 |
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 4, 2002 |
 |
Волоконно-оптические датчики на пленках ЖИГ с Bi для измерения напряженности магнитного поля и силы тока
Берикашвили В.Ш., Чижов В.С., Яковлев М.Я.
МИРЭА, ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ –ВОС»
Получена 3 апреля 2002 г.
Приведены результаты исследования взаимодействия магнитного поля с тонкопленочными доменными структурами на основе железо- иттриевого граната (ЖИГ) с висмутом. Разработана конструкция и проведены испытания волоконно-оптических датчиков, на базовых пленочных сенсорных элементах ЖИГ с Bi, для дистанционного контроля напряженности магнитных полей и силы тока в магистральных тоководах высокого напряжения. Показана возможность измерений токов от 0,1 А до 100 кА с относительной точностью не хуже 2%.
В настоящее время во всем мире интенсивно ведутся работы по созданию волоконно-оптических систем сбора, обработки и передачи информации [1-10]. В таких системах используются волоконно-оптические датчики-преобразователи различных физических величин [2-10]. Бурное развитие волоконно-оптических систем сбора информации связано как с особенностями различных отраслей науки и техники, так и с замечательными свойствами этих систем. Они искро- и пожаро- безопасны, устойчивы к электромагнитным помехам, малогабаритны, потребляют мало энергии. Они также позволяют создавать как локальные так и распределённые на большом пространстве чувствительные элементы и системы непрерывного контроля. Особенно перспективны волоконно-оптические датчики и системы во взрывоопасных производствах и системах экологического мониторинга на предприятиях с вредными и пожароопасными производствами, а также на территориях больших городов[8-10].
Датчики преобразования давления, температуры, измерения перемещений, скоростей и ускорений разработаны довольно хорошо [1-5]. Сравнительно мало разработаны датчики-преобразователи электромагнитных полей и особенно мало разработок для области СВЧ –полей [6].
Волоконно-оптические датчики (ВОД) магнитных и электрических полей разрабатываются в основном для дистанционного контроля в сетях постоянного и переменного тока. Потребность в них возникает в связи с тем, что для прямого измерения токов и напряжений в высоковольтных сетях требуются специальные методы и средства для развязки высокого напряжения в сети и низкого напряжения измерительной аппаратуры. Особенно трудно проводить прямые измерения токов в высоковольтных сетях постоянного тока. В частности, известны волоконно-оптические датчики (ВОД) напряженности электрического поля [5,6], в которых элемент, чувствительный к электрическому полю, создан на основе электрооптического эффекта Поккельса. Устройства такого типа позволяют проводить измерения при гальванической развязке контролируемого объекта и регистрирующей аппаратуры.
Одной из основных проблем при разработке ВОД электрических и магнитных полей является выбор электро- или магнитооптического (ЭО, МО) материала для чувствительного элемента. Чувствительный элемент должен обладать достаточно сильным и температурно стабильным ЭО и МО эффектом. При этом требование согласования их с волоконно-оптическими линиями существенно ограничивает круг применимых материалов.
Разработки и исследования материалов для оптических датчиков измерения магнитных полей ведутся довольно давно [4-8]. Наиболее перспективным признано использование в этих датчиках эффекта Фарадея (вращение плоскости поляризации электромагнитных волн в веществе под действием продольного магнитного поля). Установлено[4-5,11], что этот эффект наиболее сильно проявляется для видимого диапазона длин волн у железо-иттриевого граната (ЖИГ) [11]. В последующих исследованиях [12] показано, что эффект Фарадея более сильно выражен у ЖИГ с присадкой висмута (ЖИГ+Bi ), что позволяет регистрировать поля напряженностью 0,5 – 10 Гс тонкопленочными чувствительными элементами с толщиной пленки ЖИГ+Bi около 10 мкм. Особенно важным представляется то, что чувствительные элементы на основе тонких пленок могут иметь малые размеры и слабо влиять на распределение магнитного поля в волноводах.
Целью настоящей работы было исследование физических явлений при взаимодействии магнитного поля с тонкопленочными доменными структурами на основе ЖИГ с висмутом , а также разработка и изготовление базовых пассивных элементов многоканальных разветвленных оптоволоконных измерительных преобразователей для контроля напряженности магнитных полей и измерения токов в магистральных тоководах высокого напряжения.
2. Описание исследуемых образцов
В качестве чувствительного элемента волоконно-оптических датчиков-преобразователей магнитного поля использовались пленки ЖИГ с присадкой висмута (ЖИГ+Bi) толщиной около 10 мкм на подложке из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ), выращенные из расплава окислов свинца [12]. Всего использовано 3 образца.
Образец №1 светлой оранжево-коричневой окраски с толщиной пленки ЖИГ+Bi 7,5 мкм и содержанием висмута 0,05 объема, внутренней намагниченностью 100 Гс, полем коллапса доменов 60 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 13°. Под микроскопом в скрещенных поляроидных пленках хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Образец №2 оранжево-коричневой окраски с толщиной пленки ЖИГ+Bi 8,5 мкм и содержанием висмута 0,06 объема, внутренней намагниченность 110 Гс, полем коллапса доменов 70 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 18°. Под микроскопом, в скрещенных поляроидных пленках, хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Образец №3 темно-коричневой окраски, с толщиной пленки ЖИГ+Bi 15 мкм с одной стороны и 16,5 мкм с другой стороны с содержанием висмута 0,15 объема, с внутренней намагниченность 360 Гс, полем коллапса доменов 180 эрстед и вращением Фарадея в доменах - 46°. Под микроскопом, в скрещенных поляроидных пленках, хорошо просматривалась лабиринтная доменная структура на двух сторонах образца. Под действием магнитного поля доменная структура перестраивалась и при напряженности поля больше поля коллапса полностью исчезала.
Толщина пленки измерялась методом интерференционных биений с помощью спектрофотометра СФ-16. Монохроматическое излучение со спектральной полосой 1 нм направлялось на поверхность пленки под углом 2-3° к вертикали. Отраженный свет регистрировался фотоприемником, сигнал усиливался и записывался графопостроителем с реперными метками отсчета длин волн. При равномерной перестройке длины волны излучения монохроматора можно было наблюдать периодические биения интенсивности сигнала, регистрируемого аппаратурой. По периоду биений рассчитывалась толщина пленки с точностью 0,3 мкм. Контрольные измерения толщины пленки проводили на микроскопе «Биолам» с измерительной окулярной насадкой, позволявшей проводить измерения геометрических размеров с точностью 1 мкм.
3. Исследование влияния магнитного
поля на чувствительный элемент
С целью изучения физических явлений, происходящих в пленках ЖИГ+Bi под действием магнитного поля, были проведены детальные исследования и наблюдения доменной структуры в скрещенных поляроидах под микроскопом МБС с кратностью увеличения 32 и 64. Наблюдения показали, что при поляроидах, скрещенных под углом 45°, на длинах волн вблизи 0,63 мкм, наблюдается плотная лабиринтная доменная структура с темными и светлыми полосами примерно равной толщины. Минимальная периодичность полос составляла 20 - 25 мкм. Наличие темных и светлых полос указывает на то, что доменные структуры в разрезе по вертикали к плоскости пленки представляют собой замкнутые намагниченные кольца (рис.1). Причем если в светлой области направление вектора намагничения принять за положительное, то в темной направление вектора намагничения противоположное (отрицательное).
Рис. 1. Видимые темные и светлые полосы доменов в скрещенных поляроидах (а)
представление их поперечном сечении (б) и расположение силовых линий магнитной индукции (в)
Известно [11], что продольное магнитное поле в одном случае увеличивает фазовую скорость волны с левой циркуляцией и замедляет волну с правой циркуляцией. Изменение направления магнитного поля на противоположное приводит к увеличению фазовой скорости волны с правой циркуляцией и замедлению волны с левой циркуляцией. В результате, линейно поляризованное излучение, которое можно представить как суперпозицию право- и левовращающихся волн, поворачивается за счет эффекта Фарадея на угол:
где H – напряженность магнитного поля в эрстедах, B - постоянная Верде в град./(эрстед×м), Z - расстояние, пройденное светом в феррите в м.
Величина В изменяется от 10-1 град./(эрстед×м), для кварцевого стекла до 102 град./(эрстед×м), для ферритовых диэлектриков, причем для ЖИГ с Bi она аномально высока на длинах волн близких к краю поглощения и на длине волны l =0,63 мкм и составляет от 5 ×102 до 5 ×104 град./(эрстед×м) в зависимости от содержания Bi [12].
В лабиринтной доменной структуре тонких пленок ЖИГ с Bi, наблюдаемых в скрещенных под 45° поляроидах (рис.2а), светлые полосы свидетельствуют о том, что в этих зонах магнитное поле направлено так, что за счет эффекта Фарадея линейно поляризованное излучение поворачивается на 45° в одном направлении (принятом за положительное) и проходит через поляризатор-анализатор. Наоборот, темные полосы говорят о том, что в них противоположная намагниченность, плоскость поляризации излучения поворачивается в противоположную сторону. Поляризатор-анализатор воспринимает подходящее излучение как ортогональное и не пропускает его (рис.1 и 2а).
Рис. 2. Эволюция доменной структуры (а – плотная структура с равнотолщинными темными и светлыми полосами, б – истончение темных полос, в – вытягивание доменов, г - переход в коллапс)
Детальное изучение физических явлений, происходящих при взаимодействии магнитного поля с доменной структурой тонких намагниченных пленок ЖИГ с Bi, проводилось по наблюдениям под микроскопом МБС-10 с кратностью увеличения 32 и 64. Изменения доменной структуры наблюдались под воздействием постоянного магнитного поля при изменении напряженности поля и его направленности. Изображение видимой картины изменения доменов в поле микроскопа, под действием внешнего магнитного поля с вектором напряженности перпендикулярным к плоскости пленки, приведено на рис.2. Последовательность изменения картин на рис.2 (а, б, в и г) соответствует изменениям, происходящим в доменной структуре с ростом напряженности магнитного поля.
При увеличении напряженности магнитного поля с вектором поля перпендикулярным к плоскости пленки, изменения доменной структуры происходили в следующей последовательности:
1) Изменяется ширина полос - светлая часть увеличивается, темная уменьшается. Видимые картины перехода показаны на рис.2а и 2б. При смене направления поля на противоположное - наоборот, темная часть увеличивается, светлая уменьшается.
2) При некотором уровне напряженности магнитного поля происходит перестройка доменной структуры в сторону укрупнения линейных размеров доменов.
3) При дальнейшем увеличении напряженности поля домены становятся ленточными и появляется зона коллапса (ровное поле без доменов или с островками цилиндрических доменов, рис.2в).
4) При дальнейшем увеличении напряженности поля домены полностью исчезают, поле магнитной пленки становится равномерно светлым (рис.2г).
5) При изменении полярности магнитного поля, примерно при той же напряженности, поле магнитной пленки становится равномерно темным.
Последние явления свидетельствуют о том, что при достаточно большой напряженности магнитного поля электронные оболочки атомов ориентируются в одном направлении и угол вращения плоскости поляризации света за счет эффекта Фарадея становится одинаковым для всего поля магнитной пленки. Напряженность магнитного поля, соответствующая этому переходу соответствует напряженности поля коллапса. Последовательность изменения картин в поле микроскопа, приведенная на рис.2, соответствует последовательности вышеописанных эффектов, происходящих в доменной структуре при увеличении напряженности магнитного поля.
4. Конструкция датчиков и экспериментальная установка
Для волоконно-оптических датчиков (ВОД) напряженности магнитного поля и силы тока важно, чтобы соблюдалась линейная зависимость выходного оптического сигнала от уровня напряженности поля или силы тока. Для проверки линейной зависимости и оценки ошибок, связанных с нелинейностью и гистерезисом были изготовлены экспериментальные образцы волоконно-оптических датчиков для измерения напряженности магнитного поля и силы тока: М1, М2 и М3.
Конструкция чувствительной головки датчиков с волоконно-оптическими магистралями приведена на рис.3. Чувствительная головка состоит из следующих элементов: 1 – диск ГГГ с пленкой ЖИГ+Bi , 2 – поляроидная пленка (поляризатор), 3 - поляроидная пленка (анализатор), 4 – полиамидная опорная трубка, 5 и 6 – штекеры подводящего 7 и отводящего 8 оптических волокон, 9 и 10 – штекеры для подключения к излучающему и фотоприемному блокам.
Рис. 3. Конструкция сенсорного узла ВОД магнитного поля и тока (1 – чувствительный элемент, 2 и 3 - поляройдные пленки,4 – трубка из кварцевого стекла, 5 и 6 – направляющие оптических волокон 7 и 8, 9 и10 - штекеры для подсоединения к передающему и фотоприемному модулю)
В датчиках использованы образцы ЖИГ+Bi № 1, 2 и 3, в соответствии с номером датчика. Оптическая ось максимального светопропускания поляроидной пленки – анализатора была повернута относительно оси поляроидной пленки – поляризатора на угол 45° . Волоконно-оптические линии для датчиков М1 и М3 состояли из оптического кабеля длиной 10 м с подводящим и отводящим волокнами типа "кварц-полимер" (с диаметром световодной сердцевины 400 мкм). Волоконно-оптические линии для датчика М2 состояли из оптического кабеля длиной 30 м, причем подводящая линия была из волокна типа "кварц-полимер" с диаметром световодной сердцевины 250 мкм, а отводящая - с диаметром световодной сердцевины 400 мкм
Структурная схема испытательного стенда для проверки датчиков тока приведена на рис.4.
Рис. 4. Структурная схема стенда для проверки ВОД магнитного поля и тока
(1 – HeNe-лазер, 2 – микрообъектив,3 – позиционер, 4 и 6 –оптические волокна, 5 – сенсорный узел, 7 – фотоприемник, 8 – измерительно-индикаторный блок, 9 – катушка подмагничивания, 10 – амперметр, 11 – блок питания)
Стенд включает следующие элементы: 1 – гелий-неоновый лазер типа ЛГН-207А с выходной мощностью излучения 1 мВт на длине волны 633 нм, 2 – микрообъектив для фокусировки и ввода излучения в оптическое волокно, 3 - микропозиционер с втулкой для штекера датчика, 4 оптическое волокно, 5 – чувствительная головка, 6 – волокно с штекером для подвода излучения к фотоприемнику, 8 – измерительно-индикаторный блок прибора ОМК3-76, 9 – катушка подмагничивания, 10 – амперметр, 11 – блок питания постоянного тока. Катушка подмагничивания изготовлена из 1800 витков провода ПЭВ2 Æ0,35 мм, намотанного на цилиндрическом корпусе Æ10 мм длиной 50 мм.
5. Обсуждение результатов
Результаты измерений зависимости мощности оптического сигнала на выходном конце ВОД от силы тока в катушке подмагничивания для датчиков М1 и М2 приведены на рис.5. Аналогичные результаты для датчика М3 приведены на рис.6. На рис.5 и 6 одно из направлений тока в катушке подмагничивания принято за положительное, а другое – за отрицательное, что соответствует противоположным направлениям вектора напряженности магнитного поля, действующего на датчик. Экспериментально измеренные значения мощности оптического сигнала в зависимости от силы тока в катушке подмагничивания отмечены крестиками. Прямые линии определены методом наименьших квадратов. Средне-квадратическая ошибка аппроксимации для линий 1 и 2 (рис.5) составила не более 1% от мощности сигнала при максимальном светопропускании. Максимальные значения отклонений экспериментальных значений от апроксимационной прямой не превышали 2% для всех датчиков.
Рис. 5. Зависимость мощности проходящего излучения от тока в катушке подмагничивания для датчиков М1 (1) и М2 (2)
Как видно на рис.5, экспериментальные кривые, для датчиков М1 и М2, имеют линейную зависимость выходной мощности от силы тока в катушке. Для датчика М1 линейная зависимость выполняется в диапазоне от -400 до +320 мА. Для датчика М2 линейная зависимость выполняется в диапазоне от -360 до +420 мА. Эти диапазоны близки в связи с тем, что их чувствительные элементы изготовлены из образцов ЖИГ+Bi № 1 и 2 близких по своим параметрам. Отличия по интенсивности проходящего света (и наклона прямых) связаны с разной длиной волокон, различием их диаметров, потерями в оптических соединителях и с тем, что поляризаторы установлены под разными углами.
На рис.5 видно, что для датчика М1 при токе в цепи катушки подмагничивания равном -400 мА наступает коллапс доменной структуры и угол вращения Фарадея составляет -45°. Последнее приводит к полному гашению света выходным поляризатором-анализатором. При изменении тока от -400 до +340 мА наблюдается строго линейная зависимость выходной мощности оптического сигнала от тока в катушке подмагничивания. Количественная оценка отклонений от линейной зависимости показала, что отклонения не превышают 2%. Последнее значение вполне соответствует требованиям, предъявляемым к дистанционным измерителям-преобразователям.
При токе в катушке подмагничивания равном 340 мА напряженность магнитного поля в катушке достигает такой величины, при которой происходит коллапс доменов и угол вращения за счет эффекта Фарадея составляет +45°. Последнее приводит к почти максимальному пропусканию света через чувствительный элемент. Дальнейшее увеличение тока в катушке подмагничивания приводит к нелинейному увеличению интенсивности света на выходе датчика М1. Это связано с дальнейшим нарастанием угла поворота плоскости поляризации излучения и переходом её через область благоприятного пропускания поляризатора-анализатора.
Примерно аналогичная зависимость наблюдается у датчика М2 с набольшим смещением границ диапазона и наклона прямолинейного участка кривой (рис.6). Те же результаты получены для датчика М3. Линейный участок для этого датчика простирается от –350 до 450 мА. Более подробные закономерности можно видеть на рис.6.
Для оценки погрешности измерений, связанных с гистерезисом магнитной пленки чувствительных элементов проводились измерения зависимости светопропускания датчиков М1,М2 и М3 от силы тока в катушке подмагничивания при его постепенном уменьшении от +500 мА до 0 и от -500 мА до 0. Разница с данными, полученными при увеличении силы тока в катушке до предельных значений, и при уменьшении до нуля составляла не более 1%, при точности измерений прибором ОМКЗ-76 равной 0,1%. Т.е., для требования точности дистанционных измерений 2%, гистерезис практически не значим.
Полученные результаты измерений показывают, что перестройка доменной структуры, как плавная, так и с изменением формы доменов, не сказывается на усредненном изменении светопропускания и не вносит нелинейных искажений в линейную зависимость интенсивности выходного сигнала от силы тока. Более того, при смене направления тока наблюдается изменение оптического сигнала в сторону уменьшения при возрастании силы тока противоположного направления. Это позволяет сделать заключение о возможности применения датчика для определения как силы тока, так и его направления.
Можно также отметить, что изменение формы доменов не сказывается на усредненном по сечению светового пучка угле поворота плоскости поляризации (за счет эффекта Фарадея), возникающем при действии на пленку магнитного поля. Другим следствием исследований является то, что перестройка доменной структуры в ферритовой пленке ЖИГ с Bi связана с электронной перестройкой и практически не требует энергетических затрат. Это создаёт предпосылки применения подобных датчиков для измерения высокочастотных токов и быстрых изменений магнитных полей.
Для калибровки магнитного поля и установления связи между напряженностью магнитного поля и силой тока в катушке подмагничивания, применялась следующая формула [6]:
где J - сила тока, N - число витков, R – средний радиус витков, L -длина соленоида.
Катушка подмагничивания имела следующие параметры:
N = 1870 витков; R= 8 мм; L= 50 мм.
Подставив эти значения в формулу, получим: H » 2000×J А/м .
С другой стороны, учитывая что напряженность поля при коллапсе третьего образца составляла 175 Эрст, а ток при этом составлял 0,35 А, получим: H = К×J = 175 Эрст. при токе 0,35 А или К=500 Эрст/А.
Учитывая, что при коллапсе наступало полное просветление, найдем постоянную Верде, воспользовавшись формулой (1):
B = j/(H×Z) = 90°/(175 Эрст×30×10-6 м) =2×104 град/Эрст.м .
Сравнивая полученный результат с данными о постоянных Верде для других материалов [6], можно отметить, что для ЖИГ с Bi она на два порядка выше, чем у чистого ЖИГ. Этот результат согласуется с данными [12].
Анализируя установку для исследования датчиков тока, приведенную на рис.4, можно сделать заключение о больших возможностях датчика тока с катушкой подмагничивания. Изменяя число витков в катушке подмагничивания можно получить линейный участок для измерения силы тока как в пределах от –1до +1А, так и в пределах от –100 кА до +100 кА. Причем можно измерять как постоянные, так и переменные токи.
6. Заключение
Приведенные результаты исследований показывают большие возможности использования волоконно-оптических датчиков магнитных полей и токов с использованием в качестве сенсорного элемента тонких пленок ЖИГ с Bi. Измерители-преобразователи на их основе позволяют получать датчики дистанционного контроля с относительной точностью не хуже 2%. Сочетание катушки подмагничивания с отводками через определенное количество витков, через которую пропускается ток магистральной линии, позволяет изменять диапазон измерения силы тока от 100 мА до 100 кА. Для измерения сильных токов (более 1 кА) достаточно приложить датчик к токоведущей шине.
Установленный механизм изменения доменной структуры тонких магнитных пленок ЖИГ с Bi от напряженности магнитного поля и отсутствие влияния этих изменений на линейность светопропускания в зависимости от напряженности магнитного поля или силы тока показывает перспективность применения этих материалов в качестве сенсорных элементов. Наиболее целесообразно применение ВОД с подобными сенсорными элементами в условиях сильных электромагнитных наводок и помех, т.е. там, где требуется электромагнитная совместимость с электрическими цепями других устройств. Волоконно-оптические датчики необходимы и там, где требуется искро- и пожаробезопасность а также там, где необходим прямой контроль токов в высоковольтных тоководах.
Использование тонкопленочных сенсорных элементов позволяет делать их миниатюрными вплоть до размеров диаметра оптического волокна (250 мкм). Это дает возможность использовать их в труднодоступных местах и там где требуется исключить искажающее воздействие датчика на распределение поля. В частности такие датчики могут быть использованы для контроля электромагнитных полей ВЧ и СВЧ волноводов. По данным [8] магнитные пленки ЖИГ с Bi позволяют осуществлять модуляцию на частотах вплоть до 10 ГГц.
7. Список литературы
1. Корнеев Г.И., Красюк Б.А. Оптические системы связи и световодные датчики. М., "Радио и связь", 1985
2. Hamasaki Y. Et al. Optical fiber sensor of electromagnetic fields on BSO. / J. of Opt. Commun.1981, v. 2 , №1, с. 7-11.
3. Бусурин В.И., Носов Ю.Р. Волоконно-оптические датчики. М.: Энергоатомиздат, 1990, 310 с.
4. Волоконная оптика и приборостроение. / Под ред. М.М. Бутусова. Л.: Машиностроение, 1987.
5. Горчаков В.К., Куцаенко В.В., Потапов В.Т. Волоконно-оптические датчики электромагнитных полей на БГО и БСО. М.: Радиотехника. 1988, N8, 28.
6. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Пер. с яп. Л.: Энергоатомиздат, 1990, 312 с.
7. Световодные датчики. / Б.А. Красюк, О.Г. Семенов, А.Г. Шереметьев и др. М.: Машиностроение, 1990.
8. Tailor H.F. Application of Guided wave optics in signal processing and sensing. Proc. of the IEEE. 1989,11, v.75.
9. Мировицкий Д.И., Козлова Н.Д. Волоконно-оптические датчики. Сб. “Радиотехника. Тенденции и развитие”. М.: НИИЭИМ, 1990, №11, с.12.
10. Kersey Alan D. A review of resent developments in fiber optic sensor technology // Optical fiber technology. 1996. № 3. р. 291-317.
11. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Пер. с яп. М.: Мир. Т.1: Магнитные свойства веществ, 1987. Т. 2: Магнитные характеристики и практические применения, 1987.
12. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990, 320 с.
13. Берикашвили В.Ш., Мировицкий Д.И. Волоконно-оптические датчики-преобразователи параметров электромагнитных полей./ Ж. Датчики и системы, 1999, №1, стр. 40-45
 |
 |