光纤传感器和方法

光纤传感器和方法
【专利摘要】描述光纤传感器(10)和相关方法，其中传感器(10)包含偏振元件(2，41，55a，24)与感测元件(12)之间的光路径中的交叉耦合元件(16)，但是与感测元件本身分离；其中生成偏振保持光纤(11)的基本模式的两个正交偏振状态之间的所定义交叉耦合的交叉耦合元件(16)把来自光源(1)的光引导到感测元件(12)，因而引入波长相关或温度相关传感器信号偏移，以便平衡因传感器的其他元件引起的波长相关或温度相关信号偏移，特别是因法拉第效应或电光效应常数的波长相关性引起的信号偏移。
【专利说明】
光纤传感器和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及光纤传感器、例如光纤电流传感器(F0CS)或磁场传感器，其包含要暴 露于例如待测量电流的磁场的感测光纤，或者例如光纤电压传感器，两者均通常用于高压 或高电流应用中。
【背景技术】
[0002 ] 光纤电流传感器依靠盘绕电流导体的光纤中的磁光法拉第效应。电流引起磁场在 光纤中生成与所应用磁场成比例的圆双折射。一种优选布置采用在感测光纤的远端的反射 器，使得耦合到光纤中的光执行光纤线圈中的往返行程(round trip)。通常，左和右圆偏振 光波(其由叠接到感测光纤并且充当四分之一波延迟器(QWR)的光纤相位延迟器从两个正 交线性偏振光波来生成)如参考文献[1-4]所述地那样注入到感测光纤中。在经过光纤线圈 的往返行程之后，两个圆形波因光纤中的圆双折射而累积了与所应用电流成比例的相位延 迟。这个相位延迟与围绕电流导体的光纤绕组的数量、所应用电流和光纤的维尔德常数V (Τ, λ)成比例。维尔德常数由此是材料一、温度一和波长一相关的。
[0003] 作为备选方案，传感器可设计为具有在感测光纤两端的四分之一波延迟器(QWR) 以及在感测光纤中反向传播的圆偏振的相同意义的光波的萨格纳克类型干涉计。
[0004] 在参考文献[3、5、6]中，公开方法，其中光纤延迟器用来平衡维尔德常数的温度相 关性，维尔德常数对熔融硅石光纤为丨i/对靡/df == tMNt4。为了这个目的，QWR的延迟 设置成适当选择值，其通常偏离理想四分之一波延迟。延迟随温度的变化改变传感器比例 因子，使得它平衡维尔德常数随温度的变化。在参考文献[7]中公开了如何制造这类延迟器 的方法。
[0005] 通常，光纤电流传感器采用半导体光源、例如超发光二极管（SLD)。如果源不是温 度稳定的，则其发射谱在增加的环境温度下偏移到较小波长。典型SLD波长偏移取决于SLD 材料系统的细节对应于每°C十分之几纳米。熔融硅石光纤的维尔德常数大致作为 = !細/ :?1随波长而缩放（scale)，如例如参考文献[8、9]中所规定的。 在这里，λ〇是初始波长(参考波长）。因此，如果假定随0.3 nm/° C的温度波长偏移，则在1310 nm的相对比例因子变化为-0.15%/nm或者-0.05%/° C。除了维尔德常数之外，其他传感器参 数也可随源波长而改变、例如在感测光纤开始的光纤延迟器的延迟，并且因而可影响比例 因子。源波长还随驱动电流而变化，或者可因源老化而偏移。
[0006] 为了制止(counter)波长中的偏移，已知的是，通过以恒定电流操作源，并且通过 热电冷却器(TEC)稳定源温度或者通过监测源温度并且适当校正传感器信号，来稳定光源 的波长。在使用这些方法时没有校正因源老化引起的波长偏移。
[0007] 在光纤陀螺仪领域中，报导了跟踪陀螺仪中的波长偏移的若干方法，包含使用跟 踪干涉计[10]、波分复用器[11-13]或光纤光栅[12、14]。
[0008] 还已知的是基于普克尔斯效应或线性电光效应或者基于耦合到压电材料的光纤 的使用的电压或电场传感器。在这些传感器中，通过电场或者通过力或材料的折射率的各 向异性变化所引起的双折射在光纤传感器中用来测量电压、电场强度或者力。
[0009] 如上所论述，参考文献[3、5、6]公开如何补偿光纤电流传感器的温度相关性。由此，一 般来说，例如源自维尔德常数(在熔融娃石光纤中，在1310ηπ*淑/t付Π 的温度相关性的一阶、即线性温度相关贡献(contribution)通过在感测光纤的入口处的光 纤延迟器的温度相关行为来中和。W0 2014/154299还公开了如何补偿温度相关信号，其源 自维尔德常数的温度相关性和感测光纤的双折射的组合。但是，这些方法一般没有补偿潜 在高阶、具体来说是二阶、即抛物线或二次温度相关性，或者甚至能够引入附加高阶温度相 关性。取决于传感器的检测方法(采用非交互(reciprocal)相位调制的检测或者采用无源 相位偏置的检测），抛物线贡献的曲率能够为正或者为负。非线性贡献也能够因在极端温度 下的封装相关光纤应力或者最佳传感器工作点的温度相关偏移而源自偏振交叉親合，如例 如W0 2014/006121所示。
[0010] 本发明的一个目的是要提供一种光纤传感器，具体来说是磁场传感器或电流传感 器，其包含要暴露于磁场的感测光纤，其中传感器信号对所使用的光的波长偏移和/或对温 度偏移不太敏感。

【发明内容】

[0011]因此，按照本发明的第一方面，提供一种光纤传感器，其包含光源、偏振元件、检测 器、偏振保持(PM)光纤和感测元件，其中传感器还包含偏振元件与感测元件之间的光路径 中但是没有直接连接到感测元件的交叉耦合元件，其中交叉耦合元件生成PM光纤的基本模 式的两个正交偏振状态之间的所定义交叉耦合。
[0012] 传感器能够是磁场或电流传感器，在所述情况下，感测元件优选地是要环绕导体 并且在操作中暴露于导体中的电流的磁场的感测光纤。备选地，传感器能够是电场或电压 传感器，在所述情况下，感测元件优选地是力耦合到压电元件的电光晶体或光纤。对于力或 应变测量，光纤能够直接耦合到施加力的对象或者应变对象。
[0013] 偏振元件能够是固有地生成具有期望偏振的光的光源，或者它能够是与光源分离 的传感器的一部分，例如偏振光纤、偏振分束器、（光纤親合)块状光纤偏振器、偏振波导(例 如通过质子交换所制作的铌酸锂(LiNb〇3)波导)及其组合。
[0014] -般来说，交叉耦合元件能够在任何点引入到光路径中，其中它能够提供PM光纤 的两个偏振状态之间的交叉耦合效应。但是，优选的是不将元件对于进入感测光纤的光的 入口点过于靠近地定位。具体来说，交叉耦合不是直接附连到感测元件，但最好的是与其至 少分离PM光纤的一段和/或至少延迟器和/或法拉第旋转器，即，分离从由下列项所组成的 编组中选择的至少一个元件:PM光纤的至少一段、延迟器、法拉第旋转器及其组合。
[0015] 在与其远端相比更靠近PM光纤的近端的位置处将交叉耦合元件引入到光学回路 中是优选的。如果传感器包含另外有源或无源元件以便在光进入检测器(例如光学调制器 或无源相位延迟器)之前调制或偏置光的相位，则具有接近这些另外有源或无源元件的交 叉耦合元件是特别优选的。
[0016] 最优选地，交叉耦合元件集成在PM光纤的两段之间，或者在存在于传感器的情况 下，直接附连到或者集成在位于光源与PM光纤之间的光路径中的光学分束器元件内。
[0017] 交叉耦合元件是除了 PM光纤之外、具体来说除了具有正交偏振之间的残余交叉耦 合的非理想PM光纤之外还存在的单独元件。换言之，交叉耦合元件引入传播到PM光纤中的 正交光偏振之间的故意特定交叉耦合。这种有意交叉耦合能够添加到产生于非理想光学元 件(例如PM光纤、偏振器、接头、延迟器、调制器等)的光学回路中的实际存在的交叉耦合。
[0018] 在实施例中，交叉耦合元件在传感器信号中引入波长相关部分，其能够被调谐，使 得通过波长相关交叉耦合所引入的传感器信号中、具体来说是其比例因子中的偏移平衡通 过光的中心波长λ的偏移所引起的传感器信号的其他变化、具体来说是感测元件的维尔德 常数中的变化。
[0019] 交叉耦合元件能够采取非准确半波长延迟器的形式来实现。（非准确)半波长延迟 器引入ΡΜ光纤的两个偏振状态之间的β(λ|的相位偏移，其中m是包含零的整数， 以及β(λ)不为零并且被选择，使得中心波长λ的偏移远离其初始值λ〇不影响如所测量的信 号。
[0020] 通常特别优选的是具有另外有源或无源元件、例如光学调制器或分束器，以及在 一些变型中还具有光源和/或检测器连同在相同位置处的交叉耦合。在高压环境中，地电位 上的位置常常是优选的。因此，有可能在单个壳体中容纳另外有源或无源元件、例如光学调 制器或分束器，并且在一些变型中还容纳光源和/或检测器以及交叉耦合元件，或者至少共 享相同电力供应线，以便促进具有控制温度环境以降低温度对交叉耦合元件的影响，即使 交叉耦合元件具有其自己的与其他有源或无源元件分离的温度控制壳体。
[0021] 作为这种外部温度稳定性的替代或补充，例如通过光路径中的附加延迟器、特别 是位于感测元件的入口处的延迟器的解谐，或者通过使用具有相互中和温度相关性的交叉 親合元件中的若干部分，能够固有地针对温度波动来稳定親合元件。
[0022]在传感器或方法的实施例中，交叉耦合元件是具有相对ΡΜ光纤的主轴形成±15° 的范围中或者90° ±15°的范围中的取向角ξ的主轴并且具有等于± 20°之内的180°的整 数倍的半波延迟S(T〇，AQ)的半波延迟器，以实现对给定温度范围之内一直到二阶的温度不 敏感的传感器信号。
[0023] 在传感器或方法的实施例中，调整延迟器以补偿通过从由下列项所组成的编组中 选择的元件的任何的温度变化所引起的传感器信号中的线性温度相关偏移：交叉耦合元 件、感测元件、传感器中的另外光学元件;具体来说，其中延迟器引入传感器信号中的二次 温度相关偏移。
[0024] 在传感器或方法的实施例中，来自交叉耦合元件对传感器信号的二次温度相关贡 献中和来自其他元件、具体来说是来自延迟器对传感器信号的二次温度相关贡献。
[0025] 虽然使用例如萨格纳克类型配置的其他类型的光纤传感器在它作为电流传感器 的情况下能够适合包含本发明的元件，但是优选地是，这种电流传感器具有反射类型。这种 传感器中的感测元件或光纤与反射元件、例如反射器或法拉第旋转器反射镜端接。
[0026] 由于针对新传感器的标称波长1中的偏移的改进稳定性，所使用的光源能够具 有非温度稳定类型。这类光源通常缺乏贴近发光元件、即集成到发光元件的所谓封装中的 有源加热或冷却元件。
[0027]按照本发明的传感器在输电网的高压环境中（例如在72 kV至800 kV的范围中）的 测量领域具有特别用途，其中要求广泛变化环境条件中的准确测量、长使用寿命和健壮性。
[0028] 本发明的另外方面包含使用光纤传感器来测量电流、磁场、电压、电场、力场或应 变场，并且通过调谐PM光纤的两个偏振状态之间的交叉耦合(其中交叉耦合元件引入到用 于注入光的偏振元件与传感器的感测元件之间或偏振元件与位于感测光纤的入口点并且 与其直接附连的任何光学元件之间的光路径中）来引入信号的波长相关偏移的方法。
[0029] 在该方法中：调谐量被选择，使得通过交叉耦合所引入的传感器信号中的波长相 关偏移平衡如通过光的中心波长的偏移所引起的测量信号中的其他波长相关偏移。这类偏 移能够包含维尔德常数中或者传感器的其他光学元件、例如延迟器等中的波长相关偏移； 和/或在该方法中，调谐量被选择，使得通过交叉耦合所引入的传感器信号中的温度相关偏 移平衡测量信号中的其他温度相关偏移。这类偏移能够包含或者能够是来自四分之一波延 迟器或者来自传感器的其他光学元件（即，与交叉耦合元件不同）的线性和/或二次温度相 关偏移。
[0030] 在实施例中，位于偏振元件与感测元件之间的光路径中的交叉耦合元件用来通过 由交叉耦合元件的二次温度相关性所引入的传感器信号中的这类偏移来平衡通过因其他 传感器元件引起的二次温度相关性所引入的信号偏移。在备选或附加实施例中，位于偏振 元件与感测元件之间的光路径中的交叉耦合元件用来通过由交叉耦合元件的线性温度相 关性所引入的传感器信号中的这类偏移来平衡通过因其他传感器元件引起的线性温度相 关性所引入的信号偏移。
[0031] 在实施例中，用于平衡波长相关偏移的交叉耦合元件以及用于平衡温度相关偏移 的交叉耦合元件能够是相同的或者能够是不同的交叉耦合元件。
[0032] 甚至更优选地，PM光纤的两个偏振状态之间的交叉耦合的调谐包含引入两个偏振 状态之间的m· 180° + β(λ〇)的相移的步骤，其中m是包含零的整数，以及β(λ〇)不为零并且 选择成平衡测量信号中的波长相关偏移。
[0033] 本发明的另一方面是一种光纤传感器电压或电场传感器，具有：至少一个光源和 至少两个光检测器;至少三个光学传输通道，其中一个通道提供用于光到感测元件的正向 通道和两个通道提供用于光到检测器的返回检测器通道；以及集成光学偏振分离器模块， 用于在光波的两个不同集合之间引入静态偏置光学相移，在非零被测对象场存在的情况下 在所述感测元件内具有不同速率，并且用于将包含静态偏置光学相移和通过被测对象场所 引起的光学相移的总光学相移转换为至少两个检测器通道中的相反符号（反相）的光学功 率变化；以及偏振保持(ΡΜ)光纤，其中ΡΜ光纤直接地或者经由至少一个延迟器或法拉第旋 转器元件间接地连接到感测元件。
[0034] 光波的两个不同集合能够是例如正交线性偏振模式或者左和右圆偏振模式。优选 地，这种传感器包含如上所述用于波长稳定性的交叉耦合元件。
[0035] 对于按照本发明的光学磁场传感器或电流传感器，感测元件能够包括光纤或波 导，其中包含专业低双折射光纤、燧石玻璃光纤或自旋高双折射光纤、块状磁光材料(例如 钇铁石榴石晶体或熔融硅石玻璃块)或者附连到磁致伸缩元件[31]的光纤、波导或块状光 学材料或者其组合。
[0036] 对于按照本发明的电压或电场测量，感测元件能够包括电光晶体、结晶电光纤(参 见参考文献[24])、极化光纤[25]或者附连到压电元件[32]的光纤或块状光学材料。对于按 照本发明的力或应变测量，感测元件能够包括光纤或块状光学材料。
[0037]能够用作先前方面的补充或替代的所公开装置的另外方面(如以上对方法已经所 提及的）是光纤传感器、具体来说是光纤电流传感器中的二次温度相关性和/或残余线性温 度相关性的补偿。同样地，本发明应用于光纤应变或电压传感器。为此，交叉耦合元件插入 光纤传感器的光学回路中，如针对所公开发明的其他方面所述:交叉耦合元件放置在偏振 元件与感测元件之间、例如偏振保持光纤的两段之间，但是没有直接耦合到感测元件。偏振 元件能够从如针对所公开发明的其他方面所述的选择范围中选择。同样地，交叉耦合元件 优选地与感测元件分离PM光纤的至少一段、延迟器(具体来说是光纤延迟器）、法拉第旋转 器或者这类元件的组合。为了使所引入交叉耦合元件暴露于与感测元件和附连到感测元件 的可选光纤延迟器类似或相同的温度，交叉耦合元件优选地空间接近感测元件和可选的光 纤延迟器。在实施例中，交叉耦合元件、感测元件和光纤能够延迟器共享共同壳体。
[0038]交叉耦合元件因偏振保持光纤的两个正交线性偏振光状态之间的温度相关交叉 耦合而添加温度相关信号分量(交叉耦合元件的温度相关性中和感测元件、可选光纤延迟 器或法拉第旋转器的残余组合温度相关性）以及在可适用时还在光路径中添加另外分量。 由此，优选地，在光纤电流传感器的情况下，光纤延迟器的参数被选择，使得感测元件和延 迟器的温度相关性中的线性项例如在从-40° C至85° C的范围中彼此抵消，而高阶温度相关 性仍然保持。
[0039] 但是，在本发明的这个另外方面，交叉耦合元件的温度相关贡献选择成补偿残余 抛物线或二次温度相关性。
[0040] 在其他情况下，交叉耦合元件能够中和信号的残余二次和线性温度相关性的组 合。一般来说，待补偿信号的温度相关变化例如能够源自对感测元件所施加的机械应力、感 测光纤中的弯曲引起双折射、感测元件的磁光或电光效应、附连到感测元件的压电材料的 压电效应、感测元件中（例如自旋高双折射光纤中）的本征双折射、传感器的工作点、光路径 中的延迟器或法拉第旋转器或者其组合的温度相关性。
[0041] 交叉耦合元件能够采取准确或者非准确半波延迟器的形式来实现，即，具有延迟δ (τ，λ)，其中Τ=温度，以及λ=波长。在实施例中，延迟设置为$ Λ^}取48·，其中m是 奇整数，To是通常在操作温度范围的中间的参考温度，以及λ〇是平均操作波长。在这个实施 例中，延迟器的主轴相对入局光偏振在0° +:ξ或90° +ξ下定向，例如通过偏振保持光纤链 路(交叉耦合元件16插入其中）的主轴所给出。然后调整取向角ξ和整数m以补偿通过光纤 电流传感器的光学回路的其他组件所引入的二次温度相关性。m和ξ的这个调整作为延迟δ (Το,λο)随温度的变化以及要补偿的二次温度相关性的量的函数来选择。
[0042] 请注意，一般来说，在遍及本申请中，半波延迟δ(Τ〇，λ〇)=ηι · 180°+β(ηι = 0，1， 2, 3,…），其中β是非准确半波延迟与180°的多阶m的准确半波延迟的偏差或解谐。
[0043]在所公开发明的另一方面，两个交叉耦合元件能够包含在光纤传感器(未示出）的 光路径中。第一交叉耦合元件能够用于传感器信号的波长相关性的补偿，同时能够引入第 二交叉耦合元件，以补偿传感器信号的残余温度相关性、具体来说是二次温度相关性。第一 交叉耦合元件优选地如本发明的主要方面所公开的那样来设计，而第二交叉耦合元件如二 次温度相关性补偿的另一发明方面所述地那样来设计。在实施例中，第一交叉耦合元件驻 留在具有光电子模块或者具有光电子模块的至少部分的共同壳体中，而第二交叉耦合元件 驻留在具有感测元件的共同壳体中。
[0044] 在下面描述和附图中更详细描述本发明的上述及其他方面连同本发明的其他有 利实施例和应用。
【附图说明】
[0045] 图1是按照本发明的示例、连接到传感器的PM光纤的光纤传感器头的示意图； 图2A图示通过使用PM光纤中的非准确半波长光纤延迟器的交叉耦合； 图2B图示交叉耦合元件的功能； 图3A和图3B图示如在采用有源相位调制用于信号检测的反射类型的传感器中使用的 本发明的示例； 图4是通过偏振交叉耦合元件来平衡因光的中心波长中的偏移引起的信号偏移的数值 示例； 图5是如在采用无源光学元件用于信号检测的反射类型的传感器中使用的本发明的示 例； 图6是如在采用无源光学元件用于信号检测的反射类型的传感器和作为感测元件的端 子的法拉第旋转器反射镜中使用的本发明的另一个示例； 图7示出温度不敏感交叉耦合元件的示例； 图8示出基于法拉第旋转器的交叉耦合元件； 图9A和图9B图示按照本发明的两个示例的光纤电压传感器，其中分别具有有源相位调 制检测方案和带有无源(静态)相位偏置的检测方案； 图10示出现有技术光纤电流传感器的典型归一化传感器信号对温度； 图11示出作为交叉耦合元件的实施例的光纤延迟器；以及 图12示出光纤电流传感器的所计算的归一化传感器信号对交叉耦合元件的温度(实曲 线)并且对感测元件和感测光纤的入口处的光纤延迟器的共同温度(短划线）以及组合温度 相关性(虚曲线）。
【具体实施方式】
[0046] 图1中，示出本发明的一般示例，其以示意的方式图示反射光纤电流传感器10的传 感器头10-1的配置。在这个一般示例中，偏振保持(PM)光纤引线11将光传递到传感器头中 并且从传感器头回传，传感器头包含感测元件12,其在这个示例中是按照围绕导体13的一 个或多个(N)环路缠绕的感测光纤12。取决于测量磁光相移的方法，基本PM光纤模式的两个 正交偏振状态两者中的光的重叠或者只有一个偏振状态中的光被注入感测光纤元件12中。
[0047] 取决于特定检测技术，线性偏振光波可在它们进入感测光纤之前通过使用延迟器 14来转换成圆形波，延迟器14在本示例中是位于从PM光纤11到感测光纤12的过渡的光纤 QWR(四分之一波延迟器）。反射器15在一端端接感测光纤12。反射器15例如能够是标准反射 镜(例如光纤尖头上的反射涂层15)或法拉第旋转器反射镜15'。在具有旋转器反射镜的某 些传感器中，延迟器14被省略或者实现为(解谐)半波长延迟器。
[0048] 在其中传感器是电压传感器90的情况下，如所示的传感器头10-1能够由不同的传 感器头来取代，其中感测光纤例如由电光晶体来取代作为感测元件12,以测量在晶体的长 度所应用的电压AV，如以下图9详述。
[0049] 如果期望传感器10的温度补偿，则延迟器14能够通过角ε来解谐成四分之一波延迟 器的情况下的（藤…1齡 :?5 *射十#或者半波延迟器的情况下的。my ★玲， 如例如参考文献[3、5、6]中所述。
[0050] 图1中还示出的是在本示例中位于PM光纤11的两段之间的元件16。元件16设计成 引起PM光纤11的两个偏振状态之间的所定义量的交叉耦合。
[0051] 在本发明的上下文中，术语"交叉耦合"意味着在交叉耦合元件16之前在基本模式 的一个偏振状态、例如LPoi扠沖已经传播的光分离到两种:(X)和LP〇i (y)状态 上。
[0052] 应当注意，这个元件16无需位于PM光纤11的段之间以实现这种交叉耦合，但是而 是能够位于初始线性偏振器与感测元件12之间（尽管不是直接耦合到其近端）、例如线性偏 振器与PM光纤11之间或者PM光纤11与延迟器14之间的光路径中的任何位置。在其中诸如专 门设计的激光器的光源直接生成具有期望偏振的光的实施例中，这种光源被理解为包含初 始偏振器。
[0053] 交叉耦合元件16的示例及其功能的详述在图2A和图2B中图示。图2A中，交叉耦合 元件16示为集成在PM光纤11内的非消色差光纤延迟器。在光纤11的图示下面，示出指示光 纤延迟器16的快和慢轴相对PM光纤11的主轴的相对取向的图形。延迟器16的取向以及具体 来说是长度（即，正交偏振状态之间的微分相位延迟)设计成引起PM光纤11的基本模式的两 个正交偏振状态LPei (X)和LPoi (y)之间的控制量的偏振交叉耦合(或模式混合），如 图2B中对于使用两种正交偏振状态的传感器（图2B的上半部)或者仅使用一个偏振状态的 传感器(图2B的下半部)所指示。
[0054] 交叉耦合按照所定义方式来改变传感器10的比例因子(或灵敏度）。由于延迟器16 的延迟并且因而交叉耦合随波长而变化，所以它能够用来补偿维尔德常数和其他传感器参 数(其在光的波长中的漂移发生时发生改变）的变化。在中心波长的延迟器16的相位延迟δ 在这个示例中设置成2,為&)，其中m=0是β>0时的可能选择。
[0055] 应当注意，如果延迟器16是准确零阶或多阶半波延迟器（即，β = 0)，则在ΡΜ光纤 引线的正交模式之间将会不存在附加交叉耦合。当采用交叉耦合元件16所实现的延迟按照 已知方式随实际波长而变化时，β能够设置成补偿因维尔德常数随波长的变化引起的传感 器信号的变化、具体来说是其比例因子的变化。该方法还能够补偿光路径中的其他元件、具 体来说是如上图1所示在感测光纤12的入口处的延迟器14的波长相关性。
[0056]如上所述的波长相关性的补偿能够集成在所有光纤电流传感器配置中，其中ΡΜ光 纤引线将光传递到感测光纤和/或从感测光纤传递光。在图1的反射传感器配置中，交叉耦 合在光的正向和返回行程期间发生。
[0057]下面更详细示出交叉耦合元件16如何能够集成到三个不同的传感器配置中：采用 非交互相位调制用于相位偏置的光纤电流传感器（图3所图示），采用四分之一波延迟器用 于无源相位偏置的光纤电流传感器（图5)以及采用法拉第旋转反射镜用于无源相位偏置的 光纤电流传感器(图6)。
[0058] 这些设计的不同之处在于如何检测感测光纤中的磁光双折射并且其中相应地适 配交叉耦合元件16。
[0059] 在采用非交互相位调制的光纤电流传感器设计中，如图3A所示，优选地从低相干 光源1、例如超发光二极管来注入光，在经过光纤、光纤親合器101和初始光纤偏振器2 (其将 发射光减少为单一线性偏振状态)之后，在45°光纤接头3处注入到PM滤波器11的两种正交 偏振状态中，其又由光纤延迟器14投射到感测光纤12的圆形或接近圆形光状态上。感测光 纤12中的两个光状态因所应用电流而获取磁光相位延迟(法拉第效应）。相位延迟通过闭环 检测回路来检测，其包含通过光纤耦合器101链接到光路径的光学相位调制器4和检测器5。 光学相位调制器4和检测器5还经过信号处理器6电链接用于闭环检测。备选地，可使用开环 检测回路。
[0060] 应当理解，在如同下面示例那样的这些示例中，所引用的组件能够通过具有相同 或类似功能性的组件来取代。例如，所提及的光源1能够通过其他类型的光源1(例如发光二 极管(LED)、边缘发射LED、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)、掺杂光纤光源或者激光二极管） 来取代。类似地，图3A的调制器4可以是集成光双折射调制器，例如铌酸锂调制器或压电调 制器。后者通过调制附连到调制器的PM光纤11的一段的光学长度，来调制正交偏振状态的 微分相位。
[0061] 如所引用的参考文献中所述，四分之一波延迟器14能够通过ε从准确四分之一波 延迟来解谐，以实现传感器的本征温度补偿(也能够使用高阶延迟器，使得四分之一波延迟 器的延迟Ρ总共合计为敗.' 4: ' s' e，其中，轉:? 见例如参考文献[3、5、6]。
[0062] 在除了磁光双折射之外感测光纤12中没有双折射的情况下，在按照图3A、图3B的 传感器的小磁光相移的电流信号与下式成良好近似比例
在这里，N是感测光纤线圈12的环数，以及I是导体13中的电流。符号的变化指示电流与 所得到信号之间的180°相移。维尔德常数V-般随温度T线性变化，并且是波长λ的函数。Μ和 ε(Το, λ)能够被选择，使得电流信号变成与温度无关，如上文所提及的参考文献中所做的。 在这里，To是参考温度、例如室温。
[0063] 在现有技术中，通常通过与温度稳定光源1 一起工作来使波长保持稳定。如果波长 偏移Δλ (本文中假定Δλ/λ〇〈〈 1)，则相对信号变化AS/SW其中So是中心或未扰动信号） 通过下式给出
其中，当假定延迟器14的延迟与波长成反比变化并且感测光纤12的维尔德常数示出如 先前所报导的二次扩散(参见参考文献[8])时，第一项、即-2 产生于维尔德常数V 的波长相关性，以及第二项产生于延迟器14的波长相关性。在不同类型的扩散的情况下，这 个计算的原理没有变更，而是本文对β所给出的值必须适配。
[0064] 等式[2]通过琼斯矩阵形式(其在参考文献[15]中按照一般形式示出)从光学回路的 波传播的描述中得出。如所述，在上文引用的参考文献中，Μ和 ε(λ〇)被选择，使得总电流信号变 成与温度几乎无关。例如，通过恪融娃石光纤中的以^賊…ms4 f 4的维尔德常数 的温度相关性并且假定〇泳& ? 的延迟器的温度系数，具有μ = 〇和 j - I S ;1的四分之一波延迟器导致基本上(线性)温度无关信号。但是，按照等式[2]， 现有技术的这个传感器仍然产生A3/% - 0、2的絲的相 对(组合)波长相关性。
[0065]这个波长相关性能够按照所示示例通过使用延迟器作为具有延迟 ' MO" +則衫、在发射光的光路径中布置在偏振器2之后但是在延迟器14之前的 交叉耦合元件16来平衡。在本示例中，交叉耦合延迟器16包含在光电子模块10-2中，其包括 传感器10的大多数组件，除了传感器头10-1的组件和ΡΜ光纤11的部分之外。光电子模块10-2和传感器头10-1在光学上经过ΡΜ光纤11连接。交叉耦合元件16能够单独地或者在光电子 器件模块10-2的壳体内部保持在恒定温度。
[0066]波长相关性补偿延迟器16基本上是具有与理想半波延迟的相位偏差β(λ)的零或 多阶半波延迟器(HWR)。使用这种交叉耦合器16并且假定小磁光相移NVI (NVI〈〈1)，信号S 与下式近似成比例
在产生于额外延迟器16的波长变化△ λ的传感器信号中的相对变化厶S?壤能够写作
其中λ〇是传感器10的标称中心波长，并且具体为韌二：3彳為)。整数m以及与理想半波延 迟的偏差或相位β(λ〇)能够被调整，使得等式[4]的项ASiwr/So:平衡等式[2]的项 Δ3 / So，即，电流信号变成与波长无关。
[0067] 例如，m=2和以丨*~21"能够选择成有效地补偿维尔德常数和四分之一波延 迟器14的波长相关性。在上面推导中，假定补偿交叉耦合延迟器16的温度保持为恒定，或者 其延迟基本上与温度无关。如所提及及以下更详细描述，这能够例如通过将交叉耦合元件 16放置于恒温环境中实现。
[0068] 在实施例中，_如| 或p 现四分之一波延迟器14和维尔德常数的波长相关性的部分(仍然有用)补偿。
[0069] 在如图3B所示的这些示例的变型中，如所示的类型的相位调制器4(双折射调制 器)可通过具有PM光纤引出端的y类型集成光学相位调制器41(如常用于光纤陀螺仪和偏振 保持光纤耦合器43中）来取代，如参考文献[19、20]中更详细描述。在这个示例中，调制器41 还充当初始偏振器。从调制器出现的具有平行偏振方向的两个光波通过90°光纤接头42并 且通过偏振保持光纤耦合器43来投射到pm光纤11的正交线性偏振状态上。调制器41的第二 臂包含光学延迟元件44。
[0070] 半波延迟器16则优选地布置在光纤耦合器43与感测光纤线圈12之间的PM光纤链 路11中。备选地，适当调整的半波延迟器能够放置到y调制器41与PM親合器43之间的两个光 纤臂的每个中。
[0071] 在这个示例中，交叉耦合元件16在温度控制壳体160中示为与其他组件在空间上 分离。这个布置能够被看作是在光电子模块10-2中包含交叉耦合元件16的备选方案。
[0072] 图4中，示出传感器信号S的变化对被补偿传感器的波长，连同来自维尔德常数S (ν(λ))、四分之一波延迟器S(e(A)和补偿交叉耦合延迟器Ξ(β(λ))的个别贡献。没有补偿的 信号变化（来自维尔德常数和四分之一波延迟器的组合贡献）对应于图4的波长跨度（20 nm)的3.5%。补偿之后的残余信号变化是可忽略的。
[0073] 在如图5所示采用分离器并且采用无源生成的相位偏置的光纤电流传感器设计 中，如先前实施例（例如图1)中那样使用传感器头10-1的相同设计。代替如图3的先前示例 中具有光学相位调制器4、41的闭环检测，在这个示例中使用具有无源生成的相位偏置的检 测方案，如参考文献[16]中详细描述。在这种布置中，传感器10再次包含光源1，其优先生成 进入具有光纤、经由玻璃所制成的隔离片53附连到集成光学分离器54的初始线性偏振器 55a(按照相对PM光纤11的轴的45°取向）的光路径的非偏振光。光经由具有交叉耦合元件16 的PM光纤11离开集成光学分离器54。从感测光纤12返回的光被分离，并且然后通过四分之 一波延迟器56和适当定向的偏振器55b、55c。延迟器56在返回光波之间引入90°相位偏置。 光经过两个光纤引导到相应检测器5-1、5-2(其能够是光电二极管）。在两个检测器5-1和5-2处的信号5 1>2由下式给出
将两个信号的差除以其总和给出与光源功率无关并且与下式成比例的信号
在这里假定4NVI〈〈 1。在感测光纤12的近端处的光纤四分之一波延迟器14再次用来 实现温度无关电流信号，即，延迟器与理想四分之一波延迟偏差适当量ε，又参见参考文献 [16]。应当注意，延迟器56和隔离片53也能够互换，使得相位偏置在传感器头10-1前面来引 入。
[0074] 如同先前所述实施例中一样，另一个光纤延迟器16作为交叉耦合元件16来插入感 测线圈12的ΡΜ光纤引线11中，以实现波长无关电流信号。通过引入附加延迟器16,电流信号 与下式近似成比例（当再次假定感测光纤没有任何非磁光双折射时）
与先前情况类似，β(λ〇)和Ν能够被选择，使得对电流信号的总波长相关性的个别贡献 彼此补偿。四分之一波延迟器的延迟能够设置成Μ = 0和以平衡维尔德 常数的温度相关性(假定感测光纤没有线性双折射）。传感器信号的相对波长相关性合计为
在给定示例中，半波延迟器16能够设置成N = 2和β(λ〇) = 21°，以补偿因来自维尔德 常数和四分之一波延迟器的组合贡献引起的随波长的传感器信号的变化：
。注意，β ( λο )的绝对值与对于 采用非交互相位调制的传感器设计（图3Α、图3Β)是相同的，但是符号是相反的。通过上述 值，个别信号贡献再次是如图4所示的信号贡献。
[0075] 在实施例中，# (?} t沾，或_以丨 <'祕以 分之一波延迟器14和维尔德常数的波长相关性的部分(仍然有用)补偿。
[0076] 在如图6所图示的另一个实施例中，传感器线圈12由法拉第偏振旋转器反射镜15' 来端接用于相位偏置(又参见参考文献[17、18]用于另外细节）。法拉第旋转器15'将电流引 起磁光相移偏置90°，即，这个旋转器15'对应于22.5°的单通偏振旋转角(或者等效地，对于 左和右圆形光波的45°的单通微分相移）。
[0077]因此，来自光源1的光经过光纤引导到组合偏振分离器24中和具有集成交叉耦合 元件16的PM光纤11中。在被旋转反射镜15'反射和相移之后的返回时，在两个检测器5-1、5_ 2处的信号等效于先前配置中的信号，并且由下式给出：
[0078] 项〇? λ)是法拉第旋转器的单通旋转角与22.5°的偏差。将两个信号的差 除以其总和再次给出与光源功率无关的信号(具有假设4NVI〈〈 1):
在一些传感器设计中，为了简洁起见，ΡΜ光纤11与感测光纤12之间的半波或四分之一 波延迟器14(又参见图1)设置为零(Μ = 0和ε=0)。通过将额外延迟器作为交叉耦合元件16 包含在ΡΜ光纤链路11中以实现所公开的控制波长相关偏振交叉耦合，电流信号也与 COS2P (人)成比例。Ν和β的适当调整实现电流信号的波长相关性的补偿，包含法拉第旋 转器15'和感测光纤12的波长相关性的补偿。
[0079] 波长相关性的补偿并不局限于来自感测光纤12的维尔德常数的波长相关贡献以 及来自延迟器14的贡献。它还能够补偿其他贡献，例如自旋高双折射感测光纤12中的嵌入 式线性双折射或者具有低本征双折射的感测光纤12中的弯曲引起线性双折射的那些贡献。 因此，如果交叉耦合元件16也要补偿那些元件，则邱勺值必须适当地适配。
[0080] 在上述变型中，假定交叉耦合元件16通过温度稳定性环境160来保持在恒温。具体 来说，在按照图3Α或图3Β的传感器中，额外延迟器16优选地是光电子模块10-2的部分。在这 个位置处，交叉耦合元件16的稳定温度能够例如通过热电冷却器/加热器(未示出）来实现。
[0081] 作为补充或替代，能够测量交叉耦合元件16的温度，并且能够在信号处理级校正 交叉耦合元件16的温度相关性。元件16的小的或者可忽略的温度相关性也能够通过使用具 有微分相移的低温度相关性的光纤(例如具有通过其几何结构所确定的双折射的偏振保持 光纤、例如椭圆芯或者微结构化光纤)来实现。与具有应力引起双折射的光纤相比，这类光 纤已知为示出相对弱温度相关性。
[0082] 如果ΡΜ光纤链路中的交叉耦合元件16以及在感测光纤12的开始的延迟器14经受 相同环境温度，则也能够实现元件16的温度相关性的补偿。在这种情况下，源于交叉耦合元 件16的附加温度贡献能够通过来自延迟器元件14对信号的总温度相关性的额外贡献来平 衡。再次采取如图3中的配置作为示例，因交叉耦合元件16的温度变化ΔΤ引起的相对信号 变化合计为
，其中 常数CHW描述延迟随温度的相对变化。延迟器14、16、即m、M、e和β能够被调整，使得总温度相 关性以及总波长相关性成为零。更详细中，参数必须被选择，使得不仅满足Ο (或者小）（如同上述示例中一样），而且还满足__Si众.（或者小），这在图3Α的示例中 导致：
以及
i:作为 如上所述的其他热稳定性方法的另外替代或补充，有可能制备作为无热延迟器的交叉耦合 元件16。这能够如图7所图示来实现。在这里，交叉耦合元件16由PM光纤的两段组成:具有小 温度相关性的长度li的光纤段16-1(例如椭圆芯光纤)和具有较大温度相关性的长度12的一 段(例如熊猫光纤）。两个光纤段16-U16-2按照其主轴的取向以90°偏移来接合。因此，因温 度变化引起的双折射相位变化以相反符号相加，并且趋向于相互抵消。为了简洁而假定两 种光纤段的双折射An(和拍长(beat length))是相同的，但是温度系数相差5倍，如果长度 比选择为： s 1:? ? 3,则两个光纤段的组合相位延迟将与温度无关。长度h必须选 择为私％ (S/4) % ，以便实现在参考中心波长λ〇的期望总延迟φ。
[0083] 应当注意，用于降低传感器10的温度相关性的上述方法和组件能够单独地或者彼 此隔离地或者彼此组合地使用。
[0084]虽然在上述示例中仅考虑反射传感器配置，但是本发明也应用于萨格纳克类型光 纤电流传感器(参见例如参考文献[3])和其他类型的非反射光纤电流传感器(其包含ΡΜ光 纤引线以从或者向感测光纤传送光）。在按照参考文献[3]的萨格纳克类型电流传感器中， 至少一个适当调整的交叉耦合元件能够包含到传感器的ΡΜ光纤引线的每个中。由于半波延 迟器的应用，光的部分以与所发射偏振方向正交的偏振在延迟器之间传播。由此，传感器的 灵敏度能够按照波长相关方式来控制，因为交叉耦合光经历相反符号的法拉第相移。
[0085]在本文档所公开的详细实施例中，假定ΡΜ光纤11的轴与延迟器16的轴之间的45度 角。优选地是，这个角（即，取向角€.)的容差保持在±(45° ± 10°)之内或者至少在±(45° ± 22.5)之内。但是要理解，也能够有意选择与45°不同的角。在这种情况下，必须相应地适 配交叉耦合元件16的延迟，以便再次实现源波长偏移对传感器信号灵敏度的影响的完全补 偿。
[0086]在所示示例中，交叉耦合延迟器16集成在ΡΜ光纤11的两个部分之间，这在大多数 情况下是优选位置。但是，还有可能将交叉耦合延迟器16放置在相位调制器4与ΡΜ光纤11之 间、45°接头3与相位调制器4之间或者分束器54与ΡΜ光纤11之间或者甚至将其集成到分束 器54中。另一方面，有可能将交叉耦合元件16正好定位在传感器头的组件之前，例如在ΡΜ光 纤11的远端与任何附加延迟器、例如延迟器14之间。
[0087]取决于传感器实施例，交叉耦合元件优选地处于与相位调制器4或分束器54的共 同壳体中。
[0088]在如图8所图示的另一个实施例中，法拉第旋转器能够用作交叉耦合元件16。法拉 第旋转器16包括磁光晶体161以及对晶体161施加磁场的永磁体162。光纤親合法拉第旋转 器16通常另外包括透镜163,以便将光耦合到PM光纤11并且耦合来自PM光纤11的光。晶体 161将入局线性光偏振状态旋转通过晶体161的类型和长度并且通过永磁体162的磁场所定 义的角。
[0089] 为了实现波长补偿，法拉第旋转器16能够例如设置成在波长心的.itfCP4' f的单 通旋转角，其中i是包含零的任何整数，以及Y是偏置旋转角。由于晶体中的磁光效应的波 长相关性，Y是波长相关的，
！的情况下，这个法拉第旋转器 16如先前所述地那样生成PM光纤的两个偏振之间的波长相关交叉耦合。因此，i和Y能够选 择成平衡对传感器信号的所有波长相关贡献，与前面详细描述的延迟器的情况类似。
[0090] 本发明还能够与传感器（其与感测媒介中的正交线性偏振而不是圆偏振一起工 作，并且采用按照图3A、图3B和图5的检测方案）一起使用。专利申请WO 2008/077255A1 (引 用为参考文献[21])例如公开具有有源相位调制器的按照图3A、图3B的检测方案如何能够 适合于感测元件(其与正交线性偏振一起工作），又参见参考文献[22、23]。即使参考文献 [21]中没有明确提及，但是适应对于采用无源相位偏置的检测方案（例如上文参照图5所 述)也是有效的。
[0091] 如上文参照图1时所提及，本发明的方面包含光学电压或电场传感器90的交叉耦 合元件16的使用。这种传感器的第一示例在图9A中示出。一般布置和先前已知的组件例如 在参考文献[21]中更详细描述。如同图3A中一样，检测系统包含光源1、光纤耦合器101、偏 振器2、偏振器3、有源相位调制器4、检测器5和信号处理器6。具有正交偏振方向的两个光波 再次被注入到PM光纤11，并且向感测元件12发送。对于电压测量，图9A的感测元件12包含杆 状电光晶体12(比如例如Bi 3Ge4〇12 (BG0)晶体），以测量在晶体12的长度上所应用的电压。 代替块状电光晶体，也能够使用（例如也是财細40 12的）结晶电光光纤[24]或者如例如参考 文献[25]所述的电极化光纤。
[0092] 法拉第偏振旋转器14'在从PM光纤11出现的两个正交光波进入电光晶体12之前将 其旋转45°。法拉第旋转器14'之后的偏振方向与晶体12的电光轴重合。光在晶体12的远端 处由反射器15来反射。两个正交光波经历晶体12中与所应用电压成比例的微分电光相移。 法拉第旋转器14'将返回光波旋转另一个45°，使得总往返行程偏振旋转对应于90°，与图3A 的电流传感器中相似。（需要偏振旋转，使得PM光纤11中的正交偏振状态的往返行程组延迟 为零，并且两个波在偏振器进行干扰时再次是相干的。此外，调制概念假定返回路径上的交 换偏振状态）。
[0093] PM光纤中的交叉耦合元件16再次相加，以补偿光源的波长偏移。假定交叉耦合元 件16是解谐半波延迟器，并且解谐角或解谐相移β(λ。)现在被调整，使得交叉耦合元件16平 衡电光效应的波长相关性。除了法拉第效应(维尔德常数)之外，电光效应与波长的倒数(而 不是波长的平方的倒数)成比例地变化。因此，在电光效应的情况下的β(λ。）的适当值只是 在法拉第效应的情况下的β(λ。)的值的一半。此外，β(λ。)能够被选择，使得它除了补偿电光 效应的波长相关性之外还补偿法拉第旋转器14'（以及可能的其他组件)的波长相关性。 [0094] 电压传感器90的第二示例在图9Β中示出。感测元件12包含杆状电光Bi3Ge4〇i2 (BG0)晶体12,以测量在晶体12的长度上所应用的电压。代替块状电光晶体12,可使用电光 光纤12,例如结晶光纤(24)或者如例如参考文献[25]所述的电极化光纤。
[0095] 法拉第偏振旋转器14 '在从PM光纤11出现的两个正交光波进入电光晶体12之前将 其旋转45°。法拉第旋转器14'之后的偏振方向与晶体12的电光轴重合。光在晶体12的远端 处通过反射器15来反射。两个正交光波经历晶体12中与所应用电压成比例的微分电光相 移。法拉第旋转器14'将返回光波旋转另一个45°，使得总往返行程偏振旋转对应于90°。 [0096]在图9B的示例中，采用使用无源生成相位偏置的检测方案，如参考文献[16]中以 及上文参照图5详细描述。在这种布置中，传感器90再次包含光源1，其优先生成进入具有光 纤、经由玻璃所制成的隔离片53附连到集成光学分离器54的初始线性偏振器55a(按照相对 PM光纤11的轴的45°取向）的光路径的非偏振光。光经由具有可选交叉耦合元件16的PM光纤 11离开集成光学分离器54。从传感器头10-1返回的光被分离，并且然后通过四分之一波延 迟器56和适当定向的偏振器55b、55c。延迟器56在返回光波之间引入90°相位偏置。光经过 两个光纤引导到相应检测器5-1、5-2(其能够是光电二极管）。应当注意，延迟器56和隔离片 53也能够互换，即，其中隔离片元件在偏振器55b和55c前面，使得相位偏置在进入传感器头 10-1之前被引入。在图9B的示例中，初始线性偏振器55a(按照相对PM光纤11的轴的45°取 向）、隔离片53、1x3集成光学分离器54、四分之一波延迟器56和偏振器55b、55c不为单个 集成无源光学模块，本文中称作集成光学偏振分离器模块50。
[0097]还应当注意，由交叉耦合元件16所提供的补偿对于图9B的传感器的操作是可选 的。因此，在图9B的示例的变型中，交叉耦合元件16及其温度稳定环境160能够被省略，特别 是在光源本身是温度稳定的时。
[0098] 存在如何安装高压输电系统中的这种电压传感器的多种选项。在空气绝缘变电站 中，感测元件可安装在具有气体[26]或干燥绝缘[27]的绝缘子中。绝缘子可作为独立式绝 缘子来安装或者从电力线悬挂。在气体绝缘开关设备中，它可按照如[28]和[29]所公开的 方式来安装。此外，感测元件可以是电容分压器的部分，并且仅测量线电压的一小部分 [30]。应当注意，代替如图5、图9B所示的具有波导的集成光学分离器(54)，相同功能性的分 离器能够使用块状组件、例如使用分束器立方体和/或棱镜来制作。
[0099] 本发明的方法能够应用于补偿还在其他传感器配置中的波长偏移，例如参考文献 [21]所公开的那些。具体来说，感测元件12可表示基于材料、例如石英中的压电效应的光学 电压传感器。一个或多个石英元件在所应用电压存在的情况下拉紧PM感测光纤，并且因此 再次引入感测光纤的正交偏振状态之间的电压相关相移(参见参考文献[21]用于另外细 节hPM感测光纤也可以以类似的方式充当其他源的应变或力的传感器。
[0100]注意，图9的法拉第旋转器14'具有与图8的法拉第旋转器(其充当交叉耦合元件 16)不同并且与图16的法拉第旋转器15'（其充当相位偏置元件)不同的功能。
[0101] 光源可因固有偏振部件或集成偏振器而已经发射具有充分高的线性偏振度的光。 在这种情况下，如图3A、图3B、图5和图9所示的偏振器2、41、55a、24的功能性的至少部分能 够结合到光源中。这要求源1与传感器元件12之间的所有光纤组件是偏振保持的。
[0102] 在下面详细论述本发明的另外方面。对于与图3A、图3B类似但是没有包含所示交 叉耦合元件16的光纤电流传感器配置，电流信号与等式[1]所给出的具有来自￥(1^)和 ￡ (Τ，λ)的两个温度相关贡献的表达式成良好近似比例。线性温度相关性导致传感器信号的 相对变化A S/SQ(其中So为中心或未扰动信号）由等式[13]给出：
其 中A T=交叉耦合元件16的温度变化，CVerdet=维尔德常数的温度相关性，CQW=延迟器的温度系 数，._ +$.#,·+. Hr ?…，ε=来自四分之一波延迟的解谐，T〇=参考温度，以及λ〇=参考波 长。
[0103] 通过本文中选择为Μ=0、·細::献，I?茗 示例参数，温度相关性的线性项通过设置rf·,-} ο 1#基本上成为零。
[0104] 但是，抛物线、即二次项通过如下泰勒级数展开保持，其能够见于等式[13]:
通过 自上数值示例参数，对A S/SQ的二次贡献近似合计为即在高于或低于参考温 度To的60°C时的0.033%。在实际传感器系统中，二次信号贡献如图10所示可超过这个值，其 中它在极端温度达到大约0.1%。
[0105] 能够按照本发明的另外方面来补偿这个二次温度相关性。提供所定义温度相关交 叉親合的交叉親合元件16被插入光纤传感器(例如，如图1、图3A、图3B、图5和图6所不的光 纤电流传感器10以及如图9A和图9B所示的光纤电压传感器90)的光学回路中。交叉耦合元 件例如放置在偏振元件2、41、55a、24a与感测元件12之间，使得交叉耦合通过至少延迟器 14、法拉第旋转器14'或偏振保持光纤11的一段与感测元件12分离。所公开发明能够应用于 光纤传感器的不同实施例，其中的一些实施例在本文中针对其设计和工作原理更详细描 述。由于交叉耦合元件16优选地暴露于与感测元件12的温度尽可能类似的温度，所以其中 元件16例如通过与感测元件12共享共同壳体在空间上靠近感测元件12的配置是优选的。在 其他不太有利的实施例中，元件16能够是光电子模块10-2的一部分，如图3A所指示。
[0106] 对信号的温度相关贡献能够一取决于传感器设计一源自感测元件12中的磁光效 应(通过维尔德常数的温度相关性给出）、感测元件12中的电光效应(例如通过普克尔斯效 应的温度相关性给出）、附连到感测元件的压电材料的压电效应、感测元件12中（例如自旋 高双折射光纤中）的本征双折射、感测光纤12中的弯曲引起双折射、例如在其中工作点通过 法拉第旋转器反射镜15'（图6)来调整的传感器配置中的传感器的工作点、在感测光纤14的 入口处的光纤延迟器、在感测元件12的入口处的法拉第旋转器14'（图9a和图％)、对感测光 纤所施加的机械应力或者其组合的温度相关性。
[0107] 为了进一步描述，更详细地考虑使用如同图3A中一样的偏振元件2与交叉耦合元 件16之间的光学相位调制器4的光纤电流传感器10的实施例。然而，本发明能够同样应用于 光纤传感器的不同实施例，特别是具有偏振元件55与交叉耦合元件16之间的光学分离器54 的实施例，其中下面数学表达式和定量值经受适当修改。此外，假定因感测光纤12中的维尔 德常数引起的线性温度变化通过由光纤延迟器14(参见等式[13])所引入的温度相关性来 中和，即，在上文数值示例中，ε(Το, λ〇)设置为9.5°。在这种情况下，要通过元件16的温度相 关交叉耦合所补偿的二次贡献合计为在这个实施例中，交叉耦合元件16通过 光学延迟器16、优选地从偏振保持光纤的短段所构建的基于光纤的延迟器16来表不，其中 其主轴在相对入局光偏振的取向角ζ下对齐。例如，延迟器16能够插入到如图11所描绘的 偏振保持光纤段11。优选地，所有偏振保持光纤段11具有长度，使得相对相位延迟超过所利 用光源的相干长度。其中交叉耦合元件16的延迟通过δ表示，信号能够近似计算为
注意，通过设置ζ= ±45°，这个表达式与等式[3]所给出的表达式一致。
[0108] 因此，通过将延迟δ(Το，λ())(Β卩，半波延迟或者一般为交叉耦合元件16的延迟)设置 成180°的整数倍，交叉耦合元件16没有引入线性温度相关性。在维尔德常数的成为零的二 阶温度相关性的假设下，总二阶温度相关性则成为：
因此，通过将交叉耦合元件16的延迟S(TQ，AQ)设置成180°的奇数倍，来自交叉耦合 元件16对传感器信号的二次温度相关贡献中和来自延迟器14对传感器信号的二次温度相 关贡献。一个或多个取向角ξ的适当选择一取决于通过CHW · S(T〇，AQ)所给出的延迟 以為/為）微：(其中m为奇数整数）的温度变化一导致成为零的二次温度变化， 即，连同通过解谐四分之一波延迟器14的温度补偿，传感器信号变成与温度无关，一直到温 度的三阶变化。总体上，抛物线=由交叉耦合元件16所引入的二次系数能够通过取向角|、 延迟器的阶数m和量CHW的选择来调谐。量CHW通过用于光纤延迟器16的光纤的双折射的温度 相关性给出，并且能够因此通过线性双折射光纤的适当类型的选择来调谐。典型选择包含 椭圆芯光纤、熊猫或蝴蝶结领结光纤、椭圆包层光纤和微结构化双折射光纤。通过自上的数 值参数并且假定Cm =CQW，设置m=3并且取向角ξ = 5.25°去除传感器的二阶温度相关性。这 在图12中图示，其中由短划线所指示的延迟器14和感测元件12的所计算残余二次温度相关 性通过由实曲线所指示的交叉耦合元件16的所计算温度相关性来中和，使得归一化电流信 号的组合温度相关性变成与温度无关(虚曲线）。
[0109] 如从表达式[16]看到，交叉耦合元件16的延迟δ (Το，λ〇)和取向角ξ的其他选择产 生交叉耦合元件16的不同温度相关性，其在一般情况下也能够优化成补偿例如光纤传感器 的另外组件的(残余)线性温度相关性。具体来说，在光纤电压传感器90中，能够补偿产生于 感测元件12中的电光效应和法拉第旋转器14'的温度相关性的总温度相关性。
[0110] 在本发明的另外实施例中，第一交叉耦合元件能够用来补偿传感器的总波长相关 性，以及第二交叉耦合元件能够用来补偿传感器的残余温度相关性、具体来说是二次温度 相关性。在这种配置(未示出）中，第二交叉耦合元件驻留靠近感测元件12、特别是在与感测 元件12的共同壳体中，以便暴露于与感测元件12相同或类似的温度;而第一交叉耦合优选 地与光电子模块10-2或者与光电子模块10-2的至少部分共享共同壳体。在其中感测元件12 和光电子模块10-2的部分共享共同壳体的配置中，第一和第二交叉耦合元件也能够共享共 同壳体。
[0111] 在遍及本申请中，:ta:?iK.解..s.h X / cosx，以及.0 -1./.0G域 是也可写入括号[X]中的任何变量；以及乘法能够通过点*或者简单地通过变量之间的空格 来表示。
[0112] 虽然示出和描述本发明的当前优选实施例，但是要理解，本发明并不局限于此，而 是可在下面权利要求书的范围之内另外以不同方式来实施和体现。具体来说，也对方法公 开与传感器相关的实施例或特征，并且反之亦然。
[0113] 所引述的参考文献
[0114] 参考标号列表
光源1 光纤鍋合器101 光纤偏振器2 偏振分尚器24 45°光纤接头3 光学相位调制器4 y类型光学相位调制器、偏振器41 90°光纤接头42 偏振保持光纤親合器43 光学延迟元件44 检测器5、5-1、5-2 集成光学偏振分离器模块50 隔呙片53 分离器54 偏振器55a 偏振器55b 偏振器55c 四分之一波延迟器56 信号处理器6 光纤电流传感器10 传感器头端10-1 光电子模块10-2 偏振保持光纤11 感测元件(光纤、晶体)12 导体13 光学延迟器14 法拉第偏振旋转器14' 反射器15 法拉第偏振旋转器反射镜15 ' 交叉耦合元件(延迟器、法拉第旋转器）16 光纤段16-1、16-2 温度稳定环境160 磁光材料161 磁体162 透镜163 光学电压传感器90。
【主权项】
1. 一种光纤传感器（10)，包括： 光源（1)、偏振元件（2,41，55&，24)、检测器（5)、偏振保持01)光纤（11)和感测元件 (⑵， 其中所述传感器（10)还包括所述偏振元件（2,41，55&，24)与所述感测元件（12)之间的 光路径中的交叉耦合元件（16)，其中所述交叉耦合元件（16)生成所述PM光纤（11)中的基本 模式的两个正交偏振之间的所定义交叉耦合，并且其中所述交叉耦合元件（16)和所述感测 元件(12)沿所述光路径分离。2. 如权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件（16)和所述感测元件（12) 通过从由下列项所组成的编组中选择的至少一个来分离:PM光纤（11)的至少一段、延迟器 (14)、法拉第旋转器(14'）及其组合。3. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)是除 了所述PM光纤（11)之外还存在、具体来说除了具有正交偏振之间的残余交叉耦合的非理想 PM光纤(11)之外还存在的单独元件(16)。4. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述感测元件（12)对于从电 场、磁场或应变场所选择的外部场是敏感的。5. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)被设 计，使得通过所述交叉耦合的所述波长相关性所引入的所述传感器信号中的偏移平衡通过 另外传感器元件的所述波长相关性所引入的信号偏移。6. 如权利要求5所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)被设计，使得通过所 述交叉耦合的所述波长相关性所引入的所述传感器信号中的偏移平衡通过所述法拉第效 应或者所述电光效应所引入的信号偏移。7. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)包括 光学延迟器或法拉第旋转器。8. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)包括 通过非零量或相位β(λ。)从准确半波延迟或准确多阶半波延迟所解谐的延迟器（16)。9. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)是光 纤延迟器(16)，其包括双折射光纤，具体来说是椭圆芯光纤或者微结构双折射光纤。10. 如前述权利要求中的任一项、具体来说是权利要求8或9所述的传感器（10)，其中， 所述PM光纤（11)的主光轴和所述交叉耦合元件（16)的主光轴相对彼此旋转± (45° ± 22.5°)的范围中、具体来说在±(45° ±10°)的范围中的取向角ζ。11. 如前述权利要求1至9中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件 (16)是具有相对所述PM光纤（11)的所述主轴形成± 15°的范围中或者90° ± 15°的范围中的 取向角ξ的主轴并且具有等于± 20°之内的180°的整数倍的半波延迟S(TqAq)的半波延迟 器(16)，以实现对给定温度范围之内一直到二阶的温度不敏感的传感器信号。12. 如前述权利要求1至10中的任一项所述的传感器（10)，包括延迟器（14)，其调整成 补偿通过所述交叉耦合元件（16)和/或所述传感器（I0)中的其他光学元件、具体来说是所 述感测元件(12)的温度变化所引起的所述传感器信号中的偏移。13. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，包括延迟器（14)，其调整成补偿通 过从由下列项所组成的编组中选择的元件的任何的温度变化所引起的所述传感器信号中 的线性温度相关偏移:所述交叉耦合元件（16)、所述感测元件（12)、所述传感器(10)中的另 外光学元件;具体来说，其中所述延迟器(14)引入所述传感器信号中的二次温度相关偏移。14. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，来自所述交叉耦合元件（16) 对所述传感器信号的二次温度相关贡献中和来自其他元件、具体来说来自所述延迟器(14) 对所述传感器信号二次温度相关贡献。15. 如前述权利要求1至13中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件 (16)是温度稳定的。16. 如权利要求15所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)包括无热光纤延迟 器(16-1，16-2)，以形成固有温度稳定的交叉耦合元件（16)。17. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述交叉耦合元件（16)位于 与光电子模块(10-2)的共同壳体内，所述光电子模块（10-2)包括至少用于调制或偏置光波 的微分相位的有源或无源元件(4，41，43，54，55a，55b，55c，56)。18. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述感测元件（12)包括要环 绕导体(13)并且要在操作中暴露于所述导体(13)中的电流I的磁场的感测光纤(12)。19. 如权利要求1至17中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述感测元件（12)包括电 光晶体(12)或电光纤(12)或者连接到压电材料的光纤。20. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述感测元件（12)与反射元 件（15,15'）端接。21. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，所述光源（1)没有与有源加 热或冷却元件进行热接触。22. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器（10)，其中，具有所述交叉耦合元件（16) 的所述光路径包括所述偏振元件(2,41，55a，24)与所述感测元件（12)之间的光学相位调制 器(4,41)〇23. 如前述权利要求1至21中的任一项所述的传感器（10)，其中，具有所述交叉耦合元 件（16)的所述光路径包括所述偏振元件(2,41，55a，24)与所述感测元件（12)之间的光学分 束器(54)。24. 如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，供用作高压输电网的一部分。25. -种测量电流、磁场、电压、电场或应变场的方法，具体来说是一种使用如前述权利 要求1至24中的任一项所述的传感器的方法，所述方法包括下列步骤或方法元件： -使用具有偏振元件(2，41，55a，24)的光源（1)来生成偏振光， -经过偏振保持(PM)光纤（11)将所述光传递到感测元件（12)中并且从所述感测元件 (12)回传给光检测器(5)，以确定指示所述光中的相移的信号，以及 使用位于所述偏振元件（2,41，55a，24)与所述感测元件（12)之间的所述光路径中的交 叉耦合元件（16)来通过所述交叉耦合元件（16)的所述波长相关性所引入的所述传感器信 号中的偏移平衡通过因其他传感器元件引起的所述波长相关性所引入的信号偏移和/或通 过所述交叉耦合元件（16)的二次温度相关性所引入的所述传感器信号中的这类偏移来平 衡通过因其他传感器元件引起的二次温度相关性所引入的信号偏移。26. 如权利要求25所述的方法，还包括下列步骤或方法元件:通过在所述交叉耦合元件 (16)中引入所述偏振状态之间的+與滅，来调谐所述PM光纤（11)的基本模式的 偏振状态之间的所述交叉耦合，其中m是包含零的整数，以及β(λ〇)不为零，并且被选择，使 得所述交叉耦合平衡因其他传感器元件引起的测量信号中的波长相关偏移。27. 如权利要求25或26所述的方法，还包括下列步骤或方法元件:通过提供热稳定环境 和/或通过使用无热交叉耦合元件（16-1，16-2)，来降低交叉耦合元件（16)的温度相关性。28. 如权利要求25至27中的任一项所述的方法，其中，所述交叉耦合元件（16)是具有 相对所述PM光纤（11)的所述主光轴形成± 15°的范围中或者90° ± 15°的范围中的取向角ζ 的主光轴并且具有等于± 20°之内的180°的整数倍的半波延迟S(TqAq)的半波延迟器 (16)，以实现对给定温度范围之内一直到二阶的温度不敏感的传感器信号。29. 如权利要求25至28中的任一项所述的方法，还包括使用延迟器（14)的步骤或方法 元件，所述延迟器（14)调整成补偿通过所述交叉耦合元件（16)和/或所述传感器中的其他 光学元件、具体来说是感测元件(12)的温度变化所引起的所述传感器信号中的偏移。30. 如权利要求25至29中的任一项所述的方法，还包括使用延迟器（14)的方法元件，所 述延迟器（14)调整成补偿通过从由下列项所组成的编组中选择的元件的任何的温度变化 所引起的所述传感器信号中的线性温度相关偏移:所述交叉耦合元件（16)、所述感测元件 (12)、所述传感器(10)中的其他光学元件;具体来说，由所述延迟器(14)引入所述传感器信 号中的二次温度相关偏移。31. 如权利要求25至30中的任一项所述的方法，还包括下列方法元件:通过来自所述交 叉耦合元件（16)的所述传感器信号中的二次温度相关偏移来补偿来自其他元件、具体来说 来自所述延迟器(14)的所述传感器信号中的二次温度相关偏移。32. 如权利要求25至31中的任一项所述的方法，还包括下列步骤或方法元件:使用要环 绕导体(13)并且在操作中暴露于所述导体(13)中的电流I的磁场的作为所述感测元件（12) 的感测光纤(12)来测量电流或磁场。33. 如权利要求25至32中的任一项所述的方法，其中，通过另外传感器参数的所述波长 相关性所引入的所述偏移包含通过下列任何或全部的波长相关性所引入的所述偏移:所述 光路径中的延迟器（14)或法拉第旋转器（14'，15'）或者所述感测元件（12)的所述维尔德常 数。34. 如权利要求25至31中的任一项所述的方法，还包括下列步骤或方法元件:使用电光 晶体（12)或电光纤（12)或者连接到压电材料的光纤作为所述感测元件（12)来测量电压或 电场。35. 如权利要求25至34中的任一项所述的方法，还包括下列步骤或方法元件:测量高压 输电网的导体的所述电流和/或电压。36. 如权利要求1所述的、具有或没有如权利要求1所述的交叉耦合元件（16)的传感器 (90)，所述传感器(90)具有:至少一个光源（1)和至少两个光检测器(5-1，5-2);至少三个光 学传输通道，其中一个通道提供用于所述光到所述感测元件（12)的正向通道的一个通道和 提供用于所述光到所述检测器(5-1、5-2)的返回检测器通道的两个通道；以及光学偏振分 离器模块、具体来说是集成光学偏振分离器模块(50)，用于在光波的两个不同集合之间引 入静态偏置光学相移，在非零被测对象场存在的情况下在所述感测元件（12)中具有不同速 率，并且用于将包含所述静态偏置光学相移和通过所述被测对象场所引起的光学相移的总 光学相移转换为所述至少两个检测器通道中的相反符号(反相)的光学功率变化；以及偏振 保持(PM)光纤（11)，其中所述PM光纤（11)直接地或者经由至少一个延迟器或法拉第旋转器 元件（14'）间接地连接到所述感测元件（12)，并且其中所述被测对象场是电压或电场，以及 所述感测元件（12)对所述电压或电场进行响应。37.如权利要求36所述的作为媒介或高压传感器(90)的传感器。
【文档编号】G01R15/24GK106030318SQ201480075945
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年12月19日
【发明人】G.米勒, K.博纳特, A.弗兰克, P.加布斯
【申请人】Abb 技术有限公司