автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.20, диссертация на тему:Измерительные преобразователи поляриметрического типа

На правах рукописи

Григорьев Валерий Анатольевич

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА (ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА)

Специальность 05.12.20 - оптические системы локации, связи и обработки информации

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2000

у Я

I

Работа выполнена в ГУЛ «Нави-Дале», Санкт-Петербург

Официальные оппоненты: д.т.н., проф. Л. А. Алексеев

д.т.н., проф. А. Л. Дмитриев д.т.н., проф. II. Л. Михеев

Ведущая организация - С.-Петербургский государственный технический университет

Защита диссертации состоится 2000 г. в часов

на заседании диссертационного совета Д 118.01.02 в Санкт-Петербургском государствешюм университете телекоммуникаций им. проф. М. А. Боич-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61.

/

л ь

о -

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета

Автореферат разослан

с^^^^Я^ 2000 г.

Ученый секретарь, д.т.н., проф.

В. Н. Гомзин

Ш 1-пг о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Проблема построения измерительных преобразователей (датчиков) занимает одно из центральных мест в теории и практике создания устройств измерения различных физических полей. Современная тенденция развития этих устройств заключается не только в улучшении их метрологических характеристик, но и в расширении эксплуатационных возможностей, к числу которых относятся: работа в условиях взрыво- и пожароопасных срсд, высоких уровней электромагнитных помех, дистанционные измерения. Перечисленными возможностями обладают оп-гоэлектронные и в особенности волоконно-оптические преобразователи и устройства на их основе. В рамках этого широкого круга существуют преобразователи, структура которых и вытекающие из нее специфические подходы при обработке сигнала измерительной информации, позволяют рассматривать такие преобразователи, как отдельный тип оп-тоэлектронных преобразователей. Эти преобразователи, которые по нашему мнению следует называть преобразователями поляриметрического типа, используют уникальные свойства некоторых оптических сред изменять состояние поляризации оптического излучения под влиянием ряда физических воздействий: магнитных и электрических полей, механических напряжений, температуры и т.д. Такого рода преобразователи и являются объектом исследований данной диссертационной работы.

Анализ существующих преобразователей физических полей поляриметрического типа позволяет сделать вывод, что есть три направления исследований и разработок устройств, где уже очевидны успехи преобразователей поляриметрического типа и возможен дальнейший прогресс в их исследованиях и разработках. К этим направлениям следует отнести измерение слабых и средних магнитных полей в звуковом и инфранизкочастотном диапазоне, включая нулевые частоты; построение прецизионных преобразователей электрического тока и напряжения для систем защиты и телемеханики высоковольтных электрических подстанций; измерение давления (особенно гидростатического) в широком диапазоне измеряемых величин. Именно эти направления исследований позволяют рассчитывать на создание устройств, конкурирующих с традиционными преобразователями или превосходящих их по ряду метрологических и эксплуатационных характеристик.

Преобразователи магнитного поля поляриметрического типа на основе прозрачных магнитооптических материалов помимо малой температурной зависимости коэффициента преобразования привлекают простотой и надежной конструкцией. Есть все предпосылки для создания

устройств для измерения магнитных полей с порогом чувствительности 0,1 - 0,01 нТл в области инфранизких частот и не хуже 1,0 мкТл при измерении постоянных полей, что сравнимо с аналогичными параметрами лучших традиционных устройств.

Особые перспективы сулит применение поляриметрических преобразователей для измерения тока на высоковольтных электрических подстанциях. Волоконно-оптические преобразователи электрического тока на основе преобразователей поляриметрического типа имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными устройствами (трансформаторами тока):

а) их изолирующая система свободна от масла и газа, что в итоге оборачивается взрывобезопасной, компактной, легкой, простой в эксплуатации и экологически чистой конструкцией;

б) возможность полностью диэлектрической связи в виде оптических волокон между первичным преобразователем и оптоэлектронным блоком, находящимся в диспетчерской, эффективно устраняет влияние электромагнитных помех на электронную схему обработки;

в) одним из важнейших преимуществ является способность обеспечивать несколько электронных выходов. Добавочные платы опто-электронного блока не приводят к деградации выходных сигналов. Проблема вторичной нагрузки трансформатора исчезает. Таким образом, интерфейс волоконно-оптического трансформатора тока совместим как с традиционными средствами и приборами, так и с компьютерными системами, и значительно расширяет диапазон применений трансформатора в составе информационно-измерительных систем, систем защиты и т.д.;

Интенсивные исследования и разработки в области построения преобразователей давления поляриметрического типа связаны с большими потенциальными возможностями этих преобразователей. К числу отличительных особенностей устройств на их основе, являющихся преимуществами по сравнению с традиционными преобразователями (например, мембранного тина) относятся:

а) отсутствие подвижных механических частей в конструкции преобразователя;

б) отсутствие гистерезиса чувствительного элемента;

в) потенциально чрезвычайно широкий диапазон измеряемых величин (ограниченный областью упругих деформаций чувствительного элемента).

Широкое внедрение измерительных преобразователей поляриметрического типа сдерживается недостаточным развитием теоретических основ их построения, а также способов практической реализации устройств на их основе.

Цели и задачи исследований

Целью настоящей диссертации является исследование и разработка теоретических основ построения измерительных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей в интересах создания устройств нового поколения на базе оптоэлек-троники и волоконной оптики с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для использования в технике передачи и обработки информации, приборостроении, энергетике и других отраслях промышленности (в том числе оборонной).

Успешное решение этой важной научно-технической задачи позволяет обеспечить постоянно возрастающий спрос на измерительные преобразователи и устройства, которые наряду с высокими метрологическими характеристиками обеспечивают работу в условиях взрыво-, пожароопасных, агрессивных сред и в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:

1) разработать теоретические основы принципа построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей, обеспечивающего достижение широкого диапазона измеряемых величин, высокой чувствительности и минимального порога чувствительности;

2) разработать принцип построения оптической схемы преобразователя и метод измерения, направленные па предотвращение влияния возмущающих воздействий на оптические волокна с целью создания волоконно-оптического преобразователя постоянных физических полей;

3) создать математическую модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов, включающую: исследование факторов, влияющих на основные характеристики преобразователя; решение прямой математической задачи, т.е. получение математического выражения для функции (коэффициента) преобразования, порога чувствительности; определение диапазона измеряемых величин.

4) экспериментально проверить разработанные теоретическую модель и принципы построения преобразователей поляриметрического типа, а также выявить факторы, определяющие потенциальные возможности поляриметрических преобразователей физических нолей и ограничивающих их основные характеристики;

5) разработать способы практической реализации устройств, основанные на теоретических и экспериментальных результатах диссертационной работы.

Научная новизна

Научная новизна, нолученных в диссертационной работе результатов, состоит в следующем:

• экспериментально установлено влияние поля звуковой и ультразвуковой частоты, приложенного к магнитооднооспой пленки феррита-граната (чувствительного элемента), заключающееся в значительном снижении порога чувствительности преобразователя магнитного поля поляриметрического типа;

• впервые исследованы ранее не обсуждавшиеся в литературе спектры магнитного шума (скачки Баркгаузена), возникающего при возбуждении доменной структуры пленок ферритов - гранатов переменным полем звуковой и ультразвуковой частоты;

• впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены математические соотношения для коэффициента преобразования, порога чувствительности преобразователя магнитного поля на основе магнитоодноосных пленок ферритов-гранатов;

• разработан оригинальный принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на использовании невзаимного элемента - магнитооптического ротатора;

• разработаны теоретические основы универсального принципа построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерения сигнала, обеспечивающего создание измерительных преобразователей и устройств на их основе с широким диапазоном измерений и высокой чувствительностью;

• разработаны способы реализации преобразователей различных физических полей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока, гидростатического давления.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования легли в основу разработок и внедрения в промышленность устройств на основе преобразователей физических полей поляриметрического типа:

• магнитометров и индикаторов и магнитных полей;

• измерителей электрического тока ИТ-1, ВОТТ-1, индикатора напряжения ИН-1 для высоковольтных электрических подстан-

ций с напряжением 110-330 кВ, датчика электрического тока в комплекте системы дуговой защиты «ОВОД» для необслуживаемых электрических подстанций;

• измерителя гидростатического давления ИГТ-1;

• датчика нажатия пантографа электропоезда на токоведущий провод контактной сети железной дороги.

Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на:

Всесоюзных конферет^иях: 2-ой и 3-ей научно-технических конференциях «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Ленинград, 1984; Таллинн, 1987); 4-ой конференции «Световодные системы связи и передачи информации» (Москва, 1984); 5-ой конференции «Волоконно-оптические системы передачи» (Москва, 1988); 3-ей конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван, 1987);

XIV Научно-техпической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (Москва, 2000);

семинарах: на краткосрочном семинаре «Применение лазеров в промышленности в свете решений XXVII съезда КПСС» (Ленинград, 1987); 2-ом научно-техническом семинаре «Микроэлектропные датчики» (Ульяновск, 1988);

на международных конференциях: First International Soviet Fiber Optics Conference (Leningrad, USSR, 1991); Internationa! Conference «Gradient-index Optics in Science and Engineering» (Warsaw, Poland, 1995).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 37 работах, включающих 1 монографию и 9 авторских свидетельств СССР.

Основные научные положения, выносимые па защиту

1. Математическая модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов, содержащая теоретические соотношения для расчета и оптимизации основных метрологических характеристик преобразователя;

2. Принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на применении в оптической схеме преобразователя магнитооптического ротатора, по-

зволяющий производить измерение переменных и постоянных физических полей в присутствии возмущающих воздействий: дрейфа световой мощности излучателя, потерь световой мощности на микро- и макроизгибах подводящих оптических волокон, изменений температуры окружающей среды;

3. Универсальный принцип построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей, в том числе постоянных, с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне.

4. Способы реализации и конструкции устройств на базе измерительных преобразователей физических полей поляриметрического типа, разработанные в процессе выполнения работы и основанные на ее теоретических и экспериментальных результатах.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, содержащих оригинальные научные результаты, заключения, содержащего основные результаты и выводы работы и списка цитируемой литературы.

Общий объем диссертации 265 стр., включая 217 страниц текста, 69 графиков, рисунков и таблиц. Список цитируемой литературы содержит 216 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цели и задачи исследования, приведены основные научные результаты, определены их научная новизна и практическая ценность, сформулированы выносимые на защиту научные положения, рассмотрены вопросы апробации работы, практической реализации и публикации ее результатов. Заканчивается введение структурой и кратким содержанием работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы, включающий классификацию существующих оптоэлектронных преобразователей, структуру и анализ основных компонентов оптоэлектрон-ной схемы преобразователей поляриметрического типа; рассмотрены основные физические эффекты, лежащие в основе принципа действия преобразователей; представлен обзор современных достижений в разработке преобразователей поляриметрического типа и устройств на их основе для измерения магнитных полей, электрического тока и напряжения, давления; определены направления основных исследований.

Существует множество вариантов классификации оптоэлектронных

преобразователей физических полей.

В настоящей главе показано, что, если в качестве критерия выбрать результат воздействия измеряемого физического поля на чувствительный элемент преобразователя, то все многообразие оптоэлектронных преобразователей, по мнению автора, можно разбить на три категории:

1) преобразователи амплитудного типа;

2) фазовые;

3) поляриметрические.

В преобразователях первого типа результатом воздействия измеряемой величины на чувствительный элемент преобразователя является амплитудная модуляция излучения в оптическом канале (в том числе волоконном).

К оптоэлектронным преобразователям с фазовой модуляцией, большинство из которых являются волоконно-оптическими преобразователями, относятся различного рода интерферометры.

В преобразователях поляриметрического типа внешнее физическое поле изменяет или индуцирует анизотропию оптических свойств материала чувствительного элемента, что неизбежно приводит к изменению состояния поляризации распространяющегося по оптическому каналу света. Термин «поляриметрический» кажется автору более предпочтительным, чем «поляризационный», хотя последний довольно часто встречается в литературе. Понятие «эллипсометрия пропускания» или «поляриметрия» чаще всего используется при измерениях оптического вращения, кругового дихроизма или индуцированной оптической анизотропии: фотоупругости, эффектов Фарадея, Керра и Коттон-Мутона. Изменение состояния поляризации света на выходе анализатора приводит к аналоговой модуляции интенсивности света в оптическом канале преобразователя.

Блок-схема преобразователя поляриметрического типа представлена на рис. 1.

Несомненное преимущество таких преобразователей - применение в их оптоэлектронной схеме недорогих и надежных компонентов, таких, как светоизлучающие диоды ближнего инфракрасного диапазона, обладающие низким уровнем амплитудных шумов, и многомодовые оптические волокна.

оптический капал

х, + л;

Рис. 1. Блок-схема оптоэлсктронпого преобразователя поляриметрического типа.

1 - источник света, 2- поляризатор, 3- фазовая ила стинка; 4 - чувствительный элемент; 5- анализатор; 6-фотоприемник, Х[ + Х„ - измеряемая физическая величина

В главе рассмотрены и проанализированы компоненты оптической схемы первичного преобразователя. Поляризаторы на основе многослойных интерференционных покрытий и кварцевые фазовые пластинки являются оптимальными элементами для подобного рода преобразователей.

Здесь получены также рекомендации по выбору материалов чувствительного элемента преобразователя:

- при измерении постоянных и инфранизкочастотных слабых и средних но величине магнитных полей (электрических токов) вне конкуренции находятся эпитаксиальные В^содержащие монокристаллические пленки ферритов-гранатов, обладающие большими величинами эффекта Фарадея и высокой термостабильностью;

- диамагнитные стекла, а также кристаллические соединения тина В50(В1128Ю2о) и гпЯе наиболее оптимальны при создании поляри-метричских преобразователей сильных магнитных полей как постоянных, так и переменных (в том числе импульсных).

- монокристаллы ВБО являются наиболее предпочтительным материалом для чувствительного элемента преобразователей напряженности электрического поля, как с точки зрения параметров эффекта Пок-кельса, так и с точки зрения температурных свойств;

- наиболее популярными материалами для чувствительного элемента преобразователей давления являются плавленый кварц и оптические

стекла, коэффициенты Брюстера которых лежат в пределах 10"ич-10"12

На оспове анализа состояния проблемы определены основные направления исследований, направленных на достижение цели диссертационной работы:

1.Разработка математической модели преобразователей поляриметрического типа на основе эпитаксиальных В^содержащих монокристаллических пленок ферритов-гранатов;

2.Теоретические и экспериментальные исследования по созданию новых принципов построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей;

3.Разработка способов реализации устройств на основе преобразователей поляриметрического типа.

Во второй главе диссертации представлена математическая модель преобразователя поляриметрического типа на основе прозрачных маг-нитоодноосных эпитаксиальных пленок ферритов-гранатов.

Важнейшую роль в разработке математической модели играет математический аппарат. В качестве последнего в настоящей работе выбран формализм матриц Мюллера. Обоснованность выбора заключается, прежде всего, в том, что только метод Мюллера может быть использован для решения деполяризационных проблем, свойственных реальной оптической системе, и что вектор Стокса, используемый здесь, позволяет получить на выходе оптической системы интенсивность излучения, которая непосредственно измеряется в ходе эксперимента.

Установлено, что наложение вспомогательного перпендикулярного магнитного поля к магнитоодноосной пленке феррита-граната снижает порог чувствительности преобразователя поляриметрического типа до значений порядка у (10~5 Э) и ниже. Эффект от приложения вспомогательного поля заключается в том, что это поле «снимает» статическую козрцитивность и существенно (на несколько порядков) снижает порог реагирования доменных границ на внешнее измеряемое магнитное поле до уровня, соответствующего результирующему шуму оптоэлектронпой схемы преобразователя. Кроме того, вспомогательное осциллирующее поле приводит к линеаризации фотоотклика на измеряемое поле.

В работе получено следующее выражение для мощности света Рг, падающей на площадку фотоприемника преобразователя:

м2/Н.

с [(1 + лг)сь2гг1г + (1 + ^г)со5 2^? соб2^] с Н-------1—

+ -^(1-К)~&т2в ып2<р, (1)

2

2

2

где с - коэффициент, учитывающий общие потери при прохождении света через поляриметрический преобразователь; К - коэффициент, ой-

рсделяемый как отношение пропускания скрещенной пары поляризатор - анализатор к пропусканию параллельной пары; - мощность источника света; Ер- эллиптичность, как следствие магнитного кругового дихроизма; 0 - угол между поляризатором и анализатором; (р - угол поворота плоскости поляризации света после прохождения магнитного домена; А5 - изменение площади доменов под действием амплитуды внешнего магнитного поля Н, направленного перпендикулярно магни-тоодноосной пленке; 5 - площадь пленки.

Известно, что

(2)

где Мх - намагниченность насыщения магнитного образца, а М - намагниченность образца под действием поля Я.

При амплитудах воздействующего поля, меньших (поле

насыщения), зависимость М!М$ линейна от Я, т.е.

О)

хн,

где безразмерный коэффициент % определяется магнитостатихсой образца (0 < £ < 1).

Таким образом, выражение (1) с учетом (2) и (3) является функцией преобразования магнитного ноля на основе магнитооптического монокристалла с анизотропией «легкая ось» и решением прямой задачи математического моделирования.

Здесь же получены математические соотношения, определяющие порог чувствительности преобразователя в случае ограничения шумом источника излучения и дробовым шумом фотоприемника. Так для некоторого угла

дтт = ^ агссо.я

АГ-1ч)соз2р

К+\) сЬ2гк

(4)

соответствующего минимально достижимому значению порога чувствительности, последний можно представить в виде:

бш2 <р

1 + К_ \-К

сЪ22ее -соз22<р

(5)

где угш - спектральная плотность относительного шума источника света [Гц-1], Д/- полоса пропускания электронного тракта.

Для в = тс/4, т.е. для угла, соответствующего максимальному коэффициенту преобразования,

Результаты экспериментальной проверки полученных соотношений на частоте 1 кГц представлены в таблице 1.

Рабочим материалом чувствительного элемента преобразователя служили эпитаксиальные пленки - содержащих гранатов, а источником света с амплитудным шумом - НеЫе лазер: д/т^А = 8-10-5 на частоте сигнала 1000 Гц в полосе А/~- 30 Гц. Уровень относительного дробового шума фотоприемника вызванного протеканием фототока 1ф, был почти на два порядка ниже. В качестве поляризатора и анализатора использовались кальцитовые призмы (К = 3-10~5), а частота вспомогательного («подмагничивающего») переменного поля была равна 200 кГц.

Анализ полученных результатов показывает хорошее совпадение экспериментальных и теоретических значений порога чувствительности.

Таблица 1.

Экспериментальные и теоретические значения порога чувствительности

Характеристики Образец 1 Образец 2 Образец 3

#5 - 5,5 Э, г = 0,45 Н* = 11 э, X = 0,59 Н* = 15 Э, х = 0,7

Я, мкм 0,63 0,94 0,63 0,94 0,63 0,94

<Р, град 7,5 1,5 6,0 1,5 3,0 0,7

рад 0,089 0,023 0,081 0,019 0,063 0,017

3,2-10~4 - 1,0-10"3 - 1,9-10 3 -

(3,0-10 4) (7,9-10"4) (1,4-10 3)

#„,„(45°), Э 1,3-Ю-3 3,6-10"5 3,8-10 3 9,1-Ю"5 1,2-10"2 3,4-10"4

(1,1-Ю-5) (3,0-10"') (3,5-Ю"3) (7,7-10"') (1,Ы0"2) (2,7-Ю"4)

Примечание. В скобках приведены расчетные значения.

Представлены результаты исследований амплитудного шума свето-диодов. Показано, что и на частотах порядка единиц Гц полупроводниковые светодиоды имеют сравнительно низкий уровень шума (-133

дБ/Гц при/-2 Гц). Частотная зависимость амплитудного шума подчиняется закону / ~ Р, где Р < 0,5 во всем анализируемом диапазоне частот. На частотах, превышающих несколько кГц, амплитудный шум свето-диода приближается к теоретическому значению дробового шума порядка -156,5 дБ/Гц (для данного уровня мощности света, падающего на площадку фотоириемника).С увеличением тока накачки /„ светодиода абсолютное значение флуктуации оптической мощности возрастает, однако относительный шум Ы, который определяет минимальный детектируемый сигнал, падает. Таким образом, оптимальным с этой точки зрения режимом работы светодиода является накачка максимально допустимым током. Следовательно, само по себе использование светодиода в качестве источника излучения существенно снижает порог чувствительности преобразователя. Из полученных результатов (табл.1) видно, что, несмотря на меньшие значения фарадеевского вращения на длине волны излучения светодиода (0.94 мкм), в последнем случае получены лучшие результаты по порогу чувствительности.

Если порог чувствительности ограничен дробовым шумом фотоприемника, то в этом случае для в~ 45° нетрудно показать, что

Я= 2

ч!.2

1 + /ПсЬ2£-,

1 - К ) $т2<р

т-хН%, (7)

где с - заряд электрона, Я). - токовая чувствительности, Рф - уровень засветки фотоприемника, который описывается первым слагаемым в соотношении (1).

Из (7) видно, что для не шумящего источника главным резервом в снижении порога чувствительности наряду с увеличением падающей на фотоприемник мощности света является уменьшение отношения XII Бт2 (р.

Представлены результаты исследования низкочастотного магнитного шума (скачков Баркгаузена) магнитооптических пленок ферритов-гранатов при наложении вспомогательного магнитного поля. Очевидно, что при слабо шумящем источнике и электронной схеме фотонриемни-ка влияние магнитного шума на величину порога чувствительности может стать определяющим. Исследования магнитного шума подтвердили, что в инфранизкочастотном диапазоне магнитный шум подчиняется / закону, где а < 1, причем, увеличение частоты подмагничивающего поля приводит к существенному снижению магнитного шума. Отчетливо выраженный характер «фликкер - шума» объясняется тем, что возмущающее магнитное поле вызывало не только осцилляции доменных границ, но и беспорядочные, сравнительно медленные трансляции магнитных доменов. Увеличение частоты возмущающего магнитного поля

приводит к значительному снижению магнитного шума.

В случае преобладания магнитпого шума порог чувствительности преобразователя можно представить в виде

где у\ - спектральная плотность магнитного шума.

Приведены результаты исследований магнитооптики многослойного чувствительного элемента. В этом случае световой поток на выходе чувствительного элемента становится неоднородным по углу поворота плоскости поляризации отдельные компоненты потока образуют веер значений <рх, кратных <р, симметричный относительно ^ = О, причем, если число слоев нечетное, то в этом спектре отсутствует составляющая с 0.

Было показано, что вероятности появления соответствующих потоков с данным фарадеевским углом вращения подчиняются биномиальному закону: С\, ркд^ ~к, q = 1- р (к = 0, 1,2, ..., ЛО, где р- вероятность осуществления события в отдельном опыте, а С* = №/к\(Ы-к)\- биномиальные коэффициенты, которые могут быть последовательно определены из так называемого треугольника Паскаля. В пашем случае р = 1/2, что означает равновероятное появление разнополярных доменов, а отдельные компоненты светового потока за многослойным образцом, характеризуемые <р%, будут задаваться вероятностями С* /2Л , где N - число слоев.

В работе было получено следующее соотношение для изменения светового потока 8Ф при воздействии на стопу из N пленок магнитного поля Н:

где А-Н/{2хН3), Фо - падающий на образец поток плоско поляризованного света, а с помощью коэффициента с учитываются оптические потери.

На рис.2 представлены теоретические кривые для нормированного выходного сигнала в случае однослойного чувствительного элемента и выходного сигнала многослойного чувствительного элемента, как функций параметра И, где в первом случае N определяет кратность увеличения толщины пленки относительно ее начального значения, а во

(8)

8Ф = сФ0

^-ОзЧя+^-гл)?], (9)

втором случае определяет число составляющих чувствительный элемент пленок.

Рис.2. Выходной сигнал магнитооптического преобразователя.

1 - для однослойного чувствительного элемента, 2 - для многослойного чувствительного элемента.

В качестве параметров эпитаксиальной гранатовой структуры были взяты экспериментальные зпачения для одного из В ¿-с о держащих составов. Из графиков отчетливо видно преимущество многослойного чувствительного элемента, при котором выходной сигнал преобразователя растет практически линейно вплоть до N — 4. Максимальный выигрыш в сигнале в случае многослойного элемента по отношению к одной пленке того же состава превосходит 4,5 раза при N = 12.

Полученные в настоящей главе результаты исследований математических задач предлагаемой модели, подтвержденные экспериментально, позволяют оптимизировать основные параметры преобразователей магнитных полей поляриметрического типа. Полученные значения порога чувствительности дают основания для создания преобразователей магнитных полей, не уступающих лучшим традиционным устройствам.

В третьей главе диссертации представлен оригинальный принцип построения волоконно-оптического преобразователя поляриметрического типа различных физических полей (иифранизкой частоты и постоянных) на основе магнитооптического ротатора.

Волоконно-оптические преобразователи, принцип действия которых основан на измерении интенсивности света, подвержены влиянию мешающих воздействий, ухудшающих их метрологические характеристики. К числу таких воздействий в первую очередь следует отнести колебания температуры и механические возмущения оптических волокон,

входящих в состав преобразователей. Первые приводят к дрейфу характеристик компонентов преобразователей, вторые же вызывают изменение потерь в волокнах, оптических соединителях и других элементах оптической схемы преобразователей. Когда же частотный спектр измеряемого сигнала и помехи совпадают, высокоточное измерение полезного сигнала становится достаточно сложной задачей, особенно при измерении инфранизкочастотных и постоянных сигналов.

Традиционная оптическая схема таких преобразователей требует наличия двух выходных оптических волокон, отклики которых на мешающие воздействия лишь в первом приближении можно считать идентичными. Если упомянутый недостаток в какой-то степени может быть устранен укладкой выходных волокон в одном оптическом кабеле, то последствия воздействия температуры на элементы конструкции преобразователя при наличии двух оптических выходов компенсировать гораздо сложнее.

Построить оптическую схему поляриметрического преобразователя с одним волоконно-оптическим каналом для двух сигнальных световых потоков можно, используя невзаимный элемент - магнитооптический ротатор. Последний представляет собой памагниченный до насыщения ферримагпитный материал, помещенный внутри постоянного магнита.

Эта схема представляет собой следующую цепочку оптических устройств: поляризатор - ротатор - пластина Х/4 с нулевым азимутом -чувствительный элемент, полезный сигнал в котором индуцирует дву-лучепреломление с быстрой осью, ориентированной под углом ж/4 к оси х - анализатор с нулевым азимутом.

Показано, что интенсивность света на выходе цепочки описывается выражением вида:

/, = -^-(1 + ъо&вьоъдсо&ф +5т20со5(55т29> - ^

-соз208т<5зт29> + зш2#5т<5со52^>),

где /о - интенсивность неполяризованного света на входе цепочки элементов; в - азимутальный угол между поляризатором и анализатором; р - угол поворота плоскости поляризации света на выходе ротатора.

Если неполяризованный свет той же интенсивности 10 пропустить через ту же цепочку оптических устройств в обратном направлении, то интенсивность света на выходе цепочки элементов при данном направлении света можно записать в виде:

/2 -^-(1 + со^,20со5дсо52<р + со^Ю бикУ $т2(р -- соэ5 $т2(р + бш8 соэ2<р).

(И)

Функция У, равная частному от деления разности вышеупомянутых интенсивностей 12 и /1 на их сумму:

будет равна индексу модуляции традиционного преобразователя поляриметрического типа с наведенным двулучепреломлением при в = 0 и <р = 45°, т.е. У^вт^. На рис. 3 представлена оптическая схема преобразователя поляриметрического типа, содержащего магнитооптический ротатор и имеющая один приемо-передающий волоконно-оптический канал. В этой схеме излучение источника 6 с помощью направленного волоконно-оптического разветвителя делится пополам между выходами. Каждый из потоков в свою очередь поступает на один из входов волоконно-оптических смесителей (1 и 7). Световой поток, поступающий на вход смесителя 7, пройдя через элементы первичного преобразователя 12-16, находящиеся в разрыве волоконно-оптического канала, поступает на чувствительную площадку фотодиода 3. Световой поток на входе смесителя 1, пройдя тот же самый оптический путь, но в противоположном направлении, попадает на фотодиод 9. Таким образом, возмущения, действующие на приемо-передающий канал и вызывающие модуляцию световых потоков, оказывают одинаковое мультипликативное воздействие па каждый из световых потоков и могут быть устранены обработкой по алгоритму (12). Все вышесказанное - и это чрезвычайно важно, - относится к возмущениям, воздействующим на элементы конструкции преобразователя, содержащего чувствительный элемент.

В случае высокой термостабильности пассивных элементов оптической схемы преобразователя главным источником дополнительной погрешности преобразователя могут стать различные температурные зависимости токовой чувствительности фотодиодов 3, 9, находящихся в блоке обработки преобразователя. Последнее, однако, может быть сравнительно легко устранено с помощью термостатирования.

Таким образом, предлагаемый здесь метод позволяет производить детектирование сигнала измерительной информации в преобразователе поляриметрического типа на фоне возмущений, диапазон которых совпадает с частотным диапазоном сигнала.

У =

/г-7, _ 5ш2р5ш(£-20) /2+/, 1 + соэ 2<р со$(3 - 26)

1

(12)

16 15

17

ш

14 сЬ

13 ИТ]

12

ы-

и

10

на вход сигнального процессора

на вход сигнального процессора

Рис. 3. Блок-схема преобразователя поляриметрического типа, содержащего магнитооптический ротатор.

1, 4, 7 - волоконно-оптические разветвители; 2, 5, 8 - входы разветвителей; 3, 9 - фотодиоды; 6 - источник света; 10, 18 - подводящие оптические волокна; 11, 17 - линзы; 12 - поляризатор; 13 - ротатор; 14 - четвертьволновая пластинка; 15 - чувствительный элемент; 16 - анализатор.

Анализ получепных соотношений показывает, что определяющим в температурной зависимости выходного сигнала преобразователя, а, следовательно, дополнительной погрешности, является термостабильность фарадеевского вращения магнитооптического ротатора. Критерием термостабильности магнитооптического вращения материала обычно является параметр у = {дф/дТУр~*.

Устаповлено, что для материала ротатора с далеко не рекордной термостабильностью 3-Ю-4 "СГ1 дополнительная погрешность не превышает 0,05%/ °С. Необходимо отметить не столь сильное, как следовало бы ожидать, влияние точности изготовления четвертьволновой фазовой пластинки.

Предлагаемый принцип построения поляриметрических преобразователей имеет чрезвычайно важное преимущество перед большинством известных способов построения оптических схем аналогичных преобразователей. Это отличие заключается в практически полпом исключении влияния конструкции первичного преобразователя (включая подводящие волокна оптического канала). Характеристики термостабильности ряда гранатовых эпитаксиальных структур, представленные в первой главе настоящей диссертации, позволяют рассчитывать на получение

дополнительной погрешности порядка 0,01%/ °С, обеспечивая, таким образом, хорошие перспективы практического использования предлагаемого принципа построения поляриметрического преобразователя.

В четвертой главе представлены результаты разработки теоретических основ универсального принципа построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерения сигнала.

Рассмотрим оптическую схему преобразователя поляриметрического типа, представленную на рис. 4. В се состав входит поляризатор 1, четвертьволновая пластинка 2, чувствительный элемент 3 с наведенным под действием физического поля двулучепреломлением и анализатор 4. Азимутальный угол анализатора по отношению к быстрой оси чувствительного элемента равен я/4 рад.

Пусть азимут поляризатора по отношению к анализатору равен произвольному углу в, а быстрая ось пластинки повернута относительно анализатора на угол а. С целью получения выражения для интенсивности света на выходе преобразователя традиционно воспользуемся формализмом матриц Мюллера. Вектор Стокса светового потока на выходе упомянутой оптической схемы имеет вид

Б^Авдрз,, (13)

где во- вектор Стокса падающего неполяризованного света с интенсивностью 1о', Р - матрица линейного идеального поляризатора в декартовой системе координат, ориентированного иод углом в к оси х; <2 - матрица Л/4 - пластины, быстрая ось которой ориентирована под углом а к оси х, В - матрица, описывающая в данном случае чувствительный элемент и представляющая собой матрицу Мюллера фазосдвигающей пластинки с фазовой задержкой б и быстрой осью под углом у к оси абсцисс; А - матрица линейного идеального анализатора, направленного по оси X.

Детальный анализ результата вычислений по формуле (13) показал, что наиболее интересный результат может быть получен в том случае, когда оси индуцированного двулучепреломления чувствительного элемента ориентированы под углом л/4 к оси х. Тогда выражение для интенсивности на выходе преобразователя приобретает следующий вид:

1 = + со$3 соб2а со$(20 -2а) + бшЯ зт(26> -2а)]. (14) 4

Рис.4. Оптическая схема преобразователя поляриметрического типа.

1 - поляризатор; 2 - фазовая пластинка Х/4; 3 - чувствительный элемент, 4 - анализатор.

Из последнего видно, что при а = я/4 и 9 = 0 или я/2 мы получаем известное выражение для интенсивности света на выходе преобразователя поляриметрического типа с двулучепреломляющим чувствительным элементом:

/ = ^-(1±ят5). (15)

4

Когда направление быстрой оси пластинки Я/4 совпадает с направлением пропускания анализатора, т.е. а - О, выражение (14) приобретает вид

/ = ^-[1 + со8(20-<5)]. (16)

Из последнего соотношения следует, что зависимость интенсивности как от 8, так и от в - синусоидальная. Если азимут поляризатора изменяется но закону 0 = ал!2, т.е. плоскость поляризации света на входе чувствительного элемента вращается с частотой а/2, то фазовый сдвиг 8, возникающий в чувствительном элементе между двумя ортогональными поляризованными световыми колебаниями под действием измеряемого сигнала, будет одновременно являться фазой гармонического низкочастотного колебания с частотой от.

4 4

В случае линейного закона изменения фазового сдвига 5 под действием измеряемого сигнала, как то эффект Поккельса, упругооптический эффект, температурная зависимость 8, мы получаем возможность фазового метода измерения сигнала в диапазоне изменения фаз 0 2 6 < 2л рад. А если учитывать периодичность, то теоретический динамический диапазон измерения расширяется до бесконечности. Упомянутые выше вариации интенсивности света на входе фотоприемника, а также температурная зависимость токовой чувствительности последнего при данном методе детектирования сигнала не должны сказываться на результатах измерения.

Непрерывное изменение азимута линейно поляризованного света при помощи вращающегося поляризатора или анализатора не может быть использовано в волоконно-оптическом преобразователе, который должен быть свободен от механической и кондуктивной связи между первичным преобразователем и остальной частью устройства. В этом случае, как показано в настоящей главе, результат, аналогичный низкочастотному вращению плоскости поляризации света, может быть достигнут суперпозицией трех коаксиальных коллимированных пучков поляризованного света от трех некогерентных источников. Плоскости поляризации света в пучках образуют между собой углы 2я/3 рад, а их интенсивности промодулированы гармоническими колебаниями с частотой со, сдвипутыми между собой по фазе на 2тс/3 рад.

Результирующая интенсивность света на выходе преобразователя может быть определена суммированием иптенсивностей трех упомянутых пучков. Интенсивность света в каждом из пучков на выходе преобразователя определяется по формуле (16) при в=-{п-\)(2п/Ъ) и с учетом интенсивности неполяризованного света на входе преобразователя, равной (1п/2)$ + со$(о(+(п-\)(2л:/Ъ)]}, п = 1, 2, 3. Результирующая интенсивность на выходе преобразователя описывается тогда соотношением

3

7=£(/ /8){1 + со!,[(п-1)4п/3-¿]}{1 + соз[®Г+ (п- 1)2л/3]}. (18)

п п=1

Если /п = /о , то суммирование приведет к результату в виде:

Г ={Ъ1Щ10со%{(о1-8) (19)

для переменной компоненты на выходе преобразователя. Правая часть последнего уравнения аналогична второму слагаемому из соотношения

Таким образом, можно придти к заключению, что результат действия такого трехкомионентного источника аналогичен излучению источника линейно поляризованного света, плоскость поляризации которого вращается с частотой е>/2.

Оптическая схема, представленная на рис. 3, применима к упругооп-тическому или электрооптическому преобразователю. Доказана также возможность применения настоящего метода и в случае поляриметрического преобразователя фарадеевского типа, что распространяет фазовый метод измерения сигнала практически на весь класс преобразователей физических полей поляриметрического типа.

В главе показаны также возможности фазового метода при измерении фарадеевского вращения в присутствии двулучепреломлепия. Известно, что в идеальных диамагнетиках, таких как диамагнитные стекла, эффект Фарадея не зависит от температуры. Однако напряжения, возникающие в процессе механической обработки этих материалов, индуцируют двулучепреломление, являющееся функцией температуры. Последнее обстоятельство приводит к росту дополнительной погрешности таких устройств, как волокопно-оптические трансформаторы тока. Применение же настоящего принципа построения преобразователя с использованием фазового метода измерения сигнала приводит к снижению дополнительной погрешности до величин в пределах ±0,3% для максимального измеряемого тока при перепаде температуры до 85°С. Этот результат сравним с лучшими результатами для традиционных (медных) трансформаторов тока.

Оценка порога чувствительности, нредставлепиая здесь, показывает, что величина менее 0,02 град может быть достигнута при амплитудном щуме источника не более ЗЮ~4 Гц-"2 или -70 дБ/Гц. Такой уровень шума свойственен светоизлучающим диодам в инфранизкочастот-ной области спектра. Применение же схемы поддержания постоянного значения интенсивностей излучателя, построенной по принципу петли отрицательной обратной связи при наличии соответствующей глубины последней, может обеспечить гораздо меньшее значение спектральной плотности относительного шума в заданной полосе частот.

Рассмотрено также влияние точности поддержания интенсивностей излучателей на линейность выходной характеристики поляриметрического преобразователя. В данном случае под точностью поддержания понималась степень различия интенсивностей (у) излучателей между собой. Расчеты показали, что достаточно высокую степень линейности выходной характеристики поляриметрического преобразователя, лежащую в пределах ±0,3 %, можно получить при у = 0,5 %.

Пятая глава диссертации является практической иллюстрацией эффективности полученных научных и технических результатов по проблеме создания преобразователей и устройств нового поколения.

Представлено описание детектора магнитных аномалий, предназначенного для геомагнитных исследований и геологоразведки. Использованные для его реализации принципы построения первичного преобразователя: многократное прохождение света через чувствительный элемент, применение концентратора магнитного потока, - позволили снизить порог чувствительности в области инфранизких частот до величины 0,03 нТл/Гц1/2. Этот результат вплотную приближаются к характеристикам феррозондовых преобразователей.

Показано, что в случае измерения постоянных магнитных полей преобразователи поляриметрического типа могут быть неплохой альтернативой преобразователям на основе эффекта Холла.

Перепишем выражение (9) для п = 2, принимая угол между поляризатором и анализатором равным л/2:

дФ = 2A2sin22^. (20)

Последнее выражение представляет собой параболическую зависимость, нелинейность которой позволяет измерить постоянные величины магнитного поля, используя технику переменного селективного детектирования. Если считать, что Д = А_ + Д sin tut, то подставляя последнее

в (20), получаем следующее соотношение для светового потока, проходящего через первичный преобразователь:

8Ф = sinJ2^|+Д^)+4Д=Д sinio/-A2cos2ffl/J, (21)

где Д= пропорционально постоянной компоненте магнитного поля //=, а Д~, соответственно, амплитуде переменного низкочастотного магнитного поля IL с частотой <у. Если Я= ф 0, то появляется возможность выделить полезный сигнал (#=) на фундаментальной частоте управляющего магнитного поля. Причем, уравнение (21) демонстрирует линейность выходной характеристики преобразования по отношению к Д= (т.е. #=) при фиксированном значении Н~ или линейный отклик по отношению к Я- при фиксированном значении Н=.

Нелинейный характер выходной характеристики преобразователя (или функции преобразования) позволяет использовать метод петли отрицательной обратной связи для минимизации погрешностей при измерении магнитного поля. На использовании метода петли отрицательной обратной связи при наличии нелинейного магнитооптического чувствительного элемента был сконструирован магнитооптический магнито-

метр постоянных магнитных полей. Диапазон измеряемых магнитометром полей: 0,005 ч- 20 Э, причем, порог чувствительности составлял величину менее 1/10 от значений лучших магнитометров на эффекте Холла.

В измерителе тока ИТ-1 материалом чувствительного элемента служил монокристалл BSO, эффект Фарадея в котором в несколько раз превышает величину последнего в диамагнитных стеклах и незначительно уступает им в термостабильности постоянной Верде. Первичный преобразователь представлял собой простейшее устройство, состоящее из поляризатора, чувствительного элемента и анализатора. Ориентаци-онная зависимость первичного преобразователя требует его определенной установки в магнитном поле проводника с измеряемым электрическим током.

Одной из важных особенностей измерителей тока подобных ИТ-1 является тот факт, что при протекании по проводнику тока порядка 40 кА (ток короткого замыкания) измеряемое магнитное ноле увеличивается примерно в 40 раз по сравнению со значением, соответствующим верхнему значению измеряемого номинального тока. Последнее обстоятельство может привести только лишь к насыщению выходного сигнала измерителя, ограниченного напряжением питания. Такого рода волоконно-оптические преобразователи и измерители электрического тока весьма привлекательны благодаря своему габариту, простой и надежной оптической схеме.

Весьма эффективным практическим применением такого рода устройств является их использование в составе системы дуговой защиты «ОВОД». Система дуговой защиты предназначена для обнаружения момента возникновения дугового разряда или искрения в шкафах (ячейках) закрытых распредустройств высокого напряжения (6-10 кВ) с помощью волоконно-оптических приемников излучения дуги и мгновенного формирования электрического сигнала для срабатывания дуговой защиты. В течение 1-2 миллисекунд система дуговой защиты посылает сигнал на отключение головного выключателя распредустройства, исключая выдержку времени релейной защиты. Это обеспечивает защиту оборудования и персонала. Волоконно-оптический преобразователь или, как его еще называют, трансформатор тока обеспечивает формирование выходного сигнала для системы блокировки по току при протекании в контролируемой токоведущей шине двукратного значения рабочего тока. Он состоит из волоконно-оптического преобразователя переменного магнитного поля промышленной частоты и электронного блока формирования сигнала блокировки. Первичный преобразователь поляриметрического типа помещен в тефлоповый корпус, выполненный в форме параллелепипеда. Двух-волоконный кварц-полимерный кабель служит для передачи светового потока от электронного блока до пер-

вичного преобразователя и в обратном направлении. Конструкция преобразователя магнитного поля обеспечивает его установку на токове-дущих шинах при помощи кронштейна с резьбовым соединением. Композиционный чувствительный элемент состоит из двух или трех магнитооптических пленок. В этом случае, как видно из соотношения (21), переменное магнитное поле с частотой 50 Гц будет создавать на выходе первичного преобразователя в отсутствии постоянного магнитного поля сигнал измерительной информации с частотой 100 Гц. Это весьма важное обстоятельство позволяет эффективно бороться с электромагнитными «наводками» на частоте 50 Гц, уровень которых чрезвычайно высок в условиях высоковольтных электрических подстанций. Диапазон измеряемых трансформатором значений порогового тока: 1200 4000 А; относительная погрешность измерений не хуже 15%.

Отличие между преобразователями магнитного поля и преобразователями электрического тока поляриметрического типа часто относится главным образом к конструкции первичного преобразователя.

Для практической реализации представленного в настоящей главе волоконно-оптического трансформатора тока для систем телемеханики и релейной защиты высоковольтных электрических подстанций был выбран чувствительный элемент в виде замкнутого стеклянного контура и принцип построения, основанный на оригинальном фазовом методе измерения сигнала (Глава 4).

Опытный образец волоконно-оптического трансформатора тока ВОТТ-1 предназначался для замены традиционных (проволочных) трансформаторов тока. Функционально волоконно-оптический трансформатор тока преобразовывал среднеквадратические значения тока нагрузки (до 2000 А) в значения постоянного тока. Опытная эксплуатация устройства проходила на высоковольтной подстанции 110 кВ ЛВС Ленэнерго в течение 13 месяцев. Первичный преобразователь был установлен на выходе понижающего трансформатора 35 кВ на высоте порядка 6 м от поверхности земли в непосредственной близости от помещения диспетчерской. Одной из ключевых особенностей конструкции первичного преобразователя трансформатора тока является возможность крепления его в любом месте на токоведущем проводе без демонтажа токоведущих частей линии электропередачи. Это обеспечивается за счет съема одного из сегментов замкнутого контура первичного преобразователя. Такое решение не имеет аналогов и позволяет проводить оперативный контроль токов нагрузки в любом месте высоковольтной подстанции.

В ходе почти 13-месячной опытной эксплуатации ВОТТ-1 не было зафиксировано ни одного отказа в его работе. Метрологической аттестации экспериментального образца ВОТТ-1 не проводилось. Однако оценка по методу сравнения позволяла сделать вывод о наличии у экс-

периментального образца класса точности более высокого, чем 1.0.

К числу основных требований, предъявляемых к средствам контроля электрического тока и напряжения в условиях высоковольтных подстанций и линий электропередачи, относятся наряду с метрологическими параметрами электробезопасность обслуживающего персонала, малые габариты и масса, высокая надежность.

Традиционно применяемые в условиях высоковольтных подстанций при контроле наличия (или отсутствия) фазовых напряжений указатели напряженности электрического поля представляют собой неоновый газоразрядный индикатор, закрепленный на конце диэлектрической штанги. Такого рода указатели отличаются невысокой надежностью, связанной с хрупкостью неонового индикатора.

Показано, что в полной мере указанному комплексу технических требований удовлетворяют только волоконно-оптические преобразователи физических полей, в том числе и волоконно-оптический индикатор напряженности электрического поля ИН-1 (разработка но заказу АО «Ленэнерго»), предназначенный для использования линейным персоналом для контроля наличия (или отсутствия) фазовых напряжений при проведении профилактических и ремонтных работ. Чувствительный элемент индикатора - монокристалл ВБО. Испытания опытных образцов индикатора напряжения ИН-1 на высоковольтных подстанциях показали, что в непосредственной близости от токоведущего провода с па-пряжением 110 - 330 кВ значение напряженности электрического поля не превышает нескольких кВ/см. Основная погрешность определения напряжения в диапазоне 16 - 220 кВ не превышала ±(10+20) %, что вполне приемлемо для индикатора. Последующая эксплуатация на высоковольтных подстанциях показала надежпую и безотказную работу опытных образцов волоконно-оптических индикаторов напряжения ИН-1.

Поляриметрический принцип построения первичного преобразователя был положен нами в основу волоконно-оптического датчика нажатия токоприемника (пантографа) электропоезда на токоведущий провод, предназначенного для мониторинга состояния контактной сети железной дороги. Жесткие условия эксплуатации: большой перепад температур окружающего воздуха, воздействие атмосферных осадков, вибрация и сильные электромагнитные помехи - требовали поиска надежного принципа построения устройства. Этим условиям удовлетворяет принцип построения с использованием магнитооптического ротатора, описанный в третьей главе.

Связь между датчиком и оптоэлектронным блоком обработки информации осуществлялась двужилышм оптическим кабелем па основе многомодовых волокон с сердцевиной диаметром 62,5 мкм. В качестве материала чувствительного элемента был выбран плавленый кварц, как наиболее дешевый и легкий в обработке материал. Основная погреш-

ность измерения ±1%. Проведенные температурные испытания датчика показали, что в диапазоне изменения температур -40°С -г +50°С дополнительная погрешность измерения не превысила 0,5 % на каждые 10 °С.

Для достоверной оценки прижима к токоведущему проводу на токоприемнике крепились два датчика. Итоговая информация получалась из суммы показаний каждого из датчиков. Измерительными комплектами на базе датчиков нажатия были оснащены шесть вагонов - лабораторий Октябрьской железной дороги. Двухлетняя эксплуатация этих устройств продемонстрировала высокую степень надежности их работы.

Преимущества принципа построения преобразователя поляриметрического типа на основе фазового метода измерения сигнала были реализованы в измерителе гидростатического давления ИГТ-1, сочетающего в себе широкий диапазон измеряемых величин, высокую разрешающую способность и высокую точность измерений.

Первичный преобразователь устройства размещается внутри прочного корпуса, представляющего собой цилиндр с коническим днищем. Материалом корпуса служит титановый сплав ВТ1-0. Объем корпуса закрывается крышкой с торцевым и радиальными уплотнительными кольцами круглого сечения. В крышке корпуса размещается стальной шток для передачи гидростатического давления чувствительному элементу. Шток взаимодействует с чувствительным элементом измерителя глубины через резиновую диафрагму. Все элементы внутренней части конструкции устанавливаются на жестком основании внутри корпуса. Оптические элементы закреплены в оправах таким образом, чтобы избежать возникновения в поляризаторах, фазовой пластине и чувствительном элементе механических напряжений, связанных с воздействием температуры. Для снижения дополнительной погрешности в конструкции преобразователя используются узкополосные оптические фильтры. Оптический сигнал измерительной информации, регистрируемый фотоприемником, находящимся внутри прочного корпуса, подается далее по кабелю в блок обработки измерительной информации.

Основная приведенная погрешность измерителя не превышает 0,2 % от верхнего предела измеряемой величины (650 атм). Дополнительная погрешность 0,1 %/10 °С. По своим характеристикам данный прибор не имеет отечественных аналогов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Основные результаты работы формулируются в заключении.

В настоящей работе обобщен цикл исследований, направленных на создание оптоэлектронных устройств нового поколения на основе измерительных преобразователей поляриметрического типа, отличающихся улучшенными метрологическими и эксплуатационными характе-

ристиками.

1. Разработана математическая модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе моиокристаллических пленок ферритов-гранатов. Основные теоретические и экспериментальные результаты исследований состоят в следующем:

• экспериментально установлено снижепие на несколько порядков порога чувствительности преобразователей под влиянием намагничивающего поля звуковой или ультразвукоковой частоты, приложенного к чувствительному элементу преобразователя;

• экспериментально показано, что возмущение доменной структуры магннитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов намагничивающим полем звуковой и ультразвуковой частоты, приводит к появлению магпитного шума, спектр которого в области иифранизких частот носит характер фликкер-шума. При этом установлено, что спектральная плотность магнитного шума в этой части частотного диапазона уменьшается с увеличением частоты намагничивающего поля;

• на основе формализма матриц Мюллера получены теоретические соотношения функции преобразования и порога чувствительности для преобразователей магнитного поля на основе пленок ферритов-гранатов, получившие экспериментальное подтверждение;

• получены экспериментальные зависимости амплитудного шума различных источников света в области инфранизких частот, проанализировано их влияние на порог чувствительности преобразователя;

• получено теоретическое соотношение функции преобразования для преобразователя магнитного поля на основе многослойного, состоящего из N магнитных пленок чувствительного элемента. Теоретически и экспериментально показано многократное увеличение коэффициента преобразования в случае многослойного чувствительного элемента по сравнению с чувствительным элементом в виде одной пленки, толщина которой равна суммарной толщине многослойного чувствительного элемента;

• предложен способ измерения постоянного магнитного поля, ос-пованный на нелинейной функции преобразования преобразователя с многослойным чувствительным элементом и методе петли отрицательной обратной связи.

2. Разработан принцип построения волоконно-оптического преобразователя физического поля поляриметрического типа, содержащего традиционную оптическую схему и магнитооптический ротатор, позволяющий производить измерение переменных и постоянных величин в присутствии возмущающих воздействий (вибрация, температу-

ра) на оптические волокна и конструкцию первичного преобразователя:

• показано влияние азимутальных углов компонентов преобразователя поляриметрического типа па его дополнительную погрешность;

• произведена теоретическая оценка и экспериментальная проверка зависимости дополнительной (температурной) погрешности преобразователя от тсрмостабильных свойств ротатора;

• показана возможность линеаризации функции преобразования в заданном диапазоне измеряемых величин путем оптимизации азимута поляризатора.

3. Разработан универсальный принцип построения онгоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических нолей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне:

• теоретически получено и экспериментально подтверждено соотношение для порога чувствительности;

• исследовано влияние точности поддержания амплитудных значений интенсивностей излучателей, входящих в состав преобразователя на линейность функции преобразования;

• сформулированы требования к степени точности изготовления фазовых пластинок для преобразователей, построенных по предлагаемому принципу;

• установлено, что применение данного принципа построения для волоконно-оптических трансформаторов тока на основе диамагнитных стекол позволяет снизить дополнительную (температурную) погрешность измерения до значений, соответствующих лучшим традиционным устройствам.

4. Разработаны способы реализации преобразователей поляриметрического типа различных физических нолей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока, механических напряжений, гидростатического давления.

В итоге выполнения данной работы была решена важная научно-техническая проблема создания оптоэлектронных устройств нового поколения на основе измерительных преобразователей поляриметрического типа, отличающихся улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Григорьев В. А. Измерительные преобразователи поляриметрического тина. - Санкт-Петербург: Издательство С.-Петербургского Университета, 1999. - 200 с.

2. Григорьев В. А. Магнитооптический ротатор в оптической схеме поляриметрических преобразователей // Оптический журнал. 2000. Т. 67, № 6. С. 115 - 116.

3. Григорьев В. А. Волоконно-оптический трансформатор электрического тока промышленной частоты // Оптический журнал. 2000. Т. 67, № 6. С. 117 - 119.

4. Григорьев В. А. Волоконно-оптический трансформатор тока для высоковольтных электрических подстанций // Петербургский журнал электроники. 2000. №1. С. 59-61.

5. Grigor'ev V. A., Mikhailov В. V. Phase method of measuring a signal in fiber-optic birefringence-type sensors // Optics Letters. 1994. Vol. 19, № 17. P. 1367 - 1369.

6. Григорьев В. А., Михайлов Б. В. Новый метод измерения сигнала в волоконно-оптических датчиках поляриметрического типа // ЖТФ. 1995. Т. 65. Вып. 1. С. 157-162.

7. Григорьев В. А., Михайлов Б. В., Перцович Г. Ю. Фазовый метод измерения сигнала в датчиках поляриметрического типа // Оптический журнал. 1994.№ 7. С. 75-76.

8. Григорьев В. А., Оробинский С. П., Быстров М. В. Влияние переменного магнитного поля па характер намагничивания монокристаллических пленок ферритов-гранатов // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. Вып. 18. С. 1117-1120.

9. Григорьев В. А., Быстров М. В. Магнитный шум в эпигаксиальных пленках ферритов-гранатов // ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 6. С. 181-183.

10. Григорьев В. А., Быстров М. В. О пороге чувствительности преобразователя на основе эпитаксиалыюй пленки феррита-граната // ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 11. С. 130-133.

11. Григорьев В. А., Михайлов Б. В., Оробинекий С. П. Исследование низкочастотного шума источников излучения // Радиотехнические и оптические системы связи: Сб. науч. трудов учеб. ин-тов связи. JL: ЛЭИС, 1988. С. 168-169.

12. Оробинекий С.П., Быстров М.В., Галкин С. J1., Григорьев В. А. Волоконно-оптический магнитометр с использованием магнитооптических эффектов в многослойном образце с доменной структурой // Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 62. Вып. 6. С. 1392-1394.

13. Рудов Ю. К., Григорьев В. А., Зингерснко Ю. А. Волоконно-оптические усилители для систем передачи синхронной цифровой иерархии // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 1997. С.10-13.

14. Григорьев В. А., Оробинекий С. П. Волоконно-оптические магнитометры // Материалы ведомственного координационного совета по световодным системам связи. М., 1987. С. 170-183.

15. Григорьев В. А., Оробинекий С. П., Быстров М. В., Перцович Г. Ю. Волоконно-оптический магнитометр с лазерным диодом в качестве источника излучения // Материалы краткосрочного семинара «Применение лазеров в промышленности в свете решений XXVII съезда КПСС». Л., 1987. С. 65-69.

16. Grigor'ev V. A., Mikhaylov В. V., Orobinsky S. P., and Pertsovich G. Y. Fiber-optic pressure sensor // Proc. First international soviet fiber optics confercnce. Leningrad, USSR, 1991. Vol. II, P. 107-109.

17. Grigor'ev V. A., Komarov I. Y., Litvinov D. A., Orobinsky S. P., and Pertsovich G. Y. Voltage and current fiber optic sensors for high-voltage power transmission link // Proc. First international soviet fiber optics conference. Leningrad, USSR, 1991. Vol. II, P. 110-113.

18. Grigor'ev V. A., Mikhaylov В. V., Orobinsky S. P. Low-frequency magnetic field detection using a single-mode fiber interferometer // Proc. First international soviet fiber optics conferencc. Leningrad, USSR, 1991. Vol. II, P. 114-116.

19. Grigor'ev V. A., II'in V. G., Mikhailov В. V., Remi/.ov N. G. Polarization-independent optical isolator for single-mode optical fiber connections // Abstracts of the International conference "Gradient-index optics in science and engineering". Warsaw, Poland, 1996. P. 37-39.

20. Большаков А. А., Оробинский С. П., Богатырев Л. И., Григорьев В. А. Волоконно-оптические датчики сейсмических сигналов // Тезисы докл. II Всесоюзной научно-технической конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации», Ленинград, 1984. Т. I . С.38.

21. Большаков А. А., Оробинский С. П., Богатырев А. И., Григорьев В. А. Интегрально-оптические датчики сейсмических и акустических сигналов // Тезисы докл. II Всесоюзной научно-технической конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации», Ленинград, 1984. Т. I . С. 40-41.

22. Большаков А. А., Оробинский С. П., Григорьев В. А., Миронов С. А., Быстрое М. В. Волоконно-оптические датчики слабых магнитных полей // Тезисы докл. IV Всесоюзной конференции «Световодные системы связи и передачи информации», Москва, 1984. С. 11.

23. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А., Гусев Ю. М. Оптический изолятор // Тезисы докл. III Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике, Ереван, 1987. С.52.

24. Григорьев В. А., Оробинский С. П., Быстров М. В., Перцович Г. К). Оптоэлектронный измеритель магнитного поля основе феррогра-натовой эпитаксиальной структуры // Тезисы докл. III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации», Таллинн, 1987. Т. II . С. 128-129.

25. Оробинский С. II., Григорьев В. А., Гусев Ю. М., Михайлов Б. В., Быстров М. В. Магнитометр интерферометрического типа с всена-правленным чувствительным элементом // Тезисы докл. V Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические системы передачи», Москва, 1988. Секция 5, С. 63.

26. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Гусев Ю. М., Михайлов Б. В. Волоконно-оптические датчики контейнера НРП // Тезисы докл. V Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические системы передачи», Москва, 1988. Секция 5, С. 50.

27. Оробинский С. П., Перцович Г. Ю., Григорьев В. А., Комаров И. Ю. Оптоэлектронный датчик магнитного поля тока промышленной частоты // Тезисы докл. Второго научно-технического семинара «Микроэлектронные датчики», Ульяновск, 1988. С. 168.

28. Григорьев В. А., Палей Э. Л. Оптическая дуговая защита для КРУ и КРУН 6-10 кВ // Тезисы докл. XIV Научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000», Москва, 2000. С. 152-153.

29. Беккер Я. М., Григорьев В. А., Чуркин В. П., Цветков В. А. Коммутатор оптических каналов связи // Авт. свид. СССР, № 1088520 от 30.07.82.

30. Данилевский 10. Г., Беккер Я. М., Безяев В. И., Чуркин В. П., Цветков В. А., Григорьев В. А. Оптический мультиплексор для волоконно-оптической линии связи //Авт. свид. СССР, № 1124865 от 28.05.82.

31. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Богатырев А. И., Гусев Ю. М. // Авт. свид. СССР, № 258564 от 03.02.86.

32. Широков Г. И., Оробинский С. П., Григорьев В. А., Богатырев А. И. Интегрально-оптический датчик параметра физического поля // Авт. свид. СССР, № 1320721 от 09.12.85.

33. Оробинский С. II., Михайлов Б. В., Григорьев В. А., Быстров М. В. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1500103 от 06.01.87.

34. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А. Устройство для измерения магнитных полей // Авт. свид. СССР, № 1420559 от 22.05.86.

35. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Червоненкис А. Я. Оптоэлек-тронный измеритель магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1378591 от 25.09.85.

36. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А. Способ измерения магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1419326 от 09.09.86.

37. Григорьев В. А., Быстров М. В., Комиссарова О. М. Способ измерения магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1674027 от 29.05.89.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА.

1.1. Классификация оптоэлектронных преобразователей.

1.2. Компоненты преобразователей поляриметрического типа.

1.3. Основные физические явления и материалы, используемые в преобразователях поляриметрического типа.

1.4. Практическое применение ОЭП поляриметрического типа.

1.5.Вывод ы.

Глава

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСНОВЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ.

2.1. Обоснование выбора математического аппарата.

2.2. Особенности процесса намагничивания магнитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов.

2.3. Вывод функции преобразования.

2.4. Ограничение порога чувствительности преобразователя амплитудным шумом источника света.

2.5. Ограничение порога чувствительности преобразователя дробовым шумом фотодиода.

2.6. Влияние магнитного шума на порог чувствительности преобразователя магнитного поля.

2.7. Магнитооптика многослойного чувствительного элемента.

2.8. Выводы.

Глава

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ РОТАТОР В ОПТИЧЕСКОЙ

СХЕМЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА.

3.1. Математические основы принципа построения.

3.2. Реальный магнитооптический ротатор.

3.3. Оценка дополнительной погрешности преобразователя.

3.4. Выводы.

Глава

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИНЦИПА ПОСТРОЕНИЯ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО

МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СИГНАЛА.

4.1. Принцип построения оптической схемы преобразователя.

4.2. Фазовый метод при распространении света в анизотропной среде с кручением.

4.3. Теоретическая оценка возможностей практической реализации фазового метода измерения сигнала преобразователей поляриметрического типа.

4.4. Выводы.

Глава 5.

СПОСОБЫ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ОСНОВЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА.

5.1. Устройства измерения инфранизкочастотных и постоянных магнитных полей.

5.2. Преобразователи и измерители электрического тока промышленной частоты.

5.3. Устройства измерения напряженности электрического поля.

5.4. Оптоэлектронные устройства измерения давления.

5.5. Выводы.

Актуальность темы

Проблема построения измерительных преобразователей (датчиков) занимает одно из центральных мест в теории и практике создания устройств регистрации и измерения различных физических полей. Современная тенденция развития этих устройств заключается не только в улучшении их метрологических характеристик, но и в расширении эксплуатационных возможностей, к числу которых относятся: работа в условиях взрыво- и пожароопасных сред, высоких уровней электромагнитных помех, дистанционные измерения, осуществляемые в рамках волоконно-оптических систем передачи и обработки информации. Перечисленными возможностями обладают оптоэлектронные и в особенности волоконно-оптические преобразователи и устройства на их основе [9]. В рамках этого широкого круга существуют преобразователи, структура которых и вытекающие из нее специфические подходы при обработке сигнала измерительной информации, позволяют рассматривать такие преобразователи, как отдельный тип оптоэлектронных преобразователей. Эти преобразователи, которые по нашему мнению следует называть преобразователями поляриметрического типа, используют уникальные свойства некоторых оптических сред изменять состояние поляризации оптического излучения под влиянием ряда физических воздействий: магнитных и электрических полей, механических напряжений, температуры и т. д. [19]. Такого рода преобразователи и являются объектом исследований данной диссертационной работы.

Анализ существующих преобразователей физических полей поляриметрического типа позволяет сделать вывод, что есть три направления исследований и разработок устройств, где уже очевидны успехи поляриметрических преобразователей и возможен дальнейший прогресс в их исследованиях и разработках. К этим направлениям следует отнести измерение слабых и средних магнитных полей в звуковом и инфранизкочастотном диапазоне, включая нулевые частоты; построение прецизионных преобразователей электрического тока и напряжения для систем защиты и телемеханики высоковольтных электрических подстанций; измерение давления (особенно гидростатического) в широком диапазоне измеряемых величин. Именно эти направления исследований позволяют рассчитывать на создание устройств, конкурирующих с традиционными преобразователями или превосходящих их по ряду метрологических и эксплуатационных характеристик.

Совершенствование традиционных преобразователей магнитного поля позволило получить впечатляющие значения их порога чувствительности. Так, например, разработанные в 60-х годах квантовые датчики с оптической накачкой, реагирующие на скалярную величину магнитного поля, имеют порог чувствительности 1СГ3 нТл на частотах 0,01 - 0,001 Гц [146]. Однако традиционные преобразователи магнитного поля не лишены определенных недостатков. Так, например, порог чувствительности индукционных преобразователей резко возрастает в области низких частот; сверхпроводниковые преобразователи требуют криостатирования; квантовые преобразователи достаточно сложны и не всегда надежны в эксплуатации и зачастую имеют значительное потребление мощности, узкий диапазон рабочих температур [178].

Преобразователи магнитного поля поляриметрического типа на основе прозрачных магнитооптических материалов помимо малой температурной зависимости коэффициента преобразования привлекают простотой и надежной конструкцией. Есть все предпосылки для создания устройства для измерения магнитных полей с порогом чувствительности 0,1 - 0,01 нТл в области инфранизких частот и не хуже 1,0 мкТл при измерении постоянных полей.

Особые перспективы сулит применение поляриметрических преобразователей для измерения тока на высоковольтных электрических подстанциях. Волоконно-оптические преобразователи электрического тока на основе преобразователей поляриметрического типа имеют следующие преимущества по сравнению с традиционными устройствами (трансформаторами тока) [57]: а) их изолирующая система свободна от масла и газа, что в итоге оборачивается взрывобезопасной, компактной, легкой, простой в эксплуатации и экологически чистой конструкцией; б) возможность полностью диэлектрической связи в виде оптических волокон между первичным преобразователем и оптоэлек-тронным блоком, находящимся в диспетчерской, эффективно устраняет влияние электромагнитных помех на электронную схему обработки; в) одним из важнейших преимуществ является способность обеспечивать несколько электронных выходов. Добавочные платы оптоэлектронного блока не приводят к деградации выходных сигналов. Проблема вторичной нагрузки трансформатора исчезает. Таким образом, интерфейс волоконно-оптического трансформатора тока совместим как с традиционными средствами и приборами, так и с компьютерными системами, и значительно расширяет диапазон применений трансформатора в составе информационно-измерительных систем, систем защиты и т.д.;

Интенсивные исследования и разработки в области построения преобразователей давления поляриметрического типа связаны с большими потенциальными возможностями этих преобразователей. К числу отличительных особенностей устройств на их основе, являющихся преимуществами по сравнению с традиционными преобразователями (например, мембранного типа) относятся [158]: а) отсутствие подвижных механических частей в конструкции преобразователя; б) отсутствие гистерезиса чувствительного элемента; в) потенциально чрезвычайно широкий диапазон измеряемых величин (ограниченный областью упругих деформаций чувствительного элемента).

Широкое внедрение измерительных преобразователей поляриметрического типа сдерживается недостаточным развитием теоретических основ их построения, а также способов практической реализации радиотехнических устройств на их основе.

Цели и задачи исследований

Целью настоящей диссертации является исследование и разработка теоретических основ построения измерительных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей в интересах создания устройств нового поколения на базе оптоэлектроники и волоконной оптики с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками для использования в технике передачи и обработки информации, приборостроении, энергетике и других отраслях промышленности (в том числе оборонной).

Успешное решение этой важной научно-технической задачи позволит обеспечить постоянно возрастающий спрос на измерительные преобразователи и устройства, которые наряду с высокими метрологическими характеристиками обеспечивают работу в условиях взрыво-, пожароопасных, агрессивных сред и в условиях с высоким уровнем электромагнитных помех.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе потребовалось решить следующие задачи:

1) разработать теоретические основы принципа построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей, обеспечивающего достижение широкого диапазона измеряемых величин, высокой чувствительности и минимального порога чувствительности;

2) разработать принцип построения оптической схемы преобразователя и метод измерения, направленные на предотвращение влияния возмущающих воздействий на оптические волокона с целью создания волоконно-оптического преобразователя постоянных физических полей;

3) создать математическую модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов, включающую: исследование факторов, влияющих на основные характеристики преобразователя; решение прямой математической задачи, т.е. получение математического выражения для функции (коэффициента) преобразования, порога чувствительности; определение диапазона измеряемых величин.

Разработка теоретической модели позволит найти оптимальный путь создания преобразователя слабых и средних магнитных полей, постоянных и инфранизкочастотных;

4) экспериментально проверить разработанные теоретическую модель и принципы построения преобразователей поляриметрического типа, а также выявить факторы, определяющие потенциальные возможности поляриметрических преобразователей физических полей и ограничивающих их основные характеристики; 5) разработать способы практической реализации устройств, основанные на теоретических и экспериментальных результатах диссертационной работы.

Научная новизна

Научная новизна, полученных в диссертационной работе результатов, состоит в следующем: в экспериментально установлено влияние поля звуковой и ультразвуковой частоты, приложенного к магнитоодноосной пленке феррита-граната (чувствительного элемента), заключающееся в значительном снижении порога чувствительности преобразователя магнитного поля поляриметрического типа; впервые исследованы ранее не обсуждавшиеся в литературе спектры магнитного шума (скачки Баркгаузена), возникающего при возбуждении доменной структуры пленок ферритов - гранатов переменным полем звуковой и ультразвуковой частоты и ограничивающего порог чувствительности преобразователя поляриметрического тина; о впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены математические соотношения для коэффициента преобразования, порога чувствительности преобразователя магнитного поля на основе магнитоодноосных пленок ферритов-гранатов; разработан оригинальный принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на использовании невзаимного элемента - магнитооптического ротатора; в разработаны теоретические основы универсального принципа построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерения сигнала, обеспечивающего создание измерительных преобразователей и устройств на их основе с широким диапазоном измерений и высокой чувствительностью; разработаны способы реализации преобразователей различных физических полей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока и напряжения, механических напряжений, гидростатического давления.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в том, что проведенные теоретические и экспериментальные исследования легли в основу разработок и внедрения в промышленность устройств на основе преобразователей физических полей поляриметрического типа: магнитометров и индикаторов и магнитных полей; измерителей электрического тока ИТ-1, ВОТТ-1, индикатора напряжения ИН-1 для высоковольтных электрических подстанций с напряжением 110-330 кВ, датчика электрического тока в комплекте системы дуговой защиты «ОВОД» для необслуживаемых электрических подстанций; измерителя гидростатического давления ИГТ-1; датчика нажатия пантографа электропоезда на токоведущий провод контактной сети железной дороги.

Результаты работы внедрены на ряде промышленных предприятий, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на:

Всесоюзных конференциях: 2-ой и 3-ей научно-технических конференциях «Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации» (Ленинград, 1984; Таллинн, 1987); 4-ой конференции «Световодные системы связи и передачи информации» (Москва, 1984); 5-ой конференции «Волоконно-оптические системы передачи» (Москва, 1988); 3-ей конференции по вычислительной оптоэлектронике «Проблемы оптической памяти» (Ереван, 1 987);

XIV Научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000» (Москва, 2000); семинарах: на краткосрочном семинаре «Применение лазеров в промышленности в свете решений XXVII съезда КПСС» (Ленинград, ] 987); 2-ом научно-техническом семинаре «Микроэлектронные датчики» (Ульяновск, 1988); на международных конференциях: First International Soviet Fiber Optics Conference (Leningrad, USSR, 1991); International Conference «Gradient-index Optics in Science and Engineering» (Warsaw, Poland, 1995).

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 37 работах, включающих 1 монографию и 9 авторских свидетельств СССР.

Основные научные положения, выносимые на защиту

1. Математическая модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов, содержащая теоретические соотношения для расчета и оптимизации основных метрологических характеристик преобразователя;

2. Принцип построения волоконно-оптического преобразователя физических полей поляриметрического типа, основанный на применении в оптической схеме преобразователя магнитооптического ротатора, позволяющий производить измерение постоянных и пер-менных физических полей в присутствии возмущающих воздействий: дрейфа световой мощности излучателя, потерь световой мощности на микро- и макро- изгибах подводящих оптических волокон, изменений температуры окружающей среды;

3. Универсальный принцип построения оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей, в том числе постоянных, с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне.

4. Способы реализации и конструкции устройств на базе измерительных преобразователей физических полей поляриметрического типа, разработанные в процессе выполнения работы и основанные на ее теоретических и экспериментальных результатах.

Объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, содержащих оригинальные научные результаты, заключения, содержащего основные результаты и выводы работы и списка цитируемой литературы.

5.5. Выводы

Настоящая глава является практической иллюстрацией эффективности полученных научных и технических результатов по проблеме создания оптоэлектронных преобразователей поляриметрического типа нового поколения с улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

Рассмотрены способы построения преобразователей поляриметрического типа различных физических полей и устройств на их основе, особенности конструкции, основные технические характеристики, результаты лабораторных испытаний и практической эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе обобщен цикл исследований, направленных на создание оптоэлектронных устройств нового поколения на основе измерительных преобразователей поляриметрического типа, отличающихся улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками.

1. Разработана математическая модель преобразователя магнитного поля поляриметрического типа на основе монокристаллических пленок ферритов-гранатов. Основные теоретические и экспериментальные результаты исследований состоят в следующем: « экспериментально установлено снижение на несколько порядков порога чувствительности преобразователей под влиянием намагничивающего поля звуковой или ультразвукоковой частоты, приложенного к чувствительному элементу преобразователя; « экспериментально показано, что возмущение доменной структуры магннитоодноосных монокристаллических пленок ферритов-гранатов намагничивающим полем звуковой и ультразвуковой частоты, приводит к появлению магнитного шума, спектр которого в области инфранизких частот носит характер фликкер-шума. При этом установлено, что спектральная плотность магнитного шума в этой части частотного диапазона уменьшается с увеличением частоты намагничивающего поля; ® на основе формализма матриц Мюллера получены теоретические соотношения функции преобразования и порога чувствительности для преобразователей магнитного поля на основе пленок ферритов-гранатов, получившие экспериментальное подтверждение; получены экспериментальные зависимости амплитудного шума различных источников света в области инфранизких частот, проанализировано их влияние на порог чувствительности преобразователя; получено теоретическое соотношение функции преобразования для преобразователя магнитного поля на основе многослойного, состоящего из N магнитных пленок чувствительного элемента. Теоретически и экспериментально показано многократное увеличение коэффициента преобразования в случае многослойного чувствительного элемента по сравнению с чувствительным элементом в виде одной пленки, толщина которой равна суммарной толщине многослойного чувствительного элемента; в предложен способ измерения постоянного магнитного поля, основанный на нелинейной функции преобразования преобразователя с многослойным чувствительным элементом и методе петли отрицательной обратной связи. 2. Разработан принцип построения волоконно-оптического преобразователя физического поля поляриметрического типа, содержащего традиционную оптическую схему и магнитооптический ротатор, позволяющий производить измерение переменных и постоянных величин в присутствии возмущающих воздействий (вибрация, температура) на оптические волокна и конструкцию первичного преобразователя: ® показано влияние азимутальных углов компонентов преобразователя поляриметрического типа на его дополнительную погрешность; произведена теоретическая оценка и экспериментальная проверка зависимости дополнительной (температурной) погрешности преобразователя от термостабилышх свойств ротатора; • показана возможность линеаризации функции преобразования в заданном диапазоне измеряемых величин путем оптимизации азимута поляризатора.

3. Разработан универсальный принцип построения оптоэлектрон-ных преобразователей поляриметрического типа различных физических полей с использованием фазового метода измерений сигнала, позволяющий измерять параметры различных физических полей в том числе постоянных с высокой чувствительностью и в широком динамическом диапазоне: в теоретически получено и экспериментально подтверждено соотношение для порога чувствительности; ® исследовано влияние точности поддержания амплитудных значений интенсивностей излучателей, входящих в состав преобразователя на линейность функции преобразования; о сформулированы требования к степени точности изготовления фазовых пластинок для преобразователей, построенных по предлагаемому принципу; ® установлено, что применение данного принципа построения для волоконно-оптических трансформаторов тока на основе диамагнитных стекол позволяет в несколько раз снизить дополнительную (температурную) погрешность измерения до значений, соответствующих лучшим традиционным устройствам.

4. Разработаны способы реализации преобразователей различных физических полей, которые легли в основу устройств измерения магнитных полей, электрического тока, механических напряжений, гидростатического давления, которые не только не уступают традиционным аналогам, но и превосходят их по ряду характеристик.

В итоге выполнения данной работы была решена важная научно-техническая проблема создания оптоэлектронных устройств нового поколения на основе измерительных преобразователей поляриметрического типа, отличающихся улучшенными метрологическими и эксплуатационными характеристиками, предназначенных для оптических систем обработки и передачи информации, для применения в приборостроении, энергетике и других отраслях промышленности.

1. Юдин М. Ф., Селиванов М. П., Тищенко О. Д., Скороходов А. И. Основные термины в области метрологии, словарь-справочник/ Под ред. Ю. В. Тарбеева — М.: Издательство стандартов, 1989.113 с.

2. Хофманн Д. Техника измерений и обеспечение качества / Пер. с нем. М.: Энергоатомиздат, 1983. 471 с.

3. Зак Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией. М.: Энергоатом издат, 1989. 128 с.

4. Fields J. N. Attenuation of parabolic index fiber with periodic bends // Applied Physics Letters. 1980. V.36. P. 799-801.

5. Fields J. N., Asawa С. K., Ramer O. G., et al. Fiber optic pressure sensor // Journal of American Acoustic Society. 1980. V.67. P. 816-818.

6. Jackson D. A. Monomode optical fibre interferometers for precision measurement // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1985. V.18. P. 981-1001.

7. Jackson D. A., Dandridge A., and Sheem S. K. Measurement of small phase shifts using a single optical fiber interferometer //Optics Letters. 1980. V. 5, № 4. P. 139-141.

8. Rashleigh S. C. Magnetic-field sensing with a single-mode fiber // Optics Letters. 1981. V. 6, № 1. P. 19-21.

9. Giallorenzi T. G., Bucaro J. A., Dandridge A. et al. Optical fiber sensor technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1982. V. MTT-30, № 4. P. 472-510.

10. Аззам Р., Башара Н. Эллипсометрия и поляризованный свет/ Перевод с англ. М.: Мир, 1981. 573 с.

11. Sheen S. К., Giallorenzi Т. G., Коо К. Optical techniques to solve the signal fading problem in fiber interferometers // Applied Optics. 1982. V. 21, № 4. P. 689-693.

12. Шерклифф В. Поляризованный свет. М.: Мир, 1965. 268 с.

13. Clarke D., Grainger J. F. Polarized light and optical measurement. N.Y., Pergamon Press, 1971. 374 p.

14. Панов В. А., Кругер M. Я., Кулагин В. В. и др. Справочник конструктора оптико-механических приборов. / Под общей редакцией В. А. Панова JI.: Машиностроение, Ленингр. Отделение. 1980. 742 с.

15. Борн М., Вольф Э. Основы оптики // Перевод с англ. под ред. Г. П. Мотулевича М.: Наука, 1973. 719 с.

16. Горшков М. М. Эллипсометрия. М.: Советское радио, 1974. 200 с.

17. Калитиевский Н. И. Волновая оптика. М.: Наука, 1971. 376 с.

18. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973. 224 с.

19. Красюк Б. А., Семенов О. Г., Шереметьев А. Г., Шестериков В. А. Световодные датчики. М.: Машиностроение, 1990. 356 с.

20. Dyott R. В., Cozens J. R., Morris D. G. Preservation of polarization in optical fibre waveguides with elliptical cores // Electronics Letters. 1979. V. 15. P. 380-382.

21. Birch R. D., Payne D. N., Varnham M. P. Fabrication of polarization-maintaining fibres using gas-phase etching // Electronics Letters. 1982. V. 18. P. 1036-1038.

22. Varnham M. P., Payne D. N., Birch R. D., Tarbox E. J. Single-polarization operation of highly-birefringent bow-tie optical fibres // Electronics Letters. 1983. V. 19. P. 246-247.

23. Li L., Qian J.-R., Payne D. N. Current sensor using highly-birefringent bow-tie fibres // Electronics Letters. 1986. V. 22. P. 129130.

24. Li L., Wylangowski G., Payne D. N., Birch R. D. Broadband metal/glass single-mode fibre polarizers // Electronics Letters. 1986. V. 22. P.1020-1022.

25. Оптоволоконные сенсоры: принципы и компоненты, вып. I / Под ред. Дж. Дейкина и Б. Калшо, перевод с англ. М.: Мир, 1992. 438 с.

26. Yasuharu Suematsu. Long-wavelength optical fiber communication // Proceedings of IEEE. 1983. V. 71. P. 692-709.

27. Johnson M., In-line-optical polarization transformer // Applied Optics. 1979. V. 18. P. 1288-1289.

28. Lefevre H. C. Single-mode fiber fractional wave devices and polarization controllers //Electronics Letters. 1980. V. 16. P. 778-780.

29. Okoshi T. Polarization-state control schemes for heterodyne or homodyne optical fiber communications //IEEE Journal of Lightwave Technology. 1985. V. 3. P. 1232-1237.

30. Ulrich R. Polarization stabilization on single-mode fiber // Applied Physics Letters. 1979. V. 35. P. 840-842.3 1. Obarski G. E. and Hale P. D. How to measure relative intensity noise in lasers // Laser focus world. 1999. V.35, № 5. P. 273- 277

31. Унгер Г. Г. Оптическая связь / Перевод с нем. под редакцией П. А. Семенова М.: Связь, 1979. 264 с.

32. Козанне А., Флере Ш., Мэтр Г., Руссо М. Оптика и связь: оптическая передача и обработка информации / Перевод с фр.- М.: Мир, 1984. 504 с.

33. Гауэр Дж. Оптические системы связи /Перевод с англ.- М.: Радио и связь, 1989. 504 с.

34. Основы волоконно-оптической связи / Перевод с англ. под ред. Е. М. Дианова М.: Сов. радио, 1980. 232 с.

35. Tien-Pei Lee, Burrus С. Noise in the detected output of small-area light-emitting diodes // IEEE Journal of Quantum Electronics, 1972 v. QE-8, № 3. P.370 -373.

36. Conti J., Strutt J. O. Optical fluctuation of light-emitting diodes // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1972. V.QE-10, № 3. P. 815818.

37. Лукьянчикова H. Б., Грабарь H. П., Коновал А. А. и др. Передача слабых электрических сигналов системой светодиод-фотоприемник // Полупроводниковая техника и микроэлектроника. 1976. Вып. 22. С. 81-86.

38. Botez D., Ettenberg М. Comparison of surface- and edge-emitting LED's for use in fiber-optical communications // IEEE Journal of Electronics Devices. 1979. V.26. P.I230-I238.

39. Twu В., Kung H. Reliability of fiber optic emitters // Proceedings of SP1E, Integrated Optics II. 1982. V. 321. P. 86.

40. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах (перевод с англ. под ред. д-ра физ.-мат. наук И. Н. Сисакяна). М: Мир, 1987. 616 с.

41. Suits J. С., Argyle В. Е., Freiser М. J. Magneto optical properties of materials containing divalent europium // Journal of Applied Physics. 1966, v.37. № 3. P. 1391 - 1397.

42. Shen Y. R., Bloembergen N. Faraday rotation of rare earth ions in CaF2. II. Experiments // Physical Review. 1964. V. 133A, № 2. P. 515.

43. Baer W. S. Interband Faraday rotation in some perovskite oxides and rutile II Journal of Applied Physics. 1967. V. 38, № 4. P. 677 681.

44. Desorbor W. Magneto optical properties of terbium aluminum garnet at liquid - helium temperatures // Physical Review. 1967. V. 158, № 3. P. 839 - 842.

45. Rubinstein С. В., Van Uitert L. G., Grodkiewicz W. H. Magne-tooptical properties of rare earth (III) aluminum garnets // Journal of Applied Physics. 1964. V. 35, № 10. P. 3069.

46. Rubinstein С. В., Berger S. B. Faraday rotation of trivalent ytterbium // Journal of Applied Physics. 1965. V.36, № 12. P.3951 -3952.

47. Shatter М. W., Suits J. С. Preparation and Faraday rotation of divalent europium glasses // Journal of American Ceramic Society. 1966. V. 49, № 5. P. 261 264.

48. Rubinstein С. В., Berger S. В., Van Uitert L. G., Bonner W. A. Faraday rotation of rare earth (III) borate glasses // Journal of Applied Physics. 1964. V. 35, № 8. P. 2338 - 2340.

49. Robinson С. C., Graft R. E. Faraday rotation in praseodymium, terbium and dysprosium alumna silicate glasses // Applied Optics. 1964. V. 3, № 10. P. 1190 1191.

50. Berger S. В., Rubinstein С. В., Kurkjian С. В., Treptow A. W. Faraday rotation of rare earth (111) phosphate glasses // Physical Review. 1964. V. 133A, № 3. P. 723.

51. Robinson С. C. The Faraday rotation of diamagnetic glasses from 0,334 to 1,9 microns // Applied Optics. 1964. V. 3, № 10. P. 1163 1166.

52. Borelli N. F. Faraday rotation in glasses // Journal of Chemistry and Physics. 1964. V. 41, № 11. P. 3289 3293.

53. Sivaramakrishnan V. Dispersion of Faraday rotation in some optical glasses // Journal of Indian Institute of Sciences. 1957. V. A39, № 1. P. 19 26.

54. Ulmer E. A. A high accuracy optical current transducer for electric power systems // IEEE Transactions on Power Delivery. 1989. V. TD 382 - 3 PWRD, P. 1 - 7.

55. Kuroda Y., Abe Y., Kuwahara H., Yoshinaga K. Field test of fiber optic voltage and current sensor applied to gas insulated substation // Proceedings of Fiber Optic Sensors. 1985. France, Cannes, V.586, P. 30 -37.

56. Mitsui Т., Hosoe K., Usami H., Miyamoto S. Development of fiber optic voltage sensors and magnetic field sensors // IEEE Transactions on Power Delivery. 1987. v. PWRD - 2, № 1. P. 87 - 93.

57. Балбашов A. M., Червоненкис А. Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. М.: Энергия, 1979. 216 с.

58. Ahrenkiel R., Coburn Т. Magneto-optic insulators utilizing the optical activity of Co++ (Td) // IEEE Transactions on Magnetics. 1975. V. MAG-11, № 5. P. 1 103-1 108.

59. Антонов А. В., Балбашов A. M., Червоненкис А. Я. Оптические свойства редкоземельных ортоферритов II ФТТ. 1970. т. 12, № 6. С. 1724-1728.

60. Wood P., Remeika J., Kolb Е. Optical spectra of rare earth or-thoferrits //Journal of Applied Physics. 1970. V. 41. P.5315-5322.

61. Балбашов A. M., Червоненкис А. Я., Антонов А. В. и др. Влияние давления кислорода при синтезе на свойства монокристаллов ортоферритов // Известия АН СССР, серия физическая, 1971. Т. 35, № 6. С. 1243-1247.

62. Балбашов А. М., Червоненкис А. Я. Выращивание монокристаллов ортоферритов методом бестигельной зонной плавки // В кн.: Логические и запоминающие устройства на магнитных кристаллах М.: ИНЭУМ, 1971. С. 3-37.

63. Балбашов А. М., Червоненкис А. Я., Антонов А. В. Магнитооптические свойства материалов, обладающих цилиндрической доменной структурой // Физика Твердого Тела. 1973. Т. 15, № 9. С. 3095-3097.

64. Кринчик Г. С., Четкин М. В. Прозрачные ферромагнетики // Успехи Физических Наук. 1969. Т. 96, вып. 1. С. 3 25.

65. Tabor W., Anderson A., Van Uitert L. Visible and infrared Faraday rotation and birefringence of single-crystal rare-earth orthoferrites // Journal of Applied Physics. 1970. V. 41. P. 3018-3021.

66. Четкин M. В., Дидосян Ю. С., Ахуткина А. И. и др. Эффект Фарадея в ортоферрите // Письма в Журнал Экспериментальной и Технической Физики. 1970. Т. 12. С. 519-521.

67. Четкин М. В., Дидосян Ю. С., Ахуткина А. И. Эффект Фарадея в ортоферрите иттрия и диспрозия // Физика Твердого Тела. 1971, Т. 13. С. 3414-3417.

68. Clover R., Wentworth С., Mroczkowski S. Low birefrigent orthoferrites for optical devices // IEEE Transactions on Magnetics. 1971. V. MAG-7, P. 480-483.

69. Wettling W., Andlaner В., Koidl P., Schneider J, Tolksdorf W. Optical absorption and Faraday rotation in yttrium iron garnet // Physica Status Solidi (b). 1973. V. 59. P. 63-70.

70. Балбашов A. M., Червоненкис А. Я., Бахтеузов В. E. Свойства монокристаллов ИЖГ, выращенных из расплава // Известия АН СССР, серия физическая. 1971. Т. 35, № 6. С. 1235-1238.

71. Scott G. В., Page J. L. Pb-balance in iron garnets //Journal of Applied Physics. 1977. V. 48, № 3. P. 1342-1349.

72. Балбашов A. M., Червоненкис А. Я. Вопросы получения ЦМД материалов // Изв. АН СССР, серия физическая 1974. Т. 38, № 11. С. 2434-2443.

73. Балбашов А. М., Червоненкис А. Я., Черкасов А. П., Бахтеузов В. Е. Новый тип доменной структуры в эпитаксиальных пленках Y-Bi-Ga-граната // Физика Твердого Тела. 1974. Т. 16, № 11. С. 3102-3104.

74. Buhrer С. Faraday rotation and dichroism of bismuth calcium vanadium iron garnet // Journal of Applied Physics. 1969. V. 40. P. 45004502.

75. Балбашов A. M., Червоненкис А. Я., Черкасов А. П. И др. Гигантский эффект Фарадея и оптическое поглощение в эпитаксиальных пленках системы (YBi)3(FeAl)50i2 // Письма в Журнал Технической Физики. 1973. Т. 18. С. 572-574.

76. Shinagawa К., Taniguchi S. Stability limits of bismuth in rare-earth iron garnets // Japanese Journal of Applied Physics. 1974. V.13. P. 1663-1664.

77. Scott G. В., Lacklison D. E., Page J. L. The effects of octahedral Fe3+ and tetrahedral Fe3+ dilution on the Faraday spectra of bismuth-doped iron garnets // Journal of Physics (c), Solid State Physics. 1975. V. 8. P. 519-529.

78. Scott G. В., Lacklison D. E., Page J. L., Hewitt J. Absorption spectra and magneto-optic figure's of merit in the BixSm3-sFe5.yGayOi2 system // Journal of Applied Physics. 1976. V. 9. P. 71-77.

79. Wittekoek S., Popma Т., Robertson J., Bongers K. Elements of magnetooptic spectra and dielectric tensor in Bi-substituted garnets at photon energies 2,2-52 eV // Physical Review B. 1975, V. 12. P. 27772778.

80. Takenchi H. Faraday effect in Bi-substituted rare-earth garnets // Japanese Journal of Applied Physics. 1975. V. 14, № 12. P. 1903-1910.

81. Ito S., Mikami I., Sugita Y., Taniguchi S. LPE film of bismuth substituted bubble garnet // Journal of Physical Society of Japan. 1973. V. 34. P. 1101.

82. Takeuchi H., Mikami I., Taniguchi S. U.H.F.-optical experiment on Bi-substituted Y1G // Journal of Applied Physics. 1975. V. 46, № 8. P. 3626-3627.

83. Tien P.K., Schinke D. P., Blank S. L. Magneto-optics and motion of the magnetization in a film-waveguide optical switch If Journal of Applied Physics. 1974. V. 45, № 7. P. 3059-3068.

84. Daval J., Ferrand В., Gegent J. et al. Liquid phase epitaxy and magneto-optical properties at 1,152 jxm and 1,064 jam of garnet films on GdGaG // IEEE Transactions on Magnetics. 1975. V. MAG-II, № 5. P. 1115-1117.

85. Балбашов А. М., Лисовский Ф. В., Раев В. К. и др. Элементы и устройства на цилиндрических магнитных доменах / Справочник под ред. Евтихиева Н. Н. и Наумова И. С.- М.: Радио и связь, 1987. 488 с.

86. Booth R. С. and White Е. A. D. Magneto-optic properties of rare earth iron garnet crystals in wavelength range 1,1-1,7 pun and their use in device fabrication // Journal of Physics D: Applied Physics, 1984. V. 17. P. 579-587.

87. Червоненкис А. Я., Залысин С. П. Улучшение технических характеристик ячеек Фарадея // Труды Московского Энергетического Института- М.: 1980, Вып. 490. С. 103 105.

88. Яковлев Ю. М., Генделев С.Ш. Монокристаллы ферритов в радиоэлектронике. М.: Советское радио, 1975. 360 с.

89. Chen D., Otto G., Schmitt F. MnBi films for magnetooptic recording If IEEE Trans, on magnetics. 1973. V. MAG-9, № 2. P. 66 -82.

90. Chen D., Aagard R. L., Liu T. S. Magneto optic properties of quenched thin films of MnBi and optical memory experiments // Journal of Applied Physics. 1970. V. 41, № 3. P. 1395 - 1396.

91. Chen D., Aagard R. L. MnBi films: High temperature phase properties and Curie - point writing characteristics // Journal of Applied Physics. 1970. V. 41, № 6. P. 2530 - 2534.

92. Stoffel A. M., Schneider J. Magneto optic properties of MnAs films // Journal of Applied Physics. 1970. V. 41, № 3. P. 1405 - 1407.

93. Comstock R. L., Lissberger P. H. Magneto optic properties of Cr - Те films prepared by sequential evaporation 11 Journal of Applied Physics. 1970. V. 41, № 3. P. 1397 - 1398.

94. Stoffel A. M. Magnetic and magneto optic properties of FeRh and Cr02 // Journal of Applied Physics. 1969. V.40, № 3. P. 1238.

95. Gorter E. W. Some properties of ferrites in connection with their chemistry // Proceedings of IRE. 1955. V. 43, № 12. P. 1945.

96. Coren R. L., Francombe M. H. Optical Faraday effect in ferromagnetic and ferrit films // Journal of Physics of Radium. 1964. V. 25, №>1-2. P. 233 237.

97. Zanmarchi G., Bongers P. F. Infrared faraday rotation in ferrites // Journal of Applied Physics. 1969. V. 40, № 3. P. 1230.

98. Wolf R., Kurtzig A. J., LeCraw R. C. Room temperature ferromagnetic materials transparent in the visible // Journal of Applied Physics. 1970. V. 41, № 3. P. 1218 - 1224.

99. Shafter M. W., McGuire T. R., Argile В. E., Fan G. Magnetic and optical properties of transparent RbNiF3 // Applied Physics Letters.1967. V. 10, № 7. P. 202 204.

100. Suits J. C., McGuire T. R., Shafer M. W. Magnetooptical properties of cobalt substituted RbNiF3 // IEEE Transactions on Magnetics.1968. V. 4, № 3. P. 425 426.

101. Pisarev R. V., Sing I. G., Nesterova N. N., et al. Faraday rotation and magnetic dichroizm in RbNi(Co)F;? // Physica of Status Solidi. 1968. V. 30, № 1. P. 367 372.

102. Chen F. S., Guggenheim H. J., Levinstein H. J., Singh S. Magnetooptical properties of transparent RbFeF3 // Physical Review Letters. 1967. V. 19, № 17. p. 948 950.

103. Ahn K. Y., Suits J. C. Preparation and properties of EuO films // IEEE Transactions on Magnetics. 1967. V. 3, № 3. P. 453 455.

104. Matthias В. Т., Bozorth R. M., Van Vieck J. H. Ferromagnetic interactions in EuO // Physical Review Letters. 1961. V. 7, № 5. P. 160 161.

105. Dimmock J. O., Hurvitz С. E., Reed Т. B. Infrared transmission, magnetic birefringence and Faraday rotation in EuO // Applied Physics Letters. 1969. V. 14, № 2. P. 49.

106. Guntherodt G., Schoenes J., Wachter P. Optical constants of the Eu chalcogenieds above and below the magnetic ordering temperature // Journal of Applied Physics. 1970. V.41, № 3, Pt. 1. P. 1083 -1084.

107. Матвеев A. H. Оптика M.: Высшая школа, 1985. 351 с.

108. Хаус X. Волны и поля в оптоэлектронике. М.: Мир, 1988. 432 с.

109. Василевская А. С. К вопросу об электрооптических свойствах кристаллов типа KDP // Кристаллография. 1966. т. 11, № 5. С. 755 759.

110. Lenzo P. V., Spencer Е. G., Nassau К. Electrooptic coefficients in lithium niobate // Journal of Optical Society of America. 1966. V. 56, № 5. P. 633 635.

111. Влох О. Г. О дисперсии электрооптического коэффициента в кристаллах ADP и KDP // Кристаллография. 1962. Т. 7, № 4. С. 632 633.

112. Zernike F. Jr. Refractive indices of ADP and KDP between 0,2 and 1,5 microns // Journal of Optical Society of America. 1964. V. 54, № 10. P. 1215 1220.

113. Вишневский В. В., Стефанский И. В. Температурная зависимость дисперсии преломляющей способности монокристаллов ADP и KDP И Оптика и спектроскопия. 1966. Т. 20, № 2. С. 357 -359.

114. Yamazaki М., Ogawa Т. Temperature dependencies of the refractive indices of NH4H2PO4, KH2PO4 and partially deuterated KH2P04 // Journal of Optical Society of America. 1966. V. 56, № 10. P. 1407 -1408.

115. Берлинкур Д., Керран Д., Жаффе Г. Пьезоэлектрические и пьезомагнитные материалы и их применение в пьезопреобразовате-лях / В кн. «Физическая акустика», Т. 1,4. А, под ред. У. Мэзона, пер. с англ. М.: Мир, 1966. С. 204 - 326.

116. Rosner R. D., Turner Е. Н., Kaminow 1. P. Clamped electro-optic coefficients of KDP and quartz // Applied Optics. 1967. V. 6, № 4. P. 778.

117. Kaminow 1. P., Harding G. O. Complex dielectric constant of KH2PO4 at 9,2 GHz // Physical Review. 1963. V. 129, № 4. P. 1562 -1566.

118. Sliker T. R., Burlage S. R. Some dielectric and optical properties of KH2PO4 // Journal of Applied Physics. 1963. V.34, № 7. P. 1837 1840.

119. Christmas Т. M., Wildey C. G. Pulse measurement of г'ез in KDP // Electronics Letters. 1970. V. 6, № 6. P. 152 153.

120. Ott J.H., Sliker T. R. Linear electrooptic effects in KH2P04 and its isomorphs // Journal of Optical Society of America. 1964. V. 54, № 12. P. 1442 1444.

121. Bernal E., Chen G. D., Lee Т. C. Low frequency electrooptic and dielectric constants of lithium niobate // Physics Letters. 1966. V. 21, № 3. P. 299.

122. Zook J. D., Chen G. D., Otto G. N. Temperature dependence and model of the electrooptic effect in LiNb03 // Applied Physics Letters. 1967. V. 11, № 5. P. 159 161.

123. Hulme K. F., Davies P. H., Cound V. M. The signs of electrooptic coefficients for lithium niobate // Journal of Physics C: Solid State Physics. 1969. V. 2, № 5. P. 855 857.

124. Turner E. H. High frequency electrooptic coefficients of lithium niobate // Applied Physics Letters. 1966. V. 8, № 11, P. 303.

125. Boyd G. D., Miller R. C., Nassau K., et al. LiNb03: an efficient phase matchable nonlinear optical material // Applied Physics Letters. 1964. V. 5, № 11. P. 234 236.

126. Iwasaki H., Yamada Т., Niizeki N., Toyoda H. Piezoelectric and optical properties of LiNbO-? single crystals // Review of Electronic Communication Laboratory. 1968. V. 16, № 5 6. P. 385.

127. Lenzo P. V., Turner E. H., Spencer E. G., Ballman A. A. Electrooptic coefficients and elastic wave propagation in single domain ferroelectric lithium niobate // Applied Physics Letters. 1966. V. 8, № 4. P. 81.

128. Boyd G. D., Bond W. L., Carter H. L. Refractive index as a function of temperature in LiNb03 // Journal of Applied Physics. 1967. V. 38, № 4, P. 1941 1943.

129. Don Berlincourt, Jaffe H., Shiozawa L. R. Electroelastic properties of the sulfides, selenides and tellurides of zinc and cadmium // Physical Review. 1963. V. 129, № 3. P. 1009 1017.

130. Lorimer O. G., Spitzer W. G. Infrared refractive index absorption of InAs and CdTe 11 Journal of Applied Physics. 1965. V.36, № 6. P. 1841 1847.

131. Dakin J. P., Holliday M. C. A passive all dielectric field probe for r. f. measurement using the electro - optic effect // Proceedings of Fiber Optics'84, London, 1984. V. 468. P. 237 - 246.

132. Mason W. P. Crystal physics of interaction processes- N. Y.: Academic Press, 1966. P. 165 183.

133. Dixon R. W. Photoelastic properties of selected materials and their relevance for application to acoustic light modulators and scanners //Journal of Applied Physics. 1967. V.38, № 13. P. 5149 5153.

134. Narasimhamurty T. S. Photoelastic constants of a quartz // Journal of Optical Society of America. 1969. V. 59, № 6. P. 682 - 685.

135. Vedam K. Elastic and photoelastic properties of some optical glasses // Proceedings of Indian Academy of Sciences. 1950. V. A31. P. 450 458.

136. Borrelli N. F., Miller N. A. Determination of the individual strain optic coefficients of glass by ultrasonic technique // Applied Optics. 1968. V. 7, № 5. P. 745 - 750.

137. Dixon R. W., Cohen M. G. A new technique for measuring magnitudes of photoelastic tensors and its application to lithium niobate 11 Applied Physics Letters. 1966. V. 8, № 8. P. 205 206.

138. Smith Т. М., Korpel A. Measurement of light sound interaction efficiencies in solids // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1965. V. 1, № 6. P. 283 - 284.

139. Спенсер Э. Дж., Ленцо P. В., Беллман А. А. Диэлектрические материалы для электрооптических, упругооптических и ультразвуковых приборов // ТИИЭР. 1967. Т. 55, № 12. С. 5 41.

140. Izotova V. F. et. al. Investigations of Mueller matrices of anisotropic nonhomogeneous layers in application to an optical model of the cornea // Applied Optics. 1997. V.36, № 1. P. 164-169.

141. Davis T. A., Vedam K. Pressure dependence of refractive indices of the tetragonal crystals: ADP, KDP, CaMo04, CaW04 and rutile // Journal of Optical Society of America. 1968. V. 58, № 11. P. 1446 -1451.

142. Yoshino Т., Nara M. Accurate fiber optic sensor using differential heterodyne method // Proceedings of 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors. 1984, Stuttgart, FRG. P. 233 - 235.

143. Афанасьев Ю. В., Студенцов H. В., Хорев В. Н. и др. Средства измерений параметров магнитного поля. Л.: Энергия, Ленингр. отд., 1979. 320 с.

144. Введенский В. А., Ожогин В. И. Сверхчувствительная магнитометрия биомагнетизм. М.: Наука, 1986. 276 с.

145. Хруслов Л. Л., Балбашов А. М., Червоненкис А. Я., Изотов А. 3. Магнитооптическое измерение переходных процессов в сильноточных контурах // В кн.: Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники М.: Наука, 1976. с. 75 - 77.

146. Набокин П. И. Смещение магнитных доменных стенок в гранатовых пленках в полях 2-10"5 Э 4 Э // Письма в Журнал Технической Физики. 1981. Т. 7, Вып. 5. С. 308 - 312.

147. Червоненкис А. Я., Кубраков И. Ф. Магнитооптическая визуализация и топографирование магнитных полей // Письма в Журнал Технической Физики. 1982. Т. 8, Вып. 11. С. 696 699.

148. Yoshino Т., Ohno Y., Kurosawa К. Design and application of fiber-optic electric and magnetic field sensors for high voltage electric system // Proceedings of 2nd International Conference on Optical Fiber Sensors. 1984, Stuttgart, FRG. P. 55 58.

149. Нагацума Кадзуюки, Мацумура Хироеси, Охата Ютака. Измерение магнитного поля с помощью магнитных гранатов // Котай буцури (физика твердого тела), японск. 1984. Т. 19, № 8. с. 43(479)-47(483).

150. Deeter М. N., Rose А. Н., Day G. W. Fast sensitive magnetic-field sensors based on the Faraday effect in YIG // Journal of Lightwave technology. 1990. V. 8, № 12. P.1838-1842.

151. Doriath G., Gaudry R., Hartmann P. A sensitive and compact magnetometer using Faraday effect in YIG waveguide, Journal of Applied Physics, 1982, v.53, № 11, pp. 8263 8265.

152. Kyuma K., Tai S., Nunoshita M., et al. Fiber optic measuring system for electric current by using a magnetooptic sensor // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V.QE-I8, № 10. P.1619 1623.

153. Kuhara Y., Hamasaki Y., Kawakami A., et al. BSO/fiber- optic voltmeter with excellent temperature stability // Electronics Letters. 1982. V. 18, № 24. P. 1055 1056.

154. Spillman W. В. Multimode fiber- optic pressure sensor based on the photoelastic effect 11 Optics Letters. 1982. V. 7, № 8. P. 388 -390.

155. Sato S., Miura H. Composite optical-fiber sensor for measuring temperature and pressure in ocean // Technical Digest of The 8th Sensor Symposium. Tokyo, 1989. P. 71-74.

156. Мыцык Б. Г., Осыка Б. В., Андрущак А. С. Оптический измеритель давления // ПТЭ. 1991. № 2. С. 240 241.

157. Jerrard Н. G. Sources of error in ellipsometry // Surface science. 1969. V. 16. P. 67.

158. Джеррард А., Бёрч Дж. M. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978. 342 с.

159. Jerrard Н. G. Modern description of polarized light: matrix methods // Optics and Laser Technology. 1982. V. 14, № 6. P. 309 -319.

160. Hauge P. S., Muller R. H., Smith C. G. Conventions and formulas for using the Muller Stokes calculus in ellipsometry // Surface Science. 1980. V. 96. P.81 - 107.

161. Тронько В. Д., Павлов С. А. Магнитооптически активные среды, обладающие линейным и круговым дихроизмом // Кристаллография. 1974. Т. 19, Вып. 4. С. 692 700.

162. Бобек Э., Делла Торре Э. Цилиндрические магнитные домены / Пер. с англ. под ред. М. А. Боярченкова и В. К. Раева М.: Энергия, 1977. 192 с.

163. Кооу С., Enz V. Experimental and theoretical studies of the domain configuration in thin layers of BaFei2019 // Philips Research Reports. 1960. V. 15. P. 7.

164. Thiele A. A. The theory of cylindrical domains // Bell System Technical Journal. 1969. V. 48. P. 3287 3385.

165. Dujvestijn A. J. W., Boonstra B. P. A. Numerical evaluation of functions occurring in a study of domain configuration in thin layers of BaFe,2Oi9 // Philips Research Reports. 1960. V. 15. P. 390.

166. Червинский M. M., Глаголев С. Ф., Горбунов И. П. Магнитооптические методы и средства определения магнитных характеристик материалов. Л.: Энергия, Ленингр. отделение, 1980. 128 с.

167. Никольский В. В. Теория электромагнитного поля. М.: Высшая школа, 1961. 172 с.

168. Смоленский Г. А., Леманов В. В. Ферриты и их техническое применение. Л.: Наука, Ленингр. отделение, 1975. 219 с.

169. Krumme J.-P., Doormann V, and Klages С.-P. Magnetooptic properties of bismuth substituted iron garnet films using piezobirefrin-gent modulation // Applied Optics. 1984. V. 23, № 8. P. 1184-1192.

170. Cahan B. D., Spanier R. R. A high speed precision automatic ellipsometer // Surface Science. 1969. V. 16. P. 166 167.

171. Мыцык Б. Г. Новые возможности применения кристаллов в оптической термометрии // Заводская лаборатория. 1986. Т. 52, Вып. 9. С. 51 53.

172. Tabor W. J., Chen F. S. Electromagnetic propagation through materials possessing both Faraday rotation and birefringence: experiments with ytterbium orthoferrite // Journal of Applied Physics. 1969. V. 40, № 7. P. 2760 2765.

173. Jaecklin A. A. and Lietz M. Elimination of disturbing birefringence effects on Faraday rotation // Applied Optics. 1972. V.ll. P. 617 621.

174. Ulmer E. A. High accuracy Faraday rotation measurements // OSA/1EEE 1988 Technical Digest of Optical Fiber Sensors Meeting. 1988, New Orleans, LA. P. 288 291.

175. Yariv A., Winsor H. V. Proposal for detection of magnetic fields through magnetostrictive perturbation of optical fibers // Optics Letters. 1980. V. 5, № 3. P. 87 89.

176. Voss K. F. and Wanser К. H. Fiber-optic strain-displacement sensor employing nonlinear buckling // Applied Optics. 1997. V.36, № 13. P. 2944-2946.

177. Al. Григорьев В. А. Измерительные преобразователи поляриметрического типа. Санкт-Петербург: Издательство С.-Петербургского Университета, 1999. 200 с.

178. А2. Григорьев В. А., Оробинский С. П., Быстров М. В. Влияние переменного магнитного поля на характер намагничивания монокристаллических пленок ферритов-гранатов // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. Вып. 18. С. 1117-1120.

179. A3. Григорьев В. А., Быстров М. В. О пороге чувствительности преобразователя на основе эпитаксиальной пленки феррита-граната //ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 11. С. 130-133.

180. А6. Григорьев В. А., Михайлов Б. В., Оробинский С. П. Исследование низкочастотного шума источников излучения // Радиотехнические и оптические системы связи: Сб. науч. трудов учеб. ин-тов связи. Л.: ЛЭИС, 1988. С. 168-169.

181. А7. Большаков А. А., Оробинский С. П., Григорьев В. А., Миронов С. А., Быстров М. В. Волоконно-оптические датчики слабых магнитных полей // Тезисы докл. IV Всесоюзной конференции «Световодные системы связи и передачи информации», Москва, 1984. С. 11.

182. А8. Григорьев В. А., Быстров М. В. Магнитный шум в эпитакси-альных пленках ферритов-гранатов // ЖТФ. 1989. Т. 59. Вып. 6. С. 181-183.

183. А9. Оробинский С.П., Быстров М.В., Галкин С. Л., Григорьев В. А. Волоконно-оптический магнитометр с использованием магнитооптических эффектов в многослойном образце с доменной структурой // Оптика и спектроскопия. 1987. Т. 62. Вып. 6. С. 1392-1394.

184. А10. Григорьев В. А. Магнитооптический ротатор в оптической схеме поляриметрических преобразователей // Оптический журнал. 2000. Т. 67, № 6. С. 115 116.

185. All. Беккер Я. М., Григорьев В. А., Чуркин В. П., Цветков В. А. Коммутатор оптических каналов связи // Авт. свид. СССР, № 1088520 от 30.07.82.

186. А12. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А., Гусев Ю. М. Оптический изолятор // Тезисы докл. Ill Всесоюзной конференции по вычислительной оптоэлектронике, Ереван, 1987. С.52.

187. A14. Григорьев В. А., Михайлов Б. В., Перцович Г. Ю. Фазовый метод измерения сигнала в датчиках поляриметрического типа // Оптический журнал. 1994.№ 7. С.75-76.

188. AI5. Grigor'ev V. A., Mikhailov В. V. Phase method of measuring a signal in fiber-optic birefringence-type sensors // Optics Letters. 1994. Vol. 19, № 17. P. 1367 1369.

189. A16. Григорьев В. А., Михайлов Б. В. Новый метод измерения сигнала в волоконно-оптических датчиках поляриметрического типа // ЖТФ. 1995. Т. 65. Вып. 1. С. J 57-162.

190. А17. Григорьев В. А. Волоконно-оптический трансформатор электрического тока промышленной частоты И Оптический журнал. 2000. Т. 67, № 6. С. 117 119.

191. А19. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Червоненкис А. Я. Оп-тоэлектронный измеритель магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1378591 от 25.09.85.

192. А21. Григорьев В. А., Оробинский С. П. Волоконно-оптические магнитометры // Материалы ведомственного координационного совета по с вето водным системам связи. М., 1987. С. 170-183.

193. А22. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А. Устройство для измерения магнитных полей // Авт. свид. СССР, № 1420559 от 22.05.86.

194. А23. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Богатырев А. И., Гусев Ю. М. // Авт. свид. СССР, № 258564 от 03.02.86.

195. А24. Григорьев В. А., Быстров М. В., Комиссарова О. М. Способ измерения магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1674027 от 29.05.89.

196. А25. Оробинский С. П., Быстров М. В., Григорьев В. А. Способ измерения магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1419326 от 09.09.86.

197. А26. Данилевский Ю. Г., Беккер Я. М., Безяев В. И., Чуркин В. П., Цветков В. А., Григорьев В. А. Оптический мультиплексор дляволоконно-оптической линии связи //Авт. свид. СССР, № 1124865 от 28.05.82.

198. А27. Оробинский С. П., Перцович Г. Ю., Григорьев В. А., Комаров И. Ю. Оптоэлектронный датчик магнитного поля тока промышленной частоты // Тезисы докл. Второго научно-технического семинара «Микроэлектронные датчики», Ульяновск, 1988. С. 168.

199. А28. Григорьев В. А., Палей Э. Л. Оптическая дуговая защита для КРУ и КРУН 6-10 кВ // Тезисы докл. XIV Научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем 2000», Москва, 2000. С. 152-153.

200. А29. Григорьев В. А. Волоконно-оптический трансформатор тока для высоковольтных электрических подстанций // Петербургский журнал электроники. 2000. №1. С. 59-61.

201. A31. Grigor'ev V. A., Mikhaylov В. V., Orobinsky S. P., and Pertsovich G. Y. Fiber-optic pressure sensor // Proc. First international soviet fiber optics conference. Leningrad, USSR, 1991. Vol. II, P. 107109.

202. A32. Оробинский С. П., Михайлов Б. В., Григорьев В. А., Быстрое М. В. Чувствительный элемент волоконно-оптического датчика магнитного поля // Авт. свид. СССР, № 1500103 от 06.01.87.

203. АЗЗ. Широков Г. И., Оробинский С. П., Григорьев В. А., Богатырев А. И. Интегрально-оптический датчик параметра физического поля // Авт. свид. СССР, № 1320721 от 09.12.85.

204. А34. Оробинский С. П., Григорьев В. А., Гусев Ю. М., Михайлов Б. В. Волоконно-оптические датчики контейнера НРП // Тезисы докл. V Всесоюзной конференции «Волоконно-оптические системы передачи», Москва, 1988. Секция 5, С. 50.

205. А35. Рудов Ю. К., Григорьев В. А., Зингеренко Ю. А. Волоконно-оптические усилители для систем передачи синхронной цифровой иерархии // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 1997. С.10-13.

206. Настоящим актом подтверждается, "что результата диссертацион— ной работы В.А.Григорьева использованы в АО Ленэнерго в следующих образцах оборудовании:

207. Опытный образец волоконно-оптического переносного индикатора капркхгегагя ХШП (РК2.710.010) Для контроля фазовых капркагонии при проведении профилактических и ремонтных работ на высоковольтных подстанциях (ОКР "ИГЛА"', 1991 г.);

208. Экономический эффект от внедрения оборудования в 91-96 г.г. составил 70 тыс. долларов СМА.1996 г.).1. Начальник ПТС1. УТВЕРЖДАЮ»1. Главный Инженер1. АКТвнедрения результатов докторской диссертации Григорьева В.А.

209. Глагный икггекер ГП пНави—Дале1. Г!1. АКТо внедрении научных результатов докторской диссертации Григорьева В.А.

210. С.н.с. НПК-18 B.J1 .Ивашинцова