光纤电流传感器的制作方法

专利名称：光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤电流传感器和使用光纤电流传感器检测电流的技术。
背景技术：
众所周知，光纤电流传感器是根据法拉第效应的原理工作的。电流通过电导体(导线)产生感应磁场，感应磁场通过法拉第效应使得缠绕在传导电流的导线上的光纤中传播的辐射偏振面旋转。根据磁场循环的定理，得到
β Hdl=II此处I表示电流，H表示磁场，积分是沿着围绕载流导线的一个闭合路径进行。若用沿长度方向的磁场灵敏度为常数的传感光纤缠绕导线，传感光纤电流形成回路的圈数为整数N，则电路输出端的辐射偏振面旋转取决于导线电流，且与产生的外部磁场无关。这样的外部磁场包括，例如，由邻近导线产生的电流。偏振面的旋转角度等于(p = V$Hdl = Vmu'此处V表示光纤材料的菲尔德常数，光纤材料可以是例如二氧化硅、石英、玻璃或高分子聚合物。传感光纤表现出沿磁场路径的一个线性积分；当该路径本身封闭时，该积分与导线中的电流成正比。由于电流的存在导致的辐射偏振面的旋转通过引入传感光纤环中带有线性偏振的辐射和接着在偏振离开光纤环后进行分析来测量。从物理的角度，偏振面旋转是由两个方向相反以及大小相等的圆偏振的辐射单元引起的，这两者之和形成了线性偏振福射，在位于纵向磁场中的传感光纤中具有不同的传播速度，经过传感光纤后，导致两者之间出现(法拉第)相移现象，其等于φι-2φ3在电流检测的应用中，圆偏振的状态指示了被测电流，传感光纤应维持圆偏振状态。光纤电流传感器测量旋转角f,或同样地测量相移<pFQ众所周知的测量电流的设备是互感式反射光学干涉仪(reciprocal reflective optical interferometer),上述例子在参考文献[I] (Laming等人.)中公开。该现有技术设备包括由光纤一端连接偏振器，另一端连接光反射器(镜)的传感光纤制成测量用传感光纤环。在偏振器和感应电路之间，设置分束器(定向耦合器)用以对进入装置的光辐射分支，该装置用于分析先向前然后自反射镜反射后向后通过传感光纤的光偏振面的旋转。传感光纤可以分成两类。第一类包括具有低线性双折射特性的光纤(LB型)，第二类是磁性的传感光纤，具有嵌入式线性双折射(旋转光纤(spun fiber))。第二类光纤是由抽拉具有强的内置(嵌入式)线性双折射预成型体和在抽拉过程中将预成型体旋转而获得。本文中，预成型体表示材料经过加工处理初步成型但还未最终成型。如参考文献[I]所公开，电流传感器的检测环使用嵌入式线性双折射磁感光纤。参考文献[2] (US 6，188，811)公开了一种光纤传感器,包括光源，与光源稱合的偏振器，与偏振器耦合的辐射偏振压电或电光调制器，保持辐射的线性偏振并与偏振调制器组合的保偏光纤(“PM光纤”)，与PM光纤连接的保偏四分之一波片，具有嵌入式线性双折射并与四分之一波片相结合的磁感光纤(旋转光纤)，在很大程度上保持了圆偏振状态，与上述磁感光纤I禹合的输出反射器，以及输出端与偏振器I禹合的光电探测器。磁感光纤形成载流导线周围的检测环。上述美国专利6，188，811的图IA显示了线性电流传感器的一个例子。来自光源的光束通过耦合器和偏振器传播至45°的连接处夹角(splice)，在此等分成两个偏振状态，并在余下光路中保持。压电双折射调制器对这两个偏振状态光的相位进行分化(differentially)调制。该压电双折射调制器由调制器信号发生器提供的方波或正弦波形周期交替电信号驱动。光束随后传播通过延迟线和模式转换器，该模式转换器把两个线性偏振状态转变成两个圆偏振状态，又通过优化的传感线圈。该优化的传感线圈绕在载流导线周围。光束从反射端反射并沿原路折回通过光路，最终达到光电探测器。开环信号处理器把检测到的信号转换后传递至输出端，其指示了载流导线中的电流。当上述圆偏振状态在贯穿感应线圈能被很好保持时，则该传感器可以实现其最佳的灵敏度(sensitivity)。而 双折射旋转光纤可以在一定程度上保持圆偏振状态，这在所属领域是众所周知的。参考文献[2]中公开的发明，其关注点是只有圆偏振状态被极好地维持才能使用极长的(几百米)感应光纤。一根直的双折射旋转光纤可以在很长一段距离内保持圆偏振状态，但是如果像绕在载流导线周围那样弯曲，则要达到上述性能会困难许多。如上述US 6，188,811中所述，为了获得高的传感器灵敏度，圆偏振应该在穿过传感回路时被很好的保持。直的旋转光纤能够在几百米的长度内保持圆偏振状态，这在所属领域是众所周知的。然而，弯曲半径小于约20mm时，该众所周知的光纤的灵敏度迅速下降。对于给定长度的磁感光纤，随着回路中光纤圈数容许数量的增加，传感器的灵敏度因此受到限制。US 6，188，811中描述的光纤传感器克服了单个连续光纤传感器中许多固有的不足之处。但是，某些问题仍存在以致影响传感器的精度。例如，为了获得极为精准的测量结果，光学元件尤其是四分之一波片应当是理想的，并且不易受例如温度波动和机械扰动等外部影响。事实表明，用于实现一些设备精确读数的该理想的或近于理想的四分之一波片很难做到且制作非常昂贵。已知的压电调制器和电光调制器具有残留的寄生调制，从而降低了传感器的精度。为了已知光学系统的有效调制，需要在延迟线中有相当长度(长达Ikm)的旋转光纤(PM光纤)。与此相关的问题是PM光纤价格高。此外，光纤电流传感器需要非常高的灵敏度。例如，在一些应用中需要控制具有高额定电流的导线(例如地下电缆)中的微小的泄漏电流。最后，现有光纤电流传感器中的一个问题是光纤环的磁光灵敏度对光纤的外部温度和所受到的机械应力的依赖。这种依赖限制了传感器的精度并且需要一组复杂的保护措施用于检测电路。

发明内容
本发明的目的是为了缓解一个或多个上述问题，例如环境条件对电流检测系统中各种元件的影响。环境条件可以包括例如温度波动和机械力(如应力和/或振动)。受影响的元件可以包括光纤环，例如光纤本身、四分之一波片、光耦合器等。按照独立权利要求所述的设备可以实现上述目的。从属权利要求、详细说明和附图与示例性的实施方式有关，它们提供附加特征并且/或解决附加问题。提供这些实施方式以阐明本发明，但不对本发明构成限制。特别要值得注意的是四分之一波片是与温度相关的不稳定性的重要来源，而在本发明的典型实施方式中可以省略。本发明的一方面是用于传感电导体携带电流的光纤电流传感器，该光纤电流传感器包括光学部分和电子部分。其中光学部分包括光源；具有第一端口和第二端口的定向率禹合器，每个端口包含第一耦合臂和第二耦合臂；具有第一端口和第二端口的辐射偏振器；具有第一端口和第二端口的偏振调制器；与电流检测光纤环第一末端和第二末端稱合的光纤线；辐射反射器；以及光电探测器。定向I禹合器第一端口的一条I禹合臂与光源I禹合，而定向I禹合器第一端口的另一条率禹合臂与光电探测器稱合。定向稱合器第二端口的一条稱合臂与福射偏振器的第一端口率禹合。辐射偏振器的第二端口与偏振调制器的第一端口耦合。偏振调制器包括磁感元件，以及缠绕其上的螺线管。电流检测光纤环由嵌入式线性双折射磁感光纤制成。最后，电子部 分包括配置成驱动所述螺线管的信号发生器；以及配置成接收所述光电探测器光信号的信号处理单兀。本发明的有益效果包括增加了光纤电流传感器的灵敏度和精度。该有益效果的通过降低电流传感系统元件对诸如温度和/或机械应力或机械振动等环境条件的灵敏度而实现的。磁感元件可以包括调制器光纤段或经改性的磁性石榴石光学元件，例如隔离器，其中的常规使用的永久磁铁被携带调制电流的螺线管代替。参考文献[2] (US 6，188，811)公开了一种光纤电流传感器，其中光纤线包括延迟线和用于将两个线偏振状态转换成两个圆偏振状态的模式转换器。一些附加的有益效果通过以下实施方式得以实现，光纤线是双股线，第一端口具有第一耦合臂和第二耦合臂，第二端口具有第一耦合臂和第二耦合臂；偏振调制器的第二端口与双股光纤线第一端口的第一稱合臂稱合；双股光纤线第二端口的第一稱合臂和第二率禹合臂分别与电流检测光纤环的第一末端和第二末端稱合；双股光纤线第一端口的第二率禹合臂与辐射反射器耦合。举例来说，该实施方式致使延迟线和模式转换器成为多余。此外，该实施方式具有高效结构，该结构中调制器光纤段与双股光纤线和电流检测光纤环形成光纤整体。为了达到最佳灵敏度和最大程度地免受外部影响(如温度变化和弯曲引起的应力)的影响，嵌入式线性双折射磁感光纤应具有在Imm-IOmm范围内的嵌入拍长Lb,和在lmm-5mm范围内的螺旋节距Lsp。


本发明的具体实施方式
将结合附图描述，其中图I显示了本发明的第一种实施方式；图2描绘了磁感光纤归一化的灵敏度S在不同嵌入式线性双折射拍长Lb取值情况下与节距速度Lsp的函数关系；图3显示了电流传感器的输出特性；
图4描述了归一化的磁感光纤灵敏度S与弯曲半径R的函数关系；图5显示了图I所示实施方式的变化；以及图6显示了另一种实施方式的偏振调制器，其中用改性的光学石榴石元件代替了调制器光纤环。
具体实施例方式图I显示了本发明的第一种实施方式。图I中所示的整体布局图很大程度上与美国专利(6，188，811)图IA相似，共同要素的细节性描述很大程度上是不必要的。与现有技术不同之处在于现有技术中的压电双折射调制器被磁光偏振调制器4所取代，偏振调制器4包括调制器光纤段5，以及缠绕调制器光纤 段5的螺线管6。调制器光纤段5显示为多匝光纤线圈，但是其他实施方式也是可行的，会在下文做具体描述。特别地，图I显示了用于检测电导体18所带电流的光纤电流传感器。光纤电流传感器包括光学部分和电子部分。光学部分包括光源I、定向稱合器2、福射偏振器3、偏振调制器4、与电流检测环11耦合的光纤线17、辐射反射器10 (例如反射镜)以及光电探测器22。定向I禹合器2第一端口的一条I禹合臂2A1与光源11禹合,而定向I禹合器2第一端口的另一条稱合臂2B1与光电探测器22稱合。定向稱合器2第二端口的一条稱合臂2B1与福射偏振器的第一端3A稱合。福射偏振器的第二端3B与偏振调制器4的第一端4A稱合。偏振调制器4包括调制器光纤段5，以及缠绕调制器光纤段5的螺线管6。调制器光纤段5可由嵌入式线性双折射的磁感光纤组成。与调制器光纤段5类似，电流检测光纤环11也可由嵌入式线性双折射的磁感光纤制成。图I所示的光纤电流传感器操作如下。由光源I最好是宽频光源得到光辐射，进入定向稱合器2第一端口 2A的第一条稱合臂2A1,并且光福射从第二端口 2B的第一条f禹合臂2B1转移至偏振器3的输入端3A。光福射在定向稱合器2的另一稱合臂2B2上被吸收。定向耦合器2第一端口 2A的第二条耦合臂2A2与光电探测器22耦合，接收由光学干涉仪返回的光辐射。在偏振器3的输出端3B，光辐射具有很高的电场线性偏振，可以呈现出具有相反旋转方向电场的两个圆偏振光学成分的总和。光福射由偏振器输出端3B到达偏振调制器4的光纤环5。光纤环5包含一个或更多例如线圈数的由嵌入式线性双折射的磁感光纤构成的通路。光纤环穿过螺线管6，如此螺线管的导线线圈穿过光纤环所在的平面。流向螺线管6的辅助电流由信号发生器21生成。光辐射穿过调制器光纤环5获取线性偏振方位角的转变，根据法拉第效应该方位角与螺线管6中的辅助电流成正比。上述电流可以用例如正弦曲线表示，它提供了电场方位角的周期性调制。调制器如此设计可以获取短基线(short base)干涉仪的调制模式。换言之，与现有技术必有延迟线(第15项所示)相比，这种调制模式类型不需要长延迟线。这种调制方案还可以消除或减少伴随产生的会降低电流传感器精度的寄生调制。在调制器4后，图I所示实施方式的操作过程很大程度上与现有技术的图IA所示内容相似(参考文献2)。如图I所示实施方式使用电磁的调制器作为偏振调制器4。因此光纤的磁感特性用于偏振调制器4和电流检测环11。这种特性的有利之处在于偏振调制器4和电流检测环11中可用单一的连续的光纤，以减少光接头数。图I显示了本发明的一种实施方式，其中双股线17用以解决现有技术中其它一些遗留问题。在图I所示的实施方式中，光纤线17是双股线，其第一端口有第一臂17A1和第二臂17A2，第二端口有第一臂17B1和第二臂17B2。偏振调制器的第二端口 4B与双股光纤线17第一端口的第一臂17A1耦合。双股光纤线17第二端口的第一臂17B1和第二臂17B2分别与电流检测光纤环11的第一端和第二端稱合，双股光纤线17第一端口的第二臂17A2与辐射反射器10耦合。在该结构中，双股光纤线17第一端口的第一臂17A1接收光辐射。光辐射从双股光纤线17第二端口的第一臂17B1到达电流检测光纤环11的输入端，其光纤缠绕着携带待测电流的导线18。双倍的或双股的光纤线17包含两个邻近的嵌入式线性双折射磁感光纤段。在这两个段的光辐射的传播方向是相反的。本实施方式消除了外部磁场对偏振状态的影响。本实施方式进一步确保了光辐射在其通过双股光纤线17两条相对通道17A1-17B1和17B2-17A2时的偏振保持。光辐射通过位于导线18电流产生的纵向磁场中的电流检测光纤环11，法拉第效应引起光辐射的偏振成分(偏振模)之间的相位移动。偏振成分之间相位移动导致光辐射电 场矢量方位角的改变。方位角的改变与导线18所携带的电流成正比。电流检测光纤环11的输出端与双股光纤线17第二端口的第二臂17B2连接。从环11回到双股光纤线17的端点17B2,光福射存在于双股光纤线17第一端口的第二臂17A2,并且从此处进入光福射的反射器10。反射器10可以使用光学用镜。反射后的光辐射沿光路的相反方向折回，通过双股光纤线17、环11，接着继续穿过双股光纤线17、调制器4、偏振器3和耦合器2，并从耦合器的臂2A2到达光电探测器22。在耦合器2的输出端，导线18电流产生的相移被转换为辐射强度，其中辐射强度与导线18携带电流成正比。光电探测器产生电信号，与调制的光辐射强度成正比。该电信号在信号处理单元23中被处理，其输出通过参考数字24来表示。为了简洁起见，信号处理单元23的具体细节在此处省略。只需要说明从光电探测器22输出的信号是电信号，电信号的瞬时值反映了导线18携带电流的瞬时值即可。通常情况下，从光电探测器22输出的信号经过模拟-数字转换电路(可以在校正电路和/或线性电路或数字处理之前或之后)，但这些附加的处理阶段并没有给出，以避免成为本发明的限制。至于与现有技术区别之处，图I所示实施方式的关键因素包括偏振调制器4的结构，即偏振调制器光纤环5和缠绕其上的螺线管6，也可包括双股光纤线17。光纤环5、双股光纤线和测定用光纤环11可由嵌入式线性双折射磁感光纤构成。这部分电路形成了共同的光学干涉计，具有共同的输入/输出，这就是偏振器3。而在干涉仪中圆偏振的状态很大程度上得以保留，是因为所有光学元件都由具有一定参数的嵌入式线性双折射磁感光纤构成，这些参数能实现上述的偏振保持。线性偏振光学辐射，包括同等强度的左和右正交的圆偏振模。当线性偏振光辐射通过偏振器3至反射器10，其从偏振模之间获得相位移动。由于调制器光纤环5和测定用光纤环11中的法拉第效应，部分这样的相移是有利的(就电流测定而言是有用的)。另一方面，部分通常由于光纤延迟而产生的相移是不希望的。从反射器10反射后，偏振模互相颠倒，意味着右旋偏振变为左旋偏振，反之亦然。因此，当从反射器10被反向通过至偏振器3，几乎所有不需要的相移被抵消，而由于非互易法拉第效应使有利的相移增加至两倍。有利相移包括从信号发生器21产生，通过螺线管6和光纤线圈5的调制组件的，该调制成分与导线18中待测电流成正比。由于线性偏振辐射从干涉仪输出时具有偏振状态，该有利相移出现在干涉仪的输出端，其与螺线管6中的电流和导线18的测得电流都成正比地变化。在通过偏振器3至光电探测器22后，这些方位角的改变转变成辐射强度上的改变。光电探测器22在信号处理单元23输入端产生与光辐射密度成正比的电信号。因此，如偏振器3和耦合器2所实现的从相移至辐射强度变化的转换代表了公知的测定调制相移的方法，其与测得电流成正比，也因此是对测得电流的指示。上述嵌入式双折射磁感光纤具有两个主要参数特性，它们共同决定光纤电流检测能力，即有效的磁灵敏度值和由热和机械外应力引起的不良效应。这些光纤参数包括嵌入式线性双折射拍长Lb和节距速度(pitch speed) Lsp。这些参数在光纤制造阶段被选定。上述磁感光纤有两个基本设计常规(传统的)设计和微结构设计。磁感光纤常规设计得自于与用来制造保持线性辐射偏振光纤(PM光纤)相似的标准各向异性的制备。它们的核心和覆层通常由掺杂或未掺杂二氧化硅的石英制得。
根据本发明的一个实施例，在微结构设计的光纤中，覆层由包围在二氧化硅核心外的纵向导管组成。导管可以用例如惰性气体或空气等气体填充。微结构设计有以下几个优点线性双折射特性强，后者温度依赖性低，弯曲损耗低等。实验与理论研究发现可以预先选定上述参数一拍长和节距速度以获得最优结果。上述光纤可从专利申请人处得到。考虑到外部因素带来的不良效应，测得的光辐射两次通过环的偏振面旋转角等于φ =2SVNI[4]在此S(S ( I)表示每一圈归一化的磁灵敏度。S取决于光纤参数和光纤应变力，特别是由缠绕在测量回路的弯曲半径R产生的应变力。参考文献[3]包括基于嵌入式线性双折射轴的螺旋结构的光纤理论模型对嵌入式线性双折射性磁感光纤进行的特性分析。该分析显不了磁-光光纤沿光纤方向的灵敏度，空间振荡周期Losc的大小取决于相同的光纤参数Lb和Lsp。为了减少外应力对光纤磁感应的影响，周期Losc应取不超过由于辐射源的有限波长范围△ λ产生的所需空间间隔Lu值的较小值。在这种情况下，振幅灵敏度不明显，并且光纤磁感应最不易受外部变形影响。图2显示了具有较大弯曲半径的旋转光纤在不同Lb值时的预估依赖性(estimated dependences)S(Lsp)。在此处,大的弯曲半径意味着弯曲导致的双折射一定明显小于光纤的嵌入式双折射。从图2可以清楚看到Lsp取值小时可达到最大灵敏度和相对高的Lb值。在实际应用中会出现附加约束条件。例如，在实际的旋转光纤的绘图过程中最好不要使Lsp的值小于，比方说，1-2毫米，即使I毫米的取值也很难实现。因此在设计光纤参数时应把该事实考虑到，并且使Lsp值维持在一个合适的范围。另一种约束的情况是用于电流传感器的传感光纤一定是盘绕成线圈的，因此具有有限的弯曲半径。这样的弯曲会影响S参数的值。若弯曲导致的双折射与嵌入式光纤双折射相当或高于嵌入式光纤双折射，则S值会显著低于I。发明者从理论上和实验上获取的两种不同光纤弯曲对S参数影响的例子如图4 (见下文)所示。光纤如上述适当地选择参数，具有接近光纤材料(例如二氧化硅石英)极限值的高磁灵敏度，并且有高度抗热和抗机械效应，这可以为电流传感器获得稳定而准确的比例因子。基于理论考虑的基础，并通过实验验证，发明者为实用型电流传感器设计考虑了最佳参数的范围如下嵌入式拍长Lb在1-10毫米范围内，螺旋节距Lsp在1-5毫米范围内。特定比例Lb/Lsp应由特定传感线圈设计和参数(线圈直径，螺旋线圈数，等)决定。图I所示实施例的一种运行示例将在以下做描述。作为光源1，由掺铒光纤制得的光纤福射源，波长I. 55 μ m和福射光谱宽20nm的30mW能量。用于偏振调制器4、光纤线17和测定用检测环11的光纤是具有参数Lb=5mm和Lsp=3. 5mm嵌入式双折射特性的微结构磁感光纤。所有这些元件均来自无缝合的单片光纤。偏振调制器4容纳有用光纤包围的长100mm,外半径IOmm, 10000线圈数的圆形结构。螺线管6有48阻的铜线,直径Imm,通过光纤结构的内部开口。频率为40kHz的3A交流电施加于螺线管6上。偏振调制器4的这种实施方式能实现I. 84弧度的调制幅值，这足以胜任设备电子部分的常规操作。在该调制频率不会观察到杂散信号。双股线17的长度为2m。测量环11由包围在长30mm，外半径IOmm的圆形结构的匝数为3000的光纤组成。用于光电探测器输出信号24处理的电子单元可以测定与电流成正比的相移，可以如参考文献[3]所述来进行。图3显示了电流传感器的输出特性，换言之，测得电流Inreas (实验室模型显示的表 观电流)与载流导线18中流动的电流I的函数关系。如图3中所示，经测定实验模型在较大电流值范围内能获得非常好的线性度，表明本发明具有可行性。本运行示例有一个相对高的匝数，而较低匝数可以为要求较低的应用提供足够的灵敏度。此外，机械扰动(光纤弯曲应变)对嵌入式线性双折射磁-光光纤灵敏度的影响被测定。测量中，用到数个传感测量环。测量环由特定参数Lb=Imm和Lsp=3. 5mm的微结构光纤制得，围绕成不同直径的结构。在电流传感器模型中每个环均作为传感测量环进行了测试。图4描述了归一化磁感光纤灵敏度S (用矩形表示文中公开的微结构光纤)与弯曲半径R的函数关系。作为比较，第二组测量值是对传统设计的嵌入式线性双折射磁感光纤进行的，其参数Lb=15mm和Lsp=2.5mm。这些测量数据用黑三角表示。这组实验表明，参数Lb=I. and Lsp=3. 5mm的光纤对于考虑受弯曲半径的影响时接近最佳。参数Lb=Imm和Lsp=3. 5mm直至弯曲半径低至2. 5mm时微结构光纤仍维持恒定的归一化灵敏度，这超过传统光纤性能(R彡20mm) 8倍。对给定长度的光纤，参数Lb=Imm和Lsp=3. 5mm的微结构光纤允许环绕光纤环的匝数高于传统光纤8倍。另一方面，该微结构光纤的每圈归一化灵敏度接近传统光纤灵敏度的70%。综合总匝数增加8倍以及每圈灵敏度减少30%的结果是该微结构光纤可以增加传感器灵敏度约5倍。因此，该微结构光纤可提高光纤电流传感器的灵敏度和精度，并且减少由外部温度和机械扰动引起的电流测定错误。图5显示了图I所示实施例的变化情况。如图5所示，信号处理单元23产生了闭环控制信号25。如现有技术(参考文献[2]的图1B)所公开的，该闭环控制信号产生相归零电流。在现有技术中,相归零电流通过优化的传感线圈(此处表示为项11)产生与载流导线18中电流产生的方向相反的基本同等的效应。采用这种操作方法，电流传感器中产生的非交互相移维持在非常小的数值，从而能够采用极高灵敏度的传感线圈而不会遇到与检测大相移有关的非线性。现有技术中公开的闭环操作的一个遗留问题来源于电流发生器(现有技术中的项23)驱动载流导线18附近的一个附加电磁感应圈。因为载流导线通常是高压线，现有技术中公开的闭环操作遇到这样一个问题即很难达到电隔离的要求。该遗留问题在本实施例中得到解决闭环控制电流25驱动的电磁感应圈在远离载流导线18并与之适当隔离的位置。在图5所示的实施例中，闭环控制电流25与调制电流在信号发生器21中结合，以使相归零效应得以实现。在另一实施例中(未单独显示)，闭环控制电流25驱动与螺线管6分离的螺线圈，该螺线圈被信号发生器21用于其偏振调制功能。图6显示了偏振调制器的另一种实施方式，此处显示为元件4’。参考数字4A’和4B’表示偏振调制器4’的两部分。总的来说，偏振调制器4’与相关前述实施方式中偏振调制器4执行相同的功能。在此实现方式中，经改性的磁性石榴石光学元件表示为参考数字26，被用于调制器光纤环5的位置。常规的磁性石槽石光学兀件,例如光隔离器,使用永久磁铁改变经过石槽石传播的光福射的偏振。根据本实施方式，以螺线管6代替永久磁铁,与之前的实施方式类似。与之前的实施方式不同的地方在于磁性石槽石26用于代替调制器光纤环5。偏振器 3设置于磁性石槽石26和定向稱合器2之间。至于磁性石榴石的结构，可以用可能掺杂过例如镓等材料的铽(Tb)。发明人已用费尔德常数为O. 2° /Oe. mm的Tb3Ga5015铽镓石榴石圆柱体的实施例证明其可行性。该圆柱体的长和直径分别为50mm和10mm。螺线管6由50圈/cm缠绕五层组成，由此导线总长为20m。当电流为3A时，功耗为4. 5W。从而偏振调制器在波长为I. 06 μ m时表现出I. 8弧度(radians)的相位调制能力。以上所述的仅是本发明的一些实施方式，对本领域的技术人员而言，随着技术的发展，本发明可以有多种实施方式。因此，本发明的保护范围由以下权利要求来规定。参考文件I. R. I. Laming, D. N. Payne.所著 “Electric current sensors employingspunhighly birefringent optical fibers (采用高双折射旋转光纤的电流传感器)”，J.of Lightwave Technology (光波技术)，7，No. 12，2084-2094 (1989)2.美国专利 6，188，8113. V. P. Gubin, V. A. Isaev, S. K. Morshnev, A. I. Sazonov, N. I. starostin, Yu.K. Chamorovsky,以及 A. I. Usov 所著“Use of Optical Fibers of Spun Type in CurrentSensors (电流传感器中的旋转光纤的使用)” Quant. Electron (量子与电子)· 36.No. 3，287-291(2006)。
权利要求
1.用于检测电导体(18)携带电流的光纤电流传感器，所述光纤电流传感器包括光学部分和电子部分 其中所述光学部分包括 光源(I); 定向耦合器(2)，具有第一端口(2A)和第二端口(2B)，每个端口包含第一耦合臂(2A1，2B1)和第二耦合臂(2A2, 2B2)； 辐射偏振器(3)，具有第一端口(3A)和第二端口(3B)； 偏振调制器(4，4，)，具有第一端口(4A，4A，)和第二端口(4B，4B，); 光纤线(15，17),与具有第一端和第二端的电流检测光纤环(11)稱合； 辐射反射器(10); 光电探测器(22)； 其中 所述定向耦合器(2 )第一端口的一条耦合臂(2A1)与所述光源(I)耦合，所述定向耦合器(2 )的所述第一端口的另一条耦合臂(2B1)与所述光电探测器(22 )耦合； 所述定向耦合器(2 )第二端口的一条耦合臂(2B1)与所述辐射偏振器的所述第一端口(3A)奉禹合； 所述辐射偏振器的所述第二端口(3B)与所述偏振调制器的所述第一端口(4A，4A’ )耦合； 所述偏振调制器(4，4’ )包括磁感元件(5，26)，以及缠绕其上的螺线管(6)； 所述电流检测光纤环(11)由嵌入式线性双折射磁感光纤制成； 其中所述电子部分包括 信号发生器(21)，配置成驱动所述螺线管(6);和 信号处理单元(23 )，配置成接收所述光电探测器(22 )的光信号。
2.根据权利要求I所述的光纤电流传感器，其中 所述光纤线(17)是双股光纤线，包括具有第一臂(17A1)和第二臂(17A2)的第一端口，和具有第一臂(17B1)和第二臂(17B2)的第二端口 ； 所述偏振调制器的所述第二端口(4B)与所述双股光纤线(17)第一端口的所述第一臂(17A1)耦合； 所述双股光纤线(17)第二端口的所述第一臂和第二臂(17B1, 17B2)分别与所述电流检测光纤环(11)的所述第一末端和第二末端稱合； 所述双股光纤线(17)第一端口的所述第二臂(17A2)与所述辐射反射器(10)耦合。
3.根据前述权利要求任一项所述的光纤电流传感器，其中所述磁感元件(5)包括调制器光纤段。
4.根据权利要求2所述的光纤电流传感器，其中所述磁感元件(5)包括调制器光纤段，所述调制器光纤段与所述双股光纤线(17)和所述电流检测光纤环(11)形成光纤整体。
5.根据前述权利要求任一项所述的光纤电流传感器，其中所述磁感元件(5)包括磁性石榴石光学元件(26)。
6.根据前述权利要求任一项所述的光纤电流传感器，其中所述嵌入式线性双折射磁感光纤具有Imm-IOmm范围的嵌入式拍长Lb,和范围的螺旋节距Lsp。
全文摘要
光纤电流传感器用于检测电导体(18)所携带电流。它的光学部分包括光源(1)；具有两个端口(2A,2B)且每个端口包含两条耦合臂的定向耦合器(2)；辐射偏振镜(3)；偏振调制器(4)；与电流传感光纤环(11)耦合的光纤线(17)；反射镜(10)；以及光电探测器(22)。定向耦合器(2)的第一端口与光源(1)和光电探测器(22)耦合。其第二端口通过辐射偏振镜(3)与偏振调制器(4)耦合。偏振调制器包括磁感元件(5)，缠绕其上的螺线管(6)。电流传感光纤环(11)包括嵌入式线性双折射磁感光纤。电子部分包括用于驱动螺线管(6)的信号发生器(21)；以及用以接收光电探测器(22)光信号的信号处理单元。
文档编号G01R33/032GK102859383SQ201080060216
公开日2013年1月2日 申请日期2010年12月28日 优先权日2009年12月29日
发明者尤里·查莫罗夫斯基, 弗拉基米尔·古宾, 赛格·莫什尼夫, 伊安·普瑞兹亚科夫斯基, 马克西姆·亚波科, 尼古拉·斯塔罗斯汀, 亚历山大·萨左诺夫, 安通·波耶夫 申请人:普罗夫特克封闭股份管理公司