Магнитооптический тесламетр (его варианты)

 

1. Магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотнЫй лазер, светоделитель, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея и двух четвертьволновых ппастинок, два световода, соединенных с магнитооптичес1сим зондом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй светоделитель два оптических смесителя,oтpaжaтeльJ третий и четвертый световоды и раз ностньщ фазометр, причем первьй выход лазера через первый оптический фильтр и первый светоделитель оптически связан через два световода с противоположными входами магнитооптического зонда, первый выход которого через третий световод и первый вход первого оптического смесителя связан с входом первого фотоприемника, втopdй выход зонда через четвертый световод и первый вход второго, оптического смесителя связан с входом второго фотоприемника, второй выход лазера через второй оптический фильтр оптически связан с входом второго светоделителя,-первый выход которого через отражатель связан с вторым входом первого смесителя, второй выход второго светоделителя связан с вторым входом второго смесителя, а выходы фотоприемников подключены к входам разностного фазометра. 2. Магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотный лазер с противоположными круговыми поляризациями компонент излучения, два оптических фильтра, два фотоприемника , магнитооптический зонд, состо.ящий из ячейки Ф арадея, два световода , соединенных с магнитооптическим зондом, отличающи ис я тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены разностньй фазометр и третий и четСлЭ вертый световоды, причем выходы лаО 90 зера через два световода связаны с входами магнитооптического зонДа, первый и второй выходы которого че00 рез третий и четвертый световоды и оптические фильтры оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников соответственно, выходы которых соединены с входами разностного фазометра.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК аю (И) Зш G 01 R 33/032

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3544130/24-21 (22) 21.01 ° 83 (46) 23.12.84. Бюл. У 47 (72) В.И. Гупалов и С.Н. Цыган (71) Ленинградский ордена Ленина политехнический институт им. М.И. Калйнина (53) 621 317.44(088.8) (56) 1. ПНИ, 1971, К 4, с. 37.

2.„Измерительная техника", 1974, У 2, с. 56, (54) МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ ТЕСЛАМЕТР (ЕГО ВАРИАНТЫ). (57) 1. Магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотный лазер, светоделитель, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состояший из ячейки Фарадея и двух четвертьволноных пластинок, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в него введены второй светоделитель; два оптических смесителя, отражатель, I третий и четвертый световоды.и раз . ностньпr фазометр, причем первьп1 выход лазера через первый оптический фильтр и первый светоделитель оптически связан через два световода с противоположными входами магнитооптического зонда, первый выход которого через третий световод и первый вход первого оптического смесителя связан с входом первого фотоприемника, втордй выход зонда через четвертый световод и первый вход второго, оптического смесителя связан с входом второго фотоприемника, второй выход лазера через второй оптический фильтр оптически связан с входом второго светоделителя, - первый выход которого через отражатель связан с вторым входом первого смесителя, второй выход второго светоделителя связан с вторым входом второго смесителя, а выходы фотоприемников подключены к входам разностного фазометра.

2. Магнитооптический тесламетр, содержапфй двухчастотный лазер с противоположными круговыми поляризациями компонент излучения, два оггтических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состощий иэ ячейки Фарадея, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, о тли чающийс я тем,- что, с целью повьппения точности измерений, в него введены разностньпЪ фазометр и третий и четвертый световоды, причем выходы лазераа через два световода связаны с входами магнитооптического зонда, первый и второй выходы которого через третий и четвертый световоды и оптические фильтры оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников соответ ственно, выходы которых соединены с входами разностного фазометра.

1130808

Изобретение относится к магнитным измерениям и может быть использовано для измерений магнитной индукции постоянного магнитного поля.

Известен магнитооптический тесла1 метр, содержащий последовательно соединенные источник света, модулятор, поляризатор — анализатор в виде приз— мы Глана-Томпсона, ячейку Фарадея, отражатель, светоделитель, два фото— приемника, синхронный детектор и регистрирующий прибор Ц, Недостатками тесламетра являются узкий динамический диапазон измере— ний из-за низкой частоты модуляции, которую способен обеспечить механический модулятор, а также недостаточную точность, ограниченную низко— частотными колебаниями интенсивности

10 излучения источннка света. 20

Наиболее близким техническим реше— нием к предлагаемому является магни— тооптический тесламетр, содержащий .источник света в виде двухчастотного лазера, светоделитель, два оптичес— ких фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея и двух четверть— волновых пластинок, два световода, соединенных с магнитооптическим зон—

30 дом, и мостовая схема, входы которой подключены к выходам фотоприемников (2) .

Недостатками известного тесла— метра являются высокая чувствитель— ность к изменению коэффициентов пере- З5 дачи фотоприемников, а также к из— менению параметров ячейки Фарадея, что ограничивает его точность вели— чиной порядка 0,37.

Цель изобретения — повышение точ— ности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитооптический тесламетр, содержащий двухчастотный лазер, светоделитель, два оптических фильтра, два фотоприемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея и двух четвертьволновых пластинок, два свето ода, соединенных с магнитооптическим зондом, введены второй светоделитель, два оптических смесителя, отражатель, третий и четвер— тый световоды и разностный фазометр, причем первый выход лазера через первый оптический фильтр и первый 55 светоделитель оптически связан через два световода с противоположными входами магнитооптического зонда, первый выход которого через -третий светонод и первый вход первого oII тического смесителя с вязан с входом первого фотоприемника, второй выход зонда через четвертый световод и первый вход второго оптического сме— сителя связан с входом второго фото— приемника, второй выход лазера через второй оптический фильтр оптически связан с входом второго светодели— теля, первый выход которого через от— ражатель связан с вторым входом пер— вого смесителя, второй выход второго светоделителя связан с вторым входом второго смесителя, а выходы фотоприемников подключены к входам разностного фазометра.

Поставленная цель достигается так. же тем, что в магнитооптический тес— ламетр, содержащий двухчастотный лазер с противоположными круговыми поляризациями компонент излучения, два оптических фильтра, два фото— приемника, магнитооптический зонд, состоящий из ячейки Фарадея, два световода, соединенных с магнитооптическим зондом, введены разност— ный фазометр и третий и четвертый световоды, причем выходы лазера че— рез два световода связаны с входами магнитооптического зонда, первый и второй выходы которого через третий и четвертый световоды и оптические фильтры оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников соответственно, выходы которых сое— динены с входами разностного фаэо— метра.

На фиг. 1 представлена схема магнитооптического тесламетра, первый вари ант; на фи г. 2 — то же, второй вариант.

Тесламетр содержит двухчастотный лазер 1, первый выход которого че— реэ первый оптический фильтр 2 и пер вый светоделитель 3, где луч делит— ся на два, оптически связан с дву— мя световодами 4 и 5, посредством которых два встречных луча подаются на магнитооптический зонд 6; Магнито оптический зонд 6 состоит из двух четвертьволновых пластинок 7 и 8 и ячейки 9 Фарадея. Выходы магнитооп— тического зонда 6 через световоды !

О и 11 связаны с первыми входами оптических смесителей 12 и 13, с вы— хода которых лучи подаются на входы фотоприемников 14 и 15. Второй вы—

3 11 ход л «çåðà через второй оптичес— кий фильтр 16, второй светоделитель

17 и отражатель 18 оптически свя— зан с вторыми входами оптических смесителей 12 и 13. Сложенные лучи поступают на фотоприемники 14 и

15, выходы которых соединены с входами раз ностно го фазометр а ) 9 .

По второму варианту магнитооп— тический тесламетр содержит двух— частотный лазер 1 и оптический фильтр

2. Выходы лазера 1 через световоды

4 и 5 подаются на входы магнитооп— тического зонда 6, состоящего из ячейки Фарадея 9. Выходы магнитооп— тического зонда через световоды 10 и 11 и оптические фильтры оптически связа. ы с входами соответствующих фотоприемников 14 и 15, при этом к входу фотоприемника 14 выходом подключен оптический фильтр 16. Вы— ходы фотоприемников 14 и 15 соеди— иены с входами разностного фазометра 19, выход которого является ин— формационным выходом устройства.

Тесламетр (фиг. 1) работает сле— дующим образом.

Лазер 1 генерирует двухмодовое излучение, представляющее собой две линейно поляризованные взаимно орто— гональные волны, разность частот которых может устанавливаться в йнтер— вале ) 0 — 10 Гц. Естественно, что

9 9 приняты обычные меры для обеспечения стабильности характеристик излучения (стабилизация частот и мощности) .

Луч из первого выхода лазера 1 про— ходит оптический фильтр 2, который также, как и фильтр 16 может представлять собой просто анализатор, пропускающий одну из двух ортогональных мод, и попадает на светоделитель

3, который представляет собой, например, полупрозрачное зеркало. На светоделителе 3 первый луч лазера разщепляется на два луча, которые с помощью световодов 4 и 5 подводятся к противоположным сторонам маг— нитооптического зонда 6 и образуют пару встречных лучей, Лучи, прошедшие магнитооптический зонд 6, через световоды 10 и 11 подаются на опти— ческие смесители 12 и 13 соответственно, которые так же как светоделитель )7 могут быть выполнены в виде полупрозрачных зеркал. Луч из второ—

ro выхода лазера 1 проходит через второй оптический фильтр 16 и направ30808 4 ляется на светоделитель 17, где луч делится на два. Один из разделенных лучей подается на оптический смеситель 12, а второй через от—

5 ражат ель 18 — на оптический смеситель 13. Отражатель 18 м ожет представлять собой, например, "глухое" зеркало или призму полного внутреннего отражения. Фильтр 16 выделя— ет вторую моду, которая на оптических смесителях 12 и 13 смешивается с встречными лучами первой моды. Эти смешанные лучи попадают на фотоприемники 14 и )5 соответственно, где

15 преобразуются в электрический сиги ап би ений.

Фазометр 19 выделяет разность фаз двух электрических сигналов одной частоты. При включении прибора маг—

20 нитооптический зонд 6 экранируют и выставляют начальное значение фазового. сдвиra, например нулевое. При помещении магнитооптического зонда

6 в магнитное поле возникает оптическая разность хода встречных лучей, которая приводит к фазовому сдвигу

q =2ИВ где V — пост оя нная Верде;

d — толщина активного слоя ячейки Фар адея;

 — магнитная индукция .

При этом в магнитооптическом зонде происходит следующее. Линейно поляризованный луч, пройдя четвертьволновую пластинку, приобретает круговую поляризацию. Вращение плоскости поляризации, обусловленное эффекч. .

Фарадея, .дпя встречных лучей им .ет различные знаки, ускоряя один луч и тормозя второй. Пройдя вторую чет40 вертьволновую пластинку, луч снова становится линейно поляризованным.

Интенсивность луча на выходе световода 10 описывается выражением ())

45 )ГС)язв,Ь 1,Щ « ф)» (Цф) сЦ(1)с ф(В)), где < — частота излучения;

g,(t ) — случайная фаза, обусловлен— ная нестабильностями лазе50 ра 1;

@Циф (4) — случайные фазы, обусловлен— ные нестабильностями оптического щи— та в соответствующих световодах от влияющих факторов (температура, дав55 ление и др.); ((т.) — случайная фаза, обусловленная влиянием внешних факторов на магнитооптический зонд 6;

$ I! 3080

< (В ) — приращение фазы, обусловленное е эффектом Фар адея .

Интенсивность луча на выходе световода 11 описывается выражением! ц =с! »2 »» Я Ч @+Я()» (2) q,()»q,(t) q„(tl q(s)j, где Cf — начальное значение разности о! фаз встречных лучей, обусловленное различными оптически»ы путями; ф (+ ) и q!»(t) — случайные фазы.

Йнтенсивность луча на выходе светоделителя 17 равна

?2 =024 Ы(t+Vi(t )j (3) где q (t 3 — случайная фаза, соответЯ ствующая нестабильностям второй моды;

9 — частота излучения второй моды.

I0 на выходе фазометра 19

" "о » о! (t) 4p«(t)- q,(C)-y»»(<)+glp(g), Ро+ Чс„(Ч 2 Ч» (6), где о2 о» >Чсл() =14 И) (У»о(6) -СР5® СР»4(С), ° (7)

Магнит ооптиче ский те сл аметр (фиг. 2) работает следующим образом.

Лазер I представляет собой изатропный зеемановский лазер, лучи с выходов которого поляризованы по кругу. При этом луч, совпадающий с направлением магнитного поля, состоит из двух компонент

=4+ д1

50 и 2=

7 где — частота лазера без магнитного

ПОЛЯ 7

ЬФ вЂ” смещение частоты лазера, вызванное эффектом Зеемана.

Первая компонента имеет правую круговую поляризацию, а вторая— ,левую. На втором выйоде лазера !

Интенсивность луча на выходе от20 ражателя 18 равна

I« =a зп(, t+q,(t) y j (4) где q — начальное значение разйости фаз разделенных лучей второй моды.

На выходе фотоприемника 15 будет сигнал »4= а» е l ((»Is 2) lP(t) 4() Чю(!:) ) 6(» ) + Ч(Ю pg(tl) ) (5)

30 на выходе фотоприемника 14

»» »,.H»<-a,l»×,!»l 4., »,(<),»,Щ

Ч Ф Ч(8)-Ч2®-"-) ж компонента излучения с частотой »! имеет левую круговую поляризацию, а компонента с частотой 1 — пра2 вую.

Проходя через ячейку Фарадея компоненты излучения с правой и левой круговыми поляризациями получают приращения фазы с противоположными знаками. Оптические фильтры 2 и 16, представляющие из себя, например, просто анализаторы, выделяют из. излучения, прошедшего ро световодам через ячейку Фарадея, интерферирующие сост авляющие излучения, которые на соответствующих фотоприемниках

14 и 15 преобразуются в электрические сигналы разностной частоты. Фазометр 19 измеряет разность фаз двух электрических сигналов одной частоты;

Основные соотношения таковы. Интенсивность луча на выходе оптического фил ьтр а со ст онт из двух компонент

Х4! н Il2 которые описываются следующими выражениями:

»! а„з» !(,1+Ч,М! q4(4)»»!!6И) klP<,È) <»P ($); (8) ! 2 »2 Г 2 РД() Ч4® Ч H.) 4q»» Ш»p

4@)q4(t) ЧЬ(Ч6® QI(t)QI(t) — У

I ные фазы, обусловленные влиянием внешних факторов на световоды 4 и

11 и зонд 6 по отношению к первой компоненте;

g (В) — приращение фазы, обусловленное эффектом Фарадея.

Интенсивность луча на входе опти— ческага фильтра 16 состоит из компонент I 2» H T22 KQTopblP onHcblBctloTcH выражениями 2 -с»о з!»»(! сф (t) Фц (t)» Ч» (Ц+ с!»6(1)+ 22= !2, (Д+q,(t)+lP ()»q (t)

+ Ср.2+ 4p(8)), где ро, и ц> — начальные фазы компонент второго выхсца лазера по отношению к фазам соответствуют»х компонент первого выхода лазера I.

Сигнал на выходе фотоприемника

15 имеет вид

VÃa, »»tÈ Ц»q (() CP М) < 4() 4Р ()44qÄ(t) q, () Ср„Ю-q „(.)

< и| нал на выходе фотоприемника 14 имеет вид

2 2 ((1 21 Ч1Н ) Ч (С) QH) Ч2 )+

1 0ь® Чь® "pin(<) (o Н) -щ -2<(e) l

P аз но ст ь фаз, выделенная фаз ометв ром 19, описывается выражением 4 ."4Ф ч,®ч ®-ч (4) q, щ% ) (о® Ч(оМ+ФЧ(В) Чо с„ Ц,4с (8) (12) где (po — начальная разность фаз;

q „(t) — случайная составляющая, обусловленная неидентичностью изменения оптических путей в световодах под влиянием внешних факторов.

Динамический диапазон предложенных устройств определяется несущей частотой (разностной частотой излучения1. При этом .верхняя частота изменения магнитного поля должна быть на один-два порядка ниже несущей частоты.

Предлагаемый магнитооптический тесламетр позволяет расширить диапазон измерений и повысить быстродействие..По сравнению с серийным тесламетром Ш1 — 1 производительность возрастает более чем в 2 раза.

1 1 30808.

Составитель Г. Клитотехнис !

Техред М. Гергель Корректор И. Эрдейи

Редактор Е. Лушникова

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 9604/32 Тираж 710 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва Ж-35 Раушская наб., д. 4/5