have ξ = 2⋅10 -2 at E = 13 V / μm. The lower threshold of sensitivity ξ = 10 -3 is observed at E <1 V / μm.

Достоинства аналогичных датчиков:Advantages of similar sensors:

⋅ компактность;⋅ compactness;

⋅ возможность исключения токонесущих элементов;⋅ the ability to exclude current-carrying elements;

⋅ возможность расширения динамического диапазона преобразования;⋅ the ability to expand the dynamic range of conversion;

⋅ высокая температурная стабильность и линейность характеристики преобразования при применении пьезоэлектрических материалов;⋅ high temperature stability and linearity of the conversion characteristics when using piezoelectric materials;

⋅ отсутствие гистерезиса при применении электрострикционных материалов.⋅ lack of hysteresis when using electrostrictive materials.

К недостаткам аналогичных датчиков относятся:The disadvantages of similar sensors include:

⋅ ограниченная функциональность, связанная с локальным характером индикации преобразуемой величины,⋅ limited functionality associated with the local character of the indication of the converted value,

⋅ большой гистерезис характеристики преобразования при применении обратного пьезоэлектрического эффекта;⋅ large hysteresis of the conversion characteristic when applying the inverse piezoelectric effect;

⋅ высокая температурная чувствительность при применении электрострикционного эффекта;⋅ high temperature sensitivity when applying the electrostrictive effect;

⋅ низкая чувствительность к ЭП электрострикционных материалов при малых значениях напряженности ЭП вследствие квадратичного характера преобразования с использованием электрострикционного эффекта;⋅ low sensitivity to electric field of electrostrictive materials at low values of electric field strength due to the quadratic nature of the conversion using the electrostrictive effect;

⋅ необходимость введения токонесущих каналов и элементов для коррекции погрешности гистерезиса при применении обратного пьезоэлектрического эффекта, что существенно снижает технические возможности датчика при работе в сложных условиях эксплуатации, например во взрывоопасных средах.⋅ the need to introduce current-carrying channels and elements for correcting the hysteresis error when applying the inverse piezoelectric effect, which significantly reduces the technical capabilities of the sensor when working in difficult operating conditions, for example, in explosive atmospheres.

Известны аналогичные датчики ЭП на основе МЭМС-структур, которые содержат в своем составе активные диэлектрики, электреты и подвижные элементы (например, патент CN 104020359, приоритет 20.06.2014; патент US 20050196099 А1, приоритет 4.03.2004; патент US 20130307370 А1, приоритет 23.06.2010). МЭМС-структуры выполнены таким образом, что при воздействии внешнего ЭП на МЭМС-структуру оно суммируется с электростатическим полем электрета. В результате осуществляется смещение нулевой точки в область высокой крутизны характеристики преобразования ЭП в движение подвижных элементов, которое позволяет существенно повысить чувствительность и точность датчика в области малых значений напряженности ЭП в условиях воздействия акустических шумов и электромагнитных помех.Known similar EM sensors based on MEMS structures that contain active dielectrics, electrets and moving elements (for example, patent CN 104020359, priority 06/20/2014; patent US 20050196099 A1, priority 3/4/2004; patent US 20130307370 A1, priority 06/23/2010). MEMS structures are designed in such a way that when an external electron beam acts on the MEMS structure, it is added to the electrostatic field of the electret. As a result, the zero point is shifted to the region of high steepness of the characteristic of converting the electromotive force to the movement of moving elements, which can significantly increase the sensitivity and accuracy of the sensor in the region of small electric field strength under the influence of acoustic noise and electromagnetic interference.

Достоинства аналогичных датчиков:Advantages of similar sensors:

• компактность;• compactness;

• низкий порог чувствительности при воздействии электромагнитных помех;• low threshold of sensitivity when exposed to electromagnetic interference;

• низкая чувствительность к акустическим шумам;• low sensitivity to acoustic noise;

• высокая точность при малых значениях напряженности ЭП при применении электрострикционного эффекта;• high accuracy with small values of electric field strength when applying the electrostrictive effect;

• возможность исключения токонесущих элементов.• the ability to exclude current-carrying elements.

Недостатками аналогичных датчиков являются:The disadvantages of similar sensors are:

• ограниченная функциональность, связанная с локальным характером индикации преобразуемой величины;• limited functionality associated with the local nature of the indication of the converted value;

• низкая точность вследствие гистерезиса функции преобразования при применении обратного пьезоэлектрического эффекта;• low accuracy due to the hysteresis of the conversion function when applying the inverse piezoelectric effect;

• высокая температурная чувствительность при применении электрострикционного эффекта.• high temperature sensitivity when applying the electrostrictive effect.

Известны аналогичные волоконно-оптические датчики напряженности электрического поля, содержащие активный диэлектрик, к которому непосредственно или через передаточное механическое звено жестко закреплен сенсорный участок ОВ с ВБР (Леонович Г.И., Олешкевич С.В. Гибридные датчики на волоконно-оптических брэгговских решетках / Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т. 18, №4(7), 2016. - С. 1340-1345; Application of Fiber Bragg Grating Sensors in Power Industry / Regina С Allil, Marcelo Martins Werneck // http://dx.doi.org/10.5772/54148; Optical High-Voltage Sensor Based on Fiber Bragg Grating and PZT Piezoelectric Ceramics / Regina С Allil, Marcelo Martins Werneck,

Figure 00000003
V.B. de
Figure 00000004
// IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V.: 60, Is.: 6, June 2011. P.: 2118-2125; Pacheco M., Mendoza Santoyo F., Mendez A., Zenteno L.A. Piezoelectric-modulated optical fibre Bragg grating high-voltage sensor / Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 777-782; J. Zhao et al., "Fiber-Optic Electric Field Sensor Based on Electrostriction Effect", Applied Mechanics and Materials, Vol. 187, pp. 235-240, 2012; Lutang Wang and Nian Fang; Power-Frequency Electric Field Sensing Utilizing a Twin-FBG Fabry-Perot Interferometer and Polyimide Tubing with Space Charge as Field Sensing Element / Sensors 2019, 19(6), 1456; https://doi.org/10.3390/s19061456; S.T. Vohra, F. Bucholtz, and A.D. Kersey; Fiber-optic dc and low-frequency electric-field sensor / Optics Letters, Vol. 16, Issue 18, pp. 1445-1447 (1991)). При воздействии электрической величины на активный диэлектрик в нем синхронно с ее изменением происходит деформация, которая непосредственно через жесткое контактное соединение или через механическое передаточное звено приводит к продольной деформации ОВ с ВБР. В результате деформации ВБР при изменении напряженности электрического поля изменяется спектр отраженного от ВБР оптического сигнала. Форма и крутизна функции преобразования определяются электромеханическими свойствами материала, из которого выполнен активный диэлектрик, сопряженный с сенсорным участком ОВ.Similar fiber-optic sensors of electric field strength are known, containing an active dielectric to which directly or through the transmission mechanical link the sensor section of the OB with VBR is rigidly fixed (Leonovich G.I., Oleshkevich S.V. Hybrid sensors on fiber-optic Bragg gratings / Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences, vol. 18, No. 4 (7), 2016. - P. 1340-1345; Application of Fiber Bragg Grating Sensors in Power Industry / Regina With Allil, Marcelo Martins Werneck // http: // dx.doi.org/10.5772/54148; Optical High-Voltage Sensor Based on Fiber Bragg Grating and PZT Piezoelectric Ceramics / Regina With Allil, Marcelo Martins Werneck,
Figure 00000003
Vb de
Figure 00000004
// IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, V .: 60, Is .: 6, June 2011. P .: 2118-2125; Pacheco M., Mendoza Santoyo F., Mendez A., Zenteno LA Piezoelectric-modulated optical fiber Bragg grating high-voltage sensor / Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 777-782; J. Zhao et al., "Fiber-Optic Electric Field Sensor Based on Electrostriction Effect", Applied Mechanics and Materials, Vol. 187, pp. 235-240, 2012; Lutang Wang and Nian Fang; Power-Frequency Electric Field Sensing Utilizing a Twin-FBG Fabry-Perot Interferometer and Polyimide Tubing with Space Charge as Field Sensing Element / Sensors 2019, 19 (6), 1456; https://doi.org/10.3390/s19061456; ST Vohra, F. Bucholtz, and AD Kersey; Fiber-optic dc and low-frequency electric-field sensor / Optics Letters, Vol. 16, Issue 18, pp. 1445-1447 (1991)). Under the influence of an electric quantity on an active dielectric, a deformation occurs in it, which, directly through a rigid contact joint or through a mechanical transmission link, leads to longitudinal deformation of the organic matter with FBG. As a result of deformation of the FBG with a change in the electric field, the spectrum of the optical signal reflected from the FBG changes. The shape and steepness of the conversion function are determined by the electromechanical properties of the material from which the active dielectric is made, which is conjugated to the sensor section of the optical element.

С учетом упругого сопротивления, создаваемого материалом оптического волокна и абсолютной жесткости механического сопряжения волокна с диэлектриком, можно записать выражение для относительной осевой деформации ВБР при применении в качестве активного диэлектрика электрострикционного материала:Taking into account the elastic resistance created by the material of the optical fiber and the absolute rigidity of the mechanical conjugation of the fiber with the dielectric, we can write the expression for the relative axial deformation of the FBG when an electrostrictive material is used as an active dielectric:

Figure 00000005
Figure 00000005

где ε0=8,854187817⋅1012 Ф/м (м-3⋅кг-1⋅с4⋅А2) - электрическая постоянная вакуума, εr - относительная электрическая константа материала, Е - напряженность электрического поля; YАД - модуль Юнга активного диэлектрика; YОВ=7,20⋅1010 Н/м2 - модуль Юнга оптического волокна с ВБР; k, n - коэффициенты определяющие вклад активного диэлектрика и ОВ (по массе и способу взаимодействия) в формирование итоговой деформации, причем k+n=1; М - коэффициент деформации механического сопряжения волокна с диэлектриком вследствие электрострикционного эффекта в диэлектрике.where ε 0 = 8.854187817⋅10 12 F / m (m -3 ⋅ kg -1 ⋅с 4 ⋅А 2 ) is the electric constant of vacuum, ε r is the relative electric constant of the material, E is the electric field strength; Y AD - Young's modulus of the active dielectric; Y OV = 7.20⋅10 10 N / m 2 — Young's modulus of the optical fiber with FBG; k, n are the coefficients determining the contribution of the active dielectric and organic matter (by mass and method of interaction) to the formation of the final strain, and k + n = 1; M is the strain coefficient of the mechanical conjugation of the fiber with the dielectric due to the electrostrictive effect in the dielectric.

При моделировании датчика необходимо учитывать, что максимально допустимое значение ξВБР=1%., выше которого начинается разрушение материала оптоволокна.When modeling the sensor, it is necessary to take into account that the maximum permissible value ξ of FBG = 1%., Above which the destruction of the fiber material begins.

К достоинствам аналогичных датчиков относятся:The advantages of similar sensors include:

• компактность;• compactness;

• отсутствие токонесущих элементов;• lack of current-carrying elements;

• бесконтактное совмещение чувствительной зоны датчика с волоконно-оптическим каналом передачи оптических сигналов, содержащих измерительную информацию;• non-contact combination of the sensitive zone of the sensor with the fiber-optic channel for transmitting optical signals containing measurement information;

• устойчивость к электромагнитным помехам и воздействию внешней среды;• resistance to electromagnetic interference and environmental influences;

• возможность компенсации температурной погрешности введением дополнительных экранированных ВБР в зоне измерения электрического поля.• the ability to compensate for temperature errors by introducing additional shielded FBGs in the zone of measurement of the electric field.

Недостатками аналогичных волоконно-оптических датчиков являются:The disadvantages of similar fiber optic sensors are:

• низкая точность при использовании обратного пьезоэлектрического эффекта вследствие гистерезиса функции преобразования;• low accuracy when using the inverse piezoelectric effect due to the hysteresis of the conversion function;

• ограниченные технические возможности вследствие низкой чувствительности к малым значениям ЭП при использовании электрострикционного эффекта.• limited technical capabilities due to low sensitivity to small EP values when using the electrostrictive effect.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является и выбран в качестве прототипа датчик в виде системы из двух сенсоров - сенсора температуры и сенсора напряженности электрического поля (патент US 7469078 В2, приоритет 18.09.2003). Датчик выполнен на основе оптического волокна с двумя последовательно расположенными сенсорными участками с ВБР, причем первый сенсорный участок измеряет температуру, а второй сенсорный участок, жестко закрепленный к пьезоэлектрическому элементу, заключенному между двух электродов, измеряет температуру и напряженность электрического поля.Closest to the proposed invention is and selected as a prototype sensor in the form of a system of two sensors - a temperature sensor and a sensor of electric field strength (patent US 7469078 B2, priority 09/18/2003). The sensor is made on the basis of an optical fiber with two sequentially located sensor sections with FBG, the first sensor section measuring temperature, and the second sensor section rigidly fixed to the piezoelectric element enclosed between the two electrodes, measuring temperature and electric field strength.

При подключении к электродам, сопряженным со вторым сенсорным участком оптоволокна, источника переменного тока в пьезоэлементе возникает обратный электрический пьезоэффект, который синхронно с изменением воздействующей электрической величины вызывает продольную деформацию пьезоэлемента. Сенсорный участок оптоволокна с ВБР, жестко закрепленный к пьезоэлементу в направлении оси деформации, подвергается принудительной деформации в соответствии с формулойWhen connected to the electrodes associated with the second sensor portion of the optical fiber, an alternating current source in the piezoelectric element, an inverse electric piezoelectric effect occurs, which, simultaneously with a change in the acting electric quantity, causes longitudinal deformation of the piezoelectric element. The sensor section of the optical fiber with FBG, rigidly fixed to the piezoelectric element in the direction of the axis of deformation, is subjected to forced deformation in accordance with the formula

Figure 00000006
Figure 00000006

где kƒ - коэффициент механического сопротивления сенсорного участка оптоволокна с ВБР; dk - пьезоэлектрический модуль пьезоэлемента.where k ƒ is the coefficient of mechanical resistance of the sensor section of the optical fiber with FBG; d k is the piezoelectric module of the piezoelectric element.

К достоинствам прототипа относятся:The advantages of the prototype include:

• компактность;• compactness;

• отсутствие токонесущих элементов;• lack of current-carrying elements;

• бесконтактное совмещение чувствительной зоны датчика с волоконно-оптическим каналом передачи оптических сигналов, содержащих измерительную информацию;• non-contact combination of the sensitive zone of the sensor with the fiber-optic channel for transmitting optical signals containing measurement information;

• устойчивость к электромагнитным помехам и воздействию внешней среды;• resistance to electromagnetic interference and environmental influences;

• широкий динамический диапазон измеряемых величин;• wide dynamic range of measured values;

• компенсация температурной погрешности введением дополнительной ВБР в зоне измерения электрических величин.• compensation of temperature error by introducing an additional FBG in the zone of measurement of electrical quantities.

Особенностью и ключевым признаком прототипа является обратный пьезоэлектрический эффект в элементе материала, позволяющий создавать датчики напряженности переменного электрического поля в широком диапазоне измеряемых величин.A feature and key feature of the prototype is the inverse piezoelectric effect in the element of the material, allowing you to create sensors of the intensity of an alternating electric field in a wide range of measured values.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

• низкая точность обратного пьезоэлектрического эффекта вследствие гистерезиса функции преобразования;• low accuracy of the inverse piezoelectric effect due to the hysteresis of the conversion function;

• существенное усложнение конструкции пьезоэлектрического элемента датчика, необходимое для увеличения чувствительности и динамического диапазона измерения.• significant complication of the design of the piezoelectric element of the sensor, necessary to increase the sensitivity and dynamic range of measurement.

Заявляемое устройство лишено этих недостатков.The inventive device is devoid of these disadvantages.

Технический результат заключается в расширении технических возможностей путем снижения порога и увеличения чувствительности, повышения точности и стабильности процесса измерения путем смещения нулевой точки характеристики преобразования в зону высокой крутизны функции электромеханического преобразования электрострикционного материала, имеющей квадратичный характер.The technical result consists in expanding the technical capabilities by lowering the threshold and increasing sensitivity, increasing the accuracy and stability of the measurement process by shifting the zero point of the conversion characteristic to the high steepness zone of the electromechanical transformation function of the electrostrictive material, which has a quadratic character.

Сущность изобретения заключается в том, что датчик напряженности электрического поля, содержащий оптическое волокно с двумя последовательно расположенными первым и вторым сенсорными участками, содержащими первую и вторую внутриволоконную брэгговскую решетку (ВБР) соответственно, причем первый сенсорный участок измеряет окружающую температуру, а второй сенсорный участок, жестко закрепленный к пьезоэлектрическому элементу, заключенному между двух электродов, измеряет окружающую температуру и напряженность электрического поля, отличающийся тем, что в него введены электрострикционный элемент, муфта, прозрачная для электрического поля, и две электретных пластины с центральным отверстием под электрострикционный элемент, второй сенсорный участок оптоволокна со второй ВБР жестко закреплен к электрострикционному элементу, расположенному внутри муфты, установленной между двумя электродами, первая электретная пластина жестко закреплена на электрострикционном элементе перед второй ВБР и совместно с ним жестко зафиксирована на краю первой стороны муфты, а вторая электретная пластина жестко закреплена на краю второй стороны муфты, при этом незафиксированная часть электрострикционного элемента с закрепленным на нем вторым сенсорным участком оптоволокна со второй ВБР свободно перемещается в муфте и внутри центрального отверстия второй электретной пластины, причем первая и вторая электретные пластины установлены одноименными полюсами друг к другу, вследствие чего между ними возникает сила отталкивания, приводящая к тому, что второй сенсорный участок оптического волокна со второй ВБР, жестко закрепленные на электрострикционном элементе, находится в состоянии постоянной начальной деформации, смещающей нулевую точку квадратичной характеристики преобразования в зону высокой крутизны.The essence of the invention lies in the fact that the electric field strength sensor containing an optical fiber with two sequentially located first and second sensor sections containing the first and second intra-fiber Bragg grating (FBG), respectively, the first touch section measures the ambient temperature, and the second touch section, rigidly attached to a piezoelectric element enclosed between two electrodes, measures the ambient temperature and electric field strength, characterized in that an electrostrictive element, a sleeve transparent to the electric field, and two electret plates with a central hole for the electrostriction element are inserted into it, the second sensor section the optical fiber from the second FBG is rigidly fixed to the electrostrictive element located inside the clutch installed between the two electrodes, the first electret plate is rigidly fixed to the electrostrictive element in front of the second FBG and together with it is rigidly fixed on the edge of the first side of the coupling, and the second electret plate is rigidly fixed on the edge of the second side of the coupling, while the non-fixed part of the electrostrictive element with the second sensor portion of the optical fiber fixed to it from the second FBG freely moves in the coupling and inside the central hole of the second electret plate moreover, the first and second electret plates are mounted by poles of the same name to each other, as a result of which a repulsive force arises between them, which leads to the fact that the second sensor section of the optical fiber from the second FBG, rigidly fixed to the electrostrictive element, is in a state of constant initial deformation, which biases the zero point of the quadratic characteristic of the transformation into a zone of high steepness.

Отличительные признаки изобретения состоят в том, что в нем изменена структура датчика напряженности электрического поля с введением новых элементов по сравнению с прототипом.Distinctive features of the invention are that it has changed the structure of the sensor of the electric field with the introduction of new elements in comparison with the prototype.

Сравнение заявляемого устройства с прототипом и другими техническими решениями показывает, что при осуществлении отличительных признаков оно приобретает новые свойства, которых нет в них. Следовательно, отличительные признаки являются существенными.Comparison of the claimed device with the prototype and other technical solutions shows that when implementing distinctive features, it acquires new properties that are not in them. Therefore, the hallmarks are significant.

Графические материалы заявки содержат: фиг. 1 - структурная схема волоконно-оптического датчика; фиг. 2 - эпюра характеристики преобразования значения центральной длины волны оптического сигнала, отраженного от ВБР, от напряженности электрического поля.The graphic materials of the application contain: FIG. 1 is a structural diagram of a fiber optic sensor; FIG. 2 is a diagram of a characteristic for converting a central wavelength of an optical signal reflected from an FBG from an electric field.

Заявляемый волоконно-оптический датчик электрического поля, напряжения и/или силы постоянного и переменного тока, изображенный на фиг. 1, содержит оптическое волокно 1 с двумя последовательно расположенными сенсорными участками 2 и 3, в которых выполнены ВБР 4 и ВБР 5 соответственно, электрострикционный элемент 6, муфту 7, прозрачную для электрического поля, электретные пластины 8 и 9. Сенсорный участок 3 жестко закреплен на электрострикционном элементе 6 вдоль оси его деформации. Электретные пластины 8 и 9 расположены друг относительно друга на расстоянии

Figure 00000007
равном расстоянию между электродами, и имеют центральное отверстие, в которые введены концы электрострикционного элемента 6. Первая электретная пластина 8 жестко прикреплена к первому краю муфты 7 и к первому концу электрострикционного элемента 6. Вторая электретная пластина 8 жестко прикреплена ко второму краю муфты 7, а в ее центральном отверстии свободно перемещается незакрепленная часть электрострикционного элемента 6.The inventive fiber optic sensor of electric field, voltage and / or force of direct and alternating current, shown in FIG. 1, contains an optical fiber 1 with two sequentially located sensor sections 2 and 3, in which FBG 4 and FBG 5 are made, respectively, an electrostrictive element 6, a sleeve 7 transparent to the electric field, electret plates 8 and 9. The touch section 3 is rigidly fixed to electrostrictive element 6 along the axis of its deformation. Electret plates 8 and 9 are located relative to each other at a distance
Figure 00000007
equal to the distance between the electrodes, and have a Central hole in which the ends of the electrostrictive element 6. The first electret plate 8 is rigidly attached to the first edge of the coupling 7 and to the first end of the electrostriction element 6. The second electret plate 8 is rigidly attached to the second edge of the coupling 7, and in its central hole, the loose part of the electrostrictive element 6 freely moves.

Сенсорный участок 3 оптического волокна 1 с ВБР 5 подвергается воздействию электрического поля, формируемого электродами и электретными пластинами 8 и 9, которые расположены одноименными полюсами навстречу друг другу, а также воздействию температуры окружающей среды. Сенсорный участок 2 оптического волокна 1 с ВБР 4 не подвергается воздействию электрического поля и предназначен для последующей реализации в оптоэлектронном измерительном блоке (интеррогаторе) температурной калибровки и коррекции температурной погрешности всего датчика в процессе измерения напряженности электрического поля, напряжения и/или силы постоянного и переменного тока в условиях внешнего температурного воздействия.The sensor section 3 of the optical fiber 1 with FBG 5 is exposed to an electric field generated by the electrodes and electret plates 8 and 9, which are located with the same poles towards each other, as well as the influence of ambient temperature. The sensor section 2 of the optical fiber 1 with FBG 4 is not exposed to an electric field and is intended for subsequent implementation in the optoelectronic measuring unit (interrogator) of temperature calibration and correction of the temperature error of the entire sensor in the process of measuring electric field strength, voltage and / or AC and DC current in conditions of external temperature exposure.

Геометрические размеры элементов и датчика в целом, изображенного на фиг. 1, определяются требуемой чувствительностью и диапазоном измеряемых значений напряженности Eu электрического поля, длиной

Figure 00000008
и
Figure 00000009
сенсорных участков 2 и 3 оптического волокна 1 с ВБР 4 и 5 соответственно, расстоянием L между ВБР 4 и ВБР 5, обеспечивающим взаимонезависимую деформацию сенсорных участков 2 и 3 оптического волокна 1, геометрическими и физическими параметрами электрострикционного элемента, электретных пластин, возможной минимальной толщиной участков оптического волокна с ВБР1 и ВБР2, а также предельной разрешающей способностью, обеспечиваемой способом считывания и анализа.The geometric dimensions of the elements and the sensor as a whole shown in FIG. 1 are determined by the required sensitivity and the range of measured values of the electric field strength E u , length
Figure 00000008
and
Figure 00000009
the sensor sections 2 and 3 of the optical fiber 1 with FBG 4 and 5, respectively, the distance L between the FBG 4 and the FBG 5, providing an independent deformation of the sensor sections 2 and 3 of the optical fiber 1, the geometric and physical parameters of the electrostrictive element, electret plates, the possible minimum thickness of the sections optical fiber with FBG1 and FBG2, as well as the limiting resolution provided by the method of reading and analysis.

Для описания механизма изменения центральной длины волны света, отраженного от ВБР при изменении напряжения электрического поля, разработаны модель и компьютерная программа численного исследования взаимодействия двух электретных пластин в форме дисков, сопряженных через электрострикционный элемент сенсорным участком 3 оптического волокна 1 с ВБР 5. Программа позволяет подбирать и рассчитывать электреты, а также уточнять геометрические параметры датчика в целом.To describe the mechanism of changing the central wavelength of light reflected from the FBG when the electric field voltage changes, a model and a computer program for numerically studying the interaction of two electret plates in the form of disks, coupled through the electrostrictive element by the sensor section 3 of the optical fiber 1 with the FBG 5 are developed. The program allows you to select and calculate electrets, as well as specify the geometric parameters of the sensor as a whole.

Например, при измерении напряжения постоянного тока датчик работает следующим образом. При Uизм=0, сенсорный участок 3 оптоволокна 1 с ВБР 5, закрепленный на электрострикционном элементе 6 между первой 8 и второй 8 электретными пластинами находится в постоянном деформированном состоянии, вызванном поляризацией электрострикционного материала в поле электретных пластин напряженностью Еээ. Относительная начальная продольная деформация электретного элемента с сенсорным участком 3 без воздействия внешнего электрического поля равна:For example, when measuring DC voltage, the sensor operates as follows. At U meas = 0, the sensor portion 3 of the optical fiber 1 with FBG 5, mounted on the electrostrictive element 6 between the first 8 and second 8 electret plates, is in a constant deformed state caused by the polarization of the electrostrictive material in the field of electret plates with a voltage of E ee . The relative initial longitudinal deformation of the electret element with the sensor section 3 without exposure to an external electric field is equal to:

Figure 00000010
Figure 00000010

где М - электрострикционный коэффициент структуры из сенсорного участка 3 и электрострикционного элемента,

Figure 00000011
- длина сенсорного участка 3 при отсутствии поля, формируемого электретными пластинами,
Figure 00000012
- осевая деформация электрострикционного элемента и закрепленного на нем сенсорного участка оптоволокна в электрическом поле, формируемом электретными пластинами.where M is the electrostrictive coefficient of the structure of the sensor portion 3 and the electrostrictive element,
Figure 00000011
- the length of the sensor portion 3 in the absence of a field formed by electret plates,
Figure 00000012
- axial deformation of the electrostrictive element and the sensor portion of the optical fiber attached to it in an electric field formed by electret plates.

В результате предрастяжения сенсорного участка 3 на величину

Figure 00000013
в отсутствие внешнего электрического поля нулевая точка квадратичной характеристики смещена в область высокой крутизны. При приложении к электродам напряжения Uизм≠0. результирующая напряженность электрического поля между электретными пластинами 8 и 9 равна:As a result of the stretching of the sensor section 3 by
Figure 00000013
in the absence of an external electric field, the zero point of the quadratic characteristic is shifted to the region of high steepness. When a voltage U is applied to the electrodes, U meas ≠ 0. the resulting electric field strength between the electret plates 8 and 9 is equal to:

Figure 00000014
Figure 00000014

где Еизм - напряженность измеряемого электрического поля между электродами.where E Iz - the intensity of the measured electric field between the electrodes.

Изменение напряженности поля приводит к увеличению или ослаблению деформации электрострикционного элемента с закрепленным на нем сенсорным участком 3 оптоволокна и в результате - к изменению периода ВБР 5 и смещению центральной длинны волны λBG отраженного сигнала.The change in the field strength leads to an increase or weakening of the deformation of the electrostrictive element with the sensor portion 3 of the optical fiber fixed to it and, as a result, to a change in the FBG period 5 and a shift in the central wavelength λ BG of the reflected signal.

Силу взаимодействия электретных пластин можно представить с использованием упрощенной модели взаимодействия электрических [Бредов, М.М. Классическая электродинамика / М.М. Бредов, В.В. Румянцев, И.Н. Топтыгин. - М.: Наука, 1985. - 400 с.]:The force of interaction of electret plates can be represented using a simplified model of the interaction of electric [Bredov, MM Classical electrodynamics / M.M. Bredov, V.V. Rumyantsev, I.N. Toptygin. - M .: Nauka, 1985. - 400 p.]:

Figure 00000015
Figure 00000015

где pi - электрический момент диполя, ε0 - диэлектрическая проницаемость,

Figure 00000016
- расстояние между центрами электретных пластин 6.where p i is the electric moment of the dipole, ε 0 is the dielectric constant,
Figure 00000016
- the distance between the centers of the electret plates 6.

На фиг. 2 приведена эпюра изменения центральной длины волны оптического сигнала от напряженности электрического поля, формируемого электретными пластинами, закрепленными на сенсорном участке 3, и внешним измеряемым электрическим полем. При реализации модели заданы следующие параметры: внешний радиус и длина электретной пластины в форме диска, закрепленной на оптоволокне R0=Rmν=0,25⋅10-3 м соответственно; толщина электретного диска h=3⋅10-3 м; радиус оптоволокна Rν=0,1⋅10-3 м; длина участка оптоволокна с ВБР

Figure 00000017
модуль Юнга для кварцевого стекла Yν=73⋅109 МПа; расстояние между электретными пластинами
Figure 00000018
максимально и минимально допустимое относительное удлинение сенсорного участка 3 при максимальной силе F∑max электрического взаимодействия электретов и внешнего электрического поля равна
Figure 00000019
и
Figure 00000020
соответственно. Из эпюры видно, что с ростом значения Еээ рабочая точка будет перемещаться в область с более высокой крутизной, что может увеличить в 2-10 раз чувствительность датчика при малых значениях Еизм.In FIG. Figure 2 shows a plot of the change in the central wavelength of an optical signal from the electric field generated by electret plates fixed to the sensor section 3 and an external measured electric field. When implementing the model, the following parameters were set: the outer radius and the length of the electret plate in the form of a disk mounted on an optical fiber R 0 = R mν = 0.25⋅10 -3 m, respectively; the thickness of the electret disk h = 3⋅10 -3 m; fiber radius R ν = 0.1 =10 -3 m; length of fiber optic section with FBG
Figure 00000017
Young's modulus for quartz glass Y ν = 73⋅10 9 MPa; distance between electret plates
Figure 00000018
the maximum and minimum allowable elongation of the sensor portion 3 at a maximum force F ∑max of the electrical interaction of the electrets and the external electric field is
Figure 00000019
and
Figure 00000020
respectively. From the diagram it is evident that with increasing values of E er operating point will move to a higher transconductance, which may increase in sensitivity of the sensor 2-10 for small values of E rev.

Ограничением допустимого увеличения Еээ и максимальной амплитуды измеряемого значения Еизм является предел прочности участка оптоволокна с ВБР2:The limitation of the allowable increase in E ee and the maximum amplitude of the measured value of E ISM is the tensile strength of the optical fiber section with FBG2:

Figure 00000021
Figure 00000021

Claims (1)

Волоконно-оптический датчик напряженности электрического поля, содержащий оптическое волокно с двумя последовательно расположенными первым и вторым сенсорными участками, содержащими первую и вторую внутриволоконные брэгговские решетки (ВБР) соответственно, причем первый сенсорный участок измеряет окружающую температуру, а второй сенсорный участок, жестко закрепленный к пьезоэлектрическому элементу, заключенному между двух электродов, измеряет окружающую температуру и напряжение переменного тока и/или силу переменного тока, отличающийся тем, что в него введены электрострикционный элемент, муфта, прозрачная для электрического поля, и две электретные пластины с центральным отверстием под электрострикционный элемент, второй сенсорный участок оптоволокна со второй ВБР жестко закреплен к электрострикционному элементу, расположенному внутри муфты, установленной между двумя электродами, первая электретная пластина жестко закреплена на электрострикционном элементе перед второй ВБР и совместно с ним жестко зафиксирована на краю первой стороны муфты, а вторая электретная пластина жестко закреплена на краю второй стороны муфты, при этом незафиксированная часть электрострикционного элемента с закрепленным на нем вторым сенсорным участком оптоволокна со второй ВБР свободно перемещается в муфте и внутри центрального отверстия второй электретной пластины, между первой и второй электретными пластинами, установленными относительно друг друга разноименными полюсами, возникает постоянная сила взаимодействия, приводящая к тому, что второй сенсорный участок оптического волокна со второй ВБР, жестко закрепленные на электрострикционном элементе, находится в состоянии постоянной начальной деформации, смещающей нулевую точку квадратичной характеристики преобразования в зону высокой крутизны.A fiber-optic electric field strength sensor containing an optical fiber with two first and second sensor sections in series, containing the first and second intra-fiber Bragg gratings (FBG), respectively, with the first sensor section measuring the ambient temperature and the second sensor section rigidly fixed to the piezoelectric the element enclosed between the two electrodes measures the ambient temperature and the alternating current voltage and / or alternating current strength, characterized in that an electrostrictive element, a clutch transparent to the electric field, and two electret plates with a central hole for the electrostrictive element are inserted into it, the second the sensor section of the optical fiber from the second FBG is rigidly fixed to the electrostrictive element located inside the clutch installed between the two electrodes, the first electret plate is rigidly fixed to the electrostrictive element in front of the second FBG and together with it is rigidly fixed on the edge of the first side of the coupling, and the second electret plate is rigidly fixed on the edge of the second side of the coupling, while the non-fixed part of the electrostrictive element with the second sensor portion of the optical fiber fixed to it from the second FBG freely moves in the coupling and inside the central hole of the second electret plate, between the first and second electret plates, mounted relative to each other by opposite poles, a constant interaction force arises, which leads to the fact that the second sensor section of the optical fiber from the second FBG, rigidly fixed to the electrostrictive element, is in a state of constant initial deformation, shifting the zero point quadratic conversion characteristics to high steepness zone.
RU2019123484A 2019-07-19 2019-07-19 Fibre-optic sensor of electric field intensity RU2724099C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123484A RU2724099C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Fibre-optic sensor of electric field intensity

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123484A RU2724099C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Fibre-optic sensor of electric field intensity

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2724099C1 true RU2724099C1 (en) 2020-06-22

Family

ID=71135690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019123484A RU2724099C1 (en) 2019-07-19 2019-07-19 Fibre-optic sensor of electric field intensity

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2724099C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2794998C1 (en) * 2022-08-26 2023-04-27 Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Optical voltage sensor with the possibility of passive temperature compensation

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992008999A1 (en) * 1990-11-08 1992-05-29 British Telecommunications Public Limited Company Method of forming optical fibre gratings
RU1783453C (en) * 1990-11-12 1992-12-23 Челябинский государственный университет Method of determination of electric intensity in plane of bulk of solid dielectric
RU2032181C1 (en) * 1991-02-05 1995-03-27 Киселев Владимир Васильевич Fiber-optic electric-field strength and voltage meter
RU111679U1 (en) * 2011-05-20 2011-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" ELECTRIC FIELD TENSION MEASUREMENT DEVICE
RU2012118584A (en) * 2009-10-23 2013-11-27 Сенсортран, Инк. SYSTEM BASED ON FORCED SCATTERING OF MANDELSTAM-BRILLUIN WITH MANY RBD
RU2697900C1 (en) * 2018-12-27 2019-08-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Device for generating phase shift in optical range

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1992008999A1 (en) * 1990-11-08 1992-05-29 British Telecommunications Public Limited Company Method of forming optical fibre gratings
RU1783453C (en) * 1990-11-12 1992-12-23 Челябинский государственный университет Method of determination of electric intensity in plane of bulk of solid dielectric
RU2032181C1 (en) * 1991-02-05 1995-03-27 Киселев Владимир Васильевич Fiber-optic electric-field strength and voltage meter
RU2012118584A (en) * 2009-10-23 2013-11-27 Сенсортран, Инк. SYSTEM BASED ON FORCED SCATTERING OF MANDELSTAM-BRILLUIN WITH MANY RBD
RU111679U1 (en) * 2011-05-20 2011-12-20 Общество с ограниченной ответственностью "Профессиональная линия" ELECTRIC FIELD TENSION MEASUREMENT DEVICE
RU2697900C1 (en) * 2018-12-27 2019-08-21 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики Российской академии наук" (ИПФ РАН) Device for generating phase shift in optical range

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2794998C1 (en) * 2022-08-26 2023-04-27 Публичное акционерное общество "Пермская научно-производственная приборостроительная компания" Optical voltage sensor with the possibility of passive temperature compensation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100541820C (en) A kind of non-contact optoelectronic actuator and device that is used for flexible structure control
Sun et al. Modeling of wireless remote shape control for beams using nonlinear photostrictive actuators
Kim et al. Blocked force measurement of electro-active paper actuator by micro-balance
Liang et al. Theoretical analysis of energy harvesting performance for clamped–clamped piezoelectric beam
RU2724099C1 (en) Fibre-optic sensor of electric field intensity
Baltes et al. A bi-stable soft robotic bendable module driven by silicone dielectric elastomer actuators: design, characterization, and parameter study
Bocchetta et al. Performance of smart materials-based instrumentation for force measurements in biomedical applications: A methodological review
Heo et al. Tactile sensors using the distributed optical fiber sensors
Lv et al. Photo-induced electrostatic actuators towards micro gap regulator and micro gripper based on lead lanthanum zirconate titanate ceramics
CN2507020Y (en) Shape memory actuated type wavelength adjustable platform
Mayhan et al. Dynamic modeling and controller design for a piezoelectric actuation system used for machine tool control
US20190198748A1 (en) Self-sensing bending actuator
Masson et al. Design of a generalised charge-based self-sensing model for quasi-static piezoelectric actuators
NL2021989B1 (en) Optical fiber sensing device having a symmetric optical fiber arrangement
Luo et al. Multi-physics field models of photostrictive unimorphs and heterogeneous bimorphs subjected to light illumination and mechanical loading
Meetei et al. Jestr r
Kang et al. A ferroelectric/ferroelastic energy harvester: Load impedance and frequency effects
Aslam et al. Numerical studies on pzt-bonded aluminium beam
Makireddi et al. A 1–3 piezoelectric fiber reinforced carbon nanotube composite sensor for crack monitoring
Afonin Electroelastic Actuator for Nanomechanics
Kumari et al. Design and simulation of array of rectangular micro cantilevers piezoelectric energy harvester
Ignakhin et al. Capacitive sensors of mechanical strain
Alghamdi et al. Interaction mechanics between embedded microactuators and the surrounding host in adaptive structures
Sun et al. Characterization of actuator based materials using optical fiber sensors
Lutz et al. Actuation efficiency in piezoelectrically driven linear and nonlinear systems