автореферат диссертации по авиационной и ракетно-космической технике, 05.07.07, диссертация на тему:Метод расчета многопроходных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков электрического тока и магнитного поля для контроля параметров ракетно-космической техники

На правах рукописи

оптических датчиков электрического тока и магнитного поля для контроля параметров ракетно-космической техники

Специальность 05.07.07 - «Контроль и испытание летательных аппаратов и их систем», технические науки

)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2003

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте космических систем (НИИКС) Федерального государственного унитарного предприятия «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева» (ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева»),

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный машиностроитель Российской Федерации Гориш Анатолий Васильевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Мурашкина Татьяна Ивановна;

доктор технических наук, профессор Вокин Григорий Григорьевич.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное объединение измерительной техники» (г. Королев, Московской области).

Защита состоится 18 декабря 2003 года в 15 часов на заседании диссертационного совета ДС 403.003.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный космический научно-производственный центр имени М.В. Хруничева» по адресу: г.Юбилейный, Московской области, ул. Тихонравова, дом 27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИКС ФГУП «ГКНПЦ им. М.В. Хруничева».

Автореферат разослан 04 ноября 2003 года.

Чаплинский

Ученый секретарь диссертационного

совета, д.т.н., профессор В.С.

^ /ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

На всех этапах создания и развития ракетно-космической и авиационной техники для различных задач оборонного, гражданского, социального и других направлений необходимо иметь системы диагностики, контроля и измерения различных физических параметров.

Четкая организация обслуживания, обеспечения готовности ракетно-космической техники (РКТ) к выполнению целевых задач требуют постоянного поиска, создания и внедрения новых информационно-измерительных средств, а также требуют создания более совершенных первичных преобразователей и методов измерения и контроля физических параметров на изделиях РКТ.

В последние годы в РКТ развивается и формируется новая область информационно-измерительного приборостроения - волоконная оптика (ВО), для создания волоконно-оптических датчиков (ВОД), а на их базе контрольно-измерительной аппаратуры нового поколения.

Эти датчики характеризуются преимуществами по сравнению с традиционными датчиками для измерения различных физических параметров.

Специалисты считают, что приход ВО и волоконно-оптических средств измерения на смену электрическим имеет такое же значение для науки и техники, как и переход от транзисторных принципов построения на микроэлектронную и твердотельную технологию построения чувствительных элементов (ЧЭ) датчиков и преобразователей.

Это достигается совокупностью основных технических и эксплуатационных характеристик ВОД по сравнению с традиционными электрическими датчиками, а именно: они не чувствительны к внешним электромагнитным полям, имеют высокую механическую прочность и компактность, малые габаритные размеры, простую конструкцию, являются

химически инертными, оказывают малое влияние или виибщй не оказывают

РОС- НАЦИОНАЛЬНАЯ^ БИБЛИОТЕКА

С. Петербург и„ ^

оэ m^utrfj /э

I

I

влияния на измеряемый объект, могут применяться во взрывоопасной среде ввиду отсутствия искро- и взрывоопасное™, изготавливаются из диэлектрических материалов, чем обеспечивается отсутствие путей прохождения через них электрического тока (полная гальваническая развязка), устойчивы к повышенным температурам, механическим ударам, вибрациям и другим воздействиям окружающей среды, позволяют производить бесконтактные и дистанционные измерения, потребляют малое количество энергии, экологически безопасны.

ВОД представляется возможным применять в РКТ как на этапе

\

создания новых образцов, так и в процессе эксплуатации различных типов ракет-носителей и космических аппаратов для измерения электрического тока, магнитного поля, напряжения, быстрого измерения температуры небольших поверхностей, имеющих малую теплопроводность и переменную отражающую способность и другие параметры.

Требования к уменьшению массы и габаритных размеров систем измерения, диагностики и контроля для автономных систем управления (АСУ), применяемых на космических аппаратах (КА), в авиационной, морской и машиностроительной технике, и требования к уменьшению громоздких кабельных сетей настоятельно требуют внедрения унифицированных волоконно-оптических сетей сбора данных (ВОССД), потенциально имеющих более высокие технические характеристики в сравнении с традиционными сетями, обеспечивающих более надежную и объективную передачу телеметрической информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех и повышенной искро- и взрывоопасности и предполагающих замену электрических датчиков, построенных на традиционных принципах преобразования, на ВОД.

Основное преимущество ВОД, применяемых в АСУ РКТ, обусловлено, прежде всего, их естественным сопряжением с волоконно-оптическими средствами передачи информации и лучшими возможностями объединения их в ВОССД. Но, к сожалению, в настоящее время, когда техника передачи

оптических сигналов (ОС) по волоконно-оптическим каналам отработана достаточно хорошо, работы по созданию отечественных ВОД только выходят за рамки лабораторных исследований, серийно изготавливаемые ВОД практически отсутствуют. Отдельные ВОД разрозненных разработок имеют разные входные и выходные параметры, что не позволит их использовать в АСУ.' Отсутствие широкой номенклатуры ВОД и недостаточные темпы в области их разработок в ближайшие годы станут сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД в АСУ. Поэтому существует настоятельная потребность в создании ВОД различных типов как. для РКТ, так и для промышленного применения в различных отраслях социальной значимости.

В настоящее время в РКТ ведутся отдельные разработки в области создания ВОССД, обеспечивающих более эффективное получение телеметрической информации о состоянии систем РКТ в сравнении с традиционными информационно-измерительными системами (ИИС), фиксирующих воздействие электромагнитных помех и повышенной искро-взрывоопасности.

. В настоящее время серийно изготавливаемые ВОД для различных изделий РКТ практически отсутствуют. Существующие отдельные лабораторные образцы ВОД не имеют единой методологии построения, чаще всего рассчитаны на работу в лабораторных условиях и неработоспособны при возведении жестких внешних влияющих факторов, имеющих место в РКТ. Отсутствие достаточной номенклатуры ВОД и низкие темпы их разработок являются сдерживающим фактором в создании и внедрении ВОССД, поэтому создание отечественных ВОД, как основных компонентов ВОССД, с метрологическими и эксплуатационными характеристиками, отвечающими условиям и требованиям РКТ, является актуальной задачей.

В этой связи, создание ВОД является новым и перспективным самостоятельным научно-техническим и технологическим направлением, содержанием которого должна являться разработка на единой научно-технической, технологической и методологической основе

унифицированных базовых элементов, методов и конструкций для создания

вод.

Основные теоретические и технологические предпосылки к решению этой проблемы созданы трудами отечественных ученых: В.Д. Буркова, В.И. Бусурина, М.М. Бутусова, A.B. Гориша, В.М. Гречишникова, И.И. Гроднева, Е.А. Зака, В.Г. Жилина, Б.А. Красюка, Н.Е. Конюхова, Т.И Мурашкиной, Я.В. Малкова, О.Р. Носова, А.Л. Патлаха, В.Т. Потапова, Д.К. Саттарова и др.

Мировая тенденция развития практически всех областей науки, техники и технологии в настоящее время заключается в автоматизации процессов измерения, управления, контроля и диагностирования приборов, систем, оборудования, технологических установок, а также различных инженерно-технических объектов (ИТО). Это обуславливает постоянный рост потребностей в датчиках, которые являются основными элементами в системах измерения, управления, контроля и диагностирования. По данным компании ВСС (Business Communication Co. Inc.), объединяющим сведения основных фирм производителей датчиков, мировой рынок датчиков физических величин возрастает ежегодно более чем на 9%, объем инвестиций в этой области в 2002 г. превысил 6 миллиардов долларов.

Высокие, а в большинстве случаев и специфические требования к датчикам понуждают ученых, конструкторов и технологов обращаться к новейшим достижениям в различных областях науки, техники и технологии. В настоящее время РКТ проявляет повышенный интерес к разработкам ВОД, основанных на достижениях оптоэлектроники и волоконной оптики.

Кроме РКТ, внедрение ВОД осуществляется в настоящее время в энергетике, поскольку там высокие требования к электромагнитной совместимости, к качеству измерений, пассивности и дистанционности измерений. Определенные успехи достигнуты в работах по созданию ВОД магнитного поля и электрического тока. Так в работе [16] описан ВОД для измерения и контроля токов питания в бортовых системах космических

аппаратов, самолетов и кораблей, где необходимы прочные, легкие, надежные датчики для измерения переменного электрического тока до 1000А на частотах от 50 Гц до 20 кГц, работающие в сложных условиях при наличии вибраций, ускорений, ' электромагнитных помех и перепадах температур от -80°С до +125°С. Работы [17-20] посвящены разработкам и применению ВОД электрического тока в энергетике для измерения токов на электроподстанциях, трансформаторах, ЛЭП. Применение ВОД магнитного поля и электрического тока в научных исследованиях в ядерной физике, импульсной технике, ускорителях, предопределено отсутствием других средств, обеспечивающих решение поставленных задач [21-22].

Одним из наиболее перспективных ВОД для измерения средних и сильных магнитных полей (от 1 до 106А/м) и соответствующих электрических токов являются датчики, в которых в качестве ЧЭ применяются кристаллы со структурой силленита.

По сравнению с другими магнитооптическими материалами, эти кристаллы имеют высокое значение константы Верде и слабую зависимость ее от температуры, в них отсутствует естественное линейное двулучепреломление (ЛДП), что снимает жесткие ограничения на апертуру световых пучков и обеспечивает малые потери света при согласовании ЧЭ с волокном. Для этих кристаллов характерна стабильность оптических свойств, доступность и технологичность при получении и обработке. Кристаллы ВизСеОзо имеют более высокое значение константы Верде, по сравнению с В^вЮго. что позволяет реализовать ЧЭ с меньшими габаритными размерами при одинаковых характеристиках.

Особенностью В^веОго, также как и В^БЮго, является наличие в них собственного кругового двулучепреломления (КДП) или оптической активности, которая оказывает влияние на модуляцию света в кристалле магнитным полем [23]. Одной из основных задач при разработке ВОД магнитного поля и электрического тока является повышение его чувствительности при сохранении других положительных качеств:

термостабильности, малых габаритных размеров и надежности. Одним из способов повышения коэффициента преобразования (КП) и чувствительности ВОД на основе кристаллов В^веОго является применение многопроходных ЧЭ. Это обеспечивает увеличение чувствительности ВОД за счет увеличения длины оптического пути света в кристалле при взаимодействии с магнитным полем. Однако очевидно, что должны существовать пределы возможного увеличения длины оптического пути в кристалле В^веОго. которые могут быть обусловлены рядом причин, в частности, наличием несовершенств кристаллов, приводящих к появлению остаточного ЛДП.

В работе [24] показано, что в однопроходных ЧЭ на основе В^гвЮго с длиной оптического пути =2 см и меньше, влияние остаточного ЛДП на характеристики ВОД можно не учитывать и, что при определенных условиях, можно методом выбора параметров кристалла, его геометрических размеров и взаимной ориентации осей поляризатора и анализатора реализовать ЧЭ, обладающие высокой температурной стабильностью при несущественном снижении КП. Однако до сих пор остается открытым вопрос о степени влияния ЛДН на КП многопроходных ЧЭ, изготовленных из В1]2ОеО20, общая длина оптического пути в которых, необходимая для значительного повышения КП, достигает 20-30 см. Не установлено также по какому закону будет изменяться КП с ростом длины оптического пути в различных магнитных полях.

Исходя из вышеизложенного, представленная работа посвящена вопросам разработки и совершенствования методов расчета КП многопроходных ЧЭ ВОД и вопросам создания ВОД магнитного поля и электрического тока для РКТ, в авиационной, машиностроительной и других отраслей техники.

Цель и задачи работы.

Целью работы является обеспечение измерения и контроля электрического гока и магнитного поля в изделиях ракетно-космической техники (РКТ) в условиях воздействия мощных электромагнитных Помех естественного и искусственного происхождения с повышенной искро- и взрывоопасное 1ью путем решения комплексной научной задачи разработки математической модели, методов расчета и технологических-'принципов для конструирования различных вариантов многопроходных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков электрического тока и магнитного поля на принципе эффекта Фарадея с применением кристаллов ВигОеСЬо-

Основными источниками мощных помех естественного и искусственного происхождения являются: грозовые разряды; ;, мощные радиопередающие средства; радиолокационные, радиотелеметрические и траекторные станции; высоковольтные линии электропередачи; стартовые комплексы РКТ: технологические инженерные объекты РКТ и т.д.

Исследования и разработки по поставленной научной задаче решались по следующим направлениям:

• разработка математической модели и создание программы для численного расчета КП на ПЭВМ, с целью оптимального конструкционного исполнения мноюпроходных ЧЭ ВОД на основе кршпалла В^СеО^о;

• выполнение теоретических и экспериментальных исследований КП с различными конструкционными исполнениями ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе кристалла В^ОеОго;

• установление степени влияния остаточного ЛДП на КП и чувствительность ВОД с многопроходным ЧЭ в В^СтеО^,, обусловленного несовершенствами структуры кристаллов;

• разработка и изготовление действующих макетных и опытных образцов ВОД магнитного поля и электрического' тока с различными конструкционными исполнениями ЧЭ;

• исследование действующих макетных образцов и проведение сравнительного анализа основных технических характеристик различных конструкционных исполнений ЧЭ;

• изготовление и испытания опытного образца ВОД температуры;

• разработка комплекта конструкторской документации на опытный образец ИИС. Ведется работа по изготовлению опытного образца системы.

Методы исследования.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований, при разработке математической модели для численного расчета и создания экспериментальных и макетных образцов ВОД для измерения магнитного потока и электрического тока применялись основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, методы математической физики, теории упругости, прикладной механики и теория электродинамики.

При решении теоретических задач по анализу распространения света в кристаллах и при создании математических программ использовались методы численного анализа, исчисления матриц, положения теории погрешностей, имитационного и статистического моделирования на ПЭВМ.

При проведении экспериментальных исследований реализовывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные теоретические положения и результаты расчетов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОД и проведением испытаний их в реальных условиях.

Научная новизна работы 1. Впервые разработана математическая модель, позволяющая на основе матриц Джонса рассчитывать и конструировать различные оптимальные варианты многопроходных ЧЭ ВОД электрического тока и магнитного поля на основе эффекта Фарадея для гиротропных кристаллов типа

В^звеО:» с учетом основных технических требований на разрабатываемый датчик.

2. Теоретически и экспериментально доказано влияние собственного кругового и остаточного ЛДП на чувствительность ВОД и с помощью математической модели представляется возможным Оптимально определять геометрические размеры кристалла типа В^ОеОао ЧЭ ВОД с учетом технических требований на разрабатываемый датчик.

3. Теоретически и экспериментально доказано, что:

• с увеличением длины оптического пути света (за счет многократного прохождения его в кристалле) КП и чувствительность ВОД зависят от длины кристалла и магнитного поля;

• за счет наличия остаточного ЛДП в кристалле типа В^веОго зависимость КП и чувствительность ВОД становятся существенно нелинейными.

4. Экспериментально показано, что повышение чувствительности при конструировании ВОД магнитного поля и электрического тока на принципе эффекта Фарадея на основе кристалла В^ОеОзо обеспечивается за счет реализации многопроходных ЧЭ.

Практическая ценность работы:

1. Разработан и реализован метод расчета КП многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрическою тока на основе гиротропных кристаллов, который позволяет рассчитывать и оптимально определять конструктивное исполнение ВОД этого типа на основе кристаллов, изготовленных из материалов В^веОго, В^ЗЮзо, В^ТЮзо-

2. Представлены расчетные данные зависимости температурного дрейфа КП от длины ЧЭ на основе кристаллов В^веОм, позволяющие определять области длин многопроходных ЧЭ, при которых значительно повышается КП и сохраняется его высокая температурная стабильность.

3. Результаты экспериментальных исследований показали принципиальную возможность создания многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока с повышенным значением КП.

4. Создан макетный действующий образец ВОД магнитного поля и электрического тока с многопроходным ЧЭ. Проведены экспериментальные исследования и доказано, что чувствительность его не менее, чем в 8 раз превышает чувствительность ВОД по сравнению с однопроходным ЧЭ.

В гражданских отраслях промышленности представляется возможным создавать новые типы ВОД и применять их при измерении различных температур в высоковольтных электрических аппаратах, таких, как генераторы переменного тока и трансформаторы; при измерении тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередач; при измерении давлений, магнитных потоков и других физических параметров.

В настоящее время изготавливается опытный образец информационно-измерительной системы на базе волоконно-оптических датчиков для измерения температур в зонах действия сильных электромагнитных полей, в пожароопасных условиях и в агрессивных средах с диапазоном измерения от - 60 до +300° С, обеспечивающих, по сравнению с аналогами, повышение точности и быстродействие измерительных процессов в 3 - 5 раз, многократное снижение массы, габаритных размеров и энергопотребление, а также дистанционность измерения с возможностью объединения в единую сеть десяти и более измерительных каналов.

Результаты теоретических, технологических и экспериментальных исследований, изложенные в диссертационной работе, в настоящее время применяются и реализованы в Институте радиотехники и электроники РАН, НПО измерительная техника, при разработке ВОД для измерения физических параметров в РКТ, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности.

В Московском государственном университете леса (МГУЛ) результаты работы применяются на занятиях студентов по проектированию устройств волоконно-оптической техники.

Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на НТС Росавиакосмоса, на Международных конференциях «Информационные технологии в науке, образований, телекоммуникации, бизнесе» «IT-SE 2001», Ялта - Гурзуф, 2029 мая 2001г., «IT-SE 2002», Ялта - Гурзуф 2002г. На VIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика -2002» РИ -2002, Санкт-Петербург, 26-28 ноября 2002 года.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

1. Математическая модель, расчетные методики и прикладные программы для численного расчета на персональном компьютере КП многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея для гиротропных кристаллов типа Bi^GeOio-

2. Результаты численного моделирования расчетов КП и результаты экспериментальных исследований в многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта ■ Фарадея в оптически активных кристаллах типа Bi^GeOjo, подтверждающие необходимость учета влияния остаточного ЛДП при расчете характеристик многопроходных ЧЭ ВОД.

3. Принципы оптимизации конструкций ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока и технологические принципы сборки этих датчиков.

4. Действующий макетный образец магнитного поля и электрического тока с многопроходным ЧЭ ВОД на основе кристалла В^веОго-Содержание работы.

Диссертация состоит из 4 глав, введения и заключения.

В первой главе дан обзор литературы, посвященной ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея. Приведены

основные характеристики и основные преимущества этих датчиков, отмечена тенденция роста разработок таких датчиков и измерительных систем на их основе для практических измерений в разных отраслях науки и техники.

В обзоре рассмотрены методы преобразования измеряемого магнитного поля и электрического тока в выходной сигнал фотоприемного устройства. На основе анализа работ, посвященных ВОД магнитных полей и токов на основе эффекта Фарадея, показано, что для измерения средних значений магнитных полей и токов наиболее подходящими являются датчики с ЧЭ из кристаллов типа В^Юго и В5|2СеО20. В этом случае могут быть использованы стандартные многомодовые оптические волокна и другие элементы, что снижает стоимость датчиков, а сами ЧЭ потенциально могут обеспечить высокие метрологические характеристики и высокую надежность ВОД.

Описаны различные конструкции и оптические схемы ЧЭ ВОД магнитного поля - и электрического тока. Отмечается, что повышение чувствительности и метрологических характеристик ВОД этого типа связано с созданием многопроходных ЧЭ, обладающих минимальными температурными дрейфами КП, и что это является в настоящее время актуальной задачей.

В главе II проведен теоретический анализ характеристик ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе кристаллов В^СеО:«. При помощи формализма матриц Джонса получены выражения для КП и глубины модуляции для трех типов ЧЭ: отражательного, проходного и многопроходного. Расчет проводился с учетом влияния остаточного ЛДП, приводящего к сложной нелинейной зависимости КП от длины оптического пути луча света в кристалле. Показано, что для однопроходных и двухпроходных ЧЭ, общая длина оптического пути света в которых не превышает величины в несколько сантиметров, влияние остаточного ЛДП для кристаллов типа В112ОеО20 при расчетах можно не учитывать.

Одним из способов повышения чувствительности КП ВОД к магнитному полю и электрическому току является увеличение угла Фарадея за счет увеличения длины оптического пути света L в кристалле Bi|2GeOio. При этом, с целью уменьшения основных геометрических размеров ВОД, целесообразно оптический путь в кристалле увеличивать за счет многократного прохождения света. Однако увеличение длины оптического пути L в кристалле Bi^GeOjo может привести к проявлению влияния ряда нелинейных эффектов, в том числе и остаточного ЛДП Р в Bi12Ge02o на магнитооптическую модуляцию света и КП ВОД. Остаточное двулучепреломление всегда присутствует в кристаллах со структурой силленита вследствие неидеальности их структуры.

Приводятся результаты анализа характеристик многопроходных ЧЭ при различных длинах оптического пути и числе проходов луча в кристалле. Показано, что при достаточно большом количестве проходов луча по

кристаллу условия Д«^ и ср«^ (ф - угол Фарадея) могут не

выполняться, при этом выражения для интенсивности световой волны I на выходе кристалла и КП ЧЭ становятся сложными функциями параметров кристалла и магнитного поля. Согласно справочным данным различных авторов величина остаточного ¡3 для BijiGeOio лежит в пределах 2,3-г7,1

рад/м, поэтому условие PL « ^ может нарушаться при L, равном нескольким

сантиметрам. В этом случае для исследования характеристик многопроходных ЧЭ целесообразно применение численного моделирования, поскольку получение аналитических выражений для интенсивности излучения на выходе ЧЭ и КП не представляется возможным, ч.

Для проведения расчётов по моделированию многопроходного чувствительного элемента (МЧЭ) ВОД магнитного поля и электрического тока были разработаны библиотеки процедур и функций на языке Borland Pascal, годные к применению как в среде программирования Borland Pascal

3.0 и выше, так и в среде визуального программирования Borland Delphi любой версии.

На рис. 1 приведены зависимости КП S от оптического пути Ln МЧЭ для четырёх значений ЛДП р~0; Р=2,3 рад/м; Р~4,7 рад/м; р=7,3 рад/м. Из рисунка видно, что по мере увеличения /? зависимость S от L начинает значительно отличаться от линейной ф-0).

1 2е 004 1 Ое 004

6 Ое 005 В Ое 005

4 Се 005 I 00 ось

о 0е*00С

Рис. !■ Зависимость коэффициента преобразовании S от длины преходи хуча I. в многопроходно ч Ч'Э д /я раз тчпых значений .¡жешюго деу /учепр&юи ¡eiuw a) р=0 - прямая Iшиш 1: о)Р=2.3 рад м •• кривые 2: в)р -4. ''рад 'м - кривая 3.

1 рад/м - кривая4.

На рис.2 приведены расчетные зависимости глубины модуляции !/, от

/ 'о

полной длины оптического пуги L в ЧЭ при единичной длине пробега L,~8,7мм в случае /3=0 (кривая 1) и ¡3=4,7 рад/м (кривая 2) для величины магнитного псля Я - 8 104 Л/;;. Из этого рисунка видно, что уже при двух проходах коэффициенты модуляции начинают различаться и увеличение полной длшы оптического пути L за счет увеличения числа проходов луча в кристалле при наличии ЛДП не дает увеличения глубины модуляции, а

\ ее 004

1 4е 004

А

01

0 1

02

L м

наоборот может привести к ее уменьшению. В общем случае при измерении сильных магнитных полей глубина модуляции при учете ЛДП имеет периодическую зависимость от длины пути Однако это имеет место не для всех длин единичных проходов ¿„. Как показали расчеты, существует интервал таких значений Ьт при которых влияния ЛДП не наблюдается до значений I равных нескольким метрам.

00 02 04 06 06 10 12 14 16 16 20 22 Цт

Рис. 2 Зависимость г¡убнны модутцш т многопроходной схемы с четным числом пробегов ЧЭ ВОД от полной длины оптического пути I. дм дшны единичного пробега /.„= 0.0087м и Н=8-104А/м при

а)р~-1)рад/м - кривая!:

б) р-4,' рад/м - кривая2

Таким образом, видно, что наличие остаточного ЛДП приводит к сложной нелинейной зависимости КП от длины оптического пути. Физически это объясняется тем, что в среде, обладающей круговым и ЛДП, собственные волны являются не линейно, а эллиптически поляризованными, то есть возникает дополнительный сдвиг фаз между ортогонально поляризованными волнами, который зависит от Ь.

Однако можно подобрать такие длины кристалла Ьп . при которых

влияние ЛДП (по крайней мере в пределах @<7,1 рад/м) на коэффициент

17

преобразования и глубину модуляции практически не сказывается. Следовательно, при конструировании МЧЭ ВОД магнитного поля на основе кристаллов Bi|2Ge02o существенным является выбор длины единичного пробега света в кристалле.

Глава III содержит описание экспериментальной установки и методики измерений, позволяющих проводить измерения КП ЧЭ В0Д магнитного поля и электрического тока и их температурных дрейфов в диапазоне температур (+20 - +120) °С. Результаты оценок значений коэффициента преобразования и глубины модуляции по формулам (2.8; 2.16-2.18 гл. II) показывают, что их значения лежат в пределах 10"3 - 10"6 и, что для количественной проверки теоретических расчетов, необходимо измерять величины КП и глубины модуляции ЧЭ ВОД с относительной погрешностью не хуже чем 10"4. Очевидно, что даже в лабораторных условиях удовлетворить этим требованиям чрезвычайно трудно и, кроме этого, дорого. Поэтому нами была разработана методика эксперимента и установка, позволяющие получать необходимые точности измерений путем одновременной регистрации всех сигналов и соответствующей обработке.

На рисунке 3 представлена зависимость нормированного КП от температуры для ЧЭ с кристаллом длиной 13 мм, угол между разрешенными направлениями поляризаторов выбран так, что OL+a=45°. Как' видно из рисунка, экспериментальные точки хорошо интерполируются кривой второго порядка, а не прямой как для случая более коротких, кристаллов. Это объясняется тем, что для этой длины кристалла становится существенным влияние члена пропорционального Г в выражении для коэффициента преобразования. Расчетное значение температурного дрейфа в данном случае составляет s0,7%, на 100°С экспериментальное значение совпадает с расчетным.

1 Ш г

о

о

о

о

Б

о

о

65

95

Рис. 3 Зависимость нормированного КП от температуры дня ЧЭ с кристаллом д Iиной 13 мм, и углом между разрешенными направлениями почяризаторов, выбранными так, что вЬ+а=45°.

В главе IV описаны конструкции ВОД с ЧЭ двух типов: однопроходным и многопроходным. Описаны их оптические схемы, характеристики приемо-передающих блоков, элементы технологии их сборки и настройки. Приведены оценки отношения величины сигнал/шум при заданных уровнях оптической мощности и чувствительности фотоприемного устройства, а также влияния качества поляризаторов на чувствительность ВОД. Разработан и исследован макет ВОД для измерения токов промышленной частоты с однопроходным ЧЭ, обладающим относительным температурным дрейфом коэффициента преобразования менее 0,7% на и пороговой чувствительностью к току =0,3 А.

Приводятся результаты исследования макета ВОД с МЧЭ, которые показали, что применение МЧЭ позволило в 8 раз повысить коэффициент преобразования ВОД и снизить его пороговую чувствительность до 40 мА. При этом температурный дрейф КП ВОД составил не более 1,5% на 100°С.

На рис.4 приведены зависимости сигнала с фотоприемника от электрического тока в проводнике, полученные с многопроходным и однопроходным ЧЭ, помещенным в разрез ферритового кольца, охватывающего проводник с током.

I, А

• - Многопроходный ЧЭ

* - Однопроходный ЧЭ

Рис 4 Зависимость выходного сигнаш ВОД от тока а проводчике.

Заключение.

В диссертационной работе получено решение комплексной научной задачи разработки математической модели, методов расчета и технологических принципов ддя конструирования различных вариантов >.

многопроходных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков электрического тока и магнитного поля на принципе эффекта Фарадея с применением кристаллов Bi^GeCbo. имеющей существенное значение для обеспечения измерения и контроля электрического тока и магнишого поля в изделиях PKT.

При эюм получены следующие основные научные результаты. 1. Математическая модель и математическая программа для численного расчета КП и глубины модуляции многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в оптически активных кристаллах типа Bi^GeOio.

1.1. На основе формализма матриц Джонса получены выражения для расчета КП и глубины модуляции многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в гиротропных

20

кристаллах типа В^СеСЬн с учетом остаточного ЛДП, обусловленного несовершенством кристаллов.

2. Результаты численного моделирования распространения света в многопроходных ЧЭ на основе эффекта Фарадея в оптически активных кристаллах показали, что при проектировании ВОД магнитного поля и электрического тока необходимо учитывать влияние остаточного ЛДП в кристаллах типа В^ОеОго при расчетах характеристик ЧЭ.

2.1. Теоретически доказано, что линейное двулучепреломление в кристалле В^ОеОм приводит к сложной нелинейной зависимости КП от длины оптического пути луча света в кристалле (физически это объясняется тем, что в среде, обладающей круговым и ЛДП, собственные волны являются эллиптически поляризованными, то есть между ортогонально-поляризованными волнами возникает дополнительный фазовый сдвиг, который зависит от длины оптического пути), длинах кристаллов ВпзОеОго, влияние ЛДП на КП и глубину модуляции достаточно мало. Поэтому при конструировании многопроходных ЧЭ ВОД следует учитывать этот физический процесс и оптимально определять длину кристалла для ЧЭ ВОД.

3. Результаты экспериментальных исследований позволили:

создать автоматизированную экспериментальную установку, позволяющую проводить измерения дрейфов КП ЧЭ ВОД с точностью 0,1 %, в диапазоне температур 15... 115° С;

установить, что кристаллы со структурой силленита, такие как В^зБЮзо и В^ОеО^о, являются одним из наиболее перспективных материалов для ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на диапазоны измерений средних и сильных значений полей и токов вследствие достаточно большой величины константы Верде, стабильности свойств, технологичности и достаточно низкой стоимости;

разработать интерфейс сопряжения экспериментальной установки с персональным компьютером;

установить и оценить возможность создания ЧЭ; создать ВОД переменного магнитного поля и электрического тока, обладающего коэффициентом температурной нестабильности г 0,3 % на 100°С. Теоретические исследования и расчетные данные подтверждены экспериментальными результатами.

4. Разработаны и изготовлены макетные образцы ВОД магнитного поля и электрического тока с однопроходным и многопроходным ЧЭ. Проведены испытания . при измерениях токов промышленной частоты ВОД с однопроходным ЧЭ и получены следующие результаты: коэффициент преобразования ВОД по току = 12 мВ/А; пороговая чувствительность по току £ 0,3 А; • температурный дрейф коэффициента преобразования = 0,7 % на 100°С.

На данный тип ВОД разработана эскизная конструкторская документация. Проведены испытания при измерениях токов промышленной частоты ВОД с многопроходным ЧЭ, которые показали, ■что ВОД''¿того типа-позволяет в 8 раз повысить коэффициент преобразования ВОД и снизить пороговую чувствительность до 40 мА. При этом температурный дрейф КП ВОД составляет 1,5 % на 100°С.

Многопроходный ЧЭ ВОД позволяет измерять как переменные, так и постоянные электрические токи. Основные публикации по теме:

1. Потапов В.Т., Удапов М.Е., Котов А.Н. «Анализ характеристик многопроходного чувствительного элемента волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока». «Экология, мониторинг и рациональное природопреобразование», научные труды, вып. 307(11), стр. 197-204, МГУЛ, Москва 2000 г.

2. Котов А.Н., Потапов В.Т., Потапов Т.В., Удалов М.Е.»Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-оптического датчика магнитного поля». Труды Международной конференции

I

«Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» IT'SE, 2001, стр. 289-290, Ялта-Гурзуф, 20-29 мая 2001.

' 3. Гориш A.B. Котов А.Н., Потапов В.Т., Потапов Т.В., Удалов М.Е. «Анализ

j

влияния остаточного линейного двулучепреломления BinGeCbo на характеристики волоконно-оптических датчиков магнитного поля». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные труды, 2001/1, стр. 589-594, Росавиакосмос, Москва.

4. Абнер Д.Э., Котов А.Н., Юрков Н.К. «Рекуррентный алгоритм параметрического синтеза математической модели системы управления

t.

процессом технологического проектирования». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные труды, 2001/1, стр. 358-367, Росавиакосмос, Москва.

5. Котов А.Н. «Реализация конверсионных НИОКР, инновационных и инвестиционных проектов». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные труды, 2001/1, стр. 577-585, Росавиакосмос, Москва.

6. Баженов A.A., Бульканов М.М., Гориш A.B., Котов А.Н., Яровиков В.И. «Создание датчиков акустической Эмиссии с требуемыми характеристиками». «Информационно-измерительная техника, экология и

(

мониторинг», научные труды, 2001/1, стр. 290-295, Росавиакосмос, Москва.

7. Бурков В.Д., Котов А.Н., Удалов М.Е., Микитан Ю.В. «Н4. ' Математическое моделирование чувствительного элемента волоконно-

оптического датчика магнитного поля и электрического тока». «XXIX международная конференция и дискуссионный научный клуб». Труды «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации,

1

' бизнесе», 2002, стр.174-176, МГУЛ, Московская обл.

8. Абраменко Т.В., Гориш A.B., Кириллов А.Б., Котов А.Н. «Общие

принципы конструирования датчиковои аппаратуры для измерения 1 различных физических параметров». Международный симпозиум

«Надежность и качество», труды международного симпозиума, 27 мая - 2 июня 2002, стр. 202-204, Пензенский государственный университет, Пенза, 2002.

9. Котов А.Н. «Тенденция современного развития ВОД». VIII Санкт-Петербургская международная конференция «Региональная информатика - 2002 (РИ - 2002)», материалы конференции, часть 2, стр. 17, 26-28 ноября 2002, Санкт-Петербург. Ю.Бадеева Е.А., Бурков В.Д., Гориш A.B., Котов А.Н., Потапов Т.В. «Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе кристаллов Bi^GeOjo». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», Научные труды, выпуск 6 (2003), стр. 188-205, Росавиакосмос, Москва. 11 .Котов А.Н. «Требования к элементной базе информационно-измерительного волоконно-оптического канала бортового базирования». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6 (2003), стр. 275-281, Росавиакосмос, Москва.

12.Бадеева Е.А., Котов А.Н., ПотаповВ.Т., Потапов Т.В., Удалов М.Е. • «Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-

оптического датчика магнитного поля». «Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг», научные труды, выпуск 6 (2003), стр. 282-285, Росавиакосмос, Москва.

13.«Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей» RU № 2157512, опубл. 10.10.2000, бюл. № 28.

14.Котов А.Н., Гориш A.B. и др. «Волоконно-оптический автогенератор» RU № 21673354, опубл.20.02.2001, бюл. № 5.

15.Котов А.Н., Гориш A.B. и др. «Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока» RU № 2170439, опубл,10.07.2001, бюл. № 19.

Цитированная в автореферате литература:

16.R.L.Patterson, A.N.Rose, D.Tang and G.W.Day "A Fiber-Optic Current Sensor for Aerospace Applications, IEEE AES System Magazine, December 1990.

17.A.J.Rogers "Optical measurement of current and voltage on power systems", IEEE Journ. Electr. Power. Appl., vol.2, pp. 120-126, 1979.

18. A.M.Smith "Optical fibre current measurement device at a generating station" ECOSA (Utrecht), Proc. SPIE, vol. 236 (Bellingham: SPIE), pp.352-357,1979.

19.Y.Yamagata, T.Oshi, H.Katsukawa S.Kato, Y.Sakurai "Development of Optical Current Transformer and Application to Fault Location Systems for Substations", IEEE Trans, of Power Del., vol.8, № 3, July 1993.

20. A.Papp and H.Harms, "Magnetooptical current transformer", Appl. Optics, vol.19 (I: Principles), p.3729; (II: Components), p.3735; (III: Measurements), pp.37-41, 1980.

21.H.Takada, S.Miymoto, T.Mitsui and T.Tomimasu "Application on fibre-optic magnetic-field sensor to Kicker magnet". Phys.E.Sci Instrum., v.21, pp.371374, 1988.

22.Горчаков В.К., Куцаенко В.В., Кулаков JI.A., Кован И.А., Потапов В.Т., Чернобай А.Г., Яковенко В.И. "Исследование распределения магнитного поля в камере ТОКАМАК с помощью световодного датчика", Вопросы атомной науки и техники, № 4, стр. 75-78, 1990.

23.V.K. Gorchakov, V.V. Kutzaenko and V.T. Potapov "Electrooptical and magnetooptical effects in bismuth silicate crystals and polarization sensors using such crystals". Jnt. Journ., "Optoelecronics, vol.5, №3, pp. 235-250, 1990.

24.T. В. Потапов. «Температурная стабилизация магнитооптической модуляции в кристаллах силиката висмута». Радиотехника № 4, стр. 29-33, 1988.

25. Р. Аззам, Н. Башара «Эллипсометрия и поляризованный свет», пер. с английского. «Мир», Москва, 1981.

Подписано в иеча п. 30.10.2003 г. Типография ЦНТИ "Поиск" Тираж 100 экз.

¡

i 4

N

î I

H

î

Р18 3 8

i

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. Обзор литературы.

1.1. Цельноволоконные датчики электрического тока.

1.2. ВОД магнитного поля и электрического тока с объёмным чувствительным элементом на основе магнитооптических материалов.

1.2.1. Применение ферромагнитных материалов в чувствительных элементах ВОД.

1.2.2. ВОД с чувствительными элементами на основе ферромагнитных стекол.

1.2.3. Кристаллы со структурой силленита, как перспективный материал чувствительных элементов ВОД магнитного поля.

Выводы к главе 1.

Глава II. Теоретические исследования характеристик чувствительных элементов ВОД магнитного поля и электрического тока на основе кристаллов Bii2GeO20.

2.1. Расчёт коэффициента преобразования и глубины модуляции чувствительного элемента отражательного типа.

2.2. Расчёт характеристик чувствительного элемента проходного типа.

2.3. Расчёт характеристик многопроходного чувствительного элемента ВОД.

Выводы к главе II

Глава III. Экспериментальное исследование характеристик чувствительных элементов ВОД магнитного поля и электрического тока.

3.1. Методика измерения коэффициента преобразования и глубины модуляции чувствительных элементов ВОД.

3.2. Описание автоматизированной экспериментальной установки.

3.3. Экспериментальные исследования однопроходных чувствительных элементов.

3.4. Экспериментальное исследование многопроходных чувствительных элементов ВОД магнитного поля на основе Bi,2Ge02o.

Выводы к главе III.

Глава IV. Разработка и экспериментальное исследование макетных образцов ВОД переменного магнитного поля и электрического тока.

4.1. Конструкция и технология сборки ВОД.

4.1.1. ВОД с однопроходным чувствительным элементом.

4.1.2. ВОД с многопроходным чувствительным элементом.

4.2. Исследование характеристик ВОД переменного магнитного поля и электрического тока промышленной частоты.

4.3. Температурный дрейф коэффициента преобразования чувствительного элемента ВОД.

Выводы к главе IV.

Актуальность темы.

Телеметрические измерения — одно из основных научно-технических и технологических направлений, определяющих технический уровень и перспективы развития ракетно-космической техники (РКТ), по образному выражению - «катализатора» научно-технического прогресса. Проблемы ускорения темпов создания новых образцов ракетных комплексов, космических аппаратов, ракетных двигателей, агрегатов, конструктивных элементов, наземных стендов, повышение надёжности и долговечности, снижение их материалоёмкости, массы и габаритных размеров, а также повышение эффективности отработки их на этапах конструирования при лётно-конструкторских испытаниях неразрывно связано с созданием телеметрических и диагностических измерительных комплексов. Надёжность и ресурс работы ракетных комплексов, космических аппаратов, их систем и агрегатов в значительной степени определяются качеством и метрологическими характеристиками систем измерений, включающих в себя широкую гамму датчиковой аппаратуры. В свою очередь, определяющее влияние на общий уровень развития измерительных систем оказывают научно-технологические и метрологические достижения датчиковой аппаратуры, контролирующей многообразный спектр физических параметров на изделиях РКТ и реализующей операции преобразования физических параметров изделий РКТ в электрические унифицированные сигналы.

Датчик при внешней простоте и миниатюрности - это сложное приборное устройство, чувствительный элемент которого работает в жесточайших эксплуатационных условиях (в широких диапазонах температур от -253 до +1000 °С, при давлениях в диапазоне от 0,01 до 3000 атм., вибрации от 10 [-5] до 10 [5]g в диапазоне частот от единиц Гц до десятков и сотен кГц, акустических шумах в диапазоне от 1 до 10 [9] Па, линейных ускорениях от единиц g до десятков тысяч g, мл от 10 [-2] до 10 [-7] Н, механических и гидравлических ударах), на чувствительный элемент датчика оказывают воздействие агрессивные и криогенные среды.

Датчик должен иметь механическую прочность выше механической прочности ракетного двигателя, носителя конструктивного узла или элемента, на котором он установлен, поскольку для выявления предельных нагрузок в аномальной ситуации датчик должен «жить дольше», чем конструкция. Датчик должен иметь минимальные массу и токопотребление, чтобы не ухудшать тактико-технические характеристики ракетных и космических изделий. И, кроме того, датчик является точным измерительным прибором с гарантированными метрологическими характеристиками на протяжении всего срока эксплуатации (до 15 лет). Сегодня на датчики накладываются новые условия эксплуатации — многоразовое применение с сохранением метрологических характеристик после каждого измерения.

Развитие ракетно-космической техники обуславливает интенсивное развитие телеметрических измерений, расширение спектра контролируемых физических параметров, улучшение точностных, эксплуатационных и надёжностных характеристик. В свою очередь совершенствование телеметрических измерений требовало существенного развития датчиковой аппаратуры, расширение её номенклатуры в рамках унифицированных рядов. Непрерывное усложнение создаваемых ракетных комплексов и космических объектов длительных полётов, усложнение создаваемых конструкций изделий РКТ, высокая насыщенность техническими системами, значительный рост взаимосвязей и взаимодействий различных систем, агрегатов аппаратуры как внутри ракетных комплексов и космических аппаратов, так и с наземными измерительными пунктами, резко увеличило объём, разнообразие и значимость измерений. Всё это резко увеличивает t 6 стоимость создания каждого образца, что, в свою очередь, выдвигает требование сокращения числа испытаний ракетных и космических образцов и сроков проведения лётно-конструкторских испытаний.

На современном этапе развития РКТ возможности её потенциала могут быть реализованы только при постоянном и на высоком уровне поддержания РКТ в готовности к применению, правильности её использования, обеспечении безотказной и безопасной работы, своевременном обслуживании и восстановлении, при чётком контроле всех параметров изделий РКТ с помощью информационно-измерительных и диагностических систем, при чётком снабжении процессов эксплуатации организационно-техническими системами. Всё это требует:

- постоянного поиска и внедрения новых форм труда, создания более совершенных методов измерений, контроля и диагностики различных параметров как в процессе эксплуатации, так и в процессе рабочих режимов РКТ; обеспечения эффективного контроля наземных средств эксплуатационных процессов;

- создания совершенных информационно-измерительных средств обслуживания процессов целевого применения РКТ.

Перечисленные требования приводят к необходимости лучшего диагностирования, более глубокого и полного знания разрабатываемого изделия, то есть вызывает необходимость увеличения как объёма, так и разнообразия измерений физических параметров.

Для реализации этих задач требуется создание широкой номенклатуры датчиковой аппаратуры с высокими техническими и метрологическими характеристиками. Это обуславливает постоянный рост потребностей в датчиках самых разнообразных физических величин, которые являются основными элементами в системах различного применения. По данным компании ВСС (Business Communication Co.Inc.), объединяющим сведения основных фирм производителей датчиков, мировой рынок датчиков физических величин возрастает ежегодно более чем на 9%, объём инвестиций в этой области в 2002 году превысил 6 миллиардов долларов.

Высокие, а иногда и специфические высокие требования к датчикам заставляют учёных и разработчиков обращаться к новейшим достижениям в различных областях науки, техники и технологии.

Широкий и новый диапазон задач измерений в РКТ требует комплексно-параллельного развития волоконно-оптического датчикового направления.

Автор диссертации с 1985 года работает над систематизацией проблем, связанных с измерениями различных физических параметров изделий РКТ с помощью ВОД; разработкой методологии конструирования чувствительных элементов ВОД; совершенствованием технологических процессов, связанных с созданием и изготовлением чувствительных элементов и ВОД; с вопросами метрологического обеспечения и проведения исследований как в лабораторных условиях, так и в промышленном направлении, с разработкой основных направлений концепции развития ВОД для измерения давлений, токов и магнитных полей.

N Работа над диссертацией проводилась по фундаментальным и отраслевым НИР и ОКР Минобщемаша СССР и Росавиакосмоса (темы: «Фаза» НИР-1007-8603, «Поиск» НИР-000-8101, «Световод» НИР-1007-8501,

Задел» НИР 1007-8601, «Измерение» НИР 1007-8103 - Минобщемаш СССР), (темы: «Оптоволокно» - создание взрывобезопасных волоконно-оптических средств для нефтеперерабатывающих производств, «Абсолют» -разработка ВОД абсолютного давления, «Оптометрия» - разработка информационно-измерительных систем нового поколения для измерения температуры в диапазоне от -60 до +300 °С — Росавиакосмос). Работы этого направления учитывают возможность двойного применения (для t промышленного производства и для ракетно-космической отрасли с целью обеспечения национальной безопасности России).

Информационно-измерительная техника на основе ВОД определяет ведущую роль научно-технического прогресса, обеспечивает разработку и внедрение эффективных технологий, интеллектуализацию основных направлений производства.

Внедрение новых технологий следует рассматривать и понимать как определяющий фактор повышения конкурентоспособности отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках, основное средство повышения эффективности производства и улучшения качества товаров, услуг и всех видов техники оборонного комплекса.

В настоящее время в ракетно-космической и авиационной промышленности существенное внимание уделяется разработкам ВОД, основанных на достижениях оптоэлектроники и волоконной оптики. Многие специалисты считают, что в ближайшие 15-25 лет волоконно-оптические датчики составят серьезную конкуренцию другим типам датчиков.

Внедрение ВОД осуществляется в настоящее время в энергетике, поскольку там наиболее полно проявляются такие их качества, как электромагнитная совместимость, пассивность и дистанционность измерений. Определенные успехи достигнуты в работах по созданию ВОД магнитного поля и электрического тока. Так в работе [12] описан ВОД для измерения и контроля токов питания в бортовых системах космических аппаратов, самолетов и кораблей, где необходимы прочные, легкие, надежные и точные датчики для измерения переменного электрического тока до 1000 А на частотах от 50 Гц до 20 кГц, работающие в очень сложных условиях при наличии вибраций, ускорений, электромагнитных помех и перепадах температур от -80 °С до +125 °С. Работы [8, 9, 13, 18] посвящены разработке и применению ВОД электрического тока в энергетике для измерения токов на электроподстанциях, трансформаторах, ЛЭП ах.

Применение ВОД магнитного поля и электрического тока в научных исследованиях в ядерной физике, импульсной технике, ускорителях предопределено отсутствием других средств, обеспечивающих решение поставленных задач [70, 71].

Одним из наиболее перспективных ВОД для измерения средних и сильных магнитных полей (от 1 до 106А/м) и соответствующих электрических токов являются датчики, в которых в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) применяются кристаллы со структурой силленита, в частности и Bi!2Ge02o.

По сравнению с другими магнитооптическими материалами, эти кристаллы имеют высокое значение константы Верде и слабую зависимость её от температуры, в них отсутствует естественное линейное двулучепреломление (ЛДП), что снимает жёсткие ограничения на апертуру световых пучков и обеспечивает малые потери света при согласовании ЧЭ с волокном. Для этих кристаллов характерна стабильность оптических свойств, доступность и технологичность при получении и обработке. Кристаллы Bi^GeOao имеют более высокое значение константы Верде по сравнению с Bii2Si02o, что позволяет реализовать ЧЭ с меньшими габаритными размерами, но с одинаковыми техническими характеристиками.

Особенностью Bii2Ge02o, также как и Bii2Si02o, является наличие в них собственного кругового двулучепреломления или оптической активности, которая оказывает влияние на модуляцию света в кристалле магнитным полем [11]. Одной из основных задач при разработке ВОД магнитного поля является повышение его чувствительности, при сохранении других положительных качеств: термостабильности, малых габаритных размерах и надежности. Одним из способов повышения коэффициента преобразования (КП) и чувствительности ВОД на основе кристаллов В^веОго является использование многопроходных (МП) ЧЭ, это обеспечивает увеличение чувствительности ВОД за счет увеличения длины оптического пути света в кристалле при взаимодействии с магнитным полем. Однако, очевидно, что должны существовать пределы возможного увеличения длины оптического пути в кристалле Bi^GeC^ которые могут быть обусловлены рядом причин, в частности, наличием несовершенств кристаллов, приводящих к появлению остаточного ЛДП.

В работе [31] было показано, что в однопроходных (ОП) ЧЭ на основе Bii2Si02o с длиной оптического пути = 2 см и менее, влияние остаточного ЛДП на характеристики ВОД можно не учитывать и, что при определенных условиях можно путем выбора параметров кристалла, его геометрических размеров и взаимной ориентации осей поляризатора и анализатора, реализовать ЧЭ, обладающие высокой температурной стабильностью при несущественном снижении КП. Однако до сих пор остается открытым вопрос о степени влияния ЛДП на КП МП ЧЭ, изготовленных из Bii2Ge02o, общая длина оптического пути в которых, необходимая для значительного повышения КП, достигает 20-30 см. Неизвестно также по какому закону будет изменяться КП с ростом длины оптического пути в различных магнитных полях.

Исходя из вышеизложенного, данная работа, направленная на создание датчиков магнитного поля с МП ЧЭ, является актуальной. Цели и задачи работы.

Целью работы является обеспечение измерения и контроля электрического тока и магнитного поля в изделиях ракетно-космической техники (РКТ) в условиях воздействия мощных электромагнитных помех естественного и искусственного происхождения с повышенной искро- и взрывоопасностью путем решения комплексной научной задачи разработки математической модели, методов расчёта и технологических принципов для конструирования различных вариантов многопроходных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков электрического тока и магнитного поля на принципе эффекта Фарадея с применением кристаллов Bii2Ge02o

Основными источниками мощных помех естественного и искусственного происхождения являются: грозовые разряды; мощные радиопередающие средства; радиолокационные, радиотелеметрические и траекторные станции; высоковольтные линии электропередачи; стартовые комплексы РКТ; технологические инженерные объекты РКТ и т.д. Исследования и разработки по поставленной научной задаче решались по следующим направлениям:

• разработка математической модели и создание программы для численного расчета КП на ПЭВМ, с целью оптимального конструкционного исполнения многопроходных ЧЭ ВОД на основе кристалла Bij2Ge02o;

• выполнение теоретических и экспериментальных исследований КП с различными конструкционными исполнениями ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе кристалла Bii2Ge02o;

• установление степени влияния остаточного ЛДП на КП и чувствительность ВОД с многопроходным ЧЭ в Bii2Ge02o, обусловленного несовершенствами структуры кристаллов;

• разработка и изготовление действующих макетных и опытных образцов ВОД магнитного поля и электрического тока с различными конструкционными исполнениями ЧЭ;

• исследование действующих макетных образцов и проведение сравнительного анализа основных технических характеристик различных конструкционных исполнений ЧЭ;

• изготовление и испытания опытного образца ВОД температуры;

• разработка комплекта конструкторской документации на опытный образец ИИС. Ведется работа по изготовлению опытного образца системы.

Методы исследований.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований, при разработке математической модели для численного расчёта и создания экспериментальных и макетных образцов ВОД для измерения магнитного поля и электрического тока, применялись основные положения волновой, геометрической и волоконной оптики, методы математической физики, теории упругости, прикладной механики и теория электродинамики.

При решении теоретических задач по анализу распространения света в кристаллах и при создании математических программ использовались методы численного анализа, исчисления матриц, положения теории погрешностей, имитационного и статистического моделирования на ПЭВМ.

При проведении экспериментальных исследований реализовывались положения теории измерений, планирования эксперимента и математической обработки результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Основные теоретические положения и результаты расчётов подтверждены экспериментальными исследованиями, а также созданием действующих макетных образцов ВОД и проведением испытаний их в реальных условиях.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана математическая модель, позволяющая на основе матриц Джонса рассчитывать и конструировать различные оптимальные варианты многопроходных ЧЭ ВОД электрического тока и магнитного поля на основе эффекта Фарадея для гиротропных кристаллов типа Bi^GeOao с учётом основных технических требований на разрабатываемый датчик.

2. Теоретически и экспериментально доказано влияние собственного кругового и остаточного ЛДП на чувствительность ВОД и с помощью математической модели представляется возможным оптимально определять геометрические размеры кристалла типа Bi^GeC^o ЧЭ ВОД с учетом технических требований на разрабатываемый датчик.

3. Теоретически и экспериментально доказано, что:

• с увеличением длины оптического пути света (за счет многократного прохождения его в кристалле) КП и чувствительность ВОД зависят от длины кристалла и магнитного поля;

• за счёт наличия остаточного ЛДП в кристалле типа В^ОеОго зависимость КП и чувствительность ВОД становятся существенно нелинейными.

4. Экспериментально показано, что повышение чувствительности при конструировании ВОД магнитного поля и электрического тока на принципе эффекта Фарадея на основе кристалла Bii2Ge02o обеспечивается за счёт реализации многопроходных ЧЭ.

Практическая ценность работы:

1. Разработан и реализован метод расчёта КП многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе гиротропных кристаллов, который позволяет рассчитывать и оптимально определять конструктивное исполнение ВОД этого типа на основе кристаллов, изготовленных из материалов Bii2Ge02o, Bi12Si02o, В^гТЮго

2. Представлены расчётные данные зависимости температурного дрейфа КП от длины ЧЭ на основе кристаллов Bii2Ge02o> позволяющие определять области длин многопроходных ЧЭ, при которых значительно повышается КП и сохраняется его высокая температурная стабильность.

3.Результаты экспериментальных исследований показали принципиальную возможность создания многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока с повышенным значением КП.

4. Создан макетный действующий образец ВОД магнитного поля и электрического тока с многопроходным ЧЭ. Проведены экспериментальные исследования и доказано, что чувствительность его не менее, чем в 8 раз превышает чувствительность ВОД по сравнению с однопроходным ЧЭ.

В гражданских отраслях промышленности представляется возможным создавать новые типы ВОД и применять их при измерении различных температур в высоковольтных электрических аппаратах, таких, как генераторы переменного тока и трансформаторы; при измерении тока и напряжения в высоковольтных линиях электропередач; при измерении давлений, магнитных потоков и других физических параметров.

В настоящее время изготавливается опытный образец информационно-измерительной системы на базе волоконно-оптических датчиков для измерения температур в зонах действия сильных электромагнитных полей, в пожароопасных условиях и в агрессивных средах с диапазоном измерения от - 60 до +300° С, обеспечивающих, по сравнению с аналогами, повышение точности и быстродействие измерительных процессов в 3 — 5 раз, многократное снижение массы, габаритных размеров и энергопотребление, а также дистанционность измерения с возможностью объединения в единую сеть десяти и более измерительных каналов.

Результаты теоретических, технологических и экспериментальных исследований, изложенные в диссертационной работе, в настоящее время применяются и реализованы в Институте радиотехники и электроники РАН, НПО измерительной техники, при разработке ВОД для измерения физических параметров в РКТ, авиационной, машиностроительной и других отраслях промышленности.

В Московском государственном университете леса (МГУЛ) результаты работы применяются на занятиях студентов по проектированию устройств волоконно-оптической техники. Апробация работы.

Основные научные и практические результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на НТС Росавиакосмоса, на

Международных конференциях «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе» «IT-SE 2001», Ялта - Гурзуф, 2029 мая 2001г., «IT-SE 2002», Ялта - Гурзуф 2002г. На VIII Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика -2002» РИ -2002, Санкт-Петербург, 26-28 ноября 2002 года. Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации 117 страниц, включающий 31 рисунок, приложение (фотографии макетных образцов ЧЭ, опытных образцов датчика и измерительной системы, сборочный чертеж на датчик температуры ТО 009).

Выводы к главе IV.

1. Разработаны и исследованы макеты ВОД магнитного поля и электрического тока с однопроходным и многопроходным чувствительными элементами.

2. При измерении токов промышленной частоты ВОД с однопроходным чувствительным элементом получены следующие результаты:

- коэффициент преобразования ВОД по току = 12 мВ/А;

- пороговая чувствительность по току = 0,3 А;

- температурный дрейф коэффициента преобразования = 0,7% на 100°С; на данный тип ВОД разработана эскизная конструкторская документация.

3. Применение многопроходного чувствительного элемента позволяет в 8 раз повысить коэффициент преобразования ВОД и снизить пороговую чувствительность до 40 мА. При этом температурный дрейф коэффициента преобразования ВОД составляет 1,5% на 100°С.

4. ВОД с многопроходным чувствительным элементом обеспечат измерения переменных и постоянных электрических токов.

Заключение.

В диссертационной работе получено решение комплексной научной задачи разработки математической модели, методов расчета и технологических принципов для конструирования различных вариантов многопроходных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков электрического тока и магнитного поля на принципе эффекта Фарадея с применением кристаллов Bi^GeC^o, имеющей существенное значение для обеспечения измерения и контроля электрического тока и магнитного поля в изделиях РКТ.

При этом получены следующие основные научные результаты.

1. Математическая модель и математическая программа для численного расчета КП и глубины модуляции многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в оптически активных кристаллах типа Bii2Ge02o.

1.1. На основе формализма матриц Джонса получены выражения для расчета КП и глубины модуляции многопроходных ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на основе эффекта Фарадея в гиротропных кристаллах типа Bii2Ge02o с учетом остаточного ЛДП, обусловленного несовершенством кристаллов.

2. Результаты численного моделирования распространения света в многопроходных ЧЭ на основе эффекта Фарадея в оптически активных кристаллах показали, что при проектировании ВОД магнитного поля и электрического тока необходимо учитывать влияние остаточного ЛДП в кристаллах типа Bij2Ge02o при расчетах характеристик ЧЭ.

2.1. Теоретически доказано, что линейное двулучепреломление в кристалле Bii2Ge02o приводит к сложной нелинейной зависимости КП от длины оптического пути луча света в кристалле (физически это объясняется тем, что в среде, обладающей круговым и ЛДП, собственные волны являются эллиптически поляризованными, то есть между ортогональнополяризованными волнами возникает дополнительный фазовый сдвиг, который зависит от длины оптического пути), длины кристаллов Bi^GeCbo-Влияние ЛДП на КП и глубину модуляции достаточно мало. Поэтому при конструировании многопроходных ЧЭ ВОД следует учитывать этот физический процесс и оптимально определять длину кристалла для ЧЭ ВОД.

3. Результаты экспериментальных исследований позволили: создать автоматизированную экспериментальную установку, позволяющую проводить измерения дрейфов КП ЧЭ ВОД с точностью 0,1%, в диапазоне температур 15. 115° С;

• установить, что кристаллы со структурой силленита, такие как Bii2SiO20 и Bi12Ge02o, являются одним из наиболее перспективных материалов для ЧЭ ВОД магнитного поля и электрического тока на диапазоны измерений средних и сильных значений полей и токов вследствие достаточно большой величины константы Верде, стабильности свойств, технологичности и достаточно низкой стоимости;

• разработать интерфейс сопряжения экспериментальной установки с персональным компьютером;

• установить и оценить возможность создания ЧЭ;

• создать ВОД переменного магнитного поля и электрического тока, обладающего коэффициентом температурной нестабильности = 0,3 % на 100°С. Теоретические исследования и расчетные данные подтверждены экспериментальными результатами.

4. Разработаны и изготовлены макетные образцы ВОД магнитного поля и электрического тока с однопроходным и многопроходным ЧЭ. Проведены испытания при измерениях токов промышленной частоты ВОД с однопроходным ЧЭ и получены следующие результаты:

• коэффициент преобразования ВОД по току = 12 мВ/А;

• пороговая чувствительность по току = 0,3 А;

• температурный дрейф коэффициента преобразования = 0,7 % на 100°С.

На данный тип ВОД разработана эскизная конструкторская документация. Проведены испытания при измерениях токов промышленной частоты ВОД с многопроходным ЧЭ, которые показали, что ВОД этого типа позволяет в 8 раз повысить коэффициент преобразования ВОД и снизить пороговую чувствительность до 40 мА. При этом температурный дрейф КП ВОД составляет 1,5 % на 100°С.

Многопроходный ЧЭ ВОД позволяет измерять как переменные, так и постоянные электрические токи.

1 2 3 4 5 6

1 Плоский трансформатор печатный Свидетельство на полезную модель № 11923 от 16 марта 1999. Любимов В.К. Буланьков Н.И. Кузнецов В.Ф. Татаринов К.А.

2 Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик магнитных полей печатный Патент на изобретение № 2157512 от 10 октября 2000. Малков Я.В. Бурков В.Д. Кузнецова В.И. Потапов В.Т. Гориш А.В. Егоров Ф.А.

3 Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока печатный Патент на изобретение №2170439 от 10 июля 2001. Малков Я.В. Бурков В.Д. Кузнецова В.И. Потапов В.Т. Гориш А.В. Егоров Ф.А.

4 Анализ характеристик многопроходного чувствительного элемента волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока печатный «Экология, мониторинг и рациональное природопреобразование» научные труды, вып. 307(11). Издательство МГУЛ, Москва, 2000. С 197204 Потапов В.Т. Удалов М.Е.

5 Волоконно-оптический автогенератор печатный Патент на изобретение №2163354 от 20 февраля 2001. Малков Я.В. Бурков В.Д. Кузнецова В.И. Потапов В.И. Гориш А.В. Егоров Ф.А.

6 Устройство для получения полуфабрикатов из пеноалюминия печатный Патент на изобретение №2194231 от 10 декабря 2002. Старовойтенко Е.И. Арбузова Л А. Комов В.И. Коротин Ю.С.

7 Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-оптического датчика магнитного поля печатный Труды международной конференции. Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе. Москва,2001. С. 289290 Потапов В.Т. Потапов Т.В. Удалов М.Е.

8 Анализ влияния остаточного линейного двулучепреломления BinGeC^o на характеристики волоконно-оптических датчиков магнитного поля печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1. С. 589594 Гориш А.В. Потапов В.Т. Потапов Т.В. Удалов М.Е.

9 Реализация конверсионных НИОКР, инновационных и инвестиционных проектов печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1. С. 577585

10 Волоконно-оптические датчики магнитного поля и электрического тока на основе кристаллов BiuGeC^o печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, выпуск 6, 2003. С. 188205 Бадеева Е.А. Бурков В.Д. Гориш А.В. Потапов Т.В.

11 Требования к элементной базе информационно-измерительного волоконно-оптического канала бортового базирования печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, выпуск 6, 2003. С. 275281 Бадеева Е.А. Потапов В.Т. Потапов Т.В. Удалов М.Е.

12 Влияние линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-оптического датчика магнитного поля печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, выпуск 6,2003. С. 282285

13 Анализ влияния остаточного линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-оптических датчиков магнитного поля печатный Труды международной конференции. Издательство МГУЛ, Москва-2001. С. 315318. Потапов В.Т. Потапов Т.В. Удалов М.Е.

14 Реализация конверсионных НИОКР, инновационных и инвестиционных проектов на печатный Российский журнал «Конверсия в машиностроении» № 5. Издательство Информконверсия, Москва, 2001. С. 7-10

1 2 3 4 1 5 6 предприятиях авиационной и ракетно-космической промышленности

15 Структурная перестройка ракетно-космической промышленности печатный Российский журнал «Конверсия в машиностроении» № 5. Издательство Информконверсия, Москва, 2001. С. Ills Афанасьев М.В. Гусев Ю.Г. Милованов Ю.А.

16 Конверсионная программа Росавиакосмоса по созданию ультразвуковых диагностических и терапевтических устройств нового поколения печатный Российский журнал «Конверсия в машиностроении» № 5. Издательство Информконверсия Москва, 2001. с. 1718 Риман В.В. Селянин А.И. Чечина И.Н. Фин В.А. (

17 Система автоматического привода и диагностики газоперекачивающего агрегата с электрическим приводом СТД-12,5 печатный Российский журнал «Конверсия в машиностроении» № 5 Издательство Информконверсия Москва, 2001. С. 3739 Балавин М.А. Мущинкин А.З. Распопов Е.В. Ивашинников Р.Н. Шехтман М.Б. Марков Ф.С. Логгер М.Ю. Нефедов С.А. Першин В.Е.

10 Лазерные координатно- измерительные системы из унифицированных сборно-разборных модулей для машиностроительного производства печатный Российский журнал «Конверсия в машиностроении» № 5 Издательство Информконверсия Москва, 2001. С. 4041 Максименков В.И. Чуркин Н.Н. Вагнер Е.Т. Костюков Н.С. Попов Д.М.

18 Создание датчиков акустической эмиссии с требуемыми характеристиками печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1. С. 290295 Баженов А. А. Бульканов М.М. Гориш А.В. Яровиков В.И.

19 Рекуррентный алгоритм параметрического печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. С. 358367 Абнер Д.Э. Юрков Н.К. синтеза математической модели системы управления процессом технологического проектирования Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1. •

20 Результаты выполнения мероприятий федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности» печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1 С. 561576 Гориш А.В. Чернявский С.А.

21 Реализация конверсионных НИОКР, инновационных и инвестиционных проектов печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1 С. 577585

22 Анализ влияния остаточного линейного двулучепреломления на характеристики волоконно-оптических датчиков магнитного поля печатный Информационно-измерительная техника, экология и мониторинг. Научные труды. Издательство МГУЛ, 2001/1 С. 589594 Гориш А.В. Потапов В.Т. Потапов Т.В. Удалов М.Е.

23 Малогабаритный гироскопический инклинометр печатный Патент на изобретение №2178523 от 20 января 2002. Белов Р. А. Колесников А.А. Мезенцев А.П.

24 Датчик для измерения концентрации оксида углерода печатный Свидетельство на полезную модель № 22557 от 10 апреля 2002. Любимов В.К. Кузнецов В.Ф. Кузьмин П.В.

25 Карты оплаты печатный Свидетельство на полезную модель № 23123 от 20 мая 2002. Любимов В.К. Ливенцев В.А. Тимкин В.Н.

26 Турбокомпрессор печатный Патент на изобретение № 2187710 от 20 августа 2002. Азбель А.Б. Бондарь А.В. Королев Г.А. Попов Б.П.

27 Способ противообледенения наземной параболической антенны и устройства для его осуществления печатный Патент на изобретение № 2192074 от 27 октября 2002. Козлов А.Г. Халиманович В.И. Головенкин Е.Н. Мелкомуков

I 2 3 4 1 5 6 н

А.Г. Милованов

А.Н. Котов

Н.Ф. Моисеев

А.А. Ковалев Н.А. Морозов П.С. Антонов Н.М. Белоусова О.Г. Антипьев А.И. Алексеев Н.Г. Овечкин Г. И. Чернявский С.А.

28 Общие принципы конструирования датчиковой аппаратуры для измерения различных физических параметров печатный Надежность и качество. Труды международного симпозиума. Издательство Информационно- издательский центр Пензенского государственного университета. Пенза, 2002. С. 202204 Абраменко Т.В. Гориш А.В. Кириллов А.Б.

29 Математическое моделирование чувствительного элемента волоконно-оптического датчика магнитного поля и электрического тока печатный Труды. Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации, бизнесе. Москва,2002. С. 174176 Бурков В.Д. Удалов М.Е. Микитин Ю.В.

30 Тенденции современного развития волоконно-оптических датчиков печатный Региональная информатика-2002. РИ 2002. Материалы конференции (часть 2). С 174176

Ученый секретарь НТС Росавиакосмоса

Соискатель

Подпись руки А.Н. Котова

Первый заместитель Генералу директора Росавиакосмоса

1. Микрорезонаторный волоконно-оптичесий датчик магнитных полей» RU №2157512 опубл. 10.10.2000,Бюл.№28.

2. Котов А.Н., Гориш А.В. и др. «Волоконно-оптический автогенератор» RU №21673354 опубл.20.02.2001,Бюл.№5.

3. Котов А.Н., Гориш А.В. и др. Микрорезонаторный волоконно-оптический датчик электрического тока» RU №2170439 опубл. 10.07.2001,Бюл.№19.

4. A.J.Rogers "Optical measurement of current and voltage on power systems", IEEE Journ. Electr. Power. Appl., vol.2, pp. 120-126, 1979.

5. A.M.Smith "Optical fibre current measurement device at a generating station" ECOSA (Utrecht), Proc. SPIE, vol. 236 (Bellingham: SPIE), pp.352-357, 1979.

6. Optical Fiber sensors: System and applications, ed. Brian Calshow and John Dakin, ARTECH HOUSE, Boston, London, pp. 745-785, 1989.

7. Optical Current Transformer and Application to Fault Location Systems for Substations", IEEE Trans, of Power Del., vol.8,№ 3 July 1993.

8. A.Yariv, H.V.Winzor "Proposal for Detection of Magnetic Fields Through „ Magnetosrictive Perturbation of optical Fibers", Opt. Lett., vol.5, pp.87-89,1980.

9. K.P.Koo, Bucholtz, D.M.Dangenais, A.Dandridge, IEEE Photonics Technology Letters, vol.1, № \2, pp.464-466, 1989.

10. А.В.Листвин, В.Н.Листвин, В.Т.Потапов "Микрорезонаторный датчик магнитного поля", Письма в ЖТФ, т. 19, в. 17, с.26-29, 1993.

11. A.J.Rogers "Optical fiber current measurement", Intern. Journ. Optoelectronics, vol.3, № 5, pp.120-126,1998.4

12. J.N.Ross "The Optical Fiber Ampermeter: Som Applications", CEGB (Internal) Report N TPRD/L/3007Al, June 1986.

13. A.Papp and H.Harms, "Magnetooptical current transformer", Appl. Optics, vol.19 (I: Principles), p.3729; (II: Components), p.3735; (III: Measurements), p.3741, 1980.

14. A.Simon and R.Ulrich "Polarization optics of twisted single-mode fibers" Appl.Optics, vol. 18, p.2241, 1979.

15. A.J.Barlow and D.N.Payne "Polarization maintenance in circularly birefringent fibers", Electron. Lett, vol.17, p.388, 1981.

16. S.C.Rashleigh and R. Ulrich "Magneto-optic current sensing with birefringent fibers" Appl. Phys. Lett., vol.34, p.768, 1979.

17. A.J.Rogers, J. Xu and J. Yao "Vibration Immunity for Optical-Fiber Current Measurement", Journ. of Ligthwave Techn., vol.13, № 7, pp.1371-1377, 1995.

18. X.P.Dong, B.C.B.Chu and K.S.Ching "An electric current sensor employing twisted fibre with compensation for temperature and polarization fluctuations", Meas.Sci.Technol., vol.8, pp.606-610, 1997.

19. R.Ulrich, S.C.Rashleigh and W.Eickhoff "Bending-induced birefringence in single-mode fibres", Optics Lett., № 5, p.273, 1980.

20. Т. В. Потапов. «Экспериментальное исследование термостабильности чувствительных элементов ВОД магнитного поля на основе кристалла Bi12SiO20». Препринт ИРЭ РАН №5(620), Москва ИРЭ РАН 1997.

21. Т.В. Потапов «Экспериментальное исследование температурной стабильности датчиков магнитного поля на основе кристаллов Bii2SiO20»-Письма в ЖТФ том 24 №11 1998г.

22. Т. В. Потапов. «Температурная стабилизация магнитооптической модуляции в кристаллах силиката висмута». Радиотехника № 4 стр. 29-33, 1988.

23. Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К. Кюма, К. Хатитэ "Волоконно-оптические датчики" под ред. Т. Окоси, Пер. С японского, Ленинград, Энергоатомиздат, 1990 г., сс. 158-160.

24. О. Kamada, Н. Minemoto and S.Ishizuka "Mixed rare-rarthiren garnet (TBY) IG for magnetic field Sensors" Y.Appe. Phys. v.61, p.3268, 1987.

25. M.N. Deeter, АН Rose and G.W.Day "Faraday-effect magnetic field sensorsbased on Substituted iron garnets", Proc. SPIE, v. 1367,p.243,1990.

26. G.W. Day and A.H.Rose "Faraday effect sensors: the state of the art" Proc.

27. SPIE, v.985,p.138,1988. 34. A.H.Rose,M.N.Deeter and G.W.Day "Submicroampere-per-root-hertz current sensor based on the Faraday effect in Ga:YIG Opt.Left.v.l8,pp.l471-1473,1993.

28. M.N. Deeter,A.H.Rose and G.W.Day "Fast, sensitive Magnetic-field sensorbased on the Faraday effect in YIG" Journ. Of Ligthwave Technol. V.8, № 12, h.1838, 1990.

29. K.B.Rochford, A.H.Rose and G.W.Day "Magneto Optic Sensors Based on 4 iron Garnets," IEEE Trans, on Magnetics, v.32 №5, p.4113, 1996.

30. M.N.Deeter, A.H.Rose and G.W.Day "Sensitivity limits to ferromagnetic

31. Faraday effect magnetic field sensors" J.Appl. Phys. v.70(10) №15, p.6407, 1991.

32. R.Wolfe, E.M.Gyorgy, R.A.Liberman, VJ.Fratello, S.J.Licht, M.N.Deeter and G.W.Day "High frequency magnetic field sensor based on the Faraday effect ingarnet thick films", Appl.Phys. Lett. V.60(17), № 27, p.2048, 1992.

33. R.B.Wagreich and Christopher C.Davis "Magnetic field detection enhancement in an external Cavity Fiber Fabry-Perof Sensor", Journal of1.ghtwave Technology, v.14, № 10, p.2246,1996

34. K.Kyuma, S.Tai, M.Nunoshita, T.Takioka, Y.Ida, "Fiber optic measuring1. W (

35. System fo electric Current by using magnetooptic sensor", IEEE J.Quantum Electron", v. 18, №10, pp. 1619-1623, 1982.

36. T.Yoshino and Y.Ohno "Highly Sensitive All-Optical Method for Measuring Magnetic Fields", Fiber Integrated Optic, v.3, p.391, 1981.и

37. Yoshino Т., Ohno Y. and Kurosawa K. "Design and Application on FiberOptic Electric and Magnetic Field Sensors Stuttgard, pp.55-58, 1984.

38. Yoshino T. "Optical Fiber Electric And Magnetic Fields Sensors" System and Control, v.28, pp.150-159, 1984.

39. Toshiko Yoshino "Optical fiber sensors for electric industry", SPIE, v.798 Fiber Optic Sensors II, pp.258-256, 1987.

40. B.A. Григорьев «Волоконно-оптический трансформатор электрического тока промышленной частоты». Оптичесуий журнал том 67, №6, 2000г., стр 117-119.

41. P.A.Williams, A.M.Rose, G.W.Day,T.E.Milner and M.N.Deeter "Temperature dependence of the Verdet constant in several diamagnetic glasses" Appl.Optics, v.30, №10, p. 1176,1991.

42. P.A.Williams, G.W.Day, A.M.Rose "Compensation for temperature dependence of Faraday effect in diamagnetic materials: application to optical fibre Sensors", Electronics Letters, v.27, №13, p.l 131, 1991.

43. P.R.Forman F.C.Yahoda "Linear birefringence effects on fiber-optic current sensors" Appl.Opt. v.27, pp.3088-3096, 1988.

44. S.P.Bush, D.A. Jackson "Numerical investigation on the effects on birefringence and total internal reflection on the effect current sensors, Appl.Opt., v.31, №25, pp.5366-5374,1992.

45. Y.N.Ning, B.C.B.Chu and D.A.Jackson "Miniature Faraday current sensor based on multiple optical angle refection in bulk-optic ring" Optics Letters, v. 16, №24 , pp.1996-1998, 1991.

46. B.C.B.Chu, Y.N.Ning and D.A.jackson "Faraday current sensor that uses a triangular-shaped bulk-optic sensing element", Optics Letters, v.l 7,№16, p. 1167, 1992.

47. Y.N.Ning and D.A.Jackson "Faraday effect optical current clamp using a bulk-glass sensing element", Optic Letters, v. 18,№10, pp.835-837.

48. B.C.B.Chu, Y.N.Ning and D. A Jackson "An optical current comparator" Measurements Science and Technology, v.4, pp.1187-1193, 1993.

49. P.Menke and T. Bosselman "Temperature compensation in Magnetooptic AC Current sensors using an Intelligent AC-DC Signal alienation" Journ. Of Lightwave Techn., v. 13, №17, pp. 1362-1370, 1995.

50. K.Kurosawa, I.Masuda and T.Yamashita "Faraday effect current sensor using flint glass fiber for the sensing element, Proc. 9~ Opt. Fiber Sensors Conf., pp.415-418, 1993.

51. K.Kurosawa, S.Yoshida and K.Sakamoto "Polarization maintaining properties of the flint glass fiber for Faraday sensor element" Proc. 10- Opt. Fiber Sensor Conf., pp.430-433, 1994.

52. K.Kurosawa, S.Yoshida and K.Sakamoto "Polarization Properties of the FLINT glass FIBER" Journ. Lighwave Techn, v.13, №7, pp.1378-1383, 1995.

53. Листвин В. H. Потапов Т. В. «Температурная стабилизация датчиков использующих магнитооптическую модуляцию в кристаллах со структурой силленита». 51-я Научная сессия, посвященная Дню радио. Москва 1996.

54. Т. В. Потапов. «Температурная стабилизация магнитооптической модуляции в кристаллах со структурой силленита». Препринт ИРЭ РАН №5(619), Москва ИРЭ РАН 1997.

55. Писарев Р.Д. и др. "Оптическая активность и эффект Фарадея в BSO", ФТТ, v.12, №5, стр.1569-1571, 1970.

56. Feldman A. "Faraday Rotation in BSO" Appl.Phys.Lett., v. 16, №5, pp.201202, 1970.

57. Куча B.B., Кравченко В.Б. и др. "Исследование оптической неоднородности кристаллов BSO". Микроэлектроника, т.7, №56 стр.412420, 1978.

58. K.Kyuma, S.Tai, M.Nunoshita, N.Mizakami, Y.Ida "Fiber optic current and voltage sensor using Bii2GeC>2o single crystals", J. Ligthwave Technol., v.LTl, №1, pp.93-97, 1983.

59. A.A.Ballman "The growth and properties of piezoelectric bismuth germanium oxide, Bii2GeO20, Int.J.Cryst.Growth, v.l, p.37, 1967.

60. В.В.Куцаенко, В.Т.Потапов, В.В.Шпилевский "Волоконно-оптический датчик электрического поля на основе Bii2Si02o". ЖТФ, т.55, в.7, 1985.

61. Tabor W.I. and T.S.Chen, "Electromagnetic propagation though the medium processing optical rotatory and birefringence" J.Appl.Phys., v.40, №7, pp.27602765, 1969.

62. В.К.Горчаков, В.В.Куцаенко, В.Т.Потапов "Световодные датчики электромагнитных величин на основе кристаллов со структурой силленита". Радиотехника, №8, стр.28-31, 1988.

63. N.Mitsui, K.Hosoe, H.Usami, S.Miyamoto "Development of fiber-optic voltage and magnetic-field sensors", IEEE Trans, on Power Delivery, v.PWRD-2, №1, pp.87-93, 1987.

64. H.Takada, S.Miymoto, T.Mitsui and T.Tomimasu "Application on fibre-optic magnetic-field sensor to Kicker magnet". Phys.E.Sci Instrum., v.21, pp.371374, 1988.

65. Горчаков B.K., Куцаенко B.B., Кулаков JI.А., Кован И.А., Потапов В.Т., Чернобай А.Г., Яковенко В.И. "Исследование распределения магнитного поля в камере ТОКАМАК с помощью световодного датчика". Вопросы атомной науки и техники, №4, стр.75-78, 1990.

66. Y.Yamagata, T.Oshi, H.Katsukawa, S.Kato, Y.Sakurai. "Development of Optical Current Transformers and Application to Fault Location Systems for Substations" IEEE Trans, on Power Deliveiy , v.8, №3, pp.866-873, 1993.

67. C.M.M, van den Tempel "Model of new temperature-compensated optical current sensor using Bi^SiCbo", Appl. Optics v32, No 25 Sept. 1993, pp4869-4874.

68. V.Tassev, G.Diankov, M.Gospodinov "Doped sillenite crystals applicable for fiber-optic magnetic sensor" Optical Materials, v.6, pp.347-351, 1996.

69. P. Аззам, H. Башара «Эллипсометрия и поляризованный свет», пер. с английского. «МИР» Москва 1981.

70. Потапов Т.В. «Компенсация температурных дрейфов коэффициента преобразования волоконно-оптических датчиков магнитного поля на основе BI12S1O20»- Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва 1998.

71. Опытный образец волоконно-оптического датчикаf'

72. Опытный образец измерительной системы на базе волоконно-оптическогодатчика1. УРйзмерыдляспракк.гмшштт-к.1Нй грат корпуса поз,5 тркиробт 111 и Н штрогрвбиробаф ЩфЩ}мЖ12№№

73. Wmtiupokm tmoh S по ОШШ-П НитрожШО 1-МШ

74. Маркировать Ч и коеюь К на kpu,1. ШШШ9(Б

75. Нэп, Лися Г top, in ш 5:11. Pupil Пщорок 01 ш 1. Проб. {щтин щ щ f,K0if и Лист |/1ошо& 1km 1. Кимр. ш. ЬшЬ 1. ЙММЛЙ i?