光纤传感器和电流或磁场传感器的制作方法

专利名称：光纤传感器和电流或磁场传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器系统领域。本发明涉及传感器头、电流或磁场传感器、高压设备以及用于制造如独立权利要求前序部分中所主张的传感器头的方法。
背景技术：
在例如EP 0 856 737 A1中公开了一种这样的传感器头。该文献描述了一种具有传感器头的光纤电流传感器，所述传感器头包含传感器纤维，所述传感器纤维设置在毛细管中并且形成传感器线圈。去除传感器纤维的纤维涂层，然后对所述纤维进行热处理以便去除导致干扰影响的机械应力，所述干扰影响由非故意的双折射引起。这将使传感器测量值具有更佳的温度稳定性。惰性气体或油被引入毛细管以便防止湿气或化学侵蚀性蒸汽进入毛细管内部，这样会化学地损坏去除了纤维涂层的传感器纤维。
此类传感器头的缺点在于其传感器纤维是不可弯曲的。因此，该传感器线圈不具有可变形状，而是只能具有固定的、预定的形状。因此，在不断开电流导体的情况下，该传感器不适用于测量在电流导体中流动的电流。若线圈直径较大，则固定线圈形状还不利于运输和安装。若此类传感器的线圈被设计成可弯曲的，则将对其精确度产生不利影响，同时不能确保稳定的测量灵敏度。
此外，JP 2001-083187和JP 2001-121675公开了一种光纤电流传感器和相应的传感器头，其允许传感器线圈回路被设置在电流导体周围而无需中断该电流导体。为此，将传感器的传感器纤维在其两端粘接到相应的刚性半圆形框架块，而该两个框架块通过铰链彼此连接，且在处于闭合状态时形成一个环，传感器纤维在该环的外表面上行进。通过此类传感器不可能获得千分之一范围内的测量精确度，并且在有限的空间条件下更加难以输送和安装。

发明内容
本发明的一个目的是提供以上介绍中所提到的类型的、无上述缺点的传感器头和电流或磁场传感器。本发明的一个特定目的是通过能够以好的方式安装的传感器头使得能够实现在很大程度上独立于温度且精确的电流或磁场测量，其目的是使得能够使用如所要求的较大的传感器线圈直径进行测量，例如对横截面较大的电流导体中的电流进行测量。
具体的，本发明的一个目的是即使在传感器线圈被反复地拆除和改装时仍然能够获得高测量精确度并且无需对传感器进行重新校准。其目标是可在(传感器线圈或传感器的)制造过程中对传感器进行校准，然后将该传感器纤维改变为不同的形状，随后将其安装在使用位置再次形成线圈而无需对传感器进行重新校准。
其目的是在无需断开所述电流导体的情况下将所述传感器和传感器线圈装配在电流导体周围。
本发明的这些目的通过具有独立权利要求所述特征的传感器头和传感器来实现。
根据本发明，一种用于电流或磁场传感器的光纤传感器头具有包括磁光活性传感器纤维的光纤，所述磁光活性传感器纤维光学连接到至少一个偏振限定元件，其中所述传感器纤维可以线圈的形状设置在载有待测电流的导体周围，或设置在待测磁场中，其中所述线圈限定了具有表面法线的线圈平面，并且所述至少一个偏振限定元件具有标记轴或优选轴。
此外，所述传感器头在所述传感器纤维的区域内是可弯曲的(柔性的)，并且提供调节装置来调节标记轴和表面法线之间的可预定角β或者调节多个标记轴和表面法线之间的可预定角β、β’。当存在两个偏振限定元件时，一个偏振限定元件的标记轴与表面法线之间的角为β；另一个偏振限定元件的标记轴与表面法线之间的角为β’。
所述传感器纤维是一种至少未在传感器纤维材料的软化温度进行热处理的纤维。因此，所述传感器纤维保持在显著可弯曲的状态，使得所述传感器纤维在相当大的程度上更加易于制造大直径线圈的传感器头并且易于安装所述传感器头。
将纤维涂层从传感器纤维上去除。由于已从传感器纤维上去除其纤维涂层，因此可避免机械力引入不良的双折射，所述机械力通常在温度发生变化的情况下出现且由纤维涂层施加在纤维上。这是因为，通常情况下，纤维涂层与包层的热膨胀系数不同。此类干扰双折射通常导致1％至2％或更大的测量误差。
这里，术语“线圈(coil)”并非意味着所述线圈必须具有一个或多个闭合匝或者必须具有圆形匝或设置为螺旋形状的匝。
不可否认，对于电流传感器而言，这些特征是有益的。但是，对于磁场传感器，线圈不一定必须是闭合的；事实上，传感器纤维以相当细长的形式沿磁场延伸是有利的。即使在这类情况下，这里仍说将传感器纤维设置成线圈形状。如果，举例而言，纤维呈弓形设置，则线圈平面被限定为包含此弓形的平面。在传感器纤维被设置为完全线性形状的情况下(无弯曲)，其不会形成线圈并且也不再限定线圈平面。
本发明的考虑使得角β或角β、β’可对校准具有较小的影响，所述角β或角β、β’限定了偏振限定元件关于线圈平面的方位角指向。其通常在千分之几的范围内，但是也可在百分之几的范围。因此，对于高精度测量，必须分别考虑角β或角β、β’。下文将详细说明带来对角β或角β、β’的相关性的识别的创造性考虑。
一般而言，根据本发明的传感器提供与相移成比例的测量信号，所述相移依赖于测量变量。校准实质上意味着寻找并且设定常数因子(校准因子)，使得可预先确定的电流(例如1KA)或可预先确定的磁场产生期望的输出信号(例如1刻度或1V)。若在固定或安装传感器头之前或期间校准因子发生变化，则将对传感器的测量精确度产生不利影响，就会指示重新校准。
一种创造性的传感器头通常提供用于使用反射结构的传感器或使用Sagnac结构的传感器。在前一种情况下，在传感器纤维的一端提供反射(mirroring)，而在另一端提供偏振器或相位延迟元件，或偏振维持供给纤维。所述偏振器、相位延迟元件或供给纤维分别限定了进入传感器纤维的光的偏振状态。因此，其被用作偏振限定元件。线圈平面的表面法线与偏振限定元件的标记轴(对于偏振器为沿传送方向的轴；对于相位延迟元件或偏振维持供给纤维为主轴之一，例如慢速主轴)之间的角为β。
在偏振维持供给纤维或光纤偏振器的情况下，在相位延迟元件或传感器纤维之前紧邻的轴方向或通过方向为决定因子，因为供给纤维或纤维偏振器可被扭曲，使得轴方向沿纤维变化。
在Sagnac结构中，传感器纤维的两端各具有一个这样的偏振限定元件，以致出现两个角β、β’，所述角β、β’可选择具有不同的量值。在Sagnac结构的传感器中，如果想要在不必打开导体的情况下配置传感器头，那么在安装期间必须进行拼接或插入过程。
有利的是将用于固定角β或两个角β、β’的机械装置用作调节装置。
将传感器纤维设置在毛细管中是极其有利的。毛细管可向已去除纤维涂层的纤维提供机械保护，并且防止外力作用在纤维上。
当随电流或磁场传感器的校准和线圈在使用位置处的安装而将传感器纤维改变为不同的形状时，有利的是提供调节装置以便获得传感器纤维整体双折射的再现性(因为调节装置可用于可再现地设定角β或可再现地设定角β、β’)。
实践中，该整体双折射基本上由以下成分组成
—弯曲引起的双折射；—由传感器纤维的内应力和传感器纤维的纤芯不具有完全旋转对称形状引起的固有双折射；—传感器头内纤维接合处的应力；以及—由传感器纤维在无应力状态下不是精确线性而是具有初始弯曲这一事实所引起的双折射。
这些双折射成分的出现在千分之几或百分之几的范围内影响测量信号，难以避免，但是在根据本发明的具有所提到的优点的传感器的情况下，这些成分对测量信号的联合影响可被再现。
在一个有利的实施例中，调节装置包括安装体，其上固定有至少一个偏振限定元件。
有利的是所述安装体为柔性可变形安装体。其优点为安装体的形状(由此传感器头的形状)可适应外部条件(可用空间，使用位置处预先确定的几何形状)，更易于安装并且易于输送且输送节省空间。
可有利地设计所述安装体，使得通过安装体和偏振限定元件的固定来定义至少一个角β。
特别有利地以这样的方式设计所述安装体，使得通过所述安装体和偏振限定元件到该安装体的固定来定义一个或多个标记轴关于所述线圈平面的相对位置。所述安装体可有利地预先确定线圈的形状。
在一个尤其有利的实施例中，传感器纤维沿安装体的纵轴延伸。因此，可通过安装体的形状预定线圈的形状。将安装体的优选弯曲方向预定为与纵轴成直角是有利的。若安装体可弯曲，则能够预定可将所述安装体形成为线圈形状的方式。因此，安装体可弯曲是有利的(至少对于一个标记的或优选的弯曲方向)。且线圈的形状也可与外壳的形状相匹配。
在一个优选实施例中，当安装体在优选的弯曲方向上弯曲时，传感器纤维被设置在安装体中性面上或靠近所述安装体中性面。这将使传感器纤维在通过弯曲安装体形成线圈期间所经受的机械应力最小化。这将实现更高的测量精确度并且使得使用传感器头进行测量的传感器具有更高的校准稳定性。
尤其有利的是基于下列各项来选择角β或角β、β’—传感器纤维的固有双折射和接合处的双折射；—弯曲引起的双折射，以及—由传感器纤维的初始弯曲引起的双折射；所述选择方式使得弯曲引起的双折射的变化，或者角β或角β、β’的变化对由具有所述传感器头2的电流或磁场传感器产生的测量信号的影响最小化。
已发现，这种适当的特定角β的选择是可能的。可确定所提到的双折射；此外，举例而言，可通过琼斯矩阵基于角β来计算相应的测量信号，例如标准化信号。这得到所寻求的角β。测量信号是获自测量期间光在传感器头内传播时所经历的相移，并且基本上与待测量的电流或磁场成比例。
在一个优选实施例中，传感器纤维基本上设置在线圈平面内。在这种情况下(在反射干涉测量传感器的情况下)，偏振限定元件为偏振维持供给纤维，在偏振维持供给纤维与传感器纤维之间设置相位延迟元件，并且其相位延迟角与理想相位延迟元件的相位延迟角相差非零的角ε，并且角β为β＝0°±n×90°或β＝45°+n×90°，其中n为正整数或零；或者(在使用Sagnac结构的干涉测量传感器中)，偏振限定元件为两个具有相位延迟元件的供给纤维，其每一个设置在供给纤维与传感器纤维之间，且该两个相位延迟元件中的至少一个的相位延迟角与理想相位延迟元件的相位延迟角相差非零的角ε，并且角β、β’被选择为β＝β′＝0°±n×90°或β＝β′＝45°±n×90°，其中n为正整数或零。
通常选择非零角ε以实现对传感器的固有温度补偿。在Sagnac结构的情况下，供给纤维有利地是偏振保持纤维；但是，其也可为不同的纤维类型，例如单模纤维，并且在每种情况下仍具有偏振器，通过所述偏振器定义偏振限定元件的标记方向。
选择角β或角β、β’为0°±n×90°，可使线圈形状的变化对传感器精确度和校准的影响降到最低程度，因为弯曲引起的双折射变化的影响对测量信号具有最小的影响。
选择角β或β、β’为45°±n×90°，可使角β、β’的变化对测量信号的影响降到最低程度。也可通过角β和β′的不同组合实现此最小化，其中β和β′互不相同。
只要固有双折射不大于弯曲引起的双折射，即可实现选择角β或角β、β’为0°±n×90°或45°±n×90°的优点。
本发明的一个极其有利的实施例的特征在于提供标记并且将其应用于调节装置，使得当这些标记彼此以适当的方式设置时线圈具有整数匝数。这以简单的方式实现精确的电流测量，其在很大程度上对干扰不敏感。传感器纤维的两端可设置为彼此极为靠近，一方面，通过整数线圈匝数进行的电流测量对电流导体在线圈中的位置极为不敏感，另一方面，未通过线圈的导体中的电流以及其它干扰场的影响小到可忽略不计。举例而言，在目的是测量多个邻近电流导体中的一个或多个的电流时，此尤为重要。
有利的是，诸如此类的标记被装配为紧靠传感器纤维的两端，或靠近传感器纤维的两端，或至少间隔传感器纤维的长度。举例而言，可将孔用作诸如此类的标记。
也可将这些标记提供在调节装置上以用于调整标记轴与表面法线之间的可预定角β或者调整多个标记轴和表面法线之间的可预定角β、β’。则所述调节装置为调节整数匝数的调节装置。
有利的是，毛细管和/或传感器纤维基本上是由石英玻璃构成。
根据本发明的电流或磁场传感器包含本发明的传感器头，并且具有相应的优点。此类传感器最好是a)采用反射结构的干涉测量传感器，其具有作为该一个偏振限定元件的偏振维持供给纤维，且一个标记轴为供给纤维的快主轴或慢主轴；或b)采用Sagnac结构的干涉测量传感器，其具有两个作为偏振限定元件的偏振维持供给纤维，且两个标记轴为两个供给纤维的快主轴或慢主轴(或者每个标记轴既是快主轴又是慢主轴)；或c)采用反射结构的偏振测量传感器，其具有作为偏振限定元件的偏振器或者作为偏振限定元件的偏振维持供给纤维，其中一个标记轴分别沿偏振器的传送方向或沿偏振维持供给纤维的主轴走向；或d)采用Sagnac结构的偏振测量传感器，其具有两个作为偏振限定元件的偏振器或两个作为偏振限定元件的偏振维持供给纤维，其中两个标记轴分别沿两个偏振器的传送方向或沿偏振维持供给纤维的主轴走向。
在a)和b)的情况下，也可将光学连接到传感器纤维的相位延迟元件或者两个各自光学连接到传感器纤维每一端的相位延迟元件用作偏振限定元件或多个偏振限定元件。
在b)的情况下，所述两个偏振维持供给纤维中的至少一个可由如单模纤维等不同类型的纤维和偏振器进行替换。因此，偏振器的通过方向指示标记方向。
根据本发明的高压设备具有至少一个本发明的传感器头或本发明的电流传感器。举例而言，高压设备可有利地为例如气体绝缘或空气绝缘类型的三极高压成套开关设备。
根据本发明，提供一种用于制造光电流或磁场传感器的传感器头的方法，其中将光学连接到至少一个偏振限定元件的磁光活性传感器纤维设置为线圈的形状，并且将至少未在传感器纤维材料的软化温度经热处理的纤维用作传感器纤维，所述线圈定义了具有表面法线的线圈平面，所述偏振限定元件具有标记轴，并且对具有盘绕成圈的传感器纤维的电流或磁场传感器进行校准，且所述传感器头具有调节装置，当传感器纤维再次被设置为线圈形状时，通过所述调节装置可将偏振限定元件的标记轴与表面法线之间的角β的量值调节为与校准期间的量值相同，所述方法的特征在于使用已去除纤维涂层的传感器纤维。
以此方式制造的传感器头的优点在于可进行极为精确的测量，而在传感器线圈发生变形后无需重新校准。此类传感器头可被预先校准，并且可易于安装在使用位置。
从附属权利要求和附图中可易于了解本发明的其它优选实施例及优点。


以下将使用本发明的示例性优选实施例来更详细地解释本发明的主题，所述实施例将在附图中示出，其中图1示意性示出了根据本发明的传感器头。
图2示意性示出了针对具有椭圆形纤芯横截面的纤维的角β的定义。
图3示出了标准化信号和角β之间的计算关系。
图4示出了标准化信号和角β之间的计算关系以及对应的实验确定值。
图5示意性示出了传感器纤维区域内根据本发明的传感器头的截面。
图6示意性示出了采用Sagnac结构的干涉测量传感器的配置。
图7示意性示出了反射干涉测量传感器的配置。
后附参考符号列表中以简要的形式列举了附图中所使用的参考符号及其含义。原则上，附图中相同的部分或具有相同功能的部分被以相同的参考符号指代。所描述的例示性实施例表示本发明主题的实例，而无限制性。
具体实施例方式图1示意性示出了根据本发明的具有反射结构的传感器头2。偏振维持供给纤维5被用于将传感器头2连接到未示出的光电子模块。通过供给纤维5注入的光首先进入光纤相位延迟元件4，其被以放大形式示出且用于产生圆形或椭圆偏振。相位延迟元件4位于传感器纤维3的一端，所述传感器纤维3被设置为围绕导体L的具有一匝的线圈8的形状。传感器纤维3的另一端镜面化或提供有反射镜24。传感器纤维3有利地具有额定极低的双折射。其所具有的维尔德常数使得法拉第效应有可能实现在传感器纤维3中传播的光波的非互易相移。
光纤3、4、5被固定到用作调节装置10的安装体11。由玻璃纤维增强塑料构成的带用作安装体11。
线圈8有利地具有整数匝数，其定义了具有表面法线Ns的线圈平面A。线圈8还可具有多匝，且尤其可具有例如螺旋形状(spiral)或螺线形状(helical)的多匝(还包括非整数匝数)。总是可以定义线圈平面A。
在此情况下，充当偏振限定元件4的相位延迟元件4具有快主轴f和慢主轴s作为两个标记轴。在此情况下，由表面法线Ns和快轴f形成的角度被称为角β。
相位延迟元件4附着在塑料带(stripe)11上，因此其关于塑料带11的相应区域的位置和角方位被固定。
安装体11的横截面的几何形状预定了塑料带11可优选地沿其弯曲的径向方向(优选因为此涉及施加相对较小的力)，从而可预定线圈平面A关于快轴f的相对位置。由此，可预定角β。所述安装体也可由非各向同性材料或材料的组合制成，从而由材料而非横截面几何形状产生所述优选弯曲方向。
此外，在安装体上还提供两个标记9a、9b，每一个为两个孔的形状。可通过这些孔9a、9b以所定义的方式将传感器纤维的两端设置为彼此紧密邻近，从而形成几乎是完全封闭的具有整数匝数的线圈8。为了更清晰地对此进行说明，图1示出的传感器纤维两个末端彼此间隔一定的距离。
在传感器头2的制造过程中，可对包含传感器头2和光电子模块的传感器进行校准，在此过程中可预定角β。随后，可以不同的方式设置传感器头2，例如更紧紧地卷起以用于输送目的，并且可以与在校准期间相同的方式或不同的方式将传感器头2设置在传感器的使用位置。当然，调节装置10可再次选择角β以使其与校准期间的量值完全相同，从而无需为获得高测量精确度对处于使用位置的传感器进行重新校准。到这个程度，调节装置10允许可再现地设定角β。
图2示意性示出了具有椭圆形纤芯横截面的纤维的角β的定义。此纤维可为供给纤维5或光纤相位延迟元件4。纤维包层27设置在纤芯28周围，其限定了主轴s、f的位置。所述纤维还具有围绕纤维包层27的纤维涂层29。
传感器纤维3有利地不具有此类纤维涂层29。
由于以下原因，偏振限定元件4关于线圈平面A的方位角的固定是有利的[60]在反射干涉测量传感器的情况下，由在传感器纤维3中待测量的电流I引起的在传感器纤维3中传播的左手和右手圆形偏振光波之间的相移ΔR为[61]ΔR＝4F＝4VNI[62]其中F为法拉第相移V·N·I，其中V为传感器纤维的维尔德常数，N为线圈匝数，I为电流。在此情况下，假设相位延迟元件4为λ/4元件，相位延迟元件4的双折射主轴与供给纤维5的双折射主轴成45°角。仅当传感器纤维3不具有任何双折射时，上述等式精确成立。
然而，即使在纤维3额定具有极低双折射的情况下，仍存在轻微的双折射。
实践中，引起不可忽略的双折射的成分如下(1)弯曲引起的双折射；(2)由纤维的内应力和传感器纤维3的纤芯不具有完全旋转对称形状引起的固有双折射；(3)纤维接合处的应力，例如λ/4元件4与传感器纤维3之间的纤维接合处的应力；以及(4)由传感器纤维3在无应力状态下不是精确线性而是具有初始弯曲这一事实所引起的双折射，这一事实的结果是，被设置为线圈形状的纤维3关于其自身的轴的旋转引起双折射的变化。
在角β发生变化时，成分(2)和(3)的轴变化相同角度。然而，成分(1)的双折射主轴总是分别保持与弯曲方向平行或成直角。因此，当角β，即纤维3a的方位角发生变化时，整体双折射发生变化。
成分(4)通常小于其它成分，或为零。成分(4)同样取决于角β这一事实是由其性质所引起。
考虑到双折射的存在，借助于琼斯矩阵对光的传播的描述可获得由传感器纤维3中待测量的电流I引起的在传感器纤维3(反射干涉测量传感器)中传播的左手和右手圆形偏振光波之间的更为精确的相移值ΔR[68]ΔR＝4F·(1+(1/3)·δ2)[69]其中δ为传感器纤维3中的总双折射相移。考虑到成分(1)至(4)的个别项和β依赖性，此导致ΔφR＝4F{1+(1/3)[δb2+δ02+(1/2)δ12]+(2/3)[δbδ0+(1/4)δ12]cos(2β)+(1/3)[(δb+2δ0)cosβ+δbcos(3β)]δ1}[70]其中具有以下缩写δb由成分(1)引起的，即弯曲引起的双折射相移；δ0由成分(2)和(3)引起的，即由固有双折射和接合处的双折射引起的双折射相移；δ2由成分(4)引起的双折射相移。
类似的考虑事项适用于Sagnac结构的情形和偏振测量传感器的情形。
图3再次示出对于反射干涉测量传感器的标准化信号SN和角β之间的计算关系。在此情况下，被当作是偏振限定元件5的偏振维持供给纤维5具有快和慢主轴作为两个标记轴。在此情况下，由表面法线Ns和快轴形成的角被称为角β，用于图3和4中的计算。这些计算也是基于传感器纤维基本上被设置在线圈平面这一假设。
标准化信号的定义如下[74]SN＝ΔR/4F[75]其中，图3中示出δ0＝2.2°和δ1＝0°且δb值为0°、1.1°和2.2°时的SN。SN在±1‰或±2‰的范围内变化。值δb＝1.1°对应于在初始线性延伸的石英纤维被缠绕形成一匝线圈，且在线圈直径为1m，纤维直径为80μm情形下由弯曲引起的双折射。图3中的计算是基于相位延迟元件4为完全λ/4元件这一假设，即，产生精确的90°的相位延迟的元件。
为了实现固有温度补偿，可使用相位延迟元件4，其产生不同的相位延迟角90°+ε。可在欧洲专利申请案EP 1115 000或国际公开说明书WO 03/071290 A1中找到与温度补偿相关的进一步的细节，这两篇文献的整个公开内容由此被引用本说明书中。在此类温度补偿的情形中，供给纤维与相位延迟元件的主轴之间的角也可有利地选择为非45°。
考虑到不可忽略的角ε，对于δ0＝0°和δ1＝0°且δb的值为0°、0.666°和1.332°的情况，即，对于所有双折射均由弯曲引起的情况，其导致如图4所示的标准化信号SN的值为角β的函数。实线为计算值，圆形和正方形为实验确定的值。已考虑了ε＝13°的情况。研究了δb＝0.666°的情况下的直径为80μm且线圈半径为0.821m的纤维。如图4所示，若忽略角β，则可产生百分之几的波动。
下列等式同样是利用琼斯体系衍生而得，其用作图4中计算曲线的基础ΔφR=const×tan-2(T12′/T12′′)1-2(T12′/T12′′)2]]>[79]其中 且 [80]图5示意性示出了在传感器纤维3的区域内根据本发明的传感器头的截面。去除纤维涂层的传感器纤维3被安装在毛细管中，该毛细管还包含摩擦降低装置7，例如硅油。摩擦降低装置7使传感器纤维3与毛细管6之间的摩擦力最小化。
毛细管6被设置在沿塑料带11的纵轴延伸的凹槽内，其中所述塑料带11充当安装体11。毛细管6借助于硅树脂26安装在凹槽内。其可沿整个传感器纤维3连接或在离散点处连接。该连接可防止毛细管6在凹槽内扭曲。
毛细管6被设置在安装体11的中性面12内以便在安装体11弯曲的期间使毛细管6和传感器纤维3内的机械应力最小化。这确保了传感器纤维3靠近安装体11的中性面12设置。毛细管6还可有利地具有毛细管涂层。这可防止在传感器头频繁弯曲的情况下在毛细管表面出现显微裂缝。此类显微裂缝会导致毛细管破裂。
如果不使用任何毛细管将传感器纤维3设置在由玻璃纤维增强塑料构成的带11上，则有利的是将传感器纤维本身设置在安装体11的中性面12上。
由于传感器纤维3沿调节装置10延伸，因此可通过调节装置10预先确定线圈的形状。
这再次使得在线圈被再次打开和闭合时，可能使弯曲引起的双折射的变化降到最低程度。同样参照上述成分(1)。
还可能提供一种调节装置10，该调节装置举例而言具有可通过(例如)插入装置或夹具靠近传感器纤维3的末端设置且可关于彼此定向的两块，同时，传感器纤维3的中心部分的形状不受调节装置10控制。在此情况下，调节装置的第三块用于相对于其它两块预定义线圈平面。举例而言，第三块可为外壳，其预定义线圈平面但是不会太多地限制线圈平面内线圈匝的形状。
此类第三块也可为预定义线圈平面内线圈的形状的外壳，其中所述线圈平面由作为安装元件的塑料带11预先确定。
在此类情况下，即，当必须提供不同的线圈形状时，弯曲引起的双折射这一成分(4)可在校准和该传感器头在使用位置处的安装之间发生显著变化。换句话说，若必须提供变化的线圈形状，则选择角β＝0°+n×90°用于结合图4所描述的配置是尤其有利的，其中n为正整数或零。因此，如图4所示，弯曲引起的双折射对测量信号和校准的影响可被最小化。
但是，如果线圈的形状是已知的并且在校准过程中和在使用位置处是相同的，例如，因为使用了毛细管6或传感器纤维3完全固定的安装体，那么选择角β＝45°+n×90°用于结合图4所描述的配置，从而可使角β的非完全固定的影响降到最低程度是极其有利的。从图4可以看出，当选择β＝45°±n×90°时，β对标准化信号SN的影响是最小的。
从图3可以看出，对于相位延迟元件不具有不同于理想相位延迟元件的相位延迟角(即，ε＝0°)的情况，必须计算针对预期应用的最佳角β(或β和β′)。
为了固定角β，可将相位延迟元件和/或供给纤维直接连接到安装体11或将相位延迟元件和/或供给纤维连接到毛细管6，而毛细管6又连接到安装体11(例如，通过硅树脂26)。还可有利地将该至少一个供给纤维的一部分设置在毛细管6中。
安装体11的横截面形状预先确定了安装体11的优选弯曲方向R(径向)。此方向R的相反方向同样为安装体11的优选弯曲方向。其它方向的特征在于沿此方向弯曲所述安装体(达到相同的半径)需要相当大的力。
举例而言，安装体11的横截面可为10mm×2.5mm。此外，有利的是可利用非旋转对称的横截面，例如椭圆横截面。
对于所述安装体，除了使用环氧树脂材料，还可使用大量的其它材料，甚至包括非铁磁性金属。在使用金属材料的情况下，必须当心以确保传感器纤维在径向上不会被金属完全围绕，否则，涡流将屏蔽待测量的磁场。当目标为分别测量AC电流或具有AC分量的电流或交变磁场时，此尤为重要。
在安装体11上提供两个孔9a并且该两孔的位置靠近传感器纤维3的一端。随后，在传感器纤维3的未图示的一端还必须提供至少一个标记，例如，同样是孔或是匹配销，其简化了形成具有整数匝数线圈的传感器纤维3的设置，同时传感器纤维末端被彼此靠近地设置。也可使用其它标记，优选使用光学或机械标记。随后，可将安装体11的对应部分彼此重叠或彼此并排地设置，并且可通过螺旋连接或通过支架或类似保持装置将其保持在一起(彼此固定)。孔9a还可用于将安装体11固定至外壳。还可通过外部外壳而非调节装置来预先确定线圈的形状。调节装置限定了角方位以及(但不一定)线圈的形状。若选择线圈匝为圆形，则弯曲引起的双折射的影响可被降到最低程度。
图6示意性示出了具有Sagnac结构的干涉测量传感器1的一个可能配置。两个供给纤维5将传感器头2连接到光电子模块13，所述光电子模块13用于光产生和侦测且用于评估。可在参考符号列表中找到所述参考符号的含义。为解释图6，参照同一申请人于2003年9月3日提交给欧洲专利局的申请号为EP 03405641.6的专利申请。除了调节装置10之外，所述申请的图1基本上对应于本发明的图6。参照相关附图描述(所引用的专利申请EP 03405641.6的提交版本的第10页最后一段到第14页第一段)中对传感器设计及其操作的解释，且由此该参考内容明确包含于此公开内容中。
图7示意性示出了反射干涉测量传感器1的一个可能的配置。供给纤维5将传感器头2连接到光电子模块13，所述光电子模块13用于光产生和侦测且用于评估。可在参考符号列表中找到所述参考符号的含义。为了解释图7，参考了同一申请人于2003年9月3日提交给欧洲专利局的申请号为EP 03405641.6的专利申请。除了调节装置10之外，所述申请案的图2基本上对应于本发明的图7。参照相关附图描述(所引用的专利申请案EP 03405641.6已归档版本的第14页最后一段到第15页第一段)中对传感器设计及其操作的解释，且由此该参考内容明确包含于此公开内容中。
根据本发明的传感器头和传感器可用于测量较大的DC电流，如电化学工业或电能冶炼炉中出现的DC电流。由于较大的导体横截面，此处需要较大的线圈直径。
可具有本发明的电流传感器的高压设备的另一实例是高压成套开关设备，例如气体绝缘成套开关设备。有利的是，诸如此类的高压设备在每种情况下每相位或高压导体可具有一个或两个传感器或传感器头。
参考符号列表1 电流传感器2 传感器头3 传感器纤维4 相位延迟元件，偏振限定元件5 供给纤维，偏振限定元件6 毛细管7 摩擦降低装置，油8 线圈9a，9b 标记10 调节装置11 安装体12 安装体的中性面13 光电子模块14 光源，激光器，LED，超发光二极管15 消偏振镜16 纤维耦合器17 相位调制器18 检测器，光电二极管19 信号线20 信号处理器21 控制线22 0°纤维接头或插塞式连接器23 90°接头24 反射，反射端25 偏振保持纤维耦合器26 硅树脂
27 纤维包层28 纤芯29 纤维涂层A 线圈平面f 快轴I 电流L 电流导体，汇流条Ns表面法线N 传感器线圈的匝数R 优选弯曲方向SN标准化信号T 温度V 传感器纤维材料的维尔德常数β，β′角δ 相移δb，δ0，δ1相移ΔR电流引起的相移ε 角F法拉第相移V·N·I
权利要求
1.一种用于光电流或磁场传感器(1)的光纤传感器头(2)，包括光纤，所述光纤包括光学连接到至少一个偏振限定元件(4；5)的磁光活性传感器纤维(3)，所述传感器纤维(3)是至少未在该传感器纤维材料的软化温度经热处理的纤维，所述传感器头(2)在传感器纤维(3)的区域内是可弯曲的，其中所述传感器纤维(3)可以以线圈(8)的形状设置于载有待测电流的导体(L)周围或设置于待测磁场中，所述线圈(8)定义了具有表面法线(Ns)的线圈平面(A)，所述至少一个偏振限定元件(4；5)具有标记轴(f)，并且提供调节装置(10)用以调节所述标记轴(f)与所述表面法线(Ns)之间的可预定角β或调节多个标记轴(f)与表面法线(Ns)之间的可预定角β，β′，其特征在于已从传感器纤维(3)上去除纤维涂层。
2.根据权利要求1所述的传感器头(2)，其特征在于所述传感器纤维(3)设置在毛细管(6)中。
3.根据权利要求1或2所述的传感器头(2)，其特征在于提供所述调节装置(10)以便实现所述传感器纤维(3)的整体双折射的再现性；且在于在校准电流或磁场传感器之后且在将所述线圈(8)安装在使用位置之前传感器纤维(3)改变为不同的形状时，所述调节装置(10)可用于可再现地设定角β或可再现地设定角β、β′。
4.根据权利要求3所述的传感器头(2)，其特征在于所述整体双折射基本上由以下成分组成-弯曲引起的双折射；-由于传感器纤维(3)的内应力和传感器纤维(3)的纤芯不具有完全旋转对称形状而引起的固有双折射；-传感器头(2)内纤维接合处的应力；以及-由传感器纤维(3)在无应力状态下具有初始弯曲这一事实引起的双折射。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于所述至少一个偏振限定元件(4；5)是至少一个偏振器或至少一个相位延迟元件(4)，或至少一个偏振维持供给纤维(5)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于所述调节装置(10)包括安装体(11)，所述至少一个偏振限定元件(4；5)固定于其上。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于所述安装体(11)是柔性可变形安装体(11)。
8.根据权利要求6或7所述的传感器头(2)，其特征在于所述安装体(11)的设计方式使得该安装体(11)和所述偏振限定元件(4；5)的固定限定了所述一个或多个标记轴(f)关于所述线圈平面(A)的相对位置。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于所述传感器纤维(3)沿所述安装体(11)的纵轴延伸；且在于安装体(11)的优选弯曲方向(R)被预先确定为与纵轴成直角。
10.根据权利要求9所述的传感器头(2)，其特征在于当所述安装体(11)在所述优选弯曲方向(R)上弯曲时，所述传感器纤维(3)被设置在所述安装体(11)的中性面(12)内或被设置靠近所述安装体(11)的中性面(12)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于，所述角β或所述角β、β′是基于下列项选择的-传感器纤维的固有双折射和接合处的双折射；-弯曲引起的双折射，以及-由传感器纤维的初始弯曲引起的双折射；所选择的方式使得-弯曲引起的双折射的变化，或者-角β或角β、β′的变化对可由具有所述传感器头(2)的电流或磁场传感器产生的测量信号的影响最低。
12.根据权利要求11所述的传感器头(2)，其特征在于所述传感器纤维(3)基本上被设置在所述线圈平面(A)内，且-在于所述偏振限定元件(5)为偏振维持供给纤维(5)，相位延迟元件(4)设置在所述偏振维持供给纤维(5)与所述传感器纤维(3)之间，且其所具有的相位延迟角与理想相位延迟元件的相位延迟角相差非零的角ε，并且角β被选择为β＝0°±n×90°或β＝45°±n×90°，其中n为正整数或零；或者-在于偏振限定元件(5)为两个供给纤维(5)，在每一个供给纤维(5)与传感器纤维(3)之间设置相位延迟元件(4)，所述两个相位延迟元件(4)中至少一个所具有的相位延迟角与理想相位延迟元件的相位延迟角相差非零的角ε，并且角β、β′被选择为β＝β′＝0°±n×90°或β＝β′＝45°±n×90°，其中n为正整数或零。
13.根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)，其特征在于提供标记(9a，9b)，并且将所述标记装配于所述调节装置(10)，使得当所述标记(9a，9b)以适当的方式关于彼此设置时线圈(8)具有整数匝数。
14.一种电流或磁场传感器(1)，其特征在于所述传感器(1)具有根据前述权利要求中任一项所述的传感器头(2)。
15.根据权利要求14所述的电流或磁场传感器(1)，其特征在于，所述传感器(1)a)为采用反射结构的干涉测量传感器(1)，具有偏振维持供给纤维(5)作为一个偏振限定元件(5)，且一个标记轴(f)为该供给纤维(5)的主轴(f)中的一个；或b)为采用Sagnac结构的干涉测量传感器，具有两个偏振维持供给纤维(5)作为偏振限定元件(5)，且两个标记轴(f)每一个为该两个供给纤维(5)的主轴(f)中的一个；或c)为采用反射结构的偏振测量传感器，具有偏振器作为偏振限定元件或偏振维持供给纤维作为偏振限定元件，且一个标记轴沿偏振器的传送方向或沿偏振维持供给纤维的主轴走向；或d)为采用Sagnac结构的偏振测量传感器，具有两个偏振器作为偏振限定元件或两个偏振维持供给纤维作为偏振限定元件，且两个标记轴沿两个偏振器的传送方向或沿偏振维持供给纤维的主轴走向。
16.一种高压设备，具体而言，一种高压开关设备组件，其特征在于所述设备具有至少一个根据权利要求1至13中任一项所述的传感器头(2)。
17.一种用于光电流或磁场传感器(1)的传感器头(2)的制造方法，所述传感器头(2)具有光学连接到至少一个偏振限定元件(4；5)的设置成线圈(8)形状的磁光活性传感器纤维(3)，将至少未在传感器纤维材料的软化温度经热处理的纤维用作所述传感器纤维(3)，所述线圈(8)定义了具有表面法线(Ns)的线圈平面(A)，所述偏振限定元件(4；5)具有标记轴(f)，且对具有以线圈形状设置的传感器纤维(3)的所述电流或磁场传感器(1)进行校准，且在于所述传感器头(2)具有调节装置(10)，当所述传感器纤维(3)再次以线圈(8)形状设置时，可通过所述调节装置(10)将标记轴(f)与表面法线(Ns)之间的角β调整为与校准期间相同的量值，其特征在于已从传感器纤维(3)去除纤维涂层。
全文摘要
用于光电流或磁场传感器(1)的光纤传感器头(2)具有包括光学连接到至少一个偏振限定元件(4；5)的磁光活性传感器纤维(3)的光纤，其中传感器纤维(3)可设置在待测磁场中或设置在载有待测电流的导体(L)周围，且为线圈(8)的形状，线圈(8)定义了具有表面法线(N
文档编号G01R15/24GK1954218SQ200580015090
公开日2007年4月25日 申请日期2005年4月21日 优先权日2004年5月13日
发明者克劳斯·博纳特, 菲利普·加比斯, 于尔根·内林, 休伯特·布兰德勒 申请人:Abb研究有限公司