4.5 Анализатор.

Сигналы из оптического волокна поступают в анализатор(призма Волластона), который выделяет два взаимно ортогональных поляризованных луча.(рис. 16)

Рис.16 Призма Волластона

Устройство состоит из двух кальцитовых призм, соединенных таким образом, что появляются два луча, которые поляризованы взаимно перпендикулярно, количественно равных по направлению.

Сорт материала – качественный сорт кальцита “First”.

Длина волны – 350-2300нм.

Размер – 10*10,14*14,19*19.

Отклонение – 10⁰,20⁰

Поглощение 1*10^-5

Качество поверхности S/D 60/40

Поверхностная плоскостность - /4 633нм

Максимальная мощность обработки – 1 Вт/см²

Значение угла поворота φ_F преобразуется анализатором в значение интенсивности света, и далее свет передаётся в светоприёмное устройство.

При этом, если установить угол между поляризатором и анализатором 45 градусов, то световая мощность будет:

P=P₀(1+sin φ_F) (15)

Где P₀ –мощность света при отсутствии тока.

4.6 Выбор фотодиода

Принцип работы полупроводникового фотодиода: в диоде, на который подано обратное смещение, всегда между областями с электронной n- и дырочной p-проводимостью имеется так называемая i-область (intrinsic - собственный, свойственный чему-либо). В i-области донорные примеси, придающие полупроводнику проводимость n-типа, и акцепторные примеси, придающие полупроводнику проводимость р-типа, компенсируют друг друга. Таким образом, полупроводник в i-области обладает не примесной, а только собственной проводимостью, присущей ему при отсутствии легирующих примесей n- и р-типа.

В i-области нет свободных электронов и дырок. Электрический заряд для нее равен нулю, но в ней действует электрическое поле, слабое при отсутствии приложенного извне напряжения и достигающee больших значений с увеличением прикладываемого к диоду обратного смещения.

Пучок света - поток фотонов, каждый из которых обладает энергией hv, где v - частота излучения, Гц, а константа Планка h=6,6210^-34 Вт.с². Частота v и длина волны света  взаимосвязаны: v=c/, где скорость света с=310⁸ м/с. Расчет показывает, например, что для излучения при =0,82 мкм энергия фотона составит W_ф =1,51 эВ=2,4210^-19 Втс

Число N фотонов, пересекающих за секунду плоскость, перпендикулярную световому пучку, N=P/W_ф, где Р - оптическая мощность пучка.

К числу основных характеристик фотодиода относятся значение темнового тока и величина шума. Различают два источника темнового тока фотодиода: 1) ток утечки, проходящий главным образом по поверхности полупроводника и зависящий от геометрии прибора: он может быть уменьшен соответствующей обработкой поверхности полупроводника, а величина тока утечки зависит от технологии изготовления фотодиода; 2) токи, создаваемые в полупроводнике тепловыми процессами, зависящие от состава и строения полупроводника; величины их растут экспоненциально при повышении температуры и уменьшении ширины запрещенной зоны полупроводника. Темновой ток фотодетектора должен быть по возможности малым. Шум в фотодиоде возникает благодаря статистическим флуктуациям фототока. Для характеристики фотодетектора указывают значения следующих его параметров: -площадь активной поверхности, мм²; -область спектральной чувствительности, мкм; -длину волны, соответствующую наибольшей спектральной чувствительности, мкм; -полосу частот, МГц; -квантовый выход, %; -мощность шума, Вт/Гц^1/2; -время нарастания отклика, нс; -рабочее напряжение,В; -пробивное напряжение, В; -темновой ток, нА; -емкость, пФ; -рабочую температуру, С; -чувствительность (величину отклика), мкА/мкВт.

В данном курсовом проекте выбираем фотодиод серии КС 182 А

Рис.17 Конструкция (а) и схема включения (б) p-i-n-фотодиода

Технические характеристики:

 ток стабилизации I_ст=5мА;

 напряжение номинальное U_{ст ном}= 5В;

 мощность максимальная Р_max=150 мВт;

 чувствительность S =1.4*10 мА/Вт

4.7 Расчет элементов усилителя.

Рисунок 18 – Схема входного усилителя

Фотодиод VD1 подключается к усилительному каскаду через делитель напряжения. Подобное включение обеспечивает падение напряжения на резистор R2, а не на вход операционного усилителя (ОУ), что в свою очередь приводит к корректной работе усилительного каскада.

Делитель напряжения уменьшает входной сигнал в два раза, при этом

R1=R2=2 кОм.

Такое включение позволяет зафиксировать коэффициент его усиления (при последовательном включении VD1 и R3 коэффициент усиления был бы переменным, т.к. сопротивление диода нелинейно).

Усилительный каскад реализован на основе ОУ К140УД26.

Коэффициент усиления каскада на операционном усилителе DA1 составляет:

К=-R4/R3,

Принимаем, К=10, тогда R3= 1кОм, R4 = 10 кОм.

Резистор R5 необходим для уменьшения напряжения смещения операционного усилителя и определяется следующим образом:

R5=R3||R4,

R5=909 Ом.

3.8 Определение оптических характеристик проектируемого устройства.

Измеряемый электрический ток i создает вокруг проводника магнитное поле. При прохождении линейно поляризованного света от источника излучения через находящийся в этом поле магнитооптический материал длиной L происходит вращение его плоскости поляризации на угол

, (16)

где V - константа Верде материала;

H₁ - напряженность магнитного поля вдоль направления распространения света.

 = V * H *L (17)

L= l*n (18)

где l - длина одного витка;

n - количество витков.

Предположим оптическое волокно наматывается на проводник с током, образуя кольцо радиусом r. Тогда длина одного виткад l составит:

l = 2π*r (19)

Подставив формулу (19) в (18) получим новую формулу длины пути света в оптическом волокне

L= 2π*r *n (20)

Ток, протекая на расстоянии r от проводника, формирует магнитное поле с напряженностью Н , значение которой определяется следующим образом:

H=i/2r (21)

Учитывая формулу (20) и (21) получим новую формулу для угла :

 = V * H * L= V* i/2r*2π*r *n= V* i* n (22)

Значит при выборе в качестве чувствительного элемента оптического волокна, образующего n витков вокруг проводника, угол поворота плоскости поляризации света на выходе волокна составит . (23)

Повернутый луч проходит через анализатор и попадает на фотоэлектрический преобразователь, на выходе которого будет фототок

I=SJ₂ (24)

где S – чувствительность фотоприемника;

J₂ – интенсивность светового потока на входе фотоприемника, в соответствии с законом Малюса:

J₂=J₁cos²(φ±α), (25)

где J₁ – интенсивность света на входе анализатора; φ – угол между анализатором и поляризатором. Угол между поляризатором и анализатором в данном датчике равен 45º. Таким образом закон Малюса в данном случае примет вид:

J₂=J₁(1+sin2α)/2. (26)

Найдем фототок I:

J₁ = Ф/ S_сеч. (27)

где Ф – световой поток излучения;

S_сеч. – площадь поперечного сечения оптического волокна.

Уровень светового потока Ф определяется как Ф = I_св * ω, (28)

где I_св – сила света;

ω –угол, под котором происходит излучение.

Ф = I_св * ω=10^-3 лм.

В качестве освещаемой поверхности в данном случае выступает площадь поперечного сечения оптического волокна, которая вычисляется таким образом

S_сеч=π*R²=π*d²/4 (29)

где d – диаметр поперечного сечения оптоволокна, d=245*10^-6м

S_сеч = 4,71*10^-8 м²

Интенсивность света на входе анализатора J₁ = Ф/ S_сеч.=21222,57 лк.

Интенсивность светового потока на входе фотоприемника J₂:

Количество витков n принимаем равным 100,

1. При токе равным 0.1 А, J₂ = 10613,4 лк

2. При токе равном 100 А, J₂ = 12733,54 лк

Далее определим фототок I=SJ₂ , здесь S – чувствительность фотоприемника.

S=1.4*10 мкА/Вт,

1. Для тока 0.1 А, фототок I=148,58 мкА

2. Для тока 100 а, фототок I= 178.26 мкА

Ток фотодиода I формирует входное напряжение Uвх преобразовательного тракта:

Uвх=I_ф*R2 (30)

R2 = 2 кОм.

Усилительный каскад, реализованный на основе ОУ 140УД26, обеспечивает усиление входного сигнала с Кu =10. При этом напряжение после усилительного каскада определяется как:

Uвых=Uвх*Кu, (31)

где Uвх- входное напряжение преобразовательного тракта;

Кu=10 - коэффициент усиления усилительного каскада

Выходное напряжение Uвых – это электрический эквивалент силы электрического тока i в проводнике .

1) Току в 0.1 А соответствует напряжение 2,97 В

2) Току в 100 А соответствует напряжение 3,56 В

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проделанной работы мною был разработан датчик электрического тока. Принцип действия устройства основан на эффекте Фарадея в оптическом волокне. Были также разработаны структурная и электрическая принципиальная схемы датчика.

Разработанный датчик обладает средним уровнем технических характеристик характерный для устройств подобного типа. Датчик может быть использован для измерения магнитного поля, а также других физических величин косвенным образом.

При расчётах не была учтена экономическая часть, что может отразиться на высокой стоимости разработанных блоков.