专利名称：用于精确探测电流的光纤设备和方法
技术领域：
本发明总体上涉及光纤探测器领域。尤其，本发明涉及用于精确探测电流的光纤设备和方法。
背景技术：
在过去的十年中，光纤探测器已应用于磁场探测和电流探测。由于光纤探测器不导电而且重量轻，所以光纤电流探测器相比于铁芯变流器具有突出的优点。另外，光纤探测器没有滞后现象，并且具有非常大的动态范围和频率响应。
光纤电流探测器的工作原理是法拉第效应(Faraday effect)。电流流过导线，产生磁场，磁场经法拉第效应使光纤中传输的光的偏振平面旋转，其中光纤绕在载流导线上。法拉第定律表述为I＝∮H·dL其中，I是电流，H是磁场，而积分对环绕电流的闭合回路进行。如果探测光纤缠绕载流导线的匝数为整数，并且探测光纤中每一点对磁场具有恒定的灵敏度，那么光纤中光偏振平面的旋转依赖于导线中的电流，并且不受所有外界产生的磁场的影响，外界磁场诸如附近导线中电流产生的磁场。在有磁场的情况下，光偏振平面旋转过的角度Δφ为Δφ＝V∫H·dL其中，V为光纤玻璃的Verdet常数。探测光纤形成对磁场线积分的路径，当路径本身闭合时，此积分正比于导线中的电流。因此，Δφ＝VHI，其中N是探测光纤绕载流导线的匝数。用以下方法测量因电流引起的光偏振状态的旋转，即将具有明确的线偏振状态的光射入探测区，然后分析光射出探测区后的偏振状态。
James N.Blake(下文称Blake)于1996年3月26日提交了发明名称为“光纤干涉电流和磁场探测器”、申请号为第__________号的美国专利申请，在该相关申请中，揭示了用于测量电流和磁场的同路返回式或线性光纤探测器。Blake的专利申请通过引用包括在此。Blake提出将光束分成沿第一和第二本征主轴传播的光；用双折射调制器施加一个或多个波形，以便对光束进行双折射调制；并且还使用相对光纤主轴成45°设置的四分之一波片，以便在进入探测区之前，将正交的线偏振光转换成逆时针旋转的圆偏振光。当在光纤末端反射时，两束光波的旋转方向被反转，光波向后传输通过探测区，转换回线偏振光，并且向回传播到光电探测器。因此，两束光波通过光路时经历了相反的路径和相同的偏振变化。Blake提出的光纤探测器克服了所有传统光纤探测器的许多缺点。但是，探测器和探测方法仍然存在一个特别严重的问题，它会影响探测器的精度。为了获得精确的测量，光学元件，特别是四分之一波片必须是理想的，并且不受诸如温度变化和机械干扰等外界应力的影响。已经充分认识到，很难制造出理想或接近理想的四分之一波片，以获得某些应用所要求的精确探测，并且制造成本很高。
发明内容
因此，需要一种用于补偿由光学元件引起的误差的设备和方法，其中光学元件例如为非理想的四分之一波片，可将线偏振光波转换成圆偏振光波，并转换回来。
依照本发明，提供了一种光纤探测器和用于精确测量的方法，它能消除或基本上减小与现有光学探测器相关的缺点。
在本发明的一个方面，光纤探测器包括一根偏振保持光纤，它形成一光路；两个线偏振光波，它们在光路上，沿偏振保持光纤传播；和至少一个诸如四分之一波片的光学元件，它与光纤耦合，用于将两个线偏振光波转换成在光路上向一探测区传播的两个圆偏振光波。探测区包括一探测媒体，探测媒体一般在光路的中点与偏振保持光纤耦合，圆偏振光波通过探测媒体，产生鉴别相移，该相移是由一磁场以及靠近探测区的一导体中的电流引起。另外，检测器与光纤耦合，用于检测圆偏振光波中的鉴别相移，产生与磁场或电流相关的输出，其中检测器的输出包括因四分之一波片之不理想引起的不相干的D.C.光分量。还包括这样的装置，它用于接收检测器输出，并响应不相干D.C.光分量校正被测量，从而提供精确的探测器测量结果。提供了各种用于确定归一因子以校正测量输出的方法。在另一实施例中，可以响应于被测的非相干D.C.光，改变光源的波长。
在本发明的另一方面， 提供了一种用同路返回式光纤探测器精确测量导体中电流的方法。该方法包括以下步骤提供一根偏振保持光纤，光纤形成一光路；并且产生和发送两个线偏振光波，线偏振光波在光路上，沿偏振保持光纤传播。然后，将两个线偏振光波转换成两个圆偏振光波，圆偏振光波通过探测区，并经历由靠近探测区的导体中的电流引起鉴别相移。圆偏振光波再次返回，通过探测区，然后转换回线偏振。检测圆偏振光波中的鉴别相移，产生与电流大小相关的输出。检测器输出包括因转换步骤的非理想所引起的不相干的D.C.光分量。接收检测器输出，并响应不相干D.C.光分量对其校正，从而提供精确的探测器测量结果。
本发明原理的技术优势提供了一种用于补偿由非理想光学元件(诸如四分之一波片)在光路中引起的误差的经济方法。结果，既可以获得精确的测量结果，又不需要高成本或不实用的电路或信号分析和处理。
附图概述为了更好地理解本发明，请参考附图，附图有
图1是一示意图，示出了同路返回式光纤探测器的一个实施例；图2A和2B是示意图，示出了X和Y光波沿光纤主轴和次轴的传播路径，用以说明问题；图3是一示意图，例示了依照本发明原理的信号处理电路；图4是一曲线图，例示了检测光输出的D.C.与谐波信号的关系；图5是一方框图，例示了依照本发明原理的信号处理电路；图6A和6B是曲线图，例示了依照本发明原理的调制信号和检测光输出。
本发明的详细描述参照附图中的图1-6，可以充分理解本发明的较佳实施例及其优点，在不同的附图中，相同的标号表示相同和相应的部件。
在图1，依照本发明原理构造的电流探测器10包括一宽带光源12，该光源将具有多个光频率分量的宽带光引导到光纤尾纤14中。光纤尾纤14最好是一段偏振保持光纤。偏振保持光纤尾纤14与偏振保持分束器或方向耦合器16相连，方向耦合器16将一部分光引导到起偏器18，而剩余的光终止于非反射的终点20。光束通过起偏器18，起偏器18使光线性偏振。使偏振保持光纤尾纤14、偏振保持分束器16以及起偏器18的本征轴相互对准，并且与光源12的主轴对准，以便确保将光最大限度地输入探测区。因轴未对准引起的偏振交叉耦合点连同非理想的起偏器会使电流测量产生较小的偏差，应该尽可能地避免。
光通过起偏器18后，45°的接头22将光基本上等分成X和Y光波，它们分别沿双折射调制器尾纤24的两个本征轴X和Y。双折射调制器尾纤24是偏振保持光纤的一部分，它具有足够的长度可以对通过它的光去偏振。双折射调制器尾纤24与双折射调制器26相连，这两个元件的X和Y本征轴对准。双折射调制器26可以是一根集成光波导，该波导位于内扩散有Ti的LiNbO3上，金属电极围绕在该波导的周围。另一种方法是，使用压电调制器。施加在电极两端的电压可以改变波导的双折射。波形发生器28产生调制信号施加到双折射调制器26的电极上，以便对光束进行扰动或相位调制。调制信号可以是各种形状的，例如包括正弦波调制、方波调制、三角波调制、锯齿形调频调制(serrodyne modulation)、锯齿波调制(sawtooth modulation)，以及其它合适的周期性波形。调制信号还可以是倾斜函数与周期性波形的组合。
光在双折射调制器26中调制后，进入预定长度的偏振保持光纤总线30。偏振保持光纤总线30的主轴与双折射调制器26的主轴对准。偏振保持光纤总线30起两个作用。第一个作用是将光运载到无源探测媒体或探测光纤32，一般探测光纤32距离诸如光源12和双折射调制器26等有源元件很远。偏振保持光纤总线30的第二个作用是提供足够长度的时延，在光从双折射调制器26传播到探测光纤32并返回的时间内，在双折射调制器26处施加的调制信号基本上变化了它值。在理想的情况下，施加于双折射调制器26的波形的基本扰动频率是1/2τ或其奇数倍，其中τ是光波从双折射调制器26传播通过探测媒体32并返回所用的传播时间。
在通过偏振保持光纤总线30后，光经过45°的接头38、与偏振保持光纤总线30之主轴成45°设置的零级或多级四分之一波片40，以及单模光纤接头42。四分之一波片40的作用是将来自偏振保持光纤总线30每根主轴的正交线偏振光转换成圆偏振状态。四分之一波片最好由一小段具有较长偏振拍长的偏振保持光纤构成，理想情况下，为四分之一偏振拍长。四分之一偏振拍长的奇数倍也可以。
因此，四分之一波片40产生两个相反的圆偏振光波。来自偏振保持光纤总线30之第一主轴或X轴的X光波被转换成右旋圆偏振(RHCP)光波。来自偏振保持光纤总线30之第二主轴或Y轴的Y光波被转换成左旋圆偏振(LHCP)光波。然后，两个圆偏振光波以不同的速度通过缠绕在载流导线36周围的探测光纤32，其累积的相位差正比于与探测光纤32对准的磁场分量。探测光纤32可以由一单模光纤构成，该光纤单位长度的双折射较小，并且绕载流导线36的匝数为整数。对于大多数情况，探测光纤32绕导线36 1-5圈就足够了。已经知道，探测光纤32中的双折射会改变探测器10的灵敏度，并且使其受外界源引起的磁场的影响。因此，使用短距离探测光纤32有利于减小总的双折射。
诸如镜或镜表面等反射镜44终断探测光纤32。光被反射镜44反射，并再次通过探测光纤32。反射使光的圆偏振方向反转，在通过探测光纤32的返回路程中，右旋圆偏振光被转换成左旋圆偏振光，而左旋圆偏振光相反。由于两个光波在其通过探测光纤32的返回路程中，偏振方向和光的传播方向都反转，所以在返回路程中，使第一次通过探测光纤时在两光波之间累积的相对鉴别相移加倍。因此，两光波在两次通过探测区60时累积的总相移Δφ为Δφ＝4VNI，其中V是光纤玻璃的Verdet常数，N是探测光纤绕载流导线36的匝数，而I是导线36中的电流。
在光两次通过探测光纤32后，原处于偏振保持光纤总线30之第一主轴方向的光波返回总线30，沿其第二主轴线偏振，并且原处于偏振保持光纤总线30之第二主轴的光波返回总线30，沿其第一主轴线偏振。然后，光波第二次通过双折射调制器26及其尾纤24，45°接头22和起偏器18将其合在一起，使其干涉。然后，一部分光通过偏振保持分束器16与光电探测器46耦合。用与光电探测器46耦合的信号处理电路50提供测量输出。
因此，在整个光路中，两光波实际上经历了相同的偏振变化，只是次序相反。由于探测媒体32对于光线是同路返回的，所以可以看出，围绕导线36的探测区位于两光波所经过光路的中点。因此，两光波之间的唯一相位差是由探测区中的磁场产生的。
但是，当四分之一波片的结构不理想，或工作不理想时，有一些光以错误的圆偏振状态经过探测区，从而导致不精确的测量。另外，额外的D.C.光是非理想四分之一波片的副产品。四分之一波片的表现受其工作环境的影响，诸如温度变化和其它外界应力。特别是，偏振拍长LB随环境温度而变化，一般为0.1％/℃。由于将四分之一波片远离光源和其它电子元件放置，并且波片一般暴露于外部元件，所以它会受到较大的温度变化。当夏季高温与冬季低温之间的温差达到例如100℃时，偏振拍长变化10％或更多。
参照图2A和2B，图中清楚地示出了两光波的光路，并且大致示出了光分量的相对强度。非理想四分之一波片(IQ)将光纤总线第一主轴上的X光波转换成右旋圆偏振光(R)以及因四分之一波片40的不理想而产生的较小的左旋圆偏振光分量(LS)。反射镜44反射光波，并将它们变成左旋圆偏振光L和较小的右旋圆偏振光(RS)。第二次通过非理想四分之一波片40则将左旋圆偏振光(L)转换成光纤总线第二主轴上的Y光波以及第一主轴上的较小的X光波(XS)。较小的左旋圆偏振光RS被转换成较小的X光波(XS)以及更小的Y光波(YSS)。在光电探测器中，两个XS光分量与所有其它光分量不相干，因此不产生干涉信号。两XS光分量包含在光电探测器中探测到的额外D.C.光的一半。YSS光分量产生一比例因子误差，其中比例因子等于光电探测器的输出除以导线中的电流。受影响的比例因子致使电流值的计算不准确。注意，下标S用来表示光波与主光波相比(这里为Y)的强度，不表示较小的光波分量具有相同的强度。
如图2B所示，类似地，非理想四分之一波片40将第二主轴上传播的Y光波转换成两个分量左旋圆偏振光(L)和较小的右旋圆偏振光(RS)。反射镜44反射光波，并将光波的偏振方向反转成右旋圆偏振光(R)和较小的左旋圆偏振光(LS)。当这两个光波第二次通过非理想四分之一波片40时，右旋圆偏振光被转换成主X光波和较小的Y光波(YS)，而较小的左旋圆偏振光(LS)则被转换成较小的Y光波(YS)和更小的X光波(XSS)。沿光纤总线第二主轴传播的两个YS光波包括由光电探测器探测到的额外D.C.光的另一半。XSS光分量使比例因子产生误差，导致探测器的电流测量结果不准确。
在两个光波中，所得到的额外D.C.光指明了XSS和YSS的大小，从而得知比例因子误差。已知D.C.和A.C.分量以及调制信号的比或相对比例，将探测器处被检测光的D.C.和A.C分量的相对比例与其比较，可以确定额外D.C.光的大小或由四分之一波片产生的误差。
有两种基本方法可以补偿由非理想四分之一波片产生的误差，并用探测器10获得非常精确的电流测量结果。一种方法是，改变光源12(图1)发出的宽带光的波长，尽可能减小或避免由探测器46探测到的额外的D.C.光分量。可以用多种方法改变光输出的波长。例如，通过改变环境温度影响光源12的波长。因此，可以将光源12与一热池(未示出)和一温度控制器(未示出)耦合，热池和温度探测器用来改变光源12周围的温度。一般地说，光源12的波长每摄氏度改变百万分之几百。但是，为了补偿四分之一波片经受的100℃的温度变化，例如可以使光源所需的温度变化大于100℃。尽管可以成功，但在大多数应用中，该温度变化范围并非合理。
用于改变光源波长的另一例方法是，对光谱非常宽的光有选择地滤波。滤波器用来改变所得宽带光输出的波长范围，以便补偿因四分之一波片热改变引起的误差。然而，该方法对波长滤波器的结构有要求，成本较高。
如上所述，这里思考了通过改变入射光的波长来补偿非理想四分之一波片的方法，但是，可以看出，该方法只适用于四分之一波片所经受的温度改变相当小的时候。
用于产生精确的探测器工作结果的第二种方法是，测量额外的D.C.光，并为其提供校正。图1中光电探测器46探测到的光强与导线中的电流相关，并与施加于双折射调制器26上的调制信号相关，其关系可以通过下式表达ID=IO2·{1+cos[4VNI+φ(t)-φ(t-τ)]}]]>其中ID是总的探测功率，IO是当不存在电流和双折射调制时落在光电探测器34上的功率，φ(t)是双折射调制器中的双折射调制波形，而τ是从双折射调制器26至探测器10之末端并返回的回路延迟时间。除了包含周期性波形分量之外，φ(t)还可以包含例如倾斜状的分量，致使φ(t)与φ(t-τ)的差为一个常数加一周期性波形。因此，调制信号具有D.C.和A.C.分量。可以选择倾斜斜率以及常数的值，以便消去由电流引起的相位或4VNI。由此，由足以产生消去的倾斜斜率可以确定被探测的电流值。
上式还可以写成<p>为提供上述柔软度/润滑感的益处，施加至薄页纸幅上的聚硅氧烷的用量为以最终产品达到恒定抗拉强度为准，从赋予所述益处所需的最少有效量至2％，优选的是，纸幅留着约0.01％至约2.0％的聚硅氧烷化合物；更优选的是，留着约0.02％至约1.0％；最优选的是，留着约0.03％至约0.3％。优选所述的聚硅氧烷化合物具有下述结构的硅氧烷单体单元
对于每个独立的硅氧单体单元而言，式中R1和R2可分别为氢或任何烷基，芳基，烯基，烷芳基，芳烷基，环烷基，卤代烃，或其它基团。所述的基团可以是取代或未取代的。任何特定单体单元的R1和R2基团可以不同于下一个连接的单体单元中相应的官能团。此外，聚硅氧烷可以是直链的，支链的或具有环状结构。另外，基团R1和R2可独立地为其它的硅杂官能团，如(但并不局限于)硅氧烷，聚硅氧烷，硅烷，以及聚硅烷。基团R1和R2可包含各种有机官能团，例如包括醇，羧酸，醛，酮和胺，酰胺官能团，其中优选的是氨基官能的硅氧烷化合物。烷基基团的例子是甲基，乙基，丙基，丁基，戊基，己基，辛基，癸基，十八烷基，等。链烯基的例子是乙烯基，烯丙基等。芳基基团的例子是苯基，二苯基，萘基等。烷芳基的例子是甲苯基，二甲苯基，乙苯基，等。芳烷基的例子是苯甲基，α-苯乙基，β-苯乙基，α-苯丁基等。环烷基的例子是环丁基，环戊基，环己基等。卤代烃的例子是氯甲基，溴乙基，四氟乙基，氟乙基，三氟乙基，三氟甲苯基，六氟二甲苯基等。披露聚硅氧烷的参考文献包括US2,826,551(1958年3月11日授权于Geen)；US3,964,500(1976年6月22日授权于Drakoff)；US4,364,837(1982年12月21日授权于Pader)；US5,059,282(1991年10月22日授权于Ampulksi等人)；以及GB849,433(1960年9月28公开，Woolston)中。在此引入这些专利作为参考。另外，引入本发明的参考文献有SiliconCompounds，第181-217页，由Petrarch Systems，Inc.发行(1984)，该文包含广泛列出的聚硅氧烷，并对之进行了说明。
如果希望化学柔软剂主要对结构进行增塑的话，那么它可选自下列的化学剂聚乙二醇(如PEG400)；二甲胺；和/或甘油。
如果四分之一波片误差或δ为零，那么被测光的D.C.分量与其中的所有调谐信号之间存在固定的关系。当δ不为零时，D.C.与谐波信号之间的比例被破坏。
参照图3例示的电路60，峰值探测器62和锁定解调器64都与光电探测器46耦连，用以接收表示由此测得的光的输入。光电探测器46的输出可以是电压电平或电流。峰值探测器62确定光电探测器输出的最大值，而锁定解调器对信号解调，并提供信号的幅值。锁定解调器64的输出和峰值探测器62的输出耦合到除法器66。
在操作中，峰值探测器62提供了光电探测器输出的最大值，该最大值可以表示为IDMAX＝2K(1-δ)锁定解调器的输出实质上提供了输出的第一谐波信号，该信号可以表示为；I1H＝2KJ1(φm)4VNI(1-δ)其中J1是Bessel函数。将锁定解调器64的输出除以峰值探测器62的输出，得到I1HIDMAX=J1(φm)4VNI]]>该等式与δ无关，因此可以用来解电流I，因为所有其它参数都是已知的。从以上描述可以断定，还可以用基于微处理器的信号分析系统来完成与峰值探测器和锁定解调器相同或类似的功能，从而导出比值，并将其与基于调制波形输入的期望比值进行比较。
参照图4，该图示出了D.C.分量和被测光的一些谐波信号。由图可见，被测光的谐波信号为(1-δ)左右。因此，任何一个谐波信号都可以被来自被测光的任何信号除，其中被测光的信号同样正比于(1-δ)。在上述实施例中，分子是第一谐波信号，而分母是被测光的峰值。但是，可以看出，按类似的方式，可以用任何与被测光隔绝的信号分量来导出比值。
另外，由以上描述可知，本发明的原理在不存在四分之一波片误差时，将被测光的D.C.分量与A.C.光谱比较，然后将该比较结果用作存在误差时的比较结果。上述设备和方法可以比较峰值(它是D.C.信号和所有谐波的组合)和第一谐波信号。但是，本发明还可以用其它比较装置来导出D.C.信号与谐波信号之间的关系。例如，可以测量第二谐波信号，并将其除以所测得的D.C.信号，从而为包括四分之一波片误差的后续测量的比较奠定基础。
再参照等式ID＝K{1+cos[4VNI+φ(t)-φ(t-τ)]}利用双折射调制器处的周期性波形以及倾斜函数，被测光变成ID＝K[1+cos(4VNI+γ+φmcosωt)]其中γ是正比于倾斜函数之斜率的常数。如果γ＝-4VNI，那么被测光为ID＝K[1+cos(φmcosωt)]因此，通过设定γ＝-4VNI，该输出的第一谐波信号变为零。通过改变引入系统中的γ值，使第一谐波信号为零，便可由倾斜函数的斜率或锯齿波形导出所需的输出。
参照图5，该图是一方框图，例示了信号处理电子设备的电路实施。通过使用计数器72，对规定时段中发生的锯齿进行计数，从而确定倾斜函数的斜率或锯齿波形。计数越高，倾斜斜率就越陡。因此，计数器的输出正比于γ。
由于四分之一波片引起误差，所以γ≠-4VNI，但实际上正比于(1+δ)，即γ＝-4VNI(1+δ)为了消去δ，可以将γ除以一个正比于(1+δ)的项。另一种方法是，将γ乘以一个正比于(1-δ)的项，从而产生一个正比于(1-δ2)的值，对于较小的δ，该值约为1。
除锯齿波形外，在双折射调制器上使用正弦调制，致使φ(t)-φ(t-τ)＝γ+φmcosωt并选择φm＝π/2IDMINIDMAX≈(1+δ)2]]>另一种方法是，使φm＝2.4IDAVGIDMAX≈(1+δ)2]]>因此，可以用任何一种方法获得用于消去γ中固有的对δ之依赖关系合适的归一化因子。
参照图6A，如果除了倾斜函数或锯齿波形之外还在双折射调制器上使用方波调制，那么[φ(t)-φ(t-τ)]等于γ加一个更复杂的周期性波形。对于不正常的频率操作，选择τ≠1/2占空度(duty cycle)，所得的光电探测器的输出为ID＝K[1+cosφm(t)]该情况示于图6B中.因此，使δ非零，并且φm＝π/2，那么IDMINIDMAX=K2K(1-δ)]]>≈1+δ2]]>该式可以用作归一化因子，用以消去γ中固有的对δ的依赖关系。
尽管已详细描述了本发明及其优点，但应该理解，不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围和精神，可以对本发明进行各种改变，替换和变化。
权利要求
1.一种光纤探测器，其特征在于，包括一根偏振保持光纤，它形成一光路；两个线偏振光波，它们在所述光路上，沿所述偏振保持光纤传播；至少一个四分之一波片，它与所述光纤耦合，用于将所述两个线偏振光波转换成在所述光路上向一探测区传播的两个圆偏振光波；所述探测区包括一探测媒体，所述探测媒体一般在所述光路的中点与所述偏振保持光纤耦合，所述圆偏振光波通过所述探测媒体，产生鉴别相移，所述相移是由一磁场以及靠近所述探测区的一导体中的电流引起；一检测器，它与所述光纤耦合，用于检测所述圆偏振光波中所述的鉴别相移，产生与所述磁场或所述电流相关的输出，所述检测器的输出包括因所述四分之一波片之不理想引起的不相干的D.C.光分量；和用于接收所述检测器输出并响应所述不相干D.C.光分量校正所述被测量以提供精确的探测器测量结果的装置。
2.如权利要求1所述的光纤探测器，其特征在于，所述校正装置包括一D.C.值检测器，用于接收所述检测器输出，并产生代表所述检测器输出中D.C.信号强度的输出；一A.C.检测器，用于接收所述检测器输出，并产生与所述检测器输出中的A.C.光谱相关的输出值；以及一比较器，用于接收所述D.C.输出值和所述A.C.输出值，并且比较其相对强度。
3.如权利要求1所述的光纤探测器，其特征在于，所述校正装置包括一峰值检测器，用于接收所述检测器输出，并产生最大检测器输出值；一锁定解调器，用于接收所述检测器输出，并产生所述检测器输出的谐波信号；和一除法器电路，用于接收所述最大检测器输出值和所述谐波信号，并产生与其相对强度相关的比值。
4.如权利要求1所述的光纤探测器，其特征在于，还包括一相位调制器，所述相位调制器与所述偏振保持光纤耦合，用于至少施加一个调制波形，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制，从而包括A.C.分量和D.C.分量。
5.如权利要求4所述的光纤探测器，其特征在于，所述相位调制器施加一周期性波形和一倾斜状函数，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制。
6.如权利要求4所述的光纤探测器，其特征在于，所述相位调制器施加一周期性方波形和一周期性锯齿波形，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制。
7.如权利要求6所述的光纤探测器，其特征在于，所述相位调制器施加所述周期性方波形非正常频率。
8.如权利要求6所述的光纤探测器，其特征在于，所述校正装置包括与所述相位调制器耦合、用于改变所述调制波形中所述锯齿的斜度以便使所述检测器输出中的第一谐波信号为零的装置；和一电路，它与所述相位调制器耦合，用于接收所述周期性锯齿波形，以确定所述锯齿波形的斜率。
9.如权利要求8所述的光纤探测器，其特征在于，所述电路包括一计数器，所述计数器用于对预定时间间隔发生的锯齿数进行计数。
10.如权利要求4所述的光纤探测器，其特征在于，所述相位调制器是一个双折射调制器。
11.如权利要求1所述的光纤探测器，其特征在于，所述校正装置包括用于计算下式的装置I1HIDMAX]]>其中I1H是所述检测器输出的第一谐波信号，而IDMAX是所述检测器输出的最大值。
12.如权利要求5所述的光纤探测器，其特征在于，所述校正装置包括用于计算下式的装置γ·IDMAXIDMIN]]>其中γ是与所述倾斜状函数相关的常数，IDMAX是所述检测器输出的最大值，而IDMIN是所述检测器输出的最小值。
13.一种用同路返回式光纤探测器精确测量导体中电流的方法，其特征在于，包括以下步骤提供一根偏振保持光纤，所述光纤形成一光路；产生并发送两个线偏振光波，所述线偏振光波在所述光路上，沿所述偏振保持光纤传播；将所述两个线偏振光波转换成在所述光路上向一探测区传播的两个圆偏振光波；使所述圆偏振光波通过所述探测区，经历由靠近所述探测区的导体中的所述电流引起的鉴别相移；使所述发生相移的圆偏振光波返回，通过所述探测区，产生另一次的鉴别相移；将所述两个发生相移的圆偏振光波转换回两个线偏振光波；检测所述圆偏振光波中所述鉴别相移，并产生与所述电流大小相关的输出，所述检测器输出包括因所述转换步骤的非理想所引起的不相干的D.C.光分量；并且用于接收所述检测器输出并响应所述不相干D.C.光分量校正所述被测量以提供精确的探测器测量结果的装置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述校正步骤包括以下步骤接收所述检测器输出，并产生代表所述检测器输出中D.C.信号之强度的输出；接收所述检测器输出，并产生与所述检测器输出中的A.C.光谱相关的输出值；以及比较所述D.C.输出值和所述A.C.输出值的相对强度，确定所述不相干的D.C.光分量。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述校正步骤包括以下步骤；接收所述检测器输出，并产生最大检测器输出值；接收所述检测器输出，并产生所述检测器输出的谐波信号；和接收所述最大检测器输出值和所述谐波信号，并产生与其相对强度相关的比值。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括下述步骤；至少施加一个调制波形，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制，从而包括A.C.分量和D.C.分量。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相位调制步骤包括下述步骤施加一周期性波形和一倾斜状函数，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相位调制步骤包括下述步骤施加一周期性方波形和一周期性锯齿波形，以便对所述两个线偏振光波进行相位调制。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述相位调制步骤包括施加所述周期性方波形非正常频率的步骤。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述校正步骤包括以下步骤改变所述调制波形中所述锯齿的斜度，以便使所述检测器输出中的第一谐波信号为零；并且接收所述周期性锯齿波形，以确定所述锯齿波形的斜率。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，所述斜率确定步骤包括下述步骤对预定时间间隔发生的锯齿数进行计数
22.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述校正步骤包括下述计算步骤I1HIDMAX]]>其中I1H是所述检测器输出的第一谐波信号，而IDMAX是所述检测器输出的最大值。
23.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述校正步骤包括下述计算步骤γ·IDMAXIDMIN]]>其中γ是与所述倾斜状函数相关的常数，IDMAX是所述检测器输出的最大值，而IDMIN是所述检测器输出的最小值。
24.一种光纤探测器，其特征在于，包括一根偏振保持光纤，它形成一光路；两个线偏振光波，它们在所述光路上，沿所述偏振保持光纤传播；至少一个四分之一波片，它与所述光纤耦合，用于将所述两个线偏振光波转换成在所述光路上向一探测区传播的两个圆偏振光波；所述探测区包括一探测媒体，所述探测媒体一般在所述光路的中点与所述偏振保持光纤耦合，所述圆偏振光波通过所述探测媒体，产生鉴别相移，所述相移是由一磁场以及靠近所述探测区的一导体中的电流引起；一检测器，它与所述光纤耦合，用于检测所述圆偏振光波中所述的鉴别相移，产生与所述磁场或所述电流相关的输出，所述检测器的输出包括因所述四分之一波片之不理想引起的不相干的D.C.光分量；和用于接收所述检测器输出并改变所述两个经偏振光波长，以便使所述不相干的D.C.光分量的最小，从而提供精确的探测器测量结果的装置。
全文摘要
提供一种光纤探测器(10)以及用于获得精确测量结果的方法。偏振保持光纤(22)形成一线性光路。用光纤元件(40)将线偏振光波转换成圆偏振光波,圆偏振光波沿光路传播,并通过探测媒体(32)。由于外界应力和干扰,光学元件(40)将偏振状态错误的光引入光路。结果是测量结果中的比例因子有误差,并且检测器(46)检测到额外的非相干的D.C.光。利用额外的非相干D.C.光的存在和大小提供一归一化因子,以补偿比例因子的误差。
文档编号G01R33/032GK1229475SQ97197719
公开日1999年9月22日 申请日期1997年8月1日 优先权日1996年8月1日
发明者詹姆斯·N·布雷克 申请人:得克萨斯A&M大学系统