專利名稱：光纖電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖電流傳感器和使用光纖電流傳感器檢測電流的技術(shù)。
背景技術(shù)：
眾所周知，光纖電流傳感器是根據(jù)法拉第效應(yīng)的原理工作的。電流通過電導(dǎo)體(導(dǎo)線)產(chǎn)生感應(yīng)磁場，感應(yīng)磁場通過法拉第效應(yīng)使得纏繞在傳導(dǎo)電流的導(dǎo)線上的光纖中傳播的輻射偏振面旋轉(zhuǎn)。根據(jù)磁場循環(huán)的定理，得到
β Hdl=II此處I表示電流，H表示磁場，積分是沿著圍繞載流導(dǎo)線的一個閉合路徑進行。若用沿長度方向的磁場靈敏度為常數(shù)的傳感光纖纏繞導(dǎo)線，傳感光纖電流形成回路的圈數(shù)為整數(shù)N，則電路輸出端的輻射偏振面旋轉(zhuǎn)取決于導(dǎo)線電流，且與產(chǎn)生的外部磁場無關(guān)。這樣的外部磁場包括，例如，由鄰近導(dǎo)線產(chǎn)生的電流。偏振面的旋轉(zhuǎn)角度等于(p = V$Hdl = Vmu'此處V表示光纖材料的菲爾德常數(shù)，光纖材料可以是例如二氧化硅、石英、玻璃或高分子聚合物。傳感光纖表現(xiàn)出沿磁場路徑的一個線性積分；當該路徑本身封閉時，該積分與導(dǎo)線中的電流成正比。由于電流的存在導(dǎo)致的輻射偏振面的旋轉(zhuǎn)通過引入傳感光纖環(huán)中帶有線性偏振的輻射和接著在偏振離開光纖環(huán)后進行分析來測量。從物理的角度，偏振面旋轉(zhuǎn)是由兩個方向相反以及大小相等的圓偏振的輻射單元引起的，這兩者之和形成了線性偏振福射，在位于縱向磁場中的傳感光纖中具有不同的傳播速度，經(jīng)過傳感光纖后，導(dǎo)致兩者之間出現(xiàn)(法拉第)相移現(xiàn)象，其等于φι-2φ3在電流檢測的應(yīng)用中，圓偏振的狀態(tài)指示了被測電流，傳感光纖應(yīng)維持圓偏振狀態(tài)。光纖電流傳感器測量旋轉(zhuǎn)角f,或同樣地測量相移<pFQ眾所周知的測量電流的設(shè)備是互感式反射光學(xué)干涉儀(reciprocal reflective optical interferometer),上述例子在參考文獻[I] (Laming等人.)中公開。該現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備包括由光纖一端連接偏振器，另一端連接光反射器(鏡)的傳感光纖制成測量用傳感光纖環(huán)。在偏振器和感應(yīng)電路之間，設(shè)置分束器(定向耦合器)用以對進入裝置的光輻射分支，該裝置用于分析先向前然后自反射鏡反射后向后通過傳感光纖的光偏振面的旋轉(zhuǎn)。傳感光纖可以分成兩類。第一類包括具有低線性雙折射特性的光纖(LB型)，第二類是磁性的傳感光纖，具有嵌入式線性雙折射(旋轉(zhuǎn)光纖(spun fiber))。第二類光纖是由抽拉具有強的內(nèi)置(嵌入式)線性雙折射預(yù)成型體和在抽拉過程中將預(yù)成型體旋轉(zhuǎn)而獲得。本文中，預(yù)成型體表示材料經(jīng)過加工處理初步成型但還未最終成型。如參考文獻[I]所公開，電流傳感器的檢測環(huán)使用嵌入式線性雙折射磁感光纖。參考文獻[2] (US 6，188，811)公開了一種光纖傳感器,包括光源，與光源稱合的偏振器，與偏振器耦合的輻射偏振壓電或電光調(diào)制器，保持輻射的線性偏振并與偏振調(diào)制器組合的保偏光纖(“PM光纖”)，與PM光纖連接的保偏四分之一波片，具有嵌入式線性雙折射并與四分之一波片相結(jié)合的磁感光纖(旋轉(zhuǎn)光纖)，在很大程度上保持了圓偏振狀態(tài)，與上述磁感光纖I禹合的輸出反射器，以及輸出端與偏振器I禹合的光電探測器。磁感光纖形成載流導(dǎo)線周圍的檢測環(huán)。上述美國專利6，188，811的圖IA顯示了線性電流傳感器的一個例子。來自光源的光束通過耦合器和偏振器傳播至45°的連接處夾角(splice)，在此等分成兩個偏振狀態(tài)，并在余下光路中保持。壓電雙折射調(diào)制器對這兩個偏振狀態(tài)光的相位進行分化(differentially)調(diào)制。該壓電雙折射調(diào)制器由調(diào)制器信號發(fā)生器提供的方波或正弦波形周期交替電信號驅(qū)動。光束隨后傳播通過延遲線和模式轉(zhuǎn)換器，該模式轉(zhuǎn)換器把兩個線性偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)變成兩個圓偏振狀態(tài)，又通過優(yōu)化的傳感線圈。該優(yōu)化的傳感線圈繞在載流導(dǎo)線周圍。光束從反射端反射并沿原路折回通過光路，最終達到光電探測器。開環(huán)信號處理器把檢測到的信號轉(zhuǎn)換后傳遞至輸出端，其指示了載流導(dǎo)線中的電流。當上述圓偏振狀態(tài)在貫穿感應(yīng)線圈能被很好保持時，則該傳感器可以實現(xiàn)其最佳的靈敏度(sensitivity)。而 雙折射旋轉(zhuǎn)光纖可以在一定程度上保持圓偏振狀態(tài)，這在所屬領(lǐng)域是眾所周知的。參考文獻[2]中公開的發(fā)明，其關(guān)注點是只有圓偏振狀態(tài)被極好地維持才能使用極長的(幾百米)感應(yīng)光纖。一根直的雙折射旋轉(zhuǎn)光纖可以在很長一段距離內(nèi)保持圓偏振狀態(tài)，但是如果像繞在載流導(dǎo)線周圍那樣彎曲，則要達到上述性能會困難許多。如上述US 6，188,811中所述，為了獲得高的傳感器靈敏度，圓偏振應(yīng)該在穿過傳感回路時被很好的保持。直的旋轉(zhuǎn)光纖能夠在幾百米的長度內(nèi)保持圓偏振狀態(tài)，這在所屬領(lǐng)域是眾所周知的。然而，彎曲半徑小于約20mm時，該眾所周知的光纖的靈敏度迅速下降。對于給定長度的磁感光纖，隨著回路中光纖圈數(shù)容許數(shù)量的增加，傳感器的靈敏度因此受到限制。US 6，188，811中描述的光纖傳感器克服了單個連續(xù)光纖傳感器中許多固有的不足之處。但是，某些問題仍存在以致影響傳感器的精度。例如，為了獲得極為精準的測量結(jié)果，光學(xué)元件尤其是四分之一波片應(yīng)當是理想的，并且不易受例如溫度波動和機械擾動等外部影響。事實表明，用于實現(xiàn)一些設(shè)備精確讀數(shù)的該理想的或近于理想的四分之一波片很難做到且制作非常昂貴。已知的壓電調(diào)制器和電光調(diào)制器具有殘留的寄生調(diào)制，從而降低了傳感器的精度。為了已知光學(xué)系統(tǒng)的有效調(diào)制，需要在延遲線中有相當長度(長達Ikm)的旋轉(zhuǎn)光纖(PM光纖)。與此相關(guān)的問題是PM光纖價格高。此外，光纖電流傳感器需要非常高的靈敏度。例如，在一些應(yīng)用中需要控制具有高額定電流的導(dǎo)線(例如地下電纜)中的微小的泄漏電流。最后，現(xiàn)有光纖電流傳感器中的一個問題是光纖環(huán)的磁光靈敏度對光纖的外部溫度和所受到的機械應(yīng)力的依賴。這種依賴限制了傳感器的精度并且需要一組復(fù)雜的保護措施用于檢測電路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了緩解一個或多個上述問題，例如環(huán)境條件對電流檢測系統(tǒng)中各種元件的影響。環(huán)境條件可以包括例如溫度波動和機械力(如應(yīng)力和/或振動)。受影響的元件可以包括光纖環(huán)，例如光纖本身、四分之一波片、光耦合器等。按照獨立權(quán)利要求所述的設(shè)備可以實現(xiàn)上述目的。從屬權(quán)利要求、詳細說明和附圖與示例性的實施方式有關(guān)，它們提供附加特征并且/或解決附加問題。提供這些實施方式以闡明本發(fā)明，但不對本發(fā)明構(gòu)成限制。特別要值得注意的是四分之一波片是與溫度相關(guān)的不穩(wěn)定性的重要來源，而在本發(fā)明的典型實施方式中可以省略。本發(fā)明的一方面是用于傳感電導(dǎo)體攜帶電流的光纖電流傳感器，該光纖電流傳感器包括光學(xué)部分和電子部分。其中光學(xué)部分包括光源；具有第一端口和第二端口的定向率禹合器，每個端口包含第一耦合臂和第二耦合臂；具有第一端口和第二端口的輻射偏振器；具有第一端口和第二端口的偏振調(diào)制器；與電流檢測光纖環(huán)第一末端和第二末端稱合的光纖線；輻射反射器；以及光電探測器。定向I禹合器第一端口的一條I禹合臂與光源I禹合，而定向I禹合器第一端口的另一條率禹合臂與光電探測器稱合。定向稱合器第二端口的一條稱合臂與福射偏振器的第一端口率禹合。輻射偏振器的第二端口與偏振調(diào)制器的第一端口耦合。偏振調(diào)制器包括磁感元件，以及纏繞其上的螺線管。電流檢測光纖環(huán)由嵌入式線性雙折射磁感光纖制成。最后，電子部 分包括配置成驅(qū)動所述螺線管的信號發(fā)生器；以及配置成接收所述光電探測器光信號的信號處理單兀。本發(fā)明的有益效果包括增加了光纖電流傳感器的靈敏度和精度。該有益效果的通過降低電流傳感系統(tǒng)元件對諸如溫度和/或機械應(yīng)力或機械振動等環(huán)境條件的靈敏度而實現(xiàn)的。磁感元件可以包括調(diào)制器光纖段或經(jīng)改性的磁性石榴石光學(xué)元件，例如隔離器，其中的常規(guī)使用的永久磁鐵被攜帶調(diào)制電流的螺線管代替。參考文獻[2] (US 6，188，811)公開了一種光纖電流傳感器，其中光纖線包括延遲線和用于將兩個線偏振狀態(tài)轉(zhuǎn)換成兩個圓偏振狀態(tài)的模式轉(zhuǎn)換器。一些附加的有益效果通過以下實施方式得以實現(xiàn)，光纖線是雙股線，第一端口具有第一耦合臂和第二耦合臂，第二端口具有第一耦合臂和第二耦合臂；偏振調(diào)制器的第二端口與雙股光纖線第一端口的第一稱合臂稱合；雙股光纖線第二端口的第一稱合臂和第二率禹合臂分別與電流檢測光纖環(huán)的第一末端和第二末端稱合；雙股光纖線第一端口的第二率禹合臂與輻射反射器耦合。舉例來說，該實施方式致使延遲線和模式轉(zhuǎn)換器成為多余。此外，該實施方式具有高效結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中調(diào)制器光纖段與雙股光纖線和電流檢測光纖環(huán)形成光纖整體。為了達到最佳靈敏度和最大程度地免受外部影響(如溫度變化和彎曲引起的應(yīng)力)的影響，嵌入式線性雙折射磁感光纖應(yīng)具有在Imm-IOmm范圍內(nèi)的嵌入拍長Lb,和在lmm-5mm范圍內(nèi)的螺旋節(jié)距Lsp。


本發(fā)明的具體實施方式
將結(jié)合附圖描述，其中圖I顯示了本發(fā)明的第一種實施方式；圖2描繪了磁感光纖歸一化的靈敏度S在不同嵌入式線性雙折射拍長Lb取值情況下與節(jié)距速度Lsp的函數(shù)關(guān)系；圖3顯示了電流傳感器的輸出特性；
圖4描述了歸一化的磁感光纖靈敏度S與彎曲半徑R的函數(shù)關(guān)系；圖5顯示了圖I所示實施方式的變化；以及圖6顯示了另一種實施方式的偏振調(diào)制器，其中用改性的光學(xué)石榴石元件代替了調(diào)制器光纖環(huán)。
具體實施例方式圖I顯示了本發(fā)明的第一種實施方式。圖I中所示的整體布局圖很大程度上與美國專利(6，188，811)圖IA相似，共同要素的細節(jié)性描述很大程度上是不必要的。與現(xiàn)有技術(shù)不同之處在于現(xiàn)有技術(shù)中的壓電雙折射調(diào)制器被磁光偏振調(diào)制器4所取代，偏振調(diào)制器4包括調(diào)制器光纖段5，以及纏繞調(diào)制器光纖 段5的螺線管6。調(diào)制器光纖段5顯示為多匝光纖線圈，但是其他實施方式也是可行的，會在下文做具體描述。特別地，圖I顯示了用于檢測電導(dǎo)體18所帶電流的光纖電流傳感器。光纖電流傳感器包括光學(xué)部分和電子部分。光學(xué)部分包括光源I、定向稱合器2、福射偏振器3、偏振調(diào)制器4、與電流檢測環(huán)11耦合的光纖線17、輻射反射器10 (例如反射鏡)以及光電探測器22。定向I禹合器2第一端口的一條I禹合臂2A1與光源11禹合,而定向I禹合器2第一端口的另一條稱合臂2B1與光電探測器22稱合。定向稱合器2第二端口的一條稱合臂2B1與福射偏振器的第一端3A稱合。福射偏振器的第二端3B與偏振調(diào)制器4的第一端4A稱合。偏振調(diào)制器4包括調(diào)制器光纖段5，以及纏繞調(diào)制器光纖段5的螺線管6。調(diào)制器光纖段5可由嵌入式線性雙折射的磁感光纖組成。與調(diào)制器光纖段5類似，電流檢測光纖環(huán)11也可由嵌入式線性雙折射的磁感光纖制成。圖I所示的光纖電流傳感器操作如下。由光源I最好是寬頻光源得到光輻射，進入定向稱合器2第一端口 2A的第一條稱合臂2A1,并且光福射從第二端口 2B的第一條f禹合臂2B1轉(zhuǎn)移至偏振器3的輸入端3A。光福射在定向稱合器2的另一稱合臂2B2上被吸收。定向耦合器2第一端口 2A的第二條耦合臂2A2與光電探測器22耦合，接收由光學(xué)干涉儀返回的光輻射。在偏振器3的輸出端3B，光輻射具有很高的電場線性偏振，可以呈現(xiàn)出具有相反旋轉(zhuǎn)方向電場的兩個圓偏振光學(xué)成分的總和。光福射由偏振器輸出端3B到達偏振調(diào)制器4的光纖環(huán)5。光纖環(huán)5包含一個或更多例如線圈數(shù)的由嵌入式線性雙折射的磁感光纖構(gòu)成的通路。光纖環(huán)穿過螺線管6，如此螺線管的導(dǎo)線線圈穿過光纖環(huán)所在的平面。流向螺線管6的輔助電流由信號發(fā)生器21生成。光輻射穿過調(diào)制器光纖環(huán)5獲取線性偏振方位角的轉(zhuǎn)變，根據(jù)法拉第效應(yīng)該方位角與螺線管6中的輔助電流成正比。上述電流可以用例如正弦曲線表示，它提供了電場方位角的周期性調(diào)制。調(diào)制器如此設(shè)計可以獲取短基線(short base)干涉儀的調(diào)制模式。換言之，與現(xiàn)有技術(shù)必有延遲線(第15項所示)相比，這種調(diào)制模式類型不需要長延遲線。這種調(diào)制方案還可以消除或減少伴隨產(chǎn)生的會降低電流傳感器精度的寄生調(diào)制。在調(diào)制器4后，圖I所示實施方式的操作過程很大程度上與現(xiàn)有技術(shù)的圖IA所示內(nèi)容相似(參考文獻2)。如圖I所示實施方式使用電磁的調(diào)制器作為偏振調(diào)制器4。因此光纖的磁感特性用于偏振調(diào)制器4和電流檢測環(huán)11。這種特性的有利之處在于偏振調(diào)制器4和電流檢測環(huán)11中可用單一的連續(xù)的光纖，以減少光接頭數(shù)。圖I顯示了本發(fā)明的一種實施方式，其中雙股線17用以解決現(xiàn)有技術(shù)中其它一些遺留問題。在圖I所示的實施方式中，光纖線17是雙股線，其第一端口有第一臂17A1和第二臂17A2，第二端口有第一臂17B1和第二臂17B2。偏振調(diào)制器的第二端口 4B與雙股光纖線17第一端口的第一臂17A1耦合。雙股光纖線17第二端口的第一臂17B1和第二臂17B2分別與電流檢測光纖環(huán)11的第一端和第二端稱合，雙股光纖線17第一端口的第二臂17A2與輻射反射器10耦合。在該結(jié)構(gòu)中，雙股光纖線17第一端口的第一臂17A1接收光輻射。光輻射從雙股光纖線17第二端口的第一臂17B1到達電流檢測光纖環(huán)11的輸入端，其光纖纏繞著攜帶待測電流的導(dǎo)線18。雙倍的或雙股的光纖線17包含兩個鄰近的嵌入式線性雙折射磁感光纖段。在這兩個段的光輻射的傳播方向是相反的。本實施方式消除了外部磁場對偏振狀態(tài)的影響。本實施方式進一步確保了光輻射在其通過雙股光纖線17兩條相對通道17A1-17B1和17B2-17A2時的偏振保持。光輻射通過位于導(dǎo)線18電流產(chǎn)生的縱向磁場中的電流檢測光纖環(huán)11，法拉第效應(yīng)引起光輻射的偏振成分(偏振模)之間的相位移動。偏振成分之間相位移動導(dǎo)致光輻射電 場矢量方位角的改變。方位角的改變與導(dǎo)線18所攜帶的電流成正比。電流檢測光纖環(huán)11的輸出端與雙股光纖線17第二端口的第二臂17B2連接。從環(huán)11回到雙股光纖線17的端點17B2,光福射存在于雙股光纖線17第一端口的第二臂17A2,并且從此處進入光福射的反射器10。反射器10可以使用光學(xué)用鏡。反射后的光輻射沿光路的相反方向折回，通過雙股光纖線17、環(huán)11，接著繼續(xù)穿過雙股光纖線17、調(diào)制器4、偏振器3和耦合器2，并從耦合器的臂2A2到達光電探測器22。在耦合器2的輸出端，導(dǎo)線18電流產(chǎn)生的相移被轉(zhuǎn)換為輻射強度，其中輻射強度與導(dǎo)線18攜帶電流成正比。光電探測器產(chǎn)生電信號，與調(diào)制的光輻射強度成正比。該電信號在信號處理單元23中被處理，其輸出通過參考數(shù)字24來表示。為了簡潔起見，信號處理單元23的具體細節(jié)在此處省略。只需要說明從光電探測器22輸出的信號是電信號，電信號的瞬時值反映了導(dǎo)線18攜帶電流的瞬時值即可。通常情況下，從光電探測器22輸出的信號經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路(可以在校正電路和/或線性電路或數(shù)字處理之前或之后)，但這些附加的處理階段并沒有給出，以避免成為本發(fā)明的限制。至于與現(xiàn)有技術(shù)區(qū)別之處，圖I所示實施方式的關(guān)鍵因素包括偏振調(diào)制器4的結(jié)構(gòu)，即偏振調(diào)制器光纖環(huán)5和纏繞其上的螺線管6，也可包括雙股光纖線17。光纖環(huán)5、雙股光纖線和測定用光纖環(huán)11可由嵌入式線性雙折射磁感光纖構(gòu)成。這部分電路形成了共同的光學(xué)干涉計，具有共同的輸入/輸出，這就是偏振器3。而在干涉儀中圓偏振的狀態(tài)很大程度上得以保留，是因為所有光學(xué)元件都由具有一定參數(shù)的嵌入式線性雙折射磁感光纖構(gòu)成，這些參數(shù)能實現(xiàn)上述的偏振保持。線性偏振光學(xué)輻射，包括同等強度的左和右正交的圓偏振模。當線性偏振光輻射通過偏振器3至反射器10，其從偏振模之間獲得相位移動。由于調(diào)制器光纖環(huán)5和測定用光纖環(huán)11中的法拉第效應(yīng)，部分這樣的相移是有利的(就電流測定而言是有用的)。另一方面，部分通常由于光纖延遲而產(chǎn)生的相移是不希望的。從反射器10反射后，偏振?；ハ囝嵉?，意味著右旋偏振變?yōu)樽笮?，反之亦然。因此，當從反射?0被反向通過至偏振器3，幾乎所有不需要的相移被抵消，而由于非互易法拉第效應(yīng)使有利的相移增加至兩倍。有利相移包括從信號發(fā)生器21產(chǎn)生，通過螺線管6和光纖線圈5的調(diào)制組件的，該調(diào)制成分與導(dǎo)線18中待測電流成正比。由于線性偏振輻射從干涉儀輸出時具有偏振狀態(tài)，該有利相移出現(xiàn)在干涉儀的輸出端，其與螺線管6中的電流和導(dǎo)線18的測得電流都成正比地變化。在通過偏振器3至光電探測器22后，這些方位角的改變轉(zhuǎn)變成輻射強度上的改變。光電探測器22在信號處理單元23輸入端產(chǎn)生與光輻射密度成正比的電信號。因此，如偏振器3和耦合器2所實現(xiàn)的從相移至輻射強度變化的轉(zhuǎn)換代表了公知的測定調(diào)制相移的方法，其與測得電流成正比，也因此是對測得電流的指示。上述嵌入式雙折射磁感光纖具有兩個主要參數(shù)特性，它們共同決定光纖電流檢測能力，即有效的磁靈敏度值和由熱和機械外應(yīng)力引起的不良效應(yīng)。這些光纖參數(shù)包括嵌入式線性雙折射拍長Lb和節(jié)距速度(pitch speed) Lsp。這些參數(shù)在光纖制造階段被選定。上述磁感光纖有兩個基本設(shè)計常規(guī)(傳統(tǒng)的)設(shè)計和微結(jié)構(gòu)設(shè)計。磁感光纖常規(guī)設(shè)計得自于與用來制造保持線性輻射偏振光纖(PM光纖)相似的標準各向異性的制備。它們的核心和覆層通常由摻雜或未摻雜二氧化硅的石英制得。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在微結(jié)構(gòu)設(shè)計的光纖中，覆層由包圍在二氧化硅核心外的縱向?qū)Ч芙M成。導(dǎo)管可以用例如惰性氣體或空氣等氣體填充。微結(jié)構(gòu)設(shè)計有以下幾個優(yōu)點線性雙折射特性強，后者溫度依賴性低，彎曲損耗低等。實驗與理論研究發(fā)現(xiàn)可以預(yù)先選定上述參數(shù)一拍長和節(jié)距速度以獲得最優(yōu)結(jié)果。上述光纖可從專利申請人處得到。考慮到外部因素帶來的不良效應(yīng)，測得的光輻射兩次通過環(huán)的偏振面旋轉(zhuǎn)角等于φ =2SVNI[4]在此S(S ( I)表示每一圈歸一化的磁靈敏度。S取決于光纖參數(shù)和光纖應(yīng)變力，特別是由纏繞在測量回路的彎曲半徑R產(chǎn)生的應(yīng)變力。參考文獻[3]包括基于嵌入式線性雙折射軸的螺旋結(jié)構(gòu)的光纖理論模型對嵌入式線性雙折射性磁感光纖進行的特性分析。該分析顯不了磁-光光纖沿光纖方向的靈敏度，空間振蕩周期Losc的大小取決于相同的光纖參數(shù)Lb和Lsp。為了減少外應(yīng)力對光纖磁感應(yīng)的影響，周期Losc應(yīng)取不超過由于輻射源的有限波長范圍△ λ產(chǎn)生的所需空間間隔Lu值的較小值。在這種情況下，振幅靈敏度不明顯，并且光纖磁感應(yīng)最不易受外部變形影響。圖2顯示了具有較大彎曲半徑的旋轉(zhuǎn)光纖在不同Lb值時的預(yù)估依賴性(estimated dependences)S(Lsp)。在此處,大的彎曲半徑意味著彎曲導(dǎo)致的雙折射一定明顯小于光纖的嵌入式雙折射。從圖2可以清楚看到Lsp取值小時可達到最大靈敏度和相對高的Lb值。在實際應(yīng)用中會出現(xiàn)附加約束條件。例如，在實際的旋轉(zhuǎn)光纖的繪圖過程中最好不要使Lsp的值小于，比方說，1-2毫米，即使I毫米的取值也很難實現(xiàn)。因此在設(shè)計光纖參數(shù)時應(yīng)把該事實考慮到，并且使Lsp值維持在一個合適的范圍。另一種約束的情況是用于電流傳感器的傳感光纖一定是盤繞成線圈的，因此具有有限的彎曲半徑。這樣的彎曲會影響S參數(shù)的值。若彎曲導(dǎo)致的雙折射與嵌入式光纖雙折射相當或高于嵌入式光纖雙折射，則S值會顯著低于I。發(fā)明者從理論上和實驗上獲取的兩種不同光纖彎曲對S參數(shù)影響的例子如圖4 (見下文)所示。光纖如上述適當?shù)剡x擇參數(shù)，具有接近光纖材料(例如二氧化硅石英)極限值的高磁靈敏度，并且有高度抗熱和抗機械效應(yīng)，這可以為電流傳感器獲得穩(wěn)定而準確的比例因子?；诶碚摽紤]的基礎(chǔ)，并通過實驗驗證，發(fā)明者為實用型電流傳感器設(shè)計考慮了最佳參數(shù)的范圍如下嵌入式拍長Lb在1-10毫米范圍內(nèi)，螺旋節(jié)距Lsp在1-5毫米范圍內(nèi)。特定比例Lb/Lsp應(yīng)由特定傳感線圈設(shè)計和參數(shù)(線圈直徑，螺旋線圈數(shù)，等)決定。圖I所示實施例的一種運行示例將在以下做描述。作為光源1，由摻鉺光纖制得的光纖福射源，波長I. 55 μ m和福射光譜寬20nm的30mW能量。用于偏振調(diào)制器4、光纖線17和測定用檢測環(huán)11的光纖是具有參數(shù)Lb=5mm和Lsp=3. 5mm嵌入式雙折射特性的微結(jié)構(gòu)磁感光纖。所有這些元件均來自無縫合的單片光纖。偏振調(diào)制器4容納有用光纖包圍的長100mm,外半徑IOmm, 10000線圈數(shù)的圓形結(jié)構(gòu)。螺線管6有48阻的銅線,直徑Imm,通過光纖結(jié)構(gòu)的內(nèi)部開口。頻率為40kHz的3A交流電施加于螺線管6上。偏振調(diào)制器4的這種實施方式能實現(xiàn)I. 84弧度的調(diào)制幅值，這足以勝任設(shè)備電子部分的常規(guī)操作。在該調(diào)制頻率不會觀察到雜散信號。雙股線17的長度為2m。測量環(huán)11由包圍在長30mm，外半徑IOmm的圓形結(jié)構(gòu)的匝數(shù)為3000的光纖組成。用于光電探測器輸出信號24處理的電子單元可以測定與電流成正比的相移，可以如參考文獻[3]所述來進行。圖3顯示了電流傳感器的輸出特性，換言之，測得電流Inreas (實驗室模型顯示的表 觀電流)與載流導(dǎo)線18中流動的電流I的函數(shù)關(guān)系。如圖3中所示，經(jīng)測定實驗?zāi)Ｐ驮谳^大電流值范圍內(nèi)能獲得非常好的線性度，表明本發(fā)明具有可行性。本運行示例有一個相對高的匝數(shù)，而較低匝數(shù)可以為要求較低的應(yīng)用提供足夠的靈敏度。此外，機械擾動(光纖彎曲應(yīng)變)對嵌入式線性雙折射磁-光光纖靈敏度的影響被測定。測量中，用到數(shù)個傳感測量環(huán)。測量環(huán)由特定參數(shù)Lb=Imm和Lsp=3. 5mm的微結(jié)構(gòu)光纖制得，圍繞成不同直徑的結(jié)構(gòu)。在電流傳感器模型中每個環(huán)均作為傳感測量環(huán)進行了測試。圖4描述了歸一化磁感光纖靈敏度S (用矩形表示文中公開的微結(jié)構(gòu)光纖)與彎曲半徑R的函數(shù)關(guān)系。作為比較，第二組測量值是對傳統(tǒng)設(shè)計的嵌入式線性雙折射磁感光纖進行的，其參數(shù)Lb=15mm和Lsp=2.5mm。這些測量數(shù)據(jù)用黑三角表示。這組實驗表明，參數(shù)Lb=I. and Lsp=3. 5mm的光纖對于考慮受彎曲半徑的影響時接近最佳。參數(shù)Lb=Imm和Lsp=3. 5mm直至彎曲半徑低至2. 5mm時微結(jié)構(gòu)光纖仍維持恒定的歸一化靈敏度，這超過傳統(tǒng)光纖性能(R彡20mm) 8倍。對給定長度的光纖，參數(shù)Lb=Imm和Lsp=3. 5mm的微結(jié)構(gòu)光纖允許環(huán)繞光纖環(huán)的匝數(shù)高于傳統(tǒng)光纖8倍。另一方面，該微結(jié)構(gòu)光纖的每圈歸一化靈敏度接近傳統(tǒng)光纖靈敏度的70%。綜合總匝數(shù)增加8倍以及每圈靈敏度減少30%的結(jié)果是該微結(jié)構(gòu)光纖可以增加傳感器靈敏度約5倍。因此，該微結(jié)構(gòu)光纖可提高光纖電流傳感器的靈敏度和精度，并且減少由外部溫度和機械擾動引起的電流測定錯誤。圖5顯示了圖I所示實施例的變化情況。如圖5所示，信號處理單元23產(chǎn)生了閉環(huán)控制信號25。如現(xiàn)有技術(shù)(參考文獻[2]的圖1B)所公開的，該閉環(huán)控制信號產(chǎn)生相歸零電流。在現(xiàn)有技術(shù)中,相歸零電流通過優(yōu)化的傳感線圈(此處表示為項11)產(chǎn)生與載流導(dǎo)線18中電流產(chǎn)生的方向相反的基本同等的效應(yīng)。采用這種操作方法，電流傳感器中產(chǎn)生的非交互相移維持在非常小的數(shù)值，從而能夠采用極高靈敏度的傳感線圈而不會遇到與檢測大相移有關(guān)的非線性?，F(xiàn)有技術(shù)中公開的閉環(huán)操作的一個遺留問題來源于電流發(fā)生器(現(xiàn)有技術(shù)中的項23)驅(qū)動載流導(dǎo)線18附近的一個附加電磁感應(yīng)圈。因為載流導(dǎo)線通常是高壓線，現(xiàn)有技術(shù)中公開的閉環(huán)操作遇到這樣一個問題即很難達到電隔離的要求。該遺留問題在本實施例中得到解決閉環(huán)控制電流25驅(qū)動的電磁感應(yīng)圈在遠離載流導(dǎo)線18并與之適當隔離的位置。在圖5所示的實施例中，閉環(huán)控制電流25與調(diào)制電流在信號發(fā)生器21中結(jié)合，以使相歸零效應(yīng)得以實現(xiàn)。在另一實施例中(未單獨顯示)，閉環(huán)控制電流25驅(qū)動與螺線管6分離的螺線圈，該螺線圈被信號發(fā)生器21用于其偏振調(diào)制功能。圖6顯示了偏振調(diào)制器的另一種實施方式，此處顯示為元件4’。參考數(shù)字4A’和4B’表示偏振調(diào)制器4’的兩部分?？偟膩碚f，偏振調(diào)制器4’與相關(guān)前述實施方式中偏振調(diào)制器4執(zhí)行相同的功能。在此實現(xiàn)方式中，經(jīng)改性的磁性石榴石光學(xué)元件表示為參考數(shù)字26，被用于調(diào)制器光纖環(huán)5的位置。常規(guī)的磁性石槽石光學(xué)兀件,例如光隔離器,使用永久磁鐵改變經(jīng)過石槽石傳播的光福射的偏振。根據(jù)本實施方式，以螺線管6代替永久磁鐵,與之前的實施方式類似。與之前的實施方式不同的地方在于磁性石槽石26用于代替調(diào)制器光纖環(huán)5。偏振器 3設(shè)置于磁性石槽石26和定向稱合器2之間。至于磁性石榴石的結(jié)構(gòu)，可以用可能摻雜過例如鎵等材料的鋱(Tb)。發(fā)明人已用費爾德常數(shù)為O. 2° /Oe. mm的Tb3Ga5015鋱鎵石榴石圓柱體的實施例證明其可行性。該圓柱體的長和直徑分別為50mm和10mm。螺線管6由50圈/cm纏繞五層組成，由此導(dǎo)線總長為20m。當電流為3A時，功耗為4. 5W。從而偏振調(diào)制器在波長為I. 06 μ m時表現(xiàn)出I. 8弧度(radians)的相位調(diào)制能力。以上所述的僅是本發(fā)明的一些實施方式，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，隨著技術(shù)的發(fā)展，本發(fā)明可以有多種實施方式。因此，本發(fā)明的保護范圍由以下權(quán)利要求來規(guī)定。參考文件I. R. I. Laming, D. N. Payne.所著 “Electric current sensors employingspunhighly birefringent optical fibers (采用高雙折射旋轉(zhuǎn)光纖的電流傳感器)”，J.of Lightwave Technology (光波技術(shù))，7，No. 12，2084-2094 (1989)2.美國專利 6，188，8113. V. P. Gubin, V. A. Isaev, S. K. Morshnev, A. I. Sazonov, N. I. starostin, Yu.K. Chamorovsky,以及 A. I. Usov 所著“Use of Optical Fibers of Spun Type in CurrentSensors (電流傳感器中的旋轉(zhuǎn)光纖的使用)” Quant. Electron (量子與電子)· 36.No. 3，287-291(2006)。
權(quán)利要求
1.用于檢測電導(dǎo)體(18)攜帶電流的光纖電流傳感器，所述光纖電流傳感器包括光學(xué)部分和電子部分 其中所述光學(xué)部分包括 光源(I); 定向耦合器(2)，具有第一端口(2A)和第二端口(2B)，每個端口包含第一耦合臂(2A1，2B1)和第二耦合臂(2A2, 2B2)； 輻射偏振器(3)，具有第一端口(3A)和第二端口(3B)； 偏振調(diào)制器(4，4，)，具有第一端口(4A，4A，)和第二端口(4B，4B，); 光纖線(15，17),與具有第一端和第二端的電流檢測光纖環(huán)(11)稱合； 輻射反射器(10); 光電探測器(22)； 其中 所述定向耦合器(2 )第一端口的一條耦合臂(2A1)與所述光源(I)耦合，所述定向耦合器(2 )的所述第一端口的另一條耦合臂(2B1)與所述光電探測器(22 )耦合； 所述定向耦合器(2 )第二端口的一條耦合臂(2B1)與所述輻射偏振器的所述第一端口(3A)奉禹合； 所述輻射偏振器的所述第二端口(3B)與所述偏振調(diào)制器的所述第一端口(4A，4A’ )耦合； 所述偏振調(diào)制器(4，4’ )包括磁感元件(5，26)，以及纏繞其上的螺線管(6)； 所述電流檢測光纖環(huán)(11)由嵌入式線性雙折射磁感光纖制成； 其中所述電子部分包括 信號發(fā)生器(21)，配置成驅(qū)動所述螺線管(6);和 信號處理單元(23 )，配置成接收所述光電探測器(22 )的光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光纖電流傳感器，其中 所述光纖線(17)是雙股光纖線，包括具有第一臂(17A1)和第二臂(17A2)的第一端口，和具有第一臂(17B1)和第二臂(17B2)的第二端口 ； 所述偏振調(diào)制器的所述第二端口(4B)與所述雙股光纖線(17)第一端口的所述第一臂(17A1)耦合； 所述雙股光纖線(17)第二端口的所述第一臂和第二臂(17B1, 17B2)分別與所述電流檢測光纖環(huán)(11)的所述第一末端和第二末端稱合； 所述雙股光纖線(17)第一端口的所述第二臂(17A2)與所述輻射反射器(10)耦合。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的光纖電流傳感器，其中所述磁感元件(5)包括調(diào)制器光纖段。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖電流傳感器，其中所述磁感元件(5)包括調(diào)制器光纖段，所述調(diào)制器光纖段與所述雙股光纖線(17)和所述電流檢測光纖環(huán)(11)形成光纖整體。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的光纖電流傳感器，其中所述磁感元件(5)包括磁性石榴石光學(xué)元件(26)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的光纖電流傳感器，其中所述嵌入式線性雙折射磁感光纖具有Imm-IOmm范圍的嵌入式拍長Lb,和范圍的螺旋節(jié)距Lsp。
全文摘要
光纖電流傳感器用于檢測電導(dǎo)體(18)所攜帶電流。它的光學(xué)部分包括光源(1)；具有兩個端口(2A,2B)且每個端口包含兩條耦合臂的定向耦合器(2)；輻射偏振鏡(3)；偏振調(diào)制器(4)；與電流傳感光纖環(huán)(11)耦合的光纖線(17)；反射鏡(10)；以及光電探測器(22)。定向耦合器(2)的第一端口與光源(1)和光電探測器(22)耦合。其第二端口通過輻射偏振鏡(3)與偏振調(diào)制器(4)耦合。偏振調(diào)制器包括磁感元件(5)，纏繞其上的螺線管(6)。電流傳感光纖環(huán)(11)包括嵌入式線性雙折射磁感光纖。電子部分包括用于驅(qū)動螺線管(6)的信號發(fā)生器(21)；以及用以接收光電探測器(22)光信號的信號處理單元。
文檔編號G01R33/032GK102859383SQ201080060216
公開日2013年1月2日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者尤里·查莫羅夫斯基, 弗拉基米爾·古賓, 賽格·莫什尼夫, 伊安·普瑞茲亞科夫斯基, 馬克西姆·亞波科, 尼古拉·斯塔羅斯汀, 亞歷山大·薩左諾夫, 安通·波耶夫 申請人:普羅夫特克封閉股份管理公司