具有旋制光纤和温度补偿的光纤电流传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有强双折射旋制光纤（spun fiber)的光纤电流传感器。
【背景技术】
[0002] 光纤电流传感器通常依靠熔融石英光纤中的法拉第效应。感测光纤围绕携带要测 量的电流的导体形成线圈。观察到法拉第效应为线性偏振光的偏振的旋转，或等效地是在 左和右圆偏振光波之间的差分相移。在后面的情况下，圆光态通常在感测光纤的入口处由 充当1/4波延迟器（QWR)的保偏光纤的短段来产生。这样的传感器然后采用在感测光纤的 相对末端处具有镜（mirrior)的反射配置设计[1，2]。备选地，传感器可设计为Sagnac型 干涉仪[2]，其在两个感测光纤末端处具有QWR (1/4波延迟器）以及在感测光纤中对向传 播的相同圆偏振状态的光波。
[0003] 为了在广泛温度范围内的精确电流测量，在感测光纤中维持光波的圆偏振态，这 是重要的。光纤中的机械应力（其可由于光纤弯曲成线圈而存在)，光纤封装或低温时涂层 的硬化对光纤中光偏振的演进具有明显影响并且可导致不稳定且依赖于温度的信号。弯曲 引致的应力可以使光纤环(特别是在小的环直径的情况下）的可能数量限制为几个环。因 此，在指定检测带宽(测量时间）的最小可检测电流则相应地受到限制。
[0004] 光纤线圈的热退火用于去除弯曲引致的应力，但趋于是复杂且耗时的过程[2,3]。 在参考文献[4]和[5]中，裸光纤存在于熔融石英的细毛细管中。该方法防止光纤应力受 到涂层和光纤封装的影响。涂层的去除和光纤插入毛细管内又是耗时的投入。
[0005] Laming和Payne表明所谓的高双折射旋制光纤用作感测光纤使对外部机械摄动 的影响减少[6]。通常，旋制光纤具有螺旋型内部应力场，其导致椭圆双折射。通常选择光 纤的参数使得这样的光纤的本征模接近左和右圆偏振光波。该椭圆双折射基本上终止线性 双折射的扰乱效应(例如来自弯曲引致的应力)。
[0006] 椭圆双折射也可由沿光纤旋转的椭圆光纤芯[7]或由足够的光纤微结构[8]产 生。
[0007] Laming和Payne还证明电流测量可以微妙地取决于旋制光纤参数，特别是对应非 旋制光纤的线性拍长和旋绕间距，它们本身可随着温度变化[6]。这些效应可以通过使用宽 带光源来减少。此外，Laming和Payne表明旋制光纤关于入射光的偏振方向的角度对准对 光纤传感器特性具有明显影响。
[0008] 在参考文献[9]中，在(非旋制）感测光纤中产生圆光波的延迟器有意从完美的 90°延迟失谐。进入感测光纤的光波然后略呈椭圆形。如果延迟器失谐了适当量，由于延 迟器的温度依赖性造成的传感器标度因子的变化很大程度上补偿非旋制光纤的法拉第效 应的温度依赖性。传感器信号然后广泛地与温度无关。感测光纤[9]基本上是无应力的退 火光纤。在参考文献[5]中，方法适于对具有指定量的弯曲引致应力的非退火光纤线圈进 行温度补偿。
[0009] 上面的那类光纤电流传感器可以对两个干涉光波的差分相位的非互逆调制采用 调制器以便以最佳灵敏度操作干涉仪：一种起初为光纤陀螺仪开发的技术[10]。
[0010] 备选地，光纤电流传感器可以使用无源光元件来生成光波的相位偏置。对应的常 规传感器配置采用低双折射感测光纤并且例如在参考文献[11]中公开。参考文献[11]公 开光纤电流传感器，其中1/4波延迟器(其是偏振分裂器模块的一部分）产生相位偏置；关 于该传感器配置的另外的现有技术可以在参考文献[12]和[13]中发现。此外，参考文献 [6]和[14]呈现关于利用高双折射旋制光纤和纯被动光学检测方案的电流感测的现有技 术。
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的问题因此是提供具有高双折射旋制光纤和良好温度补偿的光纤 电流传感器。
[0012] 该问题由权利要求1的电流传感器解决。因此，光纤电流传感器包括： 光源，其在波长范围内产生光， 第一线性偏振器，其从光源接收光并且产生偏振光， 延迟器，其从第一线性偏振器接收光并且具有延迟P =n · 90° + ε，其中η是整数， 旋制感测光纤，其缠绕N次成环以围绕电流载体放置，该旋制感测光纤具 有费尔德常数V、旋绕间距ρ < 100mm，以及在所述波长范围内，平均线性拍长 ??.彡200mm(特别地p彡15mm并且篇^彡30_)，其中旋制感测光纤的输入端从延迟器接 收光，其中延迟器的慢轴与输入端的慢轴成角度Θ， 检测器组件，其适于确定从旋制感测光纤返回的光的两个偏振模之间的相移A φ并 且生成指示电流的信号， 其特征在于，延迟P是使得对于指定标称磁光相移4NVI，延迟器的温度改变产生温度 平滑的规格化传感器标度因子SF'（ p，l^，p，0，NVI，Sb)的变化，其在以下方面平衡 由于旋制感测光纤的温度改变引起的标度因子变化：至少对于4NVI在指定标称相移范围
其中所述温度平滑的规格化标度因子SF'定义为在具有20°C宽度的温度范围内非温 度平滑规格化标度因子SF=A Φ (4NV。〗）的平均值（也就是说，SF'定义为在20°C的温度范 围内的SF的平均值)并且其中温度T在从例如-55°C到120°C的操作温度范围内，并且其中 V。是在参考温度(例如在室温)的费尔德常数。量δ 表传感器线圈的总弯曲引致的双折 射(或更精确地，双折射相位延迟)，如果其超出某一水平则它会影响标度因子，并且可以向 标度因子添加额外温度贡献。
[0013] 也就是说，上文的关系要求选择延迟P使得规格化标度因子SF'随温度的百分 比变化小于费尔德常数V随温度的百分比变化，即延迟器的尺寸使得它引入温度依赖，该 温度依赖抵消了费尔德常数V、线性拍长??、旋绕间距P和弯曲引致双折射δ 0寸标度因 子温度依赖性的组合贡献。规格化标度因子SF'的相对改变的绝对值可以低于0.7 X IO4 每°(：，优选地低于0.2 X 104每°(：，或甚至更优选地低于0.1 X 10 4每°(：(在操作范围内）。 因为非温度平滑规格化标度因子SF可以在几°C内展现相对强的振荡，不均等性通过参考 "温度平滑规格化标度因子"SF'来定义。温度平滑规格化标度因子SF'可以通过在20°C的 温度范围内非温度平滑规格化标度因子SF的(加权或非加权)平均值获得，例如非加权平均 值
其中T。是电流传感器的指定操作温度，例如20°C。
[0014] 注意如果高双折射旋制感测光纤选为足够长，SF'和SF典型地一致。
[0015] 如在下文更详细解释的，在存在磁场情况下该类型的旋制、高双折射光纤的模传 播的全面分析表明由于操作温度改变引起的磁光相移的变化可以通过选择具有适合延迟 P的延迟器来补偿。
[0016] 标称相移范围（其中保持补偿）可以根据装置的期望操作条件或电流来选择，并且 可以例如至少在±[0°，30° ]和/或±[30°，90° ]和/或±[90°，180° ]和/或 ±[180°，360° ]的范围内延伸。特别地，可以使用
，其中如果a〈b，函数min(a, b)返回a，否则返回b。
[0017] 延迟P在例外情况下可等于n*90° (其中η是整数)，即ε是零，但在大部分情 况下，使用略微失谐的延迟器，即I#咚I妒，特别地:胃乂·te。
[0018] 典型地，在如上文那样为良好的温度补偿选择角度Θ和所述延迟p时，耦合到旋 制光纤的两个非圆本征模内的光组成具有不相等的强度1:和1 2，其中I1 = I2=0.0 1…〇. 99或 1. 01 …100〇 「00191 有刹地，设计电流传感器使得对于yi=-2、_1、0、1、2的所有可能组合，
，其中指数i标记光经过上文提到的第一线性偏振器 与检测器组件之间的双折射波导段，并且&_^;是双折射波导段i的差异模态群延迟，其中 至少一个波导段k是使得
，对于双折射波导段的示例是两个光纤接头之 间的保偏光纤段、双折射调相器和它的保偏尾纤。
[0020] 其他实施例在从属权利要求、权利要求组合以及下文的说明中列出。
【附图说明】
[0021] 从本发明的下列详细说明将更好理解本发明并且除上文阐述的那些之外的目标 将变得明显。这样的说明参考附图，其中： 图1示出高双折射旋制光纤的（a)输入端和（b)旋绕间距的定义； 图2a和2b示出具有非互逆调相的传感器的第一实施例； 图3示出对于具有40nm (a)和20nm (b)谱宽（FWHM)的宽带光源、具有非互逆调相的 传感器的规格化标度因子，其作为光纤长度的函数，-在该计算中，在光纤绕组的数量保持 恒定时，仅感测光纤线圈的直径变化（（a)的插图表明40nm谱宽的曲线的放大，揭示半个间 距长度的振荡期，光纤参数在详细说明中给出）； 图4示出在单色光源(虚曲线）和宽带光源（40nm FHWM，实曲线）情况下、具有非互逆调 相的传感器的规格化标度因子，其作为线性拍长的函数，其中Θ =-45° (光纤参数在详细说 明中给出）； 图5示出对于旋制光纤相对于PM光纤轴的不同角度取向（光纤参数在详细说明中给 出）（0=-45° (虚曲线)，θ=〇°、90° (实曲线)，θ=45° (带点曲线））、具有非互逆调相 的传感器的规格化标度因子，其作为ε (即自确切1/4波延迟的偏离）的函数； 图6示出（a)实现温度补偿需要的自完美1/4波延迟ε的偏离，其作为旋制光纤的 角度取向Θ的函数，和（b)温度补偿传感器的规格化标度因子，其根据（a)在θ=45°且 ε~4°的情况下作为温度的函数； 图7示出（a)在-40°C、20°C和80°C对于两个不同传感器配置的具有非互逆调相的传 感器的规格化标度因子，其作为磁光相移的函数。虚线对应于θ=0°的传感器(对低相移进 行温度补偿)，并且实线对应于Θ =-45°且二的传感器；以及（b)对于θ=〇°的 传感器(虚线和点划线）并且对于Θ =45° (实线和带点线）的传感器并且具有两个不同磁 光相移(虚和实曲线：A φ~Γ，点划和带点曲线：Δ φ~80° )的规格化标度因子，其作 为ε的函数。在两个情况下，较高相移使曲线变平；然而，仅在Θ =±45°的情况下，可以 选择ε使得标度因子与相移本身无关，例如在Θ =-45°的情况下对于ε~5° -10° ; 图8示出使用偏振相位检测的传感器的第二实施例； 图9示出对于具有宽带光（FWHM=40nm)且θ=〇°、90°和ε=〇的偏振检测的规格化标 度因子，其作为线性拍长的函数(光纤参数在详细说明中给出）； 图10示出对于Θ =45° (虚线)、Θ =〇。、90° (实线）和θ=-45。（带点线）的对于偏 振检测的规格化标度因子，其作为ε的函数； 图Ila示出实现温度补偿(偏振检测）的最佳ε ( Θ )选择； 图Ilb示出根据图Ila对于θ=〇°、90°且ε~-19°的温度补偿传感器(为了偏振 检测）的规格化标度因子vs.温度； 图12示出使用法拉第旋转器和具有在0° /90°取向的PM光纤的偏振相位