Оптическая обработка информации

Оптическая обработкаинформацииВступлениеСовременная практика и научные исследованиятребуют измерений высоких и сверхвысоких напряжений до 10 МВ и больших токов до 1 2 МА. Напряжения и токипри этом могут быть постоянными, переменными, и импульсными с длительностьюимпульсов от долей микросекунд до нескольких десятков миллисекунд. Измерениебольших постоянных токов до 200 500кА широко используется в устройствах электролиза алюминия.

Большие переменныетоки до 150 200 кА имеют место вмощных дуговых электропечах. Работают линии электропередачи с напряжением 1,2 1,5 МВ, проектируютсялинии передачи и энергетические устройства на более высокие напряжения. Втермоядерных установках токи достигают сотен килоампер.В ряде случаев необходимо проводить измеренияпри сверхнизких и высоких температурах, например, в криотурбогенераторах

иликриомодулях высокоскоростных транспортных средств на магнитной подушке, приисследовании плазменных и термоядерных источников энергии.Электрооптические методыизмерений высоких напряжений и больших токовБыстрое развитие линий электропередачи иэлектрофизических устройств высокого и сверхвысокого напряжения 1200 кВ ивыше обусловило появление новых методов измерений, не требующих созданиядорогостоящих и громоздких изоляционных устройств на полное рабочее напряжение.

Перспективными являются электрооптические методы, основанные на преобразованииизмеряемых электрических величин в параметры оптического излучения и примененииоптических каналов связи для передачи измерительной информации из зоны высокогонапряжения на низковольтную часть измерительного устройства. Преимуществами этихметодов являются высокое быстродействие, защищенность от электромагнитныхпомех, а также надежная естественная электрическая изоляция междувысоковольтной и вторичной измерительными

цепями вследствие их полнойэлектрической развязки.Электрооптические методы разделяются на методы свнутренней модуляцией, при которых сигнал измерительной информациинепосредственно воздействует на источник оптического излучения, изменяяпараметры его излучения, и методы с внешней модуляцией, основанные навоздействии измеряемой величины непосредственно на оптическое излучение отвнешнего стабильного источника.Рис. 1.При измерении методами с внутренней модуляцией рис.

1 источник оптического излучения 2 например, светодиод и первичныйпреобразователь 1 шунт, измерительный трансформатор и др. находятся подвысоким напряжением, а приемник оптического излучения 4 и вторичноеизмерительное устройство 5 имеют потенциал Земли. В качестве оптического каналасвязи 3 между источником и приемником излучения применяются высоковольтныеволоконные жесткие или гибкие световоды, которые обеспечивают надежную изоляциюизмерительных устройств от высоковольтной цепи.

Методы с внешней модуляцией основаны наиспользовании электрооптических и магнитооптических эффектов, главным образомэлектрооптических эффектов Керра и Поккельса для измерения напряженностиэлектрического поля и напряжения, а также магнитооптического эффекта Фарадея для измерения токов.Время релаксации, свойственное электро- имагнитооптическим эффектам, составляет менее 10-10 с, поэтому наоснове этих эффектов можно создать быстродействующие средства измеренийпостоянных,

переменных и импульсных токов и напряжений, а также современныебыстродействующие устройства защиты.Использование эффектаФарадеяЭффект Фарадея заключается во вращении плоскостиполяризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах поддействием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации светагде CB постоянная Верде l длина пути света в веществе В - магнитная индукция.

Измеряя угол поворота плоскости поляризациисвета, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, еслипреобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.Рис. 2.Уравнение, записанное выше, справедливо длясоставляющей индукции Вl, направленной вдоль пути света. Знакугла Q зависит от направлениявектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяетувеличить угол

Q, если свет многократнопропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах, основанных наизмерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, прииспользовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерениятока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукциюи погрешность измерения магнитной индукции.При использовании эффекта Фарадея измерениемагнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости

поляризации света,которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающегопреобразования.При применении метода прямого преобразованиясвет от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8 рис. 2 .При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут бытьрасположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяетиспользовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.Выходным сигналом устройств, построенных наоснове метода прямого преобразования, является фототок или

выходное напряжение.где Rн сопротивление нагрузки фотоприемника SФ чувствительностьфотоприемника J2 интенсивность светового потока на входефотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна Рис. 3, а. Рис 3, б. Рис. 3, в. Рис. 3, г. Рис. 3, д. Рис. 3, е. здесь J1 интенсивность светана входе анализатора j угол междуполяризатором и анализатором

Q угол поворотаплоскости поляризации, При j 45 или при малых углах QПри углах Q 7 погрешность линейности составляет 1 .На рис. 3 показаны различные видымагнитооптических преобразователей Фарадея. Самый простой преобразовательсостоит из магнитооптического элемента 2, располо женного у провода 1 сизмеряемым током рис. 3, а . Уменьшения влияния внешних магнитных полей иувеличения чувствительности

средств измерений, основанных на использованииэффекта Фарадея, к току можно достигнуть путем увеличения коэффициентапреобразования ,применяя соленоид рис. 3, б или ферромагнитный магнитопровод 3 смагнитооптическим элементом 2, охватывающим провод 1 с измеряемым током рис.3, в . Однако использование таких преобразователей связано с ухудшениемдинамических характеристик прибора и появлением фазовых погрешностей, а уприбора с магнитопроводом погрешностей гистерезиса и линейности.

Болеерациональный путь повышения чувствительности увеличение длины путипрохождения светового луча в магнитооптическом элементе за счет многократногоотражения рис. 3, г или использование многовиткового магнитооптическогопреобразователя из гибкого волоконного световода рис. 3, д . Этотпреобразователь, так же как преобразователь, показанный на рис. 3, е,одновременно является своеобразным интегрирующим контуром, что позволяетустановить однозначную

зависимость между током и углом поворота плоскостиполяризации света и исключить влияние внешних магнитных полей и неравномерногораспределения тока внутри контура Рис. 4, а. Рис. 4, б. Рис. 4, в. Рис. 4, г. В качестве рабочего вещества для магнитооптическихпреобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца флинты, кроны иплавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки изферрита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости

поляризации света вкоторых на два-три порядка больше, чем в стеклах.Измерение напряжения сиспользованием электрооптических эффектов Керра и ПоккельсаИзмерение напряжения с использованиемэлектрооптических эффектов Керра и Поккельса основано на возникновениидвулучепреломления поляризованного света, распространяющегося в электрическомполе, создаваемом измеряемым напряжением.

Возникновение квадратичного эффекта Керрапоясняется на рис. 4, а. Поляризованный луч света, образуемый с помощьюисточника света 1 и поляризатора 2, проходит через электрическое поле,создаваемое конденсатором 3, к электродам которого приложено измеряемоенапряжение UX. При этом луч света направлен перпендикулярно векторунапряженности этого поля. После анализатора 4 свет попадает в фотоприемник 5, гдеон преобразуется в электрический сигнал, измеряемый

прибором 6.Интенсивность света на выходе преобразователяКерра определяется выражениемгде lK эффективная длинапреобразователя Керра d расстояние между его электродами СK коэффициент Keppa J0 интенсивность света на входепреобразователя.Эффект Керра возникает во многих изотропныхвеществах, но наиболее часто используется нитробензол, который имеет наибольшийкоэффициент Керра по сравнению с другими веществами вода, бензол, эпоксидныекомпаунды

и др. .Линейный электрооптический эффект Поккельсанаблюдается в пьезоэлектрических кристаллах, находящихся в электрическом поле.В зависимости от направления вектора напряженности электрического полявозникает продольный или поперечный эффект Поккельса. Продольный эффект сильнеевсего проявляется в кристаллах дигидрофосфата аммония NH4H2PO4или гидрофосфата калия KH2PO4, где электрическое полесоздается при помощи кольцевых электродов 7, к которым приложено измеряемоенапряжение

UX рис. 4, б . Поперечный эффект сильно проявляется вкристаллах ниобата лития LiNbO3, которые используются вэлектрооптических модуляторах света.Интенсивность света на выходе преобразователяПоккельса можно определить из выражениягде r63 электрооптическийкоэффициент кристалла n0 его показатель преломления приотсутствии электрического поля l-длина волны излучения лазера ЕX напряженностьэлектрического поля lП эффективная длина преобразователяПоккельса.

Статическими характеристики преобразователейКерра и Поккельса показаны соответственно на рис. 4, в и рис. 4, г.Список литературыБезикович А.Я Шапиро Е.З. Измерениеэлектрической мощности.Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов.Спектор С.А. Электрические измерения физическихвеличин.Шваб

А. Измерения на высоком напряжении.