WO2023158334A1 - Fibre-optic sensing element of an electric current or magnetic field sensor - Google Patents

Abstract

The invention relates to fibre optics, and more particularly to fibre-optic current and magnetic field sensors. A sensing element of a fibre-optic current or magnetic field sensor, comprising an optical fibre with a helical built-in linear birefringence structure, consists of two parts, wherein the first and second parts are made of fibres with a helical built-in linear birefringence structure, which have different Verdet constant values of the optical fibre core materials, or different Verdet constant values of the cladding materials, or different core sizes, or different ratios of the refractive indices of the core and the cladding, or a different built-in linear birefringence, or different pitches of the helical birefringence structure, or a combination of these parameters, wherein one fibre part is arranged along the other part, and the parts are optically coupled to one another on one side. As a result, the Faraday phase shifts induced by the magnetic field of the current in the fibre parts of the sensing element have different magnitudes, one of which is subtracted from the other. For an optimal effect, the fibres of both parts of the sensing element should be arranged in a closed fashion.

Description

ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И МАГНИТНОГО ПОЛЯ FIBER-OPTIC SENSITIVE ELEMENT OF ELECTRIC CURRENT AND MAGNETIC FIELD SENSOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ FIELD OF TECHNOLOGY

Решение относится к волоконной оптике, в частности, к волоконно-оптическим датчикам тока и магнитного поля. The solution relates to fiber optics, in particular to fiber optic current and magnetic field sensors.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ BACKGROUND OF THE INVENTION

Принцип работы известных волоконно-оптических датчиков тока (ВОДТ) и магнитного поля основан на магнитооптическом эффекте Фарадея. Согласно этому эффекту, магнитное поле электрического тока индуцирует в оптическом волокне циркулярное двулучепреломление (ДЛП), в результате чего у распространяющихся в волокне лево- и правоциркулярно поляризованных световых волн возникает фазовый сдвиг, пропорциональный величине тока. Фазовый сдвиг измеряется волоконно-оптическим интерферометром, а данное волокно является чувствительным элементом интерферометра. The principle of operation of known fiber-optic current sensors (FOCS) and magnetic field is based on the magneto-optical Faraday effect. According to this effect, the magnetic field of an electric current induces circular birefringence (BR) in an optical fiber, as a result of which a phase shift proportional to the magnitude of the current occurs in the left- and right-circularly polarized light waves propagating in the fiber. The phase shift is measured by a fiber optic interferometer, and this fiber is the sensitive element of the interferometer.

Известные волоконные чувствительные элементы волоконно-оптических датчиков тока [1-3] представляют собой охватывающее проводник с током кварцевое оптическое волокно со спиральной структурой линейного ДЛП (spun волокно) [4-6]. Оптические волокна данного типа получают вытяжкой из вращающейся заготовки с сильным встроенным ДЛП. Сформированная таким образом внутренняя структура оптического волокна позволяет сохранять близкую к циркулярной поляризацию излучения, обладая при этом определённой стойкостью данного свойства к внешним механическим воздействиям. Поэтому spun волокна являются наиболее предпочтительным типом волокна для использования в качестве чувствительного элемента ВОДТ. Known fiber sensing elements of fiber-optic current sensors [1-3] are a quartz optical fiber covering the current-carrying conductor with a helical structure of a linear BR (spun fiber) [4-6]. Optical fibers of this type are obtained by drawing from a rotating preform with a strong built-in BR. The internal structure of the optical fiber thus formed makes it possible to maintain radiation polarization close to circular, while having a certain resistance of this property to external mechanical influences. Therefore, spun fibers are the most preferred type of fiber for use as a sensing element in FOCS.

Недостатком известных волоконных чувствительных элементов на основе кварцевых волокон является ограничение по измерению амплитуды больших токов. Данное ограничение следует из того, что в силу периодичности выходной характеристики измерительного интерферометра фазовый сдвиг Фарадея фр должен лежать в пределах одной интерференционной полосы, поскольку за её пределами нарушается взаимно однозначное соответствие между фазовым сдвигом и значением выходного сигнала интерферометра. Так, при использовании одновиткового волоконного чувствительного контура датчика, максимальное значение тока, который можно измерить интерферометрическим методом, при значении постоянной Верде для кварца = 0,7-10'⁷ рад/А составляет сотни кА. Таким образом, измерение токов величиной единицы МА и более волоконно-оптическим датчиком тока при сохранении преимущества замкнутости волоконного чувствительного контура, заключающегося в нечувствительности к соседним токовым шинам и независимости результата измерения от формы контура [1], для систем, работающих в пределах одной интерференционной полосы, становится невозможным. Технологии измерения токов, приводящих к значениям фазового сдвига Фарадея больше предельного, построенные на принципе учёта периодичности выходной функции интерферометра (счета интерференционных полос), имеют ряд недостатков и не могут рассматриваться как альтернативный метод измерения сверхбольших токов. В частности, такой способ предъявляет дополнительные требования к ограничению скорости изменения величины измеряемого тока и длительности его измерения. Кроме того, данный метод не способен корректно определить величину измеряемого тока в случае, если он уже присутствовал в шинопроводе до момента включения датчика тока. A disadvantage of the known fiber sensing elements based on quartz fibers is the limitation on measuring the amplitude of high currents. This limitation follows from the fact that, due to the periodicity of the output characteristic of the measuring interferometer, the Faraday phase shift fr must lie within one interference fringe, since beyond its limits the one-to-one correspondence between the phase shift and the value of the output signal of the interferometer is violated. So, when using a single-turn fiber sensitive circuit of the sensor, the maximum value of the current that can be measured by the interferometric method, with the value of the Verdet constant for quartz = 0.7-10' ⁷ rad/A, is hundreds of kA. Thus, the measurement of currents of unit MA and more with a fiber-optic current sensor, while maintaining the advantage of the closure of the fiber sensing circuit, which consists in insensitivity to neighboring busbars and the independence of the measurement result from the contour shape [1], for systems operating within the same interference band, it becomes impossible. Technologies for measuring currents that lead to values of the Faraday phase shift greater than the limit, based on the principle of taking into account the periodicity of the output function of the interferometer (counting interference fringes), have a number of disadvantages and cannot be considered as an alternative method for measuring super-high currents. In particular, this method imposes additional requirements on limiting the rate of change in the magnitude of the measured current and the duration of its measurement. In addition, this method is not able to correctly determine the value of the measured current if it was already present in the busbar before the current sensor was turned on.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является чувствительный элемент ВОДТ [2]. В этом устройстве в качестве чувствительного элемента используется многовитковая катушка из spun волокна, намотанная вокруг проводника с током. Чувствительность данного чувствительного элемента определяется, в том числе, количеством волоконных витков. Наименьшая величина чувствительности достигается при одном витке, поэтому величина измеряемого тока ограничена сверху чувствительностью одновиткового контура spun волокна. Closest to the proposed device is the sensing element VODT [2]. This device uses a multi-turn spun fiber coil wound around a current-carrying conductor as a sensing element. The sensitivity of this sensitive element is determined, among other things, by the number of fiber turns. The lowest sensitivity value is achieved with one turn, therefore the value of the measured current is limited from above by the sensitivity of the single-turn circuit of the spun fiber.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ РЕШЕНИЯ DISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE SOLUTION

Технической задачей решения является увеличение максимальной амплитуды измеряемого тока ВОДТ с использованием интерференционного метода. The technical problem of the solution is to increase the maximum amplitude of the measured current of the FOCS using the interference method.

Техническим результатом решения является создание волоконного чувствительного элемента датчика электрического тока и магнитного поля с увеличенным значением предельной амплитуды измеряемых токов при использовании волокна со спиральной структурой двулучепреломления, что необходимо для создания датчиков, предназначенных для измерения токов величиной до десятков МА и более. The technical result of the solution is the creation of a fiber sensitive element of the electric current and magnetic field sensor with an increased value of the maximum amplitude of the measured currents when using a fiber with a helical birefringence structure, which is necessary to create sensors designed to measure currents up to tens of MA and more.

Указанный технический результат достигается тем, что чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока или магнитного поля включает оптическое волокно со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления, причем вдоль волокна располагается второе волокно с другими значениями оптических параметров, при этом оба волокна оптически соединены между собой с одной стороны. The specified technical result is achieved by the fact that the sensitive element of the fiber-optic sensor of electric current or magnetic field includes an optical fiber with a helical structure of built-in linear birefringence, and along the fiber there is a second fiber with different values of optical parameters, while both fibers are optically connected to each other with one sides.

Кроме того, волокна имеют либо разные величины встроенного линейного двулучепреломления, либо разные величины длины спиральной структуры двулучепреломления, либо разные величины встроенного линейного двулучепреломления и длины спиральной структуры двулучепреломления. Кроме того, волокна имеют либо разные значения постоянной Верде материала световедущей жилы, либо разные значения постоянной Верде материала оболочки, либо разные размеры световедущей жилы, либо разные соотношения показателей преломления световедущей жилы и оболочки, либо комбинации этих параметров. In addition, the fibers have either different values of built-in linear birefringence, or different values of the length of the helical birefringence structure, or different values of built-in linear birefringence and lengths of the helical birefringence structure. In addition, the fibers have either different values of the Verdet constant of the light guide material, or different values of the Verdet constant of the sheath material, or different sizes of the light guide wire, or different refractive index ratios of the light guide wire and the sheath, or combinations of these parameters.

Кроме того, каждое волокно располагается вдоль замкнутой линии. In addition, each fiber is located along a closed line.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Решение поясняется фигурами, где: The solution is illustrated by figures, where:

На фигуре 1а показана однопроходная конфигурация чувствительного элемента ВОДТ на основе spun волокна, поляриметрическая схема; Figure 1a shows a single-pass sensing element configuration based on spun fiber FOCS, polarimetric scheme;

На фигуре 16 показана однопроходная конфигурация чувствительного элемента ВОДТ на основе spun волокна, кольцевая схема Саньяка; Figure 16 shows a single pass sensing element configuration of a spun fiber FOCT sensing element, Sagnac's ring circuit;

На фигуре 1в показана двухпроходная конфигурация чувствительного элемента ВОДТ на основе spun волокна, отражательная схема; Figure 1c shows a two-pass sensing element configuration based on spun fiber FOCS, reflective circuit;

На фигуре 2а показана однопроходная конфигурация чувствительного элемента из двух соединенных отрезков spun волокна, поляриметрическая схема; Figure 2a shows a single-pass configuration of the sensing element of two connected segments of spun fiber, polarimetric scheme;

На фигуре 26 показана однопроходная конфигурация чувствительного элемента из двух соединенных отрезков spun волокна, кольцевая схема Саньяка; Figure 26 shows a single pass sensing element configuration of two connected lengths of spun fiber, a Sagnac ring pattern;

На фигуре 2в показана двухпроходная конфигурация чувствительного элемента из двух соединенных отрезков spun волокна, отражательная схема. Figure 2c shows a two-pass configuration of the sensing element of two connected pieces of spun fiber, reflective circuit.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ РЕШЕНИЯ IMPLEMENTATION OF THE SOLUTION

Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока или магнитного поля включает оптическое spun волокно, состоит из двух частей, выполненных из spun волокон с разными магнитооптическими чувствительностями из-за либо разных значений встроенного линейного ДЛП, либо разных длин шага спиральной структуры ДЛП, либо разных значений постоянной Верде материала световедущей жилы, либо разных значений постоянной Верде материала оболочки, либо разных размеров жилы, либо разных значений соотношения показателей преломления жилы и оболочки, либо нескольких параметров одновременно и расположенных относительно проводника с током таким образом, что вносят противоположный по знаку Фарадеевский фазовый сдвиг между циркулярно поляризованными волнами распространяющегося по волокнам света. При этом наилучшая точность измерения тока достигается при замкнутости первой и второй частей чувствительного элемента. Способ изменения чувствительности ВОДТ основан на зависимости магнитооптической чувствительности spun волокна от постоянной Верде материалов световода, диаметра модового поля [7], а также на поляризационном свойстве spun волокна поддерживать среднюю эллиптичность поляризованного излучения, определяемую величиной встроенного линейного ДЛП и длиной шага спиральной структуры ДЛП [8]. The sensitive element of a fiber-optic electric current or magnetic field sensor includes an optical spun fiber, consists of two parts made of spun fibers with different magneto-optical sensitivities due to either different values of the built-in linear BR, or different pitch lengths of the BR helical structure, or different values the Verdet constant of the material of the light-guiding core, or different values of the Verdet constant of the sheath material, or different sizes of the core, or different values of the ratio of the refractive indices of the core and the sheath, or several parameters simultaneously and located relative to the current-carrying conductor in such a way that they introduce a Faraday phase shift of the opposite sign between circularly polarized waves of light propagating through the fibers. In this case, the best current measurement accuracy is achieved when the first and second parts of the sensing element are closed. The method for changing the sensitivity of FOCS is based on the dependence of the magneto-optical sensitivity of a spun fiber on the Verdet constant of the fiber materials, the mode field diameter [7], as well as on the polarization property of the spun fiber to maintain the average ellipticity of polarized radiation, determined by the value of the built-in linear BR and the pitch length of the BR helical structure [8 ].

Рассмотрим распространение низкокогерентного оптического излучения в spun волокне при наличии внешнего магнитного поля, индуцируемого электрическим током. Известно, что при вводе в волокно циркулярно поляризованного излучения, между право- и левоциркулярно поляризованными волнами возникает разность фаз [1] Let us consider the propagation of low-coherence optical radiation in a spun fiber in the presence of an external magnetic field induced by an electric current. It is known that when circularly polarized radiation is introduced into the fiber, a phase difference arises between the right- and left-hand circularly polarized waves [1]

4>F = 2SV_eff J Bdl , (1) где S — коэффициент относительной магнитооптической чувствительности, обусловленный эллиптичностью излучения, _en — эффективная постоянная магнитооптической чувствительности, определяемая значениями постоянной Верде материалов световедущей жилы и оболочки волокна и диаметром модового пятна, В — вектор индукции магнитного поля тока, а интегрирование выполняется вдоль продольной оси волокна. Коэффициент относительной магнитооптической чувствительности S определяется средним по длине волны поляризационным состоянием распространяющихся по волокну световых волн. Это поляризационное состояние, в общем случае эллиптичное, определяется соотношением длины биений встроенного линейного ДЛП Lb и длины шага спиральной структуры ДЛП Z__s, а именно параметром u=Ls/(2Lb), и имеет эллиптичность е = \/1 + ст² — <т Поскольку, при прочих равных условиях, максимальная чувствительность к эффекту Фарадея имеет место при циркулярных поляризациях волн, магнитооптическая чувствительность spun-волокна будет снижена в 5 =

раз (коэффициент относительной магнитооптической чувствительности)4>F = 2SV _e ff J Bdl , (1) where S is the relative magneto-optical sensitivity coefficient due to the radiation ellipticity, _e n is the effective magneto-optical sensitivity constant determined by the values of the Verdet constant of the materials of the light-guiding core and fiber cladding and the mode spot diameter, V — the induction vector of the magnetic field of the current, and the integration is performed along the longitudinal axis of the fiber. The coefficient of relative magneto-optical sensitivity S is determined by the wavelength-averaged polarization state of light waves propagating along the fiber. This polarization state, generally elliptical, is determined by the ratio of the beat length of the built-in linear BR Lb and the pitch length of the BR helical structure Z_ _s , namely, the parameter u=Ls/(2Lb), and has an ellipticity e = \/1 + st ² — < Since, ceteris paribus, the maximum sensitivity to the Faraday effect occurs at circular polarizations of waves, the magneto-optical sensitivity of the spun fiber will be reduced by 5 =

times (coefficient of relative magneto-optical sensitivity)

[8]. Отсюда следует, что относительная разница чувствительностей двух spun волокон, обладающих разным значением встроенного линейного ДЛП и длиной шага спиральной структуры ДЛП, равна [8]. Hence it follows that the relative difference between the sensitivities of two spun fibers with different values of the built-in linear BR and the pitch length of the BR helical structure is equal to

AS L§ / L_S AZ/j, AS L§ / L _S AZ/j,

Т ⁼ 2Ь_ь ( ЕГ/ ⁽²⁾ T ⁼ 2b _b ( EG/ ⁽²⁾

Рассмотрим чувствительный элемент ВОДТ на основе spun волокна (см. Фиг. 1), при этом датчик тока может иметь поляриметрическую схему (однопроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 1а), кольцевую схему Саньяка (однопроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 16) или отражательную схему (двухпроходная конфигурация чувствительного элемента, Фиг. 1в). Spun волокно чувствительного элемента 1, располагается вблизи проводника с током 2, при этом в случае поляриметрической схемы волоконные концы 3 и 4 spun волокна подключаются к поляризаторам 5 и 6 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг 1а), в случае кольцевой схемы Саньяка волоконные концы 3 и 4 spun волокна подключаются к фазовым пластинкам 8 и 9 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг 16), а в случае отражательной схемы конец 3 spun волокна подключается к фазовой пластинке 8 на выходе соединительной волоконной линии 7 датчика и на конце 4 spun волокна формируется зеркало 10 (Фиг 1в). При вводе в конец 3 spun волокна двух циркулярно поляризованных волн света, между ними в результате эффекта Фарадея возникает фазовый сдвиг (1). Если начало и конец spun волокна совмещены (Фиг. 1), то, по теореме о циркуляции магнитного поля, интеграл в (1) равен сумме токов, пронизывающих контур [1]. В этом случае Фарадеевский фазовый сдвиг между право- и левоциркулярно поляризованными волнами света, после их однократного прохождения spun волокна будет

при этом в случае отражательной конфигурации оптической схемы сдвиг (3) удваивается за счёт двухкратного прохождения света через spun волокно в прямом и обратном направлениях. Let us consider a sensing element based on spun fiber FOCS (see Fig. 1), while the current sensor can have a polarimetric circuit (single-pass configuration of the sensing element, Fig. 1a), a Sagnac ring circuit (single-pass configuration of the sensing element, Fig. 16) or reflective circuit (two-pass configuration of the sensing element, Fig. 1c). The spun fiber of the sensing element 1 is located near the conductor with current 2, while in the case of a polarimetric scheme, the fiber ends 3 and 4 of the spun fiber are connected to polarizers 5 and 6 at the output of the connecting fiber line of the sensor 7 (Fig. 1a); reflective circuit, the end 3 of the spun fiber is connected to the phase plate 8 at the output of the connecting fiber line 7 of the sensor, and a mirror 10 is formed at the end 4 of the spun fiber (Fig. 1c). When two circularly polarized light waves are introduced into the end of the 3 spun fiber, a phase shift occurs between them as a result of the Faraday effect (1). If the beginning and end of the spun fiber are aligned (Fig. 1), then, according to the magnetic field circulation theorem, the integral in (1) is equal to the sum of the currents penetrating the circuit [1]. In this case, the Faraday phase shift between right and left circularly polarized light waves, after their single passage through the spun fiber, will be

In this case, in the case of a reflective configuration of the optical scheme, the shift (3) is doubled due to the double passage of light through the spun fiber in the forward and reverse directions.

Изменение ориентации охвата spun волокна проводника с током приводит к изменению знака Фарадеевского фазового сдвига на противоположный. Отсюда следует, что при выполнении чувствительного элемента датчика в виде двух последовательных spun волокон с разными значениями коэффициента относительной магнитооптической чувствительности S или разными значениями эффективной постоянной магнитооптической чувствительности V_etf и одновременно разными ориентациями охвата проводника с током (фиг. 2), фазовый сдвиг, возникающий во второй петле, не полностью скомпенсирует фазовый сдвиг в первой петле. В результате суммарный Фарадеевский фазовый сдвиг после прохождения обеих волокон при разных эффективных постоянных магнитооптической чувствительности Сбудет

и при разных коэффициентах относительной магнитооптической чувствительности S будет

для кольцевой схемы Саньяка и поляриметрической схемы, а для отражательной схемы — удвоенное значение (4) и (5). Здесь V_erf^ и У_е/г,2 — эффективные постоянные магнитооптической чувствительности волокон, определяемые материалами волокна и размером модового пятна, V_eff — их среднее значение, Vef^Veff = (V_eff,2 - V_eff )IV_eff — их относительная разность, Si и S2 — коэффициенты относительной магнитооптической чувствительности, обусловленные эллиптичностью излучения в волокне, S — их среднее значение, a ASZS = (S2 - Si)/S — относительная разность данных коэффициентов, определённая в (2). Таким образом, использование описанного выше составного чувствительного элемента в волоконно-оптическом датчике тока приведёт к снижению чувствительности в AV_e/Veff или AS/S раз и, следовательно, к такому же увеличению предельного значения измеряемого тока. Changing the orientation of the spanning of the spun fiber of a conductor with current leads to a change in the sign of the Faraday phase shift to the opposite. It follows that when the sensitive element of the sensor is made in the form of two successive spun fibers with different values of the coefficient of relative magneto-optical sensitivity S or different values of the effective constant magneto-optical sensitivity V _e tf and at the same time different orientations of the coverage of the current-carrying conductor (Fig. 2), the phase shift, arising in the second loop does not fully compensate for the phase shift in the first loop. As a result, the total Faraday phase shift after the passage of both fibers at different effective magneto-optical sensitivity constants will be

and for different coefficients of relative magneto-optical sensitivity S will be

for the Sagnac ring scheme and the polarimetric scheme, and for the reflective scheme, the doubled value of (4) and (5). Here V _e rf^ and V _e /r,2 are the effective constants of the magneto-optical sensitivity of the fibers, determined by the fiber materials and the size of the mode spot, V _e ff is their average value, Vef^Veff = (V _e ff,2 - V _e ff ) IV _e ff is their relative difference, Si and S2 are the coefficients of relative magneto-optical sensitivity due to the ellipticity of radiation in the fiber, S is their average value, a ASZS = (S2 - Si)/S is the relative difference of these coefficients, defined in (2). Thus, the use of the composite sensing element described above in a fiber optic current sensor will lead to a decrease in sensitivity by a factor of AV _e /Veff or AS/S and, consequently, to the same increase in the limit value of the measured current.

Для изготовления предлагаемого чувствительного элемента два отрезка spun волокна 1 и 11 с разными значениями либо постоянной Верде материалов световедущих сердцевин, либо постоянной Верде материалов оболочек, либо размеров световедущих жил, либо соотношений показателей преломления жилы и оболочки, либо встроенного линейного ДЛП, либо длин шага спиральной структуры ДЛП, либо комбинации этих параметров соединяются сварным соединением 12 и располагаются вблизи проводника с током 2, охватывая его в противоположных направлениях (см. Фиг. 2). При этом в случае поляриметрической схемы свободные волоконные концы 3 и 13 spun волокон подключаются к поляризаторам 5 и 6 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг 2а), в случае кольцевой схемы Саньяка свободные волоконные концы 3 и 13 spun волокон подключаются к фазовым пластинкам 8 и 9 на выходе соединительной волоконной линии датчика 7 (Фиг 26), а в случае отражательной схемы конец 3 spun волокна подключается к фазовой пластинке 8 на выходе соединительной волоконной линии 7 датчика и на конце 13 spun волокна формируется зеркало 10 (Фиг 2в). Нечувствительность измерения тока к влиянию соседних токовых шин и максимальная точность измерения достигается при замкнутости обеих частей чувствительного элемента, а именно при совмещении волоконных концов 3, 13 и сварного соединения 12. For the manufacture of the proposed sensitive element, two pieces of spun fiber 1 and 11 with different values of either the Verdet constant of the materials of the light-guiding cores, or the Verdet constant of the materials of the shells, or the dimensions of the light-guiding cores, or the ratio of the refractive indices of the core and the shell, or the built-in linear DLR, or the pitch lengths of the helical DLP structures, or combinations of these parameters, are connected by a welded joint 12 and are located near the conductor with current 2, covering it in opposite directions (see Fig. 2). In the case of a polarimetric scheme, the free fiber ends 3 and 13 of the spun fibers are connected to polarizers 5 and 6 at the output of the connecting fiber line of the sensor 7 (Fig. 2a), in the case of the Sagnac ring scheme, the free fiber ends 3 and 13 of the spun fibers are connected to the phase plates 8 and 9 at the output of the connecting fiber line of the sensor 7 (Fig. 26), and in the case of a reflective scheme, the end 3 of the spun fiber is connected to the phase plate 8 at the output of the connecting fiber line 7 of the sensor, and a mirror 10 is formed at the end 13 of the spun fiber (Fig. 2c). The current measurement insensitivity to the influence of neighboring current buses and the maximum measurement accuracy is achieved when both parts of the sensing element are closed, namely, when the fiber ends 3, 13 and the welded joint 12 are aligned.

Для подтверждения предложенного метода был проведён эксперимент, в котором сравнивались показания ВОДТ на основе отражательного интерферометра [6] при измерении эталонного тока стандартным чувствительным элементом и чувствительным элементом, собранным по предложенной конструкции. To confirm the proposed method, an experiment was conducted in which the readings of a FOCS based on a reflective interferometer [6] were compared when measuring the reference current with a standard sensitive element and a sensitive element assembled according to the proposed design.

Для изготовления чувствительного элемента ВОДТ было отобрано два отрезка spun волокна длиной 10 м, встроенное линейное ДЛП в которых сформировано эллиптической жилой. Длина шага спиральной структуры ДЛП обоих отрезков составляла 3 мм, а длина биений встроенного линейного ДЛП для первого отрезка была 7 мм, для второго — 12 мм. Первая и вторая части чувствительного элемента (два отрезка spun волокна) были соединены друг с другом, начало первой части подсоединялось к четвертьволновой пластинке, которая, в свою очередь, подсоединялась к соединительной волоконной линии ВОДТ, а на конце второй части располагалось зеркало. For the manufacture of the sensing element of the WOCT, two pieces of spun fiber 10 m long were selected, in which the built-in linear BR was formed by an elliptical core. The pitch length of the helical structure of the BR for both segments was 3 mm, and the beat length of the built-in linear BR was 7 mm for the first segment and 12 mm for the second segment. The first and second parts of the sensitive element (two segments of spun fiber) were connected to each other, the beginning of the first part was connected to a quarter-wave plate, which, in turn, was connected to the connecting fiber line of the FOCS, and a mirror was located at the end of the second part.

Измерение тока производилось с помощью системы соленоидов с количеством витков, равным 5000, подключённой к эталонному источнику тока величиной 8 А. Сначала в соленоиды был помещён чувствительный элемент серийно изготавливаемого ВОДТ с номиналом ±350кА и диапазоном измеряемых токов от 0.2 до 100% от номинала. Таким образом, эквивалентный ток, пронизывающий волоконный контур прибора с исходным чувствительным элементом, составил 40000 А. В этом случае значение измеренного прибором тока составляло 40015 А. После чего чувствительный элемент дорабатывался описанным способом и повторно проводились измерения того же эквивалентного тока. В этом случае измеренное значение тока составило 854 А. Отсюда следует, что Фарадеевский фазовый сдвиг во второй конфигурации чувствительного элемента меньше в 47 раз. Таким образом, для получения угла фазового сдвига, соответствующего измеренным прибором в исходной конструкции, эквивалентный ток, сформированный соленоидами, должен быть увеличен в 47 раз, что увеличивает номинальное значение измеряемого тока применённого в эксперименте прибора с 350кА до 16,5МА. The current was measured using a system of solenoids with a number of turns equal to 5000, connected to a reference current source of 8 A. First, a sensitive element of a commercially produced FOCS with a nominal value of ±350 kA and a range of measured currents from 0.2 to 100% of the nominal value was placed in the solenoids. So Thus, the equivalent current penetrating the fiber circuit of the instrument with the original sensing element was 40,000 A. In this case, the value of the current measured by the instrument was 40,015 A. After that, the sensing element was modified in the manner described and the measurements of the same equivalent current were repeated. In this case, the measured current value was 854 A. It follows that the Faraday phase shift in the second configuration of the sensing element is 47 times less. Thus, to obtain the phase shift angle corresponding to the measured device in the original design, the equivalent current generated by the solenoids must be increased by a factor of 47, which increases the nominal value of the measured current of the device used in the experiment from 350 kA to 16.5 MA.

При необходимости возможно получение других значений номинального тока путём подбора соотношения параметров используемых spun волокон. If necessary, it is possible to obtain other values of the rated current by selecting the ratio of the parameters of the used spun fibers.

Решение позволяет изготовить чувствительный элемент датчика электрического тока и магнитного поля с пониженной чувствительностью, что необходимо для создания датчиков, предназначенных для измерения токов до нескольких десятков мегаампер и более. The solution makes it possible to manufacture a sensitive element of an electric current and magnetic field sensor with reduced sensitivity, which is necessary to create sensors designed to measure currents up to several tens of megaamperes or more.

Литература Literature

1. Frosio G., Dancliker R. “Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor”, Applied Optics, vol.33, no.25, 6111-6122 (1994). 1. Frosio G., Dancliker R. “Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor”, Applied Optics, vol.33, no.25, 6111-6122 (1994).

2. Blake J. N. «Fiber optic current sensor». Патент США. No. 6,188,811 , от 13.02.2001. 2. Blake J. N. "Fiber optic current sensor". US patent. no. 6,188,811 , dated 2/13/2001.

3. Боев А. И., Губин В. П., Моршнев С. К., Пржиялковский Я. В., Рябко М. В., Сазонов А. И., Старостин Н. И., Чаморовский Ю. К., «Волоконно-оптический датчик тока», Патент РФ № 2437106 от 29.12.09 МПК : G01 R 15/24 3. A. I. Boev, V. P. Gubin, S. K. Morshnev, Ya. V. Przhyyalkovsky, M. V. Ryabko, A. I. Sazonov, N. I. Starostin, and Yu. "Fiber-optical current sensor", RF Patent No. 2437106 dated 12/29/09 IPC: G01 R 15/24

4. Laming R.L, Payne D.N., J. Lightwave Technology, 7, 2084 (1989). 4. Laming R.L., Payne D.N., J. Lightwave Technology, 7, 2084 (1989).

5. Polynkin P., Blake J., J. of Lightwave Technol., 23, 3815 (2005). 5. Polynkin P., Blake J., J. of Lightwave Technol., 23, 3815 (2005).

6. Губин В.П., Исаев B.A., Моршнев С. К., и др., Квант. Электрон., 36, №3, 287-291 (2006). 6. V. P. Gubin, B. A. Isaev, S. K. Morshnev, et al., Kvant. Elektron., 36, No. 3, 287-291 (2006).

7. Аксенов В. А., Волошин В. В., Воробьев И. Л., Иванов Г. А., Исаев В. А., Колосовский А.О., Моршнев С. К., Чаморовский Ю.К. (2002). Особенности эффекта Фарадея в кварцевых волоконных световодах. Радиотехника и электроника, 478), 1011-1017. 7. V. A. Aksenov, V. V. Voloshin, I. L. Vorobyov, G. A. Ivanov, V. A. Isaev, A. O. Kolosovsky, S. K. Morshnev, and Yu. (2002). Peculiarities of the Faraday effect in quartz optical fibers. Radio Engineering and Electronics, 478), 1011-1017.

8. Пржиялковский, Я. В., Моршнев, С. К., Старостин, Н. И., Губин, В. П. (2013). Распространение широкополосного оптического излучения в spun-волокне с высоким двулучепреломлением, квантовая электроника, 43(2), 167-173. 8. Przhijalkovsky, Ya. V., Morshnev, S. K., Starostin, N. I., Gubin, V. P. (2013). Propagation of broadband optical radiation in a spun fiber with high birefringence, Quantum Electronics, 43(2), 167-173.

Claims

ФОРМУЛА FORMULA

1. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика электрического тока или магнитного поля, включающий оптическое волокно со спиральной структурой встроенного линейного двулучепреломления, отличающийся тем, что вдоль волокна располагается второе волокно с другими значениями оптических параметров, при этом оба волокна оптически соединены между собой с одной стороны. 1. A sensitive element of a fiber-optic electric current or magnetic field sensor, including an optical fiber with a helical structure of built-in linear birefringence, characterized in that a second fiber with different values of optical parameters is located along the fiber, while both fibers are optically connected to each other on one side .

2. Чувствительный элемент по п. 1, отличающийся тем, что волокна имеют либо разные величины встроенного линейного двулучепреломления, либо разные величины длины спиральной структуры двулучепреломления, либо разные величины встроенного линейного двулучепреломления и длины спиральной структуры двулучепреломления. 2. The sensing element according to claim 1, characterized in that the fibers have either different values of built-in linear birefringence, or different lengths of the helical birefringence structure, or different values of built-in linear birefringence and lengths of the helical birefringence structure.

2. Чувствительный элемент по п. 1 , отличающийся тем, что волокна имеют либо разные значения постоянной Верде материала световедущей жилы, либо разные значения постоянной Верде материала оболочки, либо разные размеры световедущей жилы, либо разные соотношения показателей преломления световедущей жилы и оболочки, либо комбинации этих параметров. 2. The sensing element according to claim 1, characterized in that the fibers have either different values of the Verdet constant of the material of the light-guiding core, or different values of the Verdet constant of the sheath material, or different sizes of the light-guiding core, or different ratios of the refractive indices of the light-guiding core and the sheath, or combinations these options.

4. Чувствительный элемент по п. 1 , отличающийся тем, что каждое волокно располагается вдоль замкнутой линии. 4. The sensing element according to claim 1, characterized in that each fiber is located along a closed line.

8 8