Senzori Optici

1. Introducere

Senzor - dispozitiv care măsoară informația din mediu și produce la ieșire un semnal proporțional cu mărimea măsurata (mecanica, termica, chimica, radiativa, magnetica, electrica).

Senzorii optici au fost dezvoltați pentru aplicații in sistemele electrice de putere datorită imunității lor la interferențele electromagnetice, a nivelului de izolație ridicat și a unei largi benzi de frecvență. In secolul al XIX -lea au fost descoperite efectele electrooptice și magnetooptice, oferind astfel prilejul utilizării lor la măsurarea tensiunii și curentului. In 1845 Faraday a descoperit că sticla își modifică indicele de refracție a luminii polarizate circular, atunci când este introdusă intra-un câmp magnetic. Acest fenomen este cunoscut ca efectul magneton-optic și este folosit pentru construirea senzorilor de curent. Dependența birefringenței liniare de câmpul electric extern este cunoscut sub numele de efect elector-optic sau efect Pockels.

Birefringența liniară este fenomenul prin care lumina se propagă cu viteze diferite pe două direcții liniare ortogonale de polarizare a luminii într-un mediu optic. Senzorii de tensiune au fost construiți pe baza efectului electro-optic sau Pockels. In modulatoarele optice, câmpul electric aplicat mediului și direcția de propagare a luminii prin mediu pot fi paralele sau ortogonale. Aceste două cazuri se numesc efect Pockels longitudinal respectiv transversal. Ca mediu de propagare a luminii, este folosit germinatul de bismut (Bi4(GeO4)3 sau BGA) obținut cu o structură de cristal cubică la care este prezent efectul Pockels transversal adică variația indicelui de refracție in funcție de valoarea câmpului electric aplicat. In figura 1 este prezentat schematic senzorul de tensiune cu fibră optică. Lumina care se propagă prin fibra optică trece prin componentele senzorului optic. Înainte de a ajunge la celula Pockels, lumina este focalizată cu un colimator, într-un fascicul paralel, polarizată liniar și trecută printr-o placă sfert de undă (λ/4), pentru a produce un fascicul polarizat circular.

Fig1.Schema senzorului optic de tensiune

Pentru a produce in cristalul celulei Pockels câmpul electric perpendicular pe fascicolul de lumină, se folosește tensiunea de ieșire a unui divizor capacitiv. Prin urmare, fascicolul de lumină este modulat in concordanță cu semnalul de tensiune pulsatoriu de la intrarea divizorului, pentru a produce o polarizare eliptică. La trecerea fascicolului de lumină prin celula Pockels care are o distribuție de câmp electric, lumina are o întârziere de fază. Câmpul electric poate fi calculat prin detectarea intensității luminii prin analizor. Întârzierea de fază indusă δ, intre două componente ortogonale ale luminii poate fi calculată utilizând relația (1):

(1)

unde λ este lungimea de undă a luminii, Δn este birefringența indusă și L este lungimea cristalului. Birefringența indusă poate fi calculată cu formula (1):

(2)

unde E este intensitatea câmpului electric, kP este coeficientul Pockels al cristalului BGO, n0 este indicele de refracție ordinar sau indicele de refracție fără câmp electric aplicat. Dacă se folosesc două detectoare pentru a analiza lumina pe cele două direcții (lungă S1 și scurtă S2) ale elipsei de polarizare de ieșire, atunci se poate scrie următoarea relație [2]:

(3)

unde E0 este intensitatea câmpului electric care conduce la un defazaj de λ/4 și este de ordinul 5.30 kV / cm pentru majoritatea materialelor optice uzuale. Trebuie pacificat că senzorii sesizează de fapt câmpul electric și nu tensiunea. Totuși, pe baza relației dintre câmpul electric și tensiune, valoarea tensiunii poate fi determinată. Cristalului optic i se poate aplica întreaga tensiune sau numai o parte din aceasta, utilizând un divizor capacitiv pentru a aplica doar o fracțiune din tensiunea ce urmează a fi măsurată.

2. Principiul constructiv al senzorului de tensiune

Dispozitivele electro-optice cu fibre optice pot fi folosite la măsurarea tensiunii, având multiple avantaje fată de transformatoarele de tensiune convenționale, cum ar fi posibilitatea realizării unei structuri total dielectrice, imună la interferențele electromagnetice, având izolație totală, bandă de frecvență largă, dimensiune mică și greutate redusă a senzorului. Primul senzor de tensiune a fost construit in varianta transversală folosind un cristal de BGO, fiind montat într-un sistem optic de tip microbench.

Cristalul BGO a fost ales datorită lipsei birefringenței naturale și a efectului piroelectric. Lumina a fost transmisă prin fibre plastice cu diametrul de 1 mm. Din cauza secțiunii mari a fibrei, cuplarea luminii de la LED la fibră a fost ușor de realizat. Pentru a măsura elipticitatea luminii la ieșire (cele două intensități S1 și S2), s-au folosit două fibre. Legăturile dintre senzor și detector au fost mai mici de 10 m din cauză că atenuarea luminii in celula Pockels a fost in exces cu 20 dB, iar absorbția luminii in fibrele de plastic a fost de asemenea mare. Performanțele senzorului au fost studiate prin aplicarea unui puls de tensiune rapid.