Senzori Optici

Introducere

Senzor - dispozitiv care masoara informatia din mediu si produce la iesire un semnal proportional cu marimea masurata (mecanica, termica, chimica, radiativa, magnetica, electrica).

Senzorii optici au fost dezvoltaţi pentru aplicaţii in sistemele electrice de putere datorită imunităţii lor la interferenţele electromagnetice, a nivelului de izolaţie ridicat şi a unei largi benzi de frecvenţă. In secolul al XIX -lea au fost descoperite efectele electrooptice şi magnetooptice, oferind asftel prilejul utilizării lor la măsurarea tensiunii şi curentului. In 1845 Faraday a descoperit că sticla işi modifică indicele de refracţie a luminii polarizate circular, atunci cand este introdusă intr-un camp magnetic. Acest fenomen este cunoscut ca efectul magneto-optic şi este folosit pentru construirea senzorilor de curent. Dependenţa birefringenţei liniare de campul electric extern este cunoscut sub numele de effect electro-optic sau efect Pockels.

Birefringenţa liniară este fenomenul prin care lumina se propagă cu viteze diferite pe două direcţii liniare ortogonale de polarizare a luminii intr-un mediu optic. Senzorii de tensiune au fost construiţi pe baza efectului electro-optic sau Pockels. In modulatoarele optice, campul electric aplicat mediului şi direcţia 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 germanatul de bismut (Bi4(GeO4)3 sau BGA) obţinut cu o structură de cristal cubică la care este prezent efectul Pockels transversal adică variaţia indicelui de refracţie in funcţie de valoarea campului 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. Inainte de a ajunge la celula Pockels, lumina este focalizată cu un colimator, intr-un fascicul paralel, polarizată liniar şi 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 campul electric perpendicular pe fascicolul de lumină, se foloseşte tensiunea de ieşire a unui divizor capacitiv. Prin urmare, fascicolul de lumină este modulat in concordanţă 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 distribuţie de camp electric, lumina are o intarziere de fază. Campul electric poate fi calculat prin detectarea intensităţii luminii prin analizor. Intarzierea de fază indusă δ, intre două componente ortogonale ale luminii poate fi calculată utilizand relaţia (1):

(1)

unde λ este lungimea de undă a luminii, Δn este birefringenţa indusă şi L este lungimea cristalului. Birefringenţa indusă poate fi calculată cu formula (1):

(2)

unde E este intensitatea campului electric, kP este coeficientul Pockels al cristalului BGO, n0 este indicele de refracţie ordinar sau indicele de refracţie fără camp electric aplicat.