專利名稱：光纖電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的光纖電流傳感器。
EP-A-0’856’737曾公開過這種類型的光纖電流傳感器。它具有一個包有導電體、且繞成線圈形狀的磁光活性傳感纖維。該傳感纖維的至少一端通過相位滯后元件被接在另一個光纖、也即所謂的導出導回纖維上，光便通過該導出導回纖維與光纖傳感器進行輸入輸出耦合。傳感纖維典型地由石英玻璃制成，且具有圓形的芯斷面。在該傳感纖維內傳播圓偏振光。所述的導出導回纖維優(yōu)選地具有橢圓形芯斷面，并傳播線偏振光。在傳感纖維和導出纖維之間安放了一個雙折射的纖維段，以便作用為相位滯后元件。該纖維段具有一些主光軸，它們以45°對準所述導出導回纖維的主軸。通常，纖維段的長度作如此選擇，使得該纖維段作用為一種λ/4相位滯后元件。由此，它把導出導回纖維的線偏振光變成在傳感纖維內傳播的圓偏振光。
傳感纖維以賽格納克干涉儀的形式工作，或者當其一端被鏡面化時以反射干涉儀的形式工作。在該兩種情形下，傳感纖維內傳播有兩種圓偏振光波。對此，在賽格納克干涉儀的情形下所述兩種波是反向傳播的，而在反射干涉儀的情形下是同向傳播的。在賽格納克干涉儀中，兩種波的偏振意義是相同的，其中，它們向左或向右進行圓偏振。在反射干涉儀中，它們具有相反的偏振意義。
若導電體有電流流過，該電流便產生磁場，由該磁場在所述兩種反向或同向傳播的光波之間產生一個互差的相移。該效應被稱為磁光效應或法拉第效應。在此，所形成的相移與電流成比例，并在所述的賽格納克配置時為ΔφS=2VNI (1)以及在所述反射配置時為ΔφR=4VNI (2)，其中，V表示纖維的費爾德常數(shù)，N表示線圈內的纖維匝數(shù)，且I表示電流強度。
在EP-A-0’856’737中講述過的傳感纖維是不受機械應力限制的，這樣，所獲得的傳感信號便不會受取決于溫度的、由應力引起的線性雙折射的干擾。但是，費爾德常數(shù)V依然與溫度有依賴關系，即便在纖維線圈無應力的理想情況下，該依賴關系都是不可忽略的。因此，對于石英纖維的情況，每攝氏度的溫度依賴性約為0.7×10-4。由此，當溫度波動為100攝氏度時，傳感信號變化為0.7％。然而，當電流傳感器應用在高壓設備內時，電流測量經常需要有非常高的準確性。在溫度范圍為-40攝氏度～+80攝氏度時，典型值為±0.2％。
因此，本發(fā)明的任務在于，創(chuàng)造一種文章開頭所述類型的光纖電流傳感器，它具有改善過的溫度補償。
該任務由具有權利要求1所述特征的電流傳感器來實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明，電流傳感器帶有至少一個具有溫度依賴性的相位滯后元件，并由該溫度依賴性至少近似地對傳感纖維的費爾德常數(shù)的溫度依賴性進行補償。
該補償通過如下方式來進行，即相位滯后元件具有一個相應的相位滯后角，該滯后角與理想相位滯后元件的相位滯后角有偏差。在此，根據(jù)相位滯后元件的溫度依賴性的符號，將該滯后角選擇得大于或小于理想相位滯后元件的相位滯后角，譬如大于或小于理想的λ/4段的90°相位滯后角。
在賽格納克干涉儀的情況下，還根據(jù)相位滯后元件的快軸的相對對準來選擇所述的相位滯后角。
優(yōu)選地，相位滯后元件為一種具有橢圓形芯斷面的雙折射纖維段，其中，通過選擇段的長度可以調整相位滯后角。
其它的優(yōu)選實施方案由從屬權利要求給出。
下面借助附圖示出的優(yōu)選實施例來詳細說明本發(fā)明的主題。圖中

圖1示出了一種賽格納克干涉儀形式的光纖電流傳感器的簡圖；圖2以溫度的函數(shù)形式示出了標準化比例因子的圖形；圖3以偏差δ的函數(shù)形式示出了圖1所示傳感器的標準化比例因子的圖形，所述偏差δ是與理想λ/4段的90°相位滯后角的偏差；圖4為在反射配置下的光纖電流傳感器的簡圖。
圖1示出了在賽格納克配置下的光纖電流傳感器。其基本的結構和作用方式可以從文章開頭所引用的現(xiàn)有技術中獲知。對此下文不再詳細講述。
具有圓形芯斷面的傳感纖維1圍著導電體S繞成線圈形。傳感纖維1的第一端接在導出纖維2上，第二端接在導回纖維3上。導出導回纖維2、3優(yōu)選地具有橢圓形的芯斷面。導出導回纖維2、3與傳感纖維1的連接是通過至少各一個(確切地說此處是一個)相位滯后元件4、5而產生的。
在此處示出的實施例中，相位滯后元件4、5為雙折射纖維的短段，它們優(yōu)選地具有橢圓形的芯。在此，纖維具有雙折射的主光軸，它們與橢圓芯的主軸重合。因此，所述芯具有一個長主軸和一個短主軸，其中短主軸被稱為快軸。
于是，導出導回纖維2、3與相位滯后元件4、5銜接在一起，使得兩個纖維的纖維芯的短主軸形成一個確定的、優(yōu)選為45°的偏轉角。導出纖維中被校準為平行于長芯軸或短芯軸的線性偏振在進入相位滯后元件時被劈成兩個正交的偏振成分，它們在方向上平行于相位滯后元件的芯主軸。兩種偏振成分按雙折射以不同的速度傳播，其中，與快軸平行的成分的傳播速度大于另一種成分。在相位滯后元件的末端處，該兩種偏振成分累積出一個互差的相位滯后，它可以由相位滯后角φ來表示。該相位滯后角φ的增大是與相位滯后元件的長度成比例的。在理想的零階λ/4段的情況下，所述的互差滯后對應于四分之一波長，且相位滯后角φ為90°。于是，從相位滯后元件射出的光是圓偏振的。在高階λ/4段的情況下，相位滯后角對應于90°的奇數(shù)倍。
導出導回纖維2、3連接在一個同樣已知的回轉模塊6上。該回轉模塊6具有尤其為激光二極管60的光源、兩個纖維耦合器61及62、纖維偏振器63、相位調制器64、光電二極管65以及信號處理器66。在激光二極管60內產生的光波通過第一纖維耦合器61到達纖維偏振器63內，并進行線偏振，然后在第二纖維耦合器62內分解成兩個子波。按照前文所述方式被線偏振后的第一子波經過導出纖維2到達第一相位滯后元件4，并被變換成圓偏振光，然后輸入傳感纖維1。然后，該子波經過第二相位滯后元件5又變換成線偏振光，并繼續(xù)通過導回纖維3和相位調制器64返回到第二相位耦合器62。第二子波以相反的方向穿過干涉儀。兩種子波的傳播方向和偏振在圖1中是用箭頭示出的。
因此，在傳感纖維1中傳播有兩種反向的光波。倘若導電體L中流經有電流，該兩種波便會有一個如文章開頭所述的、與電流成比例的互差相移ΔφS。
根據(jù)本發(fā)明，為了至少近似地對費爾德常數(shù)V的溫度依賴性進行補償，現(xiàn)可以利用相位滯后元件4、5中的相位滯后的溫度依賴性。這種補償如圖2所示，圖中畫出了傳感器的靈敏度(亦即所謂的標準化比例因子SK)與溫度的依賴關系。通過選擇合適的相位滯后角，可以實現(xiàn)幾乎與溫度無關的比例因子，如函數(shù)K(T)所示。函數(shù)K(T)是函數(shù)TW(T)和函數(shù)TV(T)的乘積。在此，TV(T)示出了比例因子SK怎樣按照費爾德常數(shù)的溫度依賴性進行變化。TW(T)描述了比例因子SK按照相位滯后元件4、5中依賴于溫度的相位滯后而進行的變化。因此，根據(jù)本發(fā)明，TW(T)的溫度依賴性作如此選擇，使得它至少是近似地補償TV(T)的溫度依賴性。在此，以副作用的形式增加或減小了所述的標準化比例因子SK。
在一種光纖相位滯后元件中，通過選擇纖維段的長度L可以得到所需的相位滯后角。理想的零階λ/4段具有90°的相位滯后角，其中，段的理想長度由此為正交偏振方式的拍長度的四分之一。在m階的λ/n段的情況下，理想長度為l/n的m倍。在本發(fā)明的經過溫度補償?shù)南辔粶笤?，其長度L與該理想長度是有偏差的。無論如何，哪些相位滯后角或哪些長度L適合于溫度補償，將由如下考慮給出光波在電流傳感器的各種光纖部分中的傳播可以借助瓊斯(Jones)矩陣來描述。如果在兩個λ/4相位滯后元件中的相位滯后恰好為90°，也就是說，如果兩個反向波的確都是圓偏振的，那么，在理想的、與溫度無關的纖維線圈情況下，兩個波之間由電流感應產生的互差相移可通過等式(1)表示。假使兩個相移元件內的相位滯后與該90°的理想相位滯后角有偏差，則電流感應的相移為ΔΦ′S=2arctan[tan(ΔΦS/2)cos(δ1/2+δ2/2)/cos(δ1/2-δ2/2)](3)，在此，ΔΦS由等式(1)給出。δ1和δ2涉及在兩個相位滯后元件內的互差相位滯后φ1和φ2的偏差。
δ1=φ1-90°(4)δ2=φ2-90°(5)。
等式(3)適用于如下情況，即兩個相位滯后元件4、5各具有一個快軸，該兩快軸被定向為互成90°。
對于ΔΦ、δ1和δ2足夠小的情況，等式(3)可較好地近似為
ΔΦ′S≈ΔΦS[1-(1/2)δ1δ2] (6)。
如果兩個相位滯后元件4、5的快軸被校準為互相平行，則用下式替代等式(6)ΔΦ′S≈ΔΦS[1+(1/2)δ1δ2] (7)。
如果所述快軸相互呈45°角，則得出ΔΦ′S≈ΔΦS[1-(1/2)(δ1δ2/2)2](8)。
在此，電流傳感器的靈敏度，亦即其標準化比例因子SK由比例ΔΦ′S/ΔΦS來描述。
圖3以δ的函數(shù)形式示出了上述三種不同的快軸對準情況的比例因子SK。在此，δ為相位滯后角φ與理想λ/4段的相位滯后角的偏差，此處即為與90°的偏差。在此處示出的實施例中，第一和第二相位滯后元件3、4具有相同的偏差δ=δ1=δ2。用A標出的曲線表示了兩個相位滯后元件3、4的快軸在互相平行對準時的比例因子。用B標示的曲線示出了兩個相位滯后元件的快軸形成45°角時的電流傳感器的比例因子，而曲線C表示的是快軸在互相正交對準時的情況。曲線B示出了與δ的4次冪依賴關系，而曲線A和C則描述了平方的依賴關系。
根據(jù)圖3，相位滯后偏離90°越多，λ/4段對比例因子的溫度依賴性的作用就越大。在此，對高階的λ/4段而言，溫度依賴性是與階數(shù)呈比例增長的。在制造相位滯后元件4、5時，通過相應地選擇相位滯后角，可以有目的地影響其對比例因子SK的溫度依賴性的作用。
在此需要考慮相位滯后元件的類型。若采用光纖，則其溫度依賴性較大地取決于纖維的類型。正如熊貓(Panda)纖維或蝴蝶結(Bow-Tie)纖維一樣，由應力引起雙折射的纖維要比具有橢圓形芯斷面、且其雙折射取決于幾何學的纖維具有明顯更高的溫度依賴性。此外，根據(jù)溫度依賴性的符號來選擇相位滯后角。
在此處示出的實施例中，可以在-40～+80攝氏度的范圍內實現(xiàn)溫度補償。正如上文所述，費爾德常數(shù)V對電流傳感器的溫度依賴性的作用為0.7×10-4/℃，也就是說，在-40～+80攝氏度之間，傳感信號在電流恒定的情況下可以按該作用提高0.84％。據(jù)此，兩個相位滯后元件3、4的作用應該在該溫度范圍內把信號降低0.84％。在此，需要考慮相位滯后元件的類型和將其快軸相互校準。第一實施例
在圖1所示的電流傳感器的第一實施例中，相位滯后的溫度依賴性為-0.0153°/℃，這對用具有橢圓芯的商用石英玻璃纖維制成的λ/4段是很典型的。另外，該λ/4段的快軸至少是近似平行地進行定向。如果在室溫(20攝氏度)下把λ/4段的相位滯后角調整到至少接近105°，而不是90°，便能為傳感器實現(xiàn)最佳的溫度補償，該情形如圖2所示。若波長為820nm，則光纖相位滯后元件的長度為1.11mm。而理想λ/4段的長度為0.95mm。標準化比例因子SK從1提高到1.035。第二實施例在第二實施例中，λ/4段的快軸的定向不是平行的，而是至少近似地正交的。于是，當相位滯后角調整到至少接近75°時，便能實現(xiàn)最佳的溫度補償。光纖相位滯后元件的長度為0.79mm。標準化比例因子SK減小到0.965。
如果已知相對的軸對準，則同樣可以在λ/4段的軸不是平行或正交的情況下進行溫度補償。對此，必須借助瓊斯矩陣形式來相應地算出ΔΦ′S和δ之間的關系。但是，隨著與正交或平行軸定向的偏差越來越大，正如可從圖2看出的一樣，需要選擇一個比正交或平行軸配置時更大的、偏離90°的相位滯后，以便盡可能完全地實現(xiàn)溫度補償。
如果采用具有較大溫度依賴性的相位延遲器(譬如具有由應力引起的雙折射的纖維段)，那么就需要選擇一個相應較小的、偏離90°的相位滯后來進行溫度補償。
原則上講，只要其組合作用能夠補償費爾德常數(shù)的溫度依賴性，也可以使用兩個具有不同相位滯后和溫度依賴性的λ/4段。
另外，也可采用λ/4片來替代上述的λ/4段，以用作相位滯后元件，其中，通過選擇合適的板厚度來進行溫度補償。
圖4示出了一種具有反射干涉儀的光纖電流傳感器。與上述賽格納克干涉儀相反的是，該電流傳感器沒有導回纖維，而是構造了一個避開導出纖維3的傳感纖維1端子，以作為反射器3’。在溫度補償方面，該配置形成了圖1所示電流傳感器的一種特殊情況。若λ/4段的相位滯后φ與90°的偏差為δ，則反射干涉儀的作用就如同一個具有兩個相同的、其軸正交對準的λ/4段的賽格納克干涉儀。于是，電流感應的互差相移近似地為
ΔΦ’R≈ΔΦR(1-δ2/2)(9)。ΔΦS由等式(2)給出。如果λ/4段的相位滯后的溫度依賴性與上述實施例一樣也是-0.0153°/℃，則相位滯后角在室溫時被調整為75°，并相應選擇段的長度L，以便對費爾德常數(shù)V的溫度依賴性進行補償。
反射干涉儀的優(yōu)點在于為了實現(xiàn)溫度補償，如果已知λ/4段的溫度依賴性，則只須在給定的溫度(通常為室溫)下正確地選擇相位滯后(亦即段的長度)就可以了。
符號清單S導電體L相位滯后元件的長度A平行的快軸B呈45°的快軸C正交的快軸TW 相位角的溫度依賴性TV 費爾德常數(shù)的溫度依賴性K經過溫度補償?shù)碾娏鱾鞲衅鳓? 相位滯后角1傳感纖維2導出纖維3導回纖維3’ 反射器4第一相位滯后元件5第二相位滯后元件6分析模塊60 激光二極管61 第一纖維耦合器62 第二纖維耦合器63 纖維偏振器64 相位調制器65 光電二極管66 信號處理器
權利要求
1．光纖電流傳感器，它具有一個包有導電體(S)的線圈形傳感纖維(1)和至少一個鄰接于所述傳感纖維(1)的相位滯后元件(4,5)，其特征在于所述至少一個相位滯后元件(4,5)具有一個具有溫度依賴性的相位滯后，并由該溫度依賴性對所述傳感纖維(1)的費爾德常數(shù)(V)的溫度依賴性進行至少近似地補償。
2．根據(jù)權利要求1所述的電流傳感器，其特征在于所述至少一個相位滯后元件(4,5)具有一個相位滯后角，其值與理想相位滯后元件的相位滯后角有偏差。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于所述至少一個相位滯后元件(4,5)為一種具有橢圓芯的λ/4纖維段；而且該λ/4纖維段具有一個長度(L)，它與正交偏振方式的拍長度的四分之一或四分之一的奇數(shù)倍有偏差。
4．根據(jù)權利要求2所述的電流傳感器，其特征在于根據(jù)相位滯后元件(4,5)的快軸的相互對準來選擇相位滯后角的大小。
5．根據(jù)權利要求2所述的電流傳感器，其特征在于根據(jù)至少一個相位滯后元件(4,5)的溫度依賴性的符號來選擇相位滯后角的大小。
6．根據(jù)權利要求2、4和5所述的電流傳感器，其特征在于至少兩個相位滯后元件(4,5)分別設有一個快軸，其中所述快軸至少是近似平行地互相定向；在相位滯后元件(4,5)的溫度依賴性為正符號時，所述相位滯后角大于理想相位滯后元件的相位滯后角，而在溫度依賴性為負符號時，所述相位滯后角小于理想相位滯后元件的相位滯后角。
7．根據(jù)權利要求2、4和5所述的電流傳感器，其特征在于至少兩個相位滯后元件(4,5)分別設有一個快軸，其中所述快軸至少是近似正交地互相定向；在相位滯后元件(4,5)的溫度依賴性為正符號時，所述相位滯后角小于理想相位滯后元件的相位滯后角，而在溫度依賴性為負符號時，所述相位滯后角大于理想相位滯后元件的相位滯后角。
8．根據(jù)權利要求1所述的電流傳感器，其特征在于它具有一種賽格納克干涉儀。
9．根據(jù)權利要求1所述的電流傳感器，其特征在于它具有一種反射干涉儀。
全文摘要
一種光纖電流傳感器,它具有一個包有導電體(S)的線圈形傳感纖維(1)和至少一個鄰接于所述傳感纖維(1)的相位滯后元件(4,5),其中,所述至少一個相位滯后元件(4,5)具有一個具有溫度依賴性的相位滯后,以便由該溫度依賴性對所述傳感纖維(1)的費爾德常數(shù)(V)的溫度依賴性進行至少近似地補償。由此可以得到一個至少近似地與溫度無關的傳感信號。
文檔編號G01R15/24GK1308237SQ01101389
公開日2001年8月15日 申請日期2001年1月5日 優(yōu)先權日2000年1月5日
發(fā)明者K·波納特, J·尼林 申請人:Abb研究有限公司