专利名称：具有减小的温度敏感性的光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有减小的温度敏感性的光纤电流传感器。
背景技术：
光学电流传感器检测电流且通常采用具有应力双折射的光纤光学四分之一波长器件。应力诱导双折射与温度极大地相关，因为应力在四分之一波长器件的两个主轴之间不均勻地变化，导致温度上不同折射率中的变化。电流传感器可能暴露于宽的温度范围，例如，在高压电力工业中在室外电流互感器中使用的那些电流传感器。典型的光纤光学电流传感器的温度敏感性不利地影响着其在这种温度范围上的精确性。
发明内容
此处描述的一些实施例提供一种传感器头组件，该传感器头组件包含具有形状诱导双折射的四分之一波长器件和耦合到该四分之一波长器件且可操作为缠绕电流导体的感测线圈。四分之一波长器件将来自保偏光纤的线偏振光转换为圆偏振光。
理解附图仅描绘示例性实施例且因此并不被认为在范围上有所限制，将通过使用附图额外具体且详细地描述示例性实施例，在附图中
图IA是光纤光学电流传感器的一个实施例的框图。图IB是单相高压电流测量系统的实施例的示意图。图2是形状诱导双折射光纤的一个实施例的图示。图3是形状诱导双折射光纤的示例性实施例，其偏振轴相对于保偏光纤的偏振轴以45度旋转。图4是使用具有形状诱导双折射光纤的电流传感器来感测电流的方法的一个实施例的流程图。根据共同实践，各种描述特征未按比例绘制，而是描述来强调与示例性实施例相关的特定特征。
具体实施例方式在下面的详细描述中，参考形成说明书的一部分且在其中通过说明方式示出特定说明性实施例的附图。然而，应当理解，可以使用其他实施例且可以做出逻辑、机械和电改变。而且，附图和说明书中提出的方法不应解读为限制可以执行各个步骤的顺序。因此下面的详细描述不具有限制意义。此处描述的实施例提供某一长度的形状诱导双折射光纤以在两个线偏振态之间诱导四分之一波长相移以形成圆偏振光。包含使用形状诱导双折射的光子晶体光纤的四分之一波长器件减小电流传感器中的温度相关性。这改善了温度范围上电流传感器的精确性。图IA是光纤光学电流传感器100的一个实施例的框图。光纤光学电流传感器100 确定流经电流导体140的电流值。光纤光学电流传感器100包含提供光路的第一端的电子和光学组件101、 线缆组件112、偏振和调制组件106以及提供光路的第二端的感测头组件 124。电子和光学组件101产生的非偏振光通过线缆组件112行进到偏振和调制组件106。 光在偏振和调制组件106中分裂成两个线偏振波且被提供到感测头组件124。在感测头组件124处，两个线偏振波被转换成两个圆偏振光波，由于来自电流导体140中的电流的磁场，该圆偏振光波从暴露起基本维持它们之间的相对相移，且通过系统100行进回到电子和光学组件101，在那里，光中的相移被解析成在电流导体140中流动的电流的量度。电子和光学组件101包含光源102、耦合器104、检测器130和信号处理电路132。 光源102向光学光纤110提供经过耦合器104的光。耦合器104是分束器，其传送从光源 102行进的光且将来自感测头组件124的光引导到检测器130。光行进通过线缆组件112且然后进入偏振和调制组件106。偏振和调制组件106还包括温度传感器134以测量温度(例如，室外温度)，其在某些实施例中用于电流传感器输出的实时热补偿。在另一实施例中，电子和光学组件101被封装在保护遮盖物、建筑物等中。在偏振和调制组件106中，光传送经过接头114-1。在一个实施例中，接头114_1 是连接器。接头114-1接合光纤110到偏振器输入光纤117，该偏振器输入光纤将光引导向偏振器116。偏振器116使光线偏振。偏振器在其输入和输出处耦合到两股保偏光纤117， 每股具有取向为偏振器116的通轴的其主轴之一。在这种情况中，偏振器输出光纤117在 114-2处以45度的入射角接合到保偏(PM)光纤118，形成经过PM光纤118的额定相等幅度的两个共同传播的线偏振波。在一个实施例中，当经过偏振器116时，光从非偏振态变化为线偏振。在另一实施例中，光源102发射线偏振光且接头114-1被相对于光纤117具有约45度接头的短长度保偏光纤代替，从而确保至少一半的光经过偏振器。当两个线偏振光波传播经过PM光纤118时，每个光波的偏振得以维持。光纤118缠绕伸展光纤的压电圆柱体以影响两个线偏振波之间的不同相移。在图IA中示出的实施例中，PM光纤118至少足够长以用作PM延迟线119以确保当光波从感测头组件124返回时光波之间的差分相位调制不失效。PM延迟线119允许检测器130上的信号的AC偏置和相位敏感检测。线偏振光然后进入感测头组件124。感测头组件124包含四分之一波长器件120、 感测线圈126和镜子122。四分之一波长器件120是具有已知双折射的光纤，该已知双折射诱导沿着光纤的两个主轴的线偏振光波之间的有效折射率差。该双折射被称为形状诱导双折射且由沿着四分之一波长器件120的芯和覆层的形状的两个主轴的差异形成。四分之一波长器件120因而具有高双折射，该高双折射具有在值方面适当不同的针对两个偏振态的两个折射率，这影响着光波通过光纤的传播。在一个实施例中，折射率差大约是光纤的折射率的0. 1%。在一个实施方式中，四分之一波长器件120的光纤的平均折射率约为1. 47。形状诱导双折射光纤导致对应于较高折射率的光波的一个分量比对应于较低折射率的光波的另一分量更缓慢地传播。例如，光纤中光的速度在一个方向上比在正交方向上(例如，分别沿着X轴和y轴)更慢。传播速度中的这一差异是由于光纤的形状或几何结构。因为四分之一波长器件120具有形状诱导双折射而不是应力诱导双折射，所以它对温度变化更不敏感。进而，四分之一波长器件120中的所需四分之一波长的光学相差对温度波动十 分不敏感。由于其偏振轴相对于PM光纤118的线偏振轴以45度旋转，四分之一波长器件120 将来自PM光纤118的一个轴的一个线偏振光波转换成一个圆偏振光波，例如右圆偏振光。 类似地，四分之一波长器件120还将来自于PM光纤118的另一轴的另一线偏振光波转换成正交的圆偏振光波，例如左圆偏振光。现在的圆偏振光波沿着前向路径128行进，经过缠绕电流导体140的感测线圈126。圆偏振光波从镜子122反射，在镜子处，原先右圆偏振波变成左圆偏振且原先左圆偏振波变成右圆偏振。每个波然后遵循反向路径129通过感测线圈 126传播回来，且光重新行进它来时的路径的部分。诱导与当电流流经电流导体140时产生的电场成比例的磁场。通过法拉第效应， 磁场影响传播通过感测线圈126的光。当圆偏振光波在前向方向128中传播通过感测线圈 126时，在圆偏振光波的相位之间将发生相移。由于光波从镜子122反射且在反向方向129 中经过感测线圈126，相移翻倍。前向路径128和反向路径129中的圆偏振光波之间的相移量用于计算流经电流导体140的电流。相移与电流的比例通过导体140周围的感测线圈 126的匝数以及通过感测线圈126中的材料的维尔德常数来确定。维尔德常数描述了给定材料中法拉第效应的强度。在一个实施方式中，感测线圈126包含熔融石英。因而，为了实现前向路径128和反向路径129中的光波之间的相移的测量，光在进入感测线圈126之前被从线偏振态转换成圆偏振态。如上面所讨论的，光通过偏振器116 被线偏振。光通过具有高双折射的形状诱导双折射四分之一波长器件120的传播确保了感测线圈126中的光的偏振态是圆的。光沿着反向路径129折回其路径到耦合器104。耦合器104将至少部分入射束引导向检测器130。检测器130确定当光在感测线圈126中行进时由电流导体140的磁场诱导的光中的相差。在一个实施例中，检测器130包含光电二极管、放大器、A/D转换器和检测相移的相位敏感数字解调器。该相移被提供到信号处理电子器件132，其使用相移来计算电流导体140中的电流。在一个实施例中，信号处理电子器件132包含现场可编程门阵列 (FPGA)、专用集成电路(ASIC)或任意其他合适的处理电路。信号处理电子器件132还耦合到温度传感器134和压电换能器136。压电换能器 136伸展PM光纤118以形成在PM光纤118中行进的两个线偏振态之间的路径长度中的正弦变化差异。在一个实施方式中，PM光纤118的一部分缠绕压电换能器136。路径长度中的正弦变化差异在检测器130处诱导两个干涉光波之间的调制(被称为AC偏置)，使得由于电流导致的相位延迟的测量被转换成在应用到压电换能器136的调制频率处的信号。信号处理电子器件132产生调制源且向检测器130内的数字解调器提供用于解调信号的参考。 在一个实施例中，检测器130处的干涉信号被偏置为敏感设置点，使得由于电流流动导致的小相移被检测。当输入信号是AC信号时，检测器130还对相移敏感，因而具有减小的低频Ι/f噪声。在另一实施例中，温度传感器用于补偿这一事实感测线圈126内的光纤的维尔德常数是热敏感的。信号处理电子器件132使用环境温度(例如室外温度)和随着PM光纤118温度的维尔德常数变化来校正由于温度中的变化导致的误差。在一个实施例中，光学光纤110是单模(SM)光纤且线缆组件112是耐用(rugged) SM光纤线缆。在另一实施例中，保偏(PM)光纤118代替线缆112和光纤110。在又一实施例中，第二偏振器位于输入路径一端附近以确保进入四分之一波长器件120的光是线偏振的。此处描述的技术可以与其他干涉测量技术一起使用且本领域中使用的信号处理用于解析光中的相位差。图IB是高压系统150的实施例的示意图。高压系统150确定流经高压电源线154 的电流。高压系统150实施图IA所示的光纤光学电流传感器100且包含电子和室内光学器件101、线缆组件112、偏振和调制组件106、绝缘体组件108和传感器头组件124。电子和室内光学器件101产生用于感测在高压系统150中行进的电流的光且从光中的诱导相移中计算电流。电子和室内光学器件101例如包含图IA的光源102、耦合器104、检测器130 和信号处理电子器件132。
在图IB中示出的示例性实施例中，电子和室内光学器件101输出通过线缆组件 112传播到偏振和调制组件106的非偏振光。偏振和调制组件106将非偏振光转换成线偏振光。该线偏振光行进经过绝缘体组件108，该绝缘体组件108是包含PM光纤的绝缘柱， 该PM光纤维持线偏振光且将其屏蔽免受环境影响。绝缘体组件108将光从地水平提升到传感器头组件124。在一个实施例中，传感器头组件124位于高压电源线154附近，例如处于高压电源线154绷紧时的水平。传感器头组件124将两个线偏振光波转换成圆偏振光波。圆偏振光波经过缠绕高压电源线154的感测线圈且被反射回来。相对彼此相移的两个光波通过系统150传送回来， 其中它转向电子和室内光学器件152中的检测器130。信号处理电子器件132从相移计算高压电源线154中的电流。在一个实施例中，电流传感器十分精确地测量在地电势和高压线154之间具有绝缘的高压线154上的电流。电流传感器在其上是精确的示例性温度范围为-40 至 70°C。图2是形状诱导双折射光纤200 (此处也称为光纤200)的一个实施例的图示。形状诱导双折射光纤200可以用作图IA的四分之一波长器件120。光纤200在偏振轴即χ轴 212和y轴214之间的路径长度中具有差异，且在轴之间的光的传播中的差异是由于光纤 200的形状导致。光纤200在偏振轴212和214之间具有非对称性。光纤200的双折射并不随温度变动而明显变化。在一个实施例中，光纤200的双折射的热系数低至约为常规双折射光纤或PM光纤的热系数的1/200。形状诱导双折射光纤200包含具有相对高折射率的周围材料206和低折射率区域 208。在一个实施例中，周围材料206是固体玻璃区域。低折射率区域210包含固体玻璃中心202、从玻璃中心202附近的空心玻璃管导出的两个大的空心区域或孔204-1和204-2、 玻璃孔208的图案。玻璃孔208的图案包含从含有一起形成预制件的石英光纤的堆叠玻璃壁空心管毛细管导出的结构。预制件用于抽取光学光纤且典型地由玻璃制成。在预制阶段中从固体玻璃管导出的周围材料206提供环绕低折射率区域208的固体玻璃区域。从其导出孔204-1和204-2的两个管的纵横比被选择为调节轴212和214上偏振的光之间的路径长度差，因而调节双折射程度。光纤介质的平均折射率沿着遵循两个大孔204-1和204-1 的轴212比它沿着轴214更低。图2只是形状诱导双折射光纤200的一个示例性实施例， 且采用任意尺寸和以任意取向的更多或更少的大孔204-1和204-2的任意设计被考虑。在图2的实施例中，光纤200是光子晶体光纤。光子晶体光纤200为材料的微结构化布置提供周围材料206中的第一折射率。周围材料206例如是玻璃或未掺杂石英。低折射率区域208典型地通过沿着光纤200的长度延伸的气隙提供。在一些实施例中，光纤200是实芯光子带隙光纤。在其他实施例中，光纤200是空芯光子带隙光纤。图3是形状诱导双折射光纤320的示例性实施例，其偏振轴312、314相对于保偏光纤310的偏振轴308以45度旋转。形状诱导双折射光纤320是四分之一器件，诸如图IA 的四分之一波长器件120。形状诱导双折射光纤320将入射的线偏振光转换成圆偏振光且将其输出到光学光纤330。光纤310、320和330使用为本领域技术人员所已知的技术来接
I=I O
轴308的方向中的线偏振光通过PM光纤310被递送到形状诱导双折射光纤320。 当线偏振光通过偏振轴312和314与偏振轴308约成45°的介质传输时，线偏振光被转换成圆偏振光。这导致相等数量的线偏振光射到轴312、314，因为它们相对于入射光以45° 取向。这样，线偏振光被投射到四分之一波长器件的两个轴312和314，该器件对于轴312 上的光与轴314相比具有不同路径长度。当光从形状诱导双折射光纤320发射时，两个光分量相位相差90°，因此产生圆偏振光。轴308与轴312和314之间的不同量的旋转导致总圆偏振光的不同百分比。由磁场诱导的光的相移取决于圆偏振的光的百分比。在存在磁场的情况下线偏振光可以经历状态变化(例如，将是不同取向的线偏振)，但是圆偏振光的状态保持相同。使两个光分量失相不同于90度的角度导致从圆的偏离，一些是线的且一些是圆的，导致通常椭圆发射的光。在一个实施例中，形状诱导双折射光纤320的长度1被确定为一个四分之一拍长的奇数正整数倍(1、3、5、7等)。在一个实施例中，这通过长度为拍长的非零整数倍加上或减去光纤320的四分之一拍长或者长度恰恰是拍长的四分之一或四分之三来实现。拍长是双折射介质的如下长度其导致沿着第一偏振轴的总路径长度比沿着第二偏振轴的总路径长一个波长，也被称为迟滞波长。例如，在典型的形状诱导双折射光纤中，一毫米对应于一个迟滞波长。一般而言，光纤的应用的目标是最小化光纤的长度以实现所需的迟滞。这对应于折射率之间的差异尽可能大。然而，在一个实施例中，形状诱导双折射光纤320适当地具有增加的拍长1，使得光纤320更易管理操纵。在每4或5毫米光纤具有一个迟滞波长的光纤320远比在一个毫米光纤320上具有一个迟滞波长的光纤320更容易操纵。形状诱导双折射光纤320适当地选择为这样的波长其足够短以维持其保偏特性且足够长以使得它实际可以抓握和劈开。在一个实施例中，大孔240-1和240-2的尺寸和位置被修改为实现所需的拍长1。图4是使用具有成形的双折射光纤的电流传感器来感测电流的方法400的流程图。方法400开始于方框410，其中使用成形的双折射光纤来使两个输入的线偏振光波圆偏振。在一个实施例中，PM光纤的轴和成形的双折射光纤的偏振轴之间约有45°。在一个实施例中，通过将光传送通过偏振器来产生线偏振光且经由保偏光纤将线偏振光传播到成形的双折射光纤。在一个实施例中，光源例如位于远离待被测量的电流导体高达IOOm的受控环境中。一旦光波被圆偏振，在方框420处它们暴露于电流源的磁场，使得在圆偏振光之间诱导相移。在一个实施例中，圆偏振光波从形状诱导双折射四分之一波长器件120行进到缠绕电流导体140的感测线圈126中。圆偏振光波在前向路径128上通过感测线圈126 经历由于电流导体140诱导的磁场所导致的相对相移。在光从镜子122反射回来且通过感测线圈126行进回来之后，相移量翻倍。光通过形状诱导双折射四分之一波长器件120且通过线偏振器116行进回来以最终被引导到检测器130。
在方框430处，检测器130确定通过电流导体120在光中诱导的相移。检测器130 向信号处理电子器件132提供相移。在方框440处，信号处理电子器件132例如从相移计算电流。该电流将在宽温度范围上是精确的，因为作为跨越宽温度范围的四分之一波长器件120，形状诱导双折射光纤维持其性能。此处描述的实施例提供作为用于环境稳定、轻量级、安全、易于安装、与数字接口兼容且在宽温度范围上精确的电流传感器的四分之一波长器件的形状诱导双折射光纤。通过减小影响其精确性的诸如四分之一波长器件的一个或多个元件的热敏感性，减小在室外温度上在高压电源线中的电流的错误读取。此处描述的电流传感器的实施例具有较简单的温度补偿或较少的温度特性，这节省了成本。已描述了由所附的权利要求限定的本发明的很多实施例。毋庸置疑，将理解，可以在不偏离要求保护的发明的精神和范围的情况下做出对所述实施例的各种修改。因而，其他实施例处于所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种传感器头组件(124)，包含具有形状诱导双折射的四分之一波长器件(120)；感测线圈(126)，耦合到该四分之一波长器件且能够操作为缠绕电流导体(140)；以及其中四分之一波长器件将来自保偏光纤(118)的线偏振光转换成圆偏振光。
2.根据权利要求1所述的传感器头组件，其中通过暴露于感测线圈中的电流导体的磁场，在圆偏振光中诱导相移； 该四分之一波长器件的偏振轴(314)相对于保偏光纤的主偏振轴(308)以约45度倾斜；其中该四分之一波长器件具有针对线偏振光的四分之一拍长的奇数整数倍的长度；并且其中光子晶体光纤包含 第一折射率的周围材料(206)； 被周围材料环绕的低折射率区域(210)，包含 玻璃中心(202)；沿着第一轴(212)靠近玻璃中心定位的第一和第二空心区域(204-1和204-2)，其中低折射率区域的平均折射率沿着第一轴比沿着正交于第一轴的第二轴(214)低；以及在玻璃中心周围的低折射率区域中形成的多个孔(208)。
3.一种电流传感器(100)，包含 光源(102)，耦合到光路的第一端；传感器头组件(124)，耦合到光路的第二端，包含形状诱导双折射光纤(120)，耦合到沿着光学光纤的第一和第二端之间的光路定位的保偏光纤(118);以及感测线圈(126)，耦合到该形状诱导双折射光纤，其中经过该感测线圈的圆偏振光经历相移；以及检测器(130)，耦合到光路的第三端，其中检测器确定相移值；以及耦合到检测器的信号处理电子器件(132)，其将相移解析为电流值。
全文摘要
本发明涉及具有减小的温度敏感性的光纤电流传感器。提供一种传感器头组件，其包含具有形状诱导双折射的四分之一波长器件以及耦合到该四分之一波长器件且能够操作为缠绕电流导体的感测线圈。该四分之一波长器件将来自保偏光纤的线偏振光转换为圆偏振光。
文档编号G01R19/00GK102331520SQ201110192368
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月11日 优先权日2010年7月12日
发明者A. 桑德斯 G. 申请人:霍尼韦尔国际公司