专利名称：利用法拉第效应测量磁场的并带有对强度变化补偿功能的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量磁场的方法和装置。
已知有利用磁光法拉第效应测量磁场的光学测量装置和测量方法。法拉第效应系指取决于磁场的直线偏振光的偏振面的旋转。旋转角度与沿光线途经路径在磁场中的位移积分成比例并以所谓的费尔德特(Verdet)常数作为比例常数。费尔德特常数的大小通常取决于材料、温度和波长。测量磁场时，在磁场中设置由诸如玻璃等光学透明材料构成的法拉第传感器装置。磁场促使由法拉第传感器装置发送出的直线偏振光的偏振面旋转一个角度，该角度可作为一个测量信号加以计算。已知这种磁光测量方法和测量装置用于测量电流。为此，法拉第传感器装置设置在导体附近并对由电流在导体中产生的磁场进行测定。通常法拉第传感器装置环绕导体，因而测量光在一闭合的路径中环绕导体。在此情况时，旋转角度值非常近似地直接与待测电流成比例。法拉第传感器装置可以是围绕导体的实心的玻璃环结构或者也可以是围绕导体的带有至少一匝的光导纤维线圈。
与通常的感应式电流互感器相比，这种磁光测量装置和测量方法的优点是电位分隔并且对电磁干扰不敏感。但在采用磁光电流互感器时的问题是，机械振动将会对传感器装置和光学馈线造成影响，该影响将导致引起误测的强度变化，以及尤其在传感器装置中的温度变化的影响。
为减少振动对测量的影响，已知用法拉第传感器装置发送两个反向传播的光信号。该已知措施的构思在于，通过相应的信号处理可以把作为互易效应的由于振动造成的两个光信号在共同的光路上的双折射与非互易的法拉第效应区分开。
在其中一已知实施形式中由一作为法拉第传感器装置的光纤圈发送两个反向的、直线偏振光信号，该传感器装置环围导电体。采用机械对绞光纤(Twisted fibre)或在拉伸过程中对绞的、带有高直线双折射特性的光纤(Spun-Hibi-fibre)作光纤圈的光纤。光纤除法拉第效应外还具有与法拉第效应相比较高的圆形双折射。两个光信号中的每一个穿过传感器装置之后被一偏振光线分配器分成两个相互垂直的偏振光分量。信号处理由这四个光分量推导出一个电导体中电流的测量信号，该测量信号基本与法拉第测量角和光纤圆形双折射的商相等并因此与光纤中的直线双折射无关。采用此方法测得的测量信号虽然在很大程度上与在传感器装置中温度造成的直线双折射无关，但测量信号由于光纤圆形双折射与温度的关系仍与温度有关。两个反向的光信号以该已知的实施方式仅在一共同的光路上穿过法拉第传感器装置并且在法拉第传感器装置的出口端又被光耦合器相互分隔开(WO92/13280)。
在三个已知实施方式中两个光信号相互反向旋绕穿过一个由第一光导纤维、第一偏振器、一个法拉第传感器装置、第二偏振器和第二光导纤维构成的串联光路。两个光信号穿过串联光路后由相应的光电转换器分别转换成一个电强度信号。
在第一个由US4916387公开的实施方式中设有一个作为法拉第传感器装置的实心玻璃环，该玻璃环环围电导体。两个偏振器的偏振轴相互旋转一个45°角。为对馈送光纤中所不希望出现的强度变化进行补偿，在这个由US4916387所公开的测量系统中的出发点在于，带有两个电强度信号的不同正负号的所不希望出现的强度变化(噪声)和由于法拉第效应导致的强度变化相叠加并因此可相互分隔开。
在第二个由光波技术杂志，12卷，第10期，1994年10月，1882至1890页公开的实施方式中设有一个作为法拉第传感器装置的由单模光纤构成的、具有低双折射特性的光纤圈。两个偏振器的偏振轴夹有一不为0°的偏振角，该角度最好为45°。唯一的光源的光被分成两个光信号，并且这两个光信号分别通过光耦合器被输入到所配属的光纤中。由两个与穿过串联光路的光信号的光强度相符的电强度信号导出一个测量信号，该测量信号与两个强度信号的差与和的商相等。这样基本上可以补偿两极光导纤维的衰减系数。当然必须将输入串联光路中的两个光信号的光强度精确地调整成完全一致。
在第三个由H.Sohlstroem等，“法拉第效应光纤传感器装置的传输损耗补偿”，第八次欧洲传感器装置年会，Toulouse，1994年9月25日至28日，公开的磁光测量装置的实施形式中，在两个红外发光二极管之间接有一由作为光导纤维的多模光纤、偏振器和法接第传感器装置构成的串联光路，两个发光二极管交替地作为光源和光探测件工作。因此在某一时间点一直是仅有两个反向光信号中的一个穿过串联光路。因此换接节拍频率可选择得尽可能的高。
本发明的目的在于，提出一种利用法拉第效应测量磁场并且尤其是测量电流的测量方法和测量装置，其中可以实际上完全消除两个反向光信号在光传输线路上的强度变化。
本发明的目的通过权利要求1或权利要求9的特征得以解决。两个光信号以相互相反的通过方向穿过一个由第一光传输线路、第一偏振器、一个法拉第传感器装置、第二偏振器和第二光传输线路的串联光路。在两个偏振器之间，两个光信号中的每一个的偏振面旋转一个预定的、与磁场无关的旋转角α。通过对该旋转角α的选择可以把测量方法或测量装置在磁场中的工作点调零。为实现两个光信号偏振面的预定旋转角α的旋转，在两个偏振器之间光学连接有旋转器件。用分别穿过串联光路的两个光信号的光强度导出磁场的一个与两条传输线路上的强度变化基本无关的测量信号。为导出测量信号设有相应的计算器件。
分别在从属权利要求中对本发明的方法和装置的有益设计和进一步设计作了表述。
在第一有利的实施形式中，预定的旋转角α被调整到约±45°或±π/4的奇数倍。从而调整测量方法和测量装置的工作点，使测量灵敏度最大。
可以用一个或多个分别具有一互易的圆形双折射的旋转件构成旋转器件。两个光信号的偏振面的这样一种互易旋转可以利用光活性材料或几何形状引起的圆形双折射实现。在一特殊的实施形式中法拉第传感器装置本身至少构成旋转器件的一部分并且为此除法拉第效应外还具有互易的圆形双折射。
两个偏振器的偏振轴最好调整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
可以采用多模化纤作为光信号的两条光传输线路。
作为测量信号最好求出两个光信号的光强度的两个线性函数的商。这两个线性函数的系数可与两个光信号输入串联光路时的不同的输入强度适配。尤其是在两个光信号输入强度相同时选出的测量信号与两个光强度的差与和的商成比例。另外也可以采用一个与两个光信号的光强度的商成比例的测量信号。
当法拉第传感器装置具有直线双折射时，温度的变化将导致测量误差。在一有利的实施形式中为对温度影响进行补偿两个偏振器的偏振轴相对于传感器装置中线性双折射的固有轴偏转一预定的偏振角γ，其中该偏振角γ至少可采用cos(4γ-2α)＝-2/3近似求出。
下面借助附图对本发明作进一步的说明，附图中
图1为测量磁场的带有法拉第传感器装置和旋转器件的测量装置的原理结构，图2为测量电流的带有法拉第传感器装置和旋转器件的测量装置，图3为根据现有技术当偏振器的偏振轴相互倾角为45°时两个反向光信号的偏振旋转矢量图，图4为在两个偏振器的偏振轴平行并且预定旋转角α＝45°时两个反向光信号的偏振旋转矢量图。对相同的器件采用同一附图标记标示。
在图1中用3表示法拉第传感器装置，两个光传输线路用4和7、两个偏振器用5和6、光旋转器件用8和发送和计算单元用40表示。
法拉第传感器装置3由至少一个具有磁光法拉第效应的材料构成。在一至少部分穿透传感器装置3的磁场H的影响下穿过传感器装置3的偏振光的偏振由于法拉第效应而发生变化。传感器装置3以已知的方式由一个或多个最好由玻璃构成的实心体，或甚至由至少一根光纤构成。传感器装置3具有两个光端口3A和3B，在一端口3A或3B输入的光穿过传感器装置3并且在另一端口3B或3A处输出。传感器装置3的第一端口3A通过第一偏振器5与第一光传输线路4的一端光耦合。传感器装置3的第二端口3B通过第二偏振器6与第二光传输线路7的一端光耦合。
在两个偏振器5和6之间光学接入光旋转器件8。旋转器件8将穿过其的直线偏振光的偏振面互易地旋转一个预定的角度α。旋转器件8通常至少含有一个旋转件，该旋转件具有互易的圆形双折射。
在所示实施形式中，旋转器件8包括两个旋转件8A和8B。第一旋转件8A光学接在第一偏振器5和传感器装置3的第一端口3A之间，并且第二旋转件8B光学接在传感器装置3的第二端口3B与第二偏振器6之间。在该实施形式中两个旋转件8A和8B的旋转角的和构成旋转器件8的旋转角α。例如每个旋转件8A和8B可促使两个光信号L1′和L2′的偏振面旋转α/2。
而且旋转器件8也可以仅设置在第一偏振器5和传感器装置3的第一端口3A之间或仅设置在第二偏振器6和传感器装置3的第二端口3B之间。
旋转器件8或其旋转件8A和8B最好用光学活性材料构成。光学活性促使穿过的直线偏振光的偏振面的互易旋转并因而是互易圆形双折射的特殊情况。
另外，旋转器件8或旋转件8A和8B也可以用光学件实现，该光学件具有几何形状引起的互易圆形双折射。在此情况时偏振面的互易旋转是通过旋转器件8或旋转件8A和8B的几何立体设计实现的。例如利用扭矩对绞的光纤(Twisted Fibre)或螺旋盘绕光纤。
在一特殊的实施形式中，传感器装置3本身具有一个定义的互易圆形双折射并因此至少构成旋转器件8的一部分。
两个偏振器5和6的偏振轴(偏振轴、透射轴)最好至少近似平行或至少近似相互垂直。这样只通过旋转器件8的旋转角α即可调整H＝0时测量装置的工作点。
由第一光传输线路4、第一偏振器5、传感器装置3、第二偏振器6和第二光传输线路7构成的串联光路以及旋转器件8光学接在发送和计算单元40的两个端口40A和40B之间。发送和计算单元40含有用于发送两个反向光信号L1′和L2′穿过串联光路和旋转器件8的器件以及用于计算用L1和L2标示的光信号穿过串联光路后的两个光强度得出磁场H的测量信号M的计算器件，该测量信号实际上与两个传输线路4和7上的强度变化无关。在发送和计算单元40的输出端可得到测量信号。
第一光信号L1′在发送和计算单元40的端口40A处输入第一传输线路4并在穿过第一传输线路4后被第一偏振器5直线偏振。经直线偏振的光信号L1′接着在端口3A处被送入传感器装置3内。在穿过传感器装置3后，直线偏振的第一光信号L1′的偏振面被旋转一个取决于磁场H的法拉第测量角ρ。另外直线偏振的第一光信号L1′被旋转器件8旋转一个预定的、与磁场H无关的旋转角α。第一光信号L1′的偏振面因此在两个偏振器5和6之间旋转一个总旋转角ρ+α，该角度等于测量角ρ和固定旋转角α的和。以所研究的光信号的传播方向为基准，正角度值在此时并且在下面与数学正向旋转相符，即与反时针方向相符，而负的角度值与数学负向旋转方向相符，即与顺时针方向相符。这时其偏振面旋转总旋转角度ρ+α的第一光信号L1′被输送给第二偏振器6。第二偏振器6仅允许到达的第一光信号L1′投射到其偏振轴的分量通过并因此对第一光信号L1′具有偏振分析器功能。对由第二偏振器6发送的第一光信号L1′的分量用L1标示并经第二传输线路7传送给发送和计算单元40的第二端口40B。
第二光信号L2′在发送和计算单元40的端口40B输入第二个传输线路7中并在穿过第二个传输线路7后被第一偏振器5直线偏振。经直线偏振的第二光信号L2′被旋转器件8旋转一个预定的与磁场H无关的旋转角α，该旋转角在第二光信号L2′的参考系中具有与第一光信号L1′相同的符号和相同的值。这时其偏振面旋转一个旋转角α的、经直线偏振的第二光信号L2′在端口3B处输入传感器装置3中。在穿过传感器装置3时经直线偏振的第二光信号L2′的偏振面将旋转一个取决于磁场H的法拉第测量角-ρ，该测量角-ρ由于法拉第效应的非互易特性具有与第一光信号L1′相同的值，但符号相反。第一光信号L1′的偏振面因而在两个偏振器6之间旋转的总旋转角为α-ρ，该总旋转角等于固定旋转角α和测量角-ρ的和。这时其偏振面旋转了总旋转角α-ρ的第二光信号L2′被输送给第二偏振器6。第二偏振器6仅允许到达的第二光信号L2′投射到其偏振轴上的分量通过并因而对第二光信号L2′起着偏振分析器的作用。用L2标示被第二偏振器6发送的第二光信号L2′的分量，并且该分量通过第一传输线路4输送给发送和计算单元40的第一端口40A。
图中未示出的发送和计算单元40中的计算器件由穿过串联光路的两个光信号L1和L2的光强度I1和I2导出磁场H的测量信号M，该测量信号在很大程度上与两条传输线路4和7上的强度变化无关。
由于基本上可以补偿测量信号M中的光强度变化，作为传输线路4和7也可以采用普通的多模光纤。
发送和计算单元40例如可以含有图中未示出的、可交替作为发送器和探测器工作的发光二极管，该发光二极管与相应的电流源和计算电子器件电连接。下面还将对用于发送两个光信号L1′和L2′的器件和用于计算两个光信号L1和L2穿过串联光路后的光强度I1和I2的计算器件的其它实施形式加以说明。
图2示出测量装置的一个有利的实施形式。第一传输线路4与传感器装置3相背的一端通过一光耦合器12既与另一光耦合器11，又与计算器件20光连接。第二传输线路4与传感器装置3的相背端通过第三光耦合器13同样既与光耦合器11，又与计算器件20光连接。光耦合器11与光源10光连接并把光源10的光线L分成两个光信号L1′和L2′，这两个光信号被输送给耦合器12及13并且然后输入到第一或第二传输线路4或7。两个光信号L1′和L2′相互反向穿过由第一传输线路4、第一偏振器5、传感器装置3、第二偏振器6和第二传输线路7构成的串联光路并且作为这时用L1或L2标示的光信号从串联光路中输出。光源10和三个光耦合器11、12和13因此构成用于发送两个反向穿过串联光路的光信号L1和L2的器件。
耦合器11、12和13至少也可以部分由光束分配器替代。另外也可以设有两个光源替代耦合器11和一个光源10，这两个光源分别发送一个光信号L1′及L2′。
两个光信号L1′和L2′在输入串联光路前时的光强度I1′和I2′通常按照预先固定的相互比例进行调整。两个光强度最好相等，即I1′＝I2′。在图示实施形式中，耦合器11然后将光源10的光L分成耦合比例为50％∶50％的两个相等的部分。
图2的测量装置最好用于测量在至少一电导体2上的电流。法拉第传感器装置3检测由此电流感应产生的磁场H并将两个光信号L1′和L2′的偏振面旋转一个受磁场H并因而受电流I影响的测量角ρ或-ρ。在所示的、特别有利的实施形式中，传感器装置3环围电导体2，从而使两个光信号L1′和L2′在一个实际闭合的光路中环绕电流I。此时，测量角ρ与电流I直接成比例。传感器装置3可以是带有使光信号L1′和L2′转向的内反射面的玻璃环或以任何一种其它已知的方式构成。
下面将对照图3和4的矢量图，对照现有技术公知的方法及装置对本测量方法和测量装置的工作原理作进一步的说明。
在图3中示出两个反向的光信号L1′及L1和L2′及L2的电场矢量E1和E2的矢量图，该图是在图1的测量装置没有旋转器件8并且带有两个偏振器5和6的相互旋转一个偏振角45°的偏振轴条件下得出的。第一偏振器5的偏振轴用P1标示并且第二偏振器6的偏振轴用P2加以标示。两个偏振轴P1和P2相互偏振倾角为45°。第一光信号L1′在穿过第一偏转器5后的电场矢量E1平行于其偏转轴P1并且接着在传感器装置3中被旋转一个测量角ρ，该测量角没有通常的限定被视为正值。其偏振面旋转一个测量角ρ的第一光信号L1′然后被直接-由于没有旋转器件8-输送给第二偏振器6。第二偏振器6仅允许电场矢量E1投射到其偏振轴P2上的分量通过，电场矢量的场强用e1标示。
e1＝|E1| cos(45°+ρ) (1)适用于投射分量e1。由I1＝(e1)2～cos2(45°+ρ) (2)给出第二偏振器6发送的光信号L1的光强度I1。
与此相反，第二光信号L2′的电场矢量E2平行于第二偏振器6的偏振轴P2，被输入传感器装置3中并且在磁场H作用下旋转一个测量角+ρ。测量角+ρ由于法拉第效应的非互易特性，因而在由第一光信号L1′的传播方向确定的、图中示出的参考系中同样是正的。作为检偏振器而为第二光信号L2′所设的第一偏振器5仅允许第二光信号L2′的旋转一个测量角+ρ的电场矢量E2投射到其偏振轴P1的分量e2通过。投射分量e2为e2＝|E2|cos(45°-ρ) (3)被第一偏振器5允许通过的第二光信号L2由下式得出I2＝(e2)2～cos2(45°-ρ)(4)由关系式(2)和(4)可以看出，在两个偏振器之间的偏振角为45°时测量工作点在cos2(45°)并因此在测量灵敏度最大处。
为进行比较，在图4的矢量图中示出两个光信号L1和L2在穿过图1或图2所示带有光学旋转器件8的结构中的串联光路时的电场矢量E1和E2，以及两个偏振器5和6的相互被调节成平行的偏振轴P1和P2。两个光信号L1′和L2′在穿过第一偏振器5或第二偏振器6时的电场矢量E1和E2相互平行。在图中示出的有利的实施形式中旋转器件8的旋转角α被调整到45°。第一光信号L1′的电场矢量E1首先在传感器装置3中被旋转一个旋转角+ρ，然后由旋转器件8旋转一个旋转角α＝+45°。以由第一光信号L1′的穿过方向确定的参考系为基准，所考虑的角的符号与图3中相同。起着第一光信号L1′检偏器作用的第二偏振器6仅允许投射到偏振轴P1(＝P2)的分量e1＝|E1|cos(ρ+α)＝|E1|cos(ρ+45°) (5)通过。因此第一光信号L1在穿过第二偏振器6后的光强度I1是I1＝(e1)2～cos2(ρ+α)＝cos2(ρ+45°) (6)第二光信号L2′的电场矢量E2由其与第二偏振器6的偏振轴P2平行的初始位置被光旋转器件8旋转一个旋转角-α＝-45°，其符号在由第一光信号L1′的穿过方向确定的参考系中选出并由旋转器件8中的互易圆形双折射确定。在传感器装置3中第二光信号L2′的电场矢量E2被磁场H旋转一个测量角+ρ。起着第二光信号L2′检偏器作用的第一偏振器5仅允许投射到偏振轴P1的分量e2＝|E2|cos(ρ-α)＝|E2|cos(ρ-45°) (7)通过。穿过第一偏振器5后的第二光信号L2的光强度I2因此是I2＝(e2)2～cos2(ρ-α)＝cos2(ρ-45°) (8)所以根据关系式(2)和(6)或(4)和(8)的两个光信号L1和L2穿过串联光路后的光强度I1和I2基本上是一致的。故测量方法或测量装置的工作点通过采用旋转器件8即便在两个偏振器5和6的偏振轴P1和P2相互平行的情况下被调整到旋转角α≠0°时的特征线的单值范围内，尤其是α＝±45°时的最大测量灵敏度点上。此点也类推适用于偏振器5和6的偏振轴P1和P2至少近似相互垂直的情况。因此利用旋转器件8可以降低调整工作点时的校准工作。
在穿过两个传输线路4和7时两个光信号L1′或L1和L2′或L2将分别发生相同的强度变化，该强度变化尤其是因机械振动的衰减损耗造成的。该强度变化基本以衰减系数的形式进入光强度I1和I2。光传输线路的通常与时间有关的实数衰减系数被定义为到达光传输线路一端的光的强度与在传输线路另一端输入的光的强度的比例。设A为第一传输线路4的实数衰减系数并且B为第二传输线路7的衰减系数。则通式I1＝I0·A·B·cos2(ρ+α)(9)I2＝K·I0·B·A·cos2(ρ-α) (10)在考虑到关系式(6)和(8)的条件下适用于两个光信号L1和L2在穿过串联光路后的光强度I1和I2。I0是预先固定的初始强度。K是耦合系数，该耦合系数在所示实施形式中由耦合器11、12和13的耦合比得出。当所有耦合器11、12和13的耦合比分别为50％∶50％时，K＝1。在等式(9)和(10)中的cos2项表明在预定旋转角α的情况下光强度11或I2与法拉第测量角ρ的关系。在等式(9)和(10)中的两个光强度I1和I2的表达式中cos2项前面的系数区别仅在于耦合系数K。
这时在一特别有利的实施形式中消掉传输线路4和7的衰减系数A和B，其中计算器件20或发送和计算单元40由两个光强度I1和I2的线性函数a·I1+b·I2+c和d·I1+e·I2+f以及实数系数a、b、c、d、e和f导出构成式M＝(a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f) (11)的商信号作为磁场H的测量信号M。其中至少系数a和e或系数b和d不等于零。
依照等式(11)的该测量信号M实际上与尤其是由振动造成的传输线路4或7上的强度变化无关。因此在各种实施形式中也可以采用简单的、较为便宜的电信光纤(多模光纤)作为传输线路4和7，这是因为可对其在测量信号M中的较高的衰减和振动灵敏度进行补偿。但作为传输线路4和7也可以采用其它的光导线或自由照射装置。
等式(11)分子和分母中的线性函数的系数a、b、c、d、e和f尤其可以与两个光信号在输入串联光路时的不同的输入强度适配。系数a、b、c、d、e和f最好与依照等式(9)和(10)确定的光强度I1和12适配，从而可以不用考虑传感器装置3中的线性双折射效应求出测量信号M～sin(2ρ) (12)该测量角基本与双法拉第测量角ρ的正弦成比例。对依照等式(11)商的分母中的线性函数d·I1+e·I2+f的系数d、e和f最好进行调整，使线性函数d·I1+e·I2+f实际上恒定不变并因而与磁场H无关。
在一特殊的实施形式中由两个光强度I1和I2求出作为测量信号M的商M＝I1/I2＝cos2(ρ+α)/(k·cos2(ρ-α)) (13)或M＝I2/I1＝(K·cos2(ρ-α))/cos2(ρ+α) (13′)当选择系数a＝e＝1和b＝c＝d＝f＝0或a＝c＝e＝f＝0和b＝d＝1时，由等式(11)通用的商得出该根据等式(13)或(13′)的商值。该测量信号M以较为复杂但明确的方式取决于测量角ρ并因此也取决于磁场H。
尤其是当两个光信号L1′和L2′的输入强度11′和I2′至少近似相等时在一有利的实施形式中也可以采用穿过串联光路的两个光强度I1和I2的差I1-I2(或I2-I1)与和I1+I2的商M＝(I1-I2)/(I1+I2) (14)作为测量信号M。如果在传感器装置3中不出现线性双折射效应，则此测量信号M又与sin(2ρ)成比例。
可以采用计算器件20通过不同的方式由两个反向的光信号L1和L2的光强度I1和I2导出已消掉传输线路4和7的衰减系数A和B的测量信号M。通常两个光信号L1和L2被计算器件20首先分别光电转换成一电强度信号，该电强度信号是某光信号L1或L2的光强度I1或I2的直接量度。测量信号M由这两个电强度信号利用量值表或者也可以通过计算机求出。计算器件20为此含有相应的模拟或数字集成块。
在一种图中未示出的实施形式中首先用一个模/数转换器对电强度信号进行数字化并且经数字化的信号被一微处理器或一数字信号处理器根据等式(11)、(13)、(13′)或(14)继续进行处理。
尤其是用计算机根据等式(11)、(13)、(13′)或(14)求出作为两个光强度I1和I2的预定函数M(I1、I2)的测量信号M时也可以采用模拟器件，模拟器件通常的工作速度要高于数字器件。
在图2的实施形式中，测量装置含有带模拟集成块的计算器件20。计算器件20在此实施形式中含有两个光电转换器21和22、一个减法器23、一个加法器24和一个除法器25。第一转换器21与耦合器13光连接并将穿过串联光路的第一光信号L1转换成第一电强度信号S1，第一电强度信号的信号强度与第一光信号L1的光强度I1相等。第二转换器22与耦合器12光连接并将穿过串联光路后的第二光信号L2转换成作为第二光信号L2的光强度I2量度的第二电强度信号S2。两个电强度信号S1和S2分别输送给减法器23和加法器24的输入端。在减法器23输出端的差信号S1-S2(或S2-S1)和在加法器24输出端的和信号S1+S2被分别输送给除法器25的输入端。除法器的输出信号(S1-S2)/(S1+S2)作为测量信号得出并加在计算器件20的输出端，该测量信号M因而与等式(14)相等。
在图中未示出的实施形式中可以简单地利用模拟器件采用如下方法获得满足通式(11)的测量信号M，在减法器23和加法器24输入端前分别附加接有一个放大器并且该放大器的放大系数与等式(4)中两个线性函数的相应系数a、-b、d和e适配并设有将系数c补充加入根据等式(11)中分子的减法器23的输出信号和将系数f补充加入根据等式(11)中分母的加法器24输出端上的输出信号的其它的加法器。两个其它的加法器的输出信号然后被输送给除法器25的输入端。如果b是正的，则最好用另一加法器替代减法器23。
由于在依照等式(11)求出的测量信号M中系数a、b、c、d、e和f的适配，因而在一特殊的实施形式中也可以对两个光电转换器21和22的不同的灵敏度进行补偿。
在各种实施形式中最好将旋转器件8的预定旋转角α调整到是约±45°或约±π/4的奇数倍。但也可以采用其它的旋转角α。
根据上述任一种测量方法或上述任一种测量装置测量磁场H或电流I时的一个附加的问题是传感器装置3中的温度影响。该温度影响将引起作为传感器装置3中的温度T的函数δ(T)的直线双折射，该直线双折射将会造成对磁场H或电流I的误测量。另外温度变化也会改变费尔德特常数并随之改变测量灵敏度。
这时通过采取下面所述的措施对温度进行补偿基本可以消除测量信号M与温度的这种关系。两个偏振器5和6的偏振轴P1和P2被调整到图4所示与传感器装置3中直线双折射δ的固有轴(主轴、光轴)EA成一偏振角γ。根据等式cos(4γ-2α)＝-2/3(15)至少近似地求出偏振角γ。其中直线双折射δ的固有轴EA由某偏振方向确定，在此偏振方向的情况下输入传感器装置3的直线偏振光保持不变地重新离开传感器装置3。如果与此相反，直线偏振光带有的是与传感器装置3固有轴不平行的偏振面并输入传感器装置3中，则光在穿过传感器装置3时由于直线双折射δ被椭圆偏振。线性双折射δ通常相互正交的两个固有轴可以采用已知方式求出。例如传感器装置3可以设置在一个偏振器，例如偏振器5与一个检偏器，例如偏振器6之间。两个偏振器的偏振轴调整成相互垂直。这时在一实施形式中偏振器和检偏器的两个偏振轴以传感器装置3基准轴为准同向旋转，直至由检偏器发送的光的强度等于零(最大消光)。这时固有轴与偏振器和检偏器的两个偏振轴平行。对此的另一方案是，在另一实施形式中两个偏振轴也以传感器装置3的基准轴为准同向旋转，直至由检偏器发送的光最大(最小消光)。在此情况时由传感器装置3输出的光被圆偏振。直线双折射δ的固有轴这时与检偏器的偏振轴偏移45°或-45°。
如果选用优选旋转角α＝-45°或α＝-45°-n·180°＝-(1+4n)·45°，n为任意整数，则等式(15)缩减成sin(4γ)＝+2/3(15′)
在旋转角α＝+45°或α＝+(1+4n)·45°，n为任意整数时，等式(15)与上述相反缩减成sin(4γ)＝-2/3(15″)可能的满足等式(15′)的偏振角γ的值例如是γ＝+10.45°。满足等式(15″)的偏振角γ例如是γ＝-10.45 °。
与精确的满足等式(15)、(15′)或(15″)的偏振角γ的角值有偏差是可能的，尤其是在直线和/或圆形双折射不均匀时和/或在传感器装置3中费尔德特常数大大取决于温度时，该偏差通常可以达到约5°。而且在温度补偿时旋转角α与理想值α＝+(1+4n)·45°或α＝-(1+4n)·45°的偏差可以达到约±10°。
采用根据等式(15)、(15′)或(15″)至少近似调整的偏振角γ求出的测量信号M这时甚至在传感器装置3内温度变化的情况下，也基本与无直线双折射δ的测量信号相符，即与在根据等式(11)或(14)推导测量信号M时的根据关系式(12)与sin(2ρ)成比例的量值相符。
对根据(15)、(15′)或(15″)的两个偏振器5或6对直线双折射δ的固有轴的最佳偏振角γ在一特殊的实施形式中可以以如下方式简便地进行调整，在校准测量时将取决于温度的测量信号M与预期的没有直线双折射δ的额定值，尤其是根据关系式(12)在作为参数的预定偏振角γ的情况下进行比较并改变偏振角γ，直至实际的测量信号M与实际与温度无关的额定值一致为止。
采用调整偏振角γ实现温度补偿的优点在于测量磁场H或电流I的带宽大。由于采取了温度补偿的措施，所以待测磁场H或电流I的频谱原则上不受限制。
权利要求
1.一种利用具有法拉第效应的传感器装置(3)测量磁场(H)的方法，其中a)两个光信号(L1、L2)相互反向地穿过一个由第一光传输线路(4)、第一偏振器(5)，传感器装置(3)、第二偏振器(6)和第二光传输线路(7)构成的串联光路，b)在两个偏振器(5、6)之间两个光信号(L1、L2)的偏振面旋转一个与磁场(H)无关的、预定的旋转角α并且c)由两个分别穿过串联光路后的光信号(L1、L2)的光强度(I1、I2)求出一与两条传输线路(4、7)上的强度变化基本无关的磁场(H)的测量信号(M)。
2.如权利要求1所述的方法，其中将两个偏振器(5、6)的偏振轴(P1、P2)调整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中测量信号(M)与两个光信号(L1、L2)的光强度(I1、I2)的两个线性函数的商((a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f))相符。
4.如权利要求3所述的方法，其中测量信号(M)与两个光强度(I1、I2)的差与和的商((I1-I2)/(I1+I2))成比例。
5.如权利要求3所述的方法，其中测量信号(M)与两个光强度(I1、I2)的商(I1/I2或I2/I1)成比例。
6.如上述任一项权利要求所述的方法，其中在两个偏振器(5、6)间两个光信号的(L1、L2)的偏振面分别旋转一个旋转角α，该旋转角α至少近似地是+45°或-45°的奇数倍。
7.如权利要求6所述的方法，其中两个偏振器(5、6)的偏振轴(P1、P2)以传感器装置(3)中直线双折射的固有轴(EA)为基准被调整旋转一个偏振角γ，其中偏振角γ对至少近似为-(1+4n)·45°，n为整数的旋转角α至少近似满足关系式sin(4γ)＝+2/3，或对于至少近似为+(1+4n)·45°，n为整数的旋转角α至少近似满足关系式sin(4γ)＝-2/3。
8.如上述任一项权利要求所述的方法，其中对电流(I)的磁场(H)进行测量并提取出作为电流(I)量度的测量信号(M)。
9.一种测量磁场(H)的装置，它带有a)一个由第一光传输线路(4)、第一偏振器(5)、一个具有法拉第效应的传感器装置(3)、第二偏振器(6)和第二光传输线路(7)构成的串联光路，b)用于发送两个相互反向穿过串联光路的光信号(L1、L2)的器件(10、11、12、13)，c)用于由两个光信号(L1、L2)穿过串联光路后的光强度(I1、I2)导出一个基本与两条传输线路(4、7)上的强度变化无关的磁场(H)的测量信号(M)并且带有d)光学接在两个偏振器(5、6)之间的、用于将两个光信号(L1、L2)的偏振面旋转一个与磁场(H)无关的、预定的旋转角α的光学旋转器件(8)。
10.如权利要求9所述的装置，其中将两个偏振器(5、6)的偏振轴(P1、P2)调整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
11.如权利要求9或10所述的装置，其中旋转器件含有至少一个旋转件(8、8A、8B)，该旋转件具有一互易圆形双折射。
12.如权利要求11所述的装置，其中至少有一个旋转件(8、8A、8B)具有光学活性。
13.如权利要求11所述的装置，其中由几何形状引起至少一个旋转件的互易圆形双折射。
14.如权利要求9至13中任一项所述的装置，其中传感器装置(3)本身至少构成旋转器件的一部分。
15.如权利要求9至14中任一项所述的装置，其中计算器件(20)导出一测量信号(M)，该测量信号与两个光信号(L1、L2)在分别穿过串联光路后的光强度(I1、I2)的两个线性函数的商((a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f))相符。
16.如权利要求15所述的装置，其中计算器件(20)导出一测量信号(M)，该测量信号与两个光强度(I1、I2)的差与和的商((I1-I2)/(I1+I2))成比例。
17.如权利要求15所述的装置，其中计算器件(20)导出一测量信号(M)，该测量信号与两个光强度(I1、I2)的商(I1/I2或I2/I1)成比例。
18.如权利要求9至17中任一项所述的装置，其中两条光传输线路(4、7)由多模光纤构成。
19.如权利要求9至18中任一项所述的装置，其中旋转器件(8)将两个光信号(L1、L2)的偏振面分别旋转一个旋转角α，该旋转角α的值至少近似为45°的奇数倍。
20.如权利要求9至19中任一项所述的装置，其中两个偏振器(5、6)的偏振轴(P1、P2)以传感器装置(3)中的直线双折射的固有轴(EA)为基准旋转一个偏振角γ并且该偏振角γ对于至少近似为-(1+4n)·45 °，n为整数的旋转角α至少近似满足关系式sin(4γ)＝+2/3，或对于至少近似为+(1+4n)·45°，n为整数的旋转角α至少近似满足关系式sin(4γ)＝-2/3。
21.如权利要求9至20中任一项所述的装置，其中传感器装置(3)设置在电流(I)的磁场(H)中并且计算器件(20)导出作为电流(I)量度的测量信号(M)。
全文摘要
两个光信号(L1′、L2′)相互反向穿过一个由第一光纤(4)、第一偏振器(5)、一法拉第传感器装置(3)、第二偏振器(6)和第二光纤(7)构成的串联光路。为对工作点进行调整在两个偏振器间附加由旋转器件(8)将两个光信号的偏振面互易地旋转一个预定的旋转角。由穿过串联光路后的两个光信号(L1、L2)的光强度(I1、I2)求出测量信号(M),该测量信号与光纤中的振动和弯曲影响无关。
文档编号G01R33/032GK1176003SQ96192061
公开日1998年3月11日 申请日期1996年2月9日 优先权日1995年2月22日
发明者托马斯·博塞尔曼, 彼得·门克 申请人:西门子公司