专利名称：对传感器参数变化不灵敏的温度补偿的光纤电流或磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤电流传感器(F0CQ或磁场传感器，其包括暴露于例如要测量的 电流的磁场的传感纤维。该类型的传感器典型地在高电压或高电流的应用中使用。
背景技术：
光纤电流传感器(FOCS)通常依赖熔融石英纤维中的法拉第效应。法拉第 效应随温度变化。熔融石英纤维的Verdet常数(其是法拉第效应的度量)根据 (IIV) SVIdT=I^lO"50C"1变化，即在例如-40 V至+80 V的操作温度范围内传感器信号在 0.84%内变化。然而，传感器的许多应用要求士0.2%或士0. 内的准确度，因此要求温 度补偿的措施。在EP1107029、EP1115000和参考文献[1]中，描述用于在干涉Mgnac和反 射型光纤电流传感器中的法拉第效应的固有温度补偿的方法。固有补偿的方法消除对额外 温度传感器的需要，其对于在高电势的电流传感是特别重要的。该方法利用产生正常圆形 光波(在传感纤维中传播)的光纤延迟器的温度依赖性。为了进行温度补偿，该延迟设置 到与常规90°延迟相差非零量ε的值。延迟随温度的变化影响传感器的标度因子。采用 适当选择的延迟，例如ε =10°，延迟器对传感器灵敏度(规格化标度因子幻的影响正好 抵消Verdet常数随温度的变化。在W02005/111633和参考文献[2]中，示出传感器标度因子S也受纤维线圈平面 的法线和在延迟器之前的保偏纤维的慢轴之间的角度的影响，称为方位角β =45° -β’， 其中β ’是纤维线圈平面的法线和延迟器的慢轴之间的角度。在该情况下，由单环未退火单 模纤维构成的传感纤维线圈具有大环路半径且因此具有小的弯致线性双折射。该纤维位于 具有摩擦减小部件的毛细管中并且封装在纤维增强树脂的柔性带中。在具有ε =10°和 具有1.5°的传感纤维双折射延迟的延迟器的情况下，标度因子S随方位角β的变化具有 正弦形式并且在0.8%内变化。因此，为了获得稳定的标度因子，方位角必须控制并且固定。 在相同的专利申请中，要求权利保护β =0° (mod 90° )和β =45° (mod90° )的优 选方位角分别以获得标度因子对弯致双折射和方位角的变化的最小灵敏度。忽略了弯致双 折射的温度依赖性的影响[3]，因为它们在该情况下非常小。然而，传感器纤维线圈是可想 到的，其由若干(未退火的)小直径纤维绕组构成。这样的线圈可用于例如集成进入高压 (HV)设备。在该类型的线圈中，可存在更大量的纤维双折射，从而引起例如δ =5...25° 的双折射相位延迟。在EP0856737和参考文献[1]中，说明了高温退火的方法以高效降低在具有若干 纤维绕组的小直径纤维线圈中的弯致双折射。这样的线圈的纤维在退火过程期间和在最终 传感器配置中都可再次位于玻璃毛细管中。取决于线圈直径和绕组的数量，在退火后一些 双折射可留存在传感纤维中。对应的双折射相移可以是大约几度。此外，在生产环境中，双 折射可在某种程度上在线圈之间变化。作为在生产过程中的公差的结果和/或由于温度变 化引起的双折射的变化影响上文提到的法拉第效应的温度补偿。对于已退火和未退火线圈都是如此。
发明内容
本发明要解决的问题因此是要提供具有对例如由于制造公差或温度变化引起的 纤维双折射的变化的小灵敏度的多用途光纤电流传感器或磁场传感器。该问题由包括如下部件的光纤电流传感器或磁场传感器解决将暴露于要测量的电流I的磁场的传感纤维，其中所述传感纤维在传感器平面中 形成环，其中所述传感纤维具有Verdet常数V，设置在保偏纤维和所述传感纤维之间用于在线性和椭圆偏振之间转换光的至少 一个延迟器，其中紧挨所述延迟器之前的保偏(pm)纤维的主轴关于所述传感器平面的法 向旋转角度β并且其中所述延迟器在沿它的主轴偏振的光波之间引入差分相移P = π/2+ε，其中ε是附加非零相移，以及产生与电流导致的相移Δ φ成特定比例的信号的控制单元，该相移可以写为
权利要求
1. 一种光纤电流传感器或磁场传感器，其包括待暴露于要测量的电流I的磁场的传感纤维(5)，其中所述传感纤维(5)在传感器线圈 平面中形成环，并且其中所述传感纤维( 具有Verdet常数V，设置在保偏纤维( 和所述传感纤维( 之间用于在线性和椭圆偏振之间转换光的至 少一个延迟器G)，其中紧挨所述延迟器之前的所述保偏纤维O)的主轴关于所述传感器 线圈平面的法向旋转角度β并且其中所述延迟器(4)在沿它的主轴偏振的光波之间引入 延迟P = π/2+ε，其中ε是附加非零相移，以及产生与相移Δ φ成比例的信号的控制单元(1)，该信号
2.如权利要求1所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
3.如权利要求1所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
4.如权利要求1所述的光纤电流或磁场传感器，其中βmod 90° =45° 士5°
5.如权利要求2所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
6.如权利要求2所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
7.如权利要求2所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
8.如权利要求3所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得 dS
9.如权利要求3所述的光纤电流或磁场传感器，其中Q、β和ε使得
10.如权利要求1-9中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述传感纤维(5)是 退火纤维。
11.如权利要求10所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述退火传感纤维( 位于退 火玻璃毛细管中。
12.如权利要求1-9中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述传感纤维(5)是 未退火纤维。
13.如权利要求1-9中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述传感纤维(5)是 位于毛细管中的未退火纤维。
14.如权利要求1-13中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述延迟器(4)包 括另外的保偏纤维。
15.如权利要求1-14中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中所述延迟器(4)包 括椭圆芯纤维。
16.如权利要求1-15中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中
17.如权利要求1-16中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其中
18.如权利要求1-17中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其用于识F<0.3rad、特别 地用于 Irad。
19.如权利要求1-18中任一项所述的光纤电流或磁场传感器，其用于< ^>0.3rad。
全文摘要
本发明名称为对传感器参数变化不灵敏的温度补偿的光纤电流或磁场传感器。光纤电流或磁场传感器使用采用线圈的传感纤维(5)用于测量电流或磁场并且具有用于在线性偏振光和椭圆偏振光之间转换的延迟器(4)。该延迟器的延迟、它的温度依赖性以及它的关于该纤维线圈的平面的方位角根据传感纤维(5)中的双折射来优化以便最小化温度变化和制造公差对传感器的总体标度因子的影响。
文档编号G01R19/00GK102062800SQ20101050648
公开日2011年5月18日 申请日期2010年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者A·弗兰克, K·博纳特, R·韦斯特 申请人:Abb研究有限公司