温度补偿光纤电流传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤电流传感器，所述光纤电流传感器具有光源、线偏振器、传感光纤、法拉第旋转器、镜和至少一个检测器。
【背景技术】
[0002]光纤电流传感器一般依赖在光学玻璃纤维中的法拉第效应。光纤围绕传导待测电流的导体形成至少一个回路。法拉第效应作为线偏振光的偏振旋转观察到，或者等同地作为左和右圆偏振光波之间的差分相移观察到。有时将这两个传感器种类分别称为偏振传感器和干涉传感器。光纤有利以反射模式操作，即，光往返通过光纤线圈。
[0003]磁光偏振旋转或相移通过偏振器转化成光强度变化。为了得到作为电流的函数的光强度线性变化，如果检测偏振旋转，有必要对偏振角引入45°偏移，或者，如果检测相移，引入90°相偏移。Fros1等[I]已应用从光纤陀螺仪[2]知道的非倒易调相方法，以在干涉传感器中通过调相器动态产生90°相偏移。或者，通过四分之一波延迟器[I]以无源方式产生相偏移。[3]描述利用相互反相和/或正交的数个检测通道的同样使用无源延迟器的检测方案。该方案允许某些缺陷补偿，例如温度相关性信号偏移和干涉条纹可见性的变化。
[0004]F.Brifford等[4]和K.Kurosawa等[5]描述一种方法，其中通过22.5。在线法拉第旋转器在偏振传感器中对线偏振光产生45°偏移角。光在往返期间经传感器通过旋转器两次，这产生45°偏移旋转。在类似布置中，H.Lin等[6]使用22.5°在线法拉第旋转器在左和右圆偏振光波之间引入90°相偏移。
[0005]美国专利申请US2007/0273358A1 [7]教授一种根据Ref.[5]利用法拉第旋转器旋转角的温度相关性补偿传感器中韦尔德常数的温度相关性的方法。美国专利申请US2010/0253320 Al [8]公开一种根据Ref.[5]通过信号处理对传感器的温度相关性计算到第一级或通过信号处理和另外的温度传感器计算到更高级的方法。[9]描述在干涉传感器中利用非倒易调相补偿法拉第效应的温度相关性的方法。在此，以来自延迟器的温度效应平衡来自韦尔德常数的温度效应的方式制备产生圆光波的光纤四分之一波延迟器。
[0006]K.Bohnert 等在 J.0f Lightwave Technology, Vol.20, N0.2, pp.267 - 276中描述一种利用非倒易调相的装置，其中非倒易调相方案中的温度补偿通过解谐四分之一波延迟器进行。
[0007]利用非倒易调相的当今技术水平的干涉光纤电流传感器为对交流和直流二者具有极佳精确度的高端传感器。另一方面，它们需要复杂且昂贵的装置测量磁光相移，例如，具有闭路电子器件的集成光学调相器。另外，连接光电模块(包括光源、光电检测器、信号处理电子器件等)和传感光纤线圈的光纤为偏振保持特种光纤。用于这些光纤的线缆和连接器要求高而且昂贵。
[0008]利用无源检测方案的较简单传感器的性能通常不足以应用于电力传输和分配，特别是由于温度的干扰效应。
【发明内容】
[0009]因此，要由本发明解决的问题提供上述类型的温度补偿光纤电流传感器和用此电流传感器测量电流的方法。此问题由电流传感器和独立权利要求的测量电流的方法解决。示例性实施方案由从属权利要求及其任何组合给出。
[0010]电流传感器应包括:
光源，
从所述光源接收光并产生偏振光的第一线偏振器，和传感器头，所述传感器头具有:
-延迟器，所述延迟器从所述偏振器接收光，并具有延迟，即，在延迟器中在线性正交偏振模式之间的相延迟，为90° +Δ P +N.180°或180° + Δ p +N.180°，其中延迟器解谐Δ P ^ 0，并且N为彡O的整数，
-布置成从所述延迟器接收光的传感光纤，其中所述传感光纤适合围绕传导待测电流的导体至少一次形成回路，
-布置成从所述传感光纤接收光的镜，和
-在所述延迟器和所述镜之间布置的法拉第旋转器，其中法拉第旋转器使光旋转(22.5° +M.45° )±10°，并且M为彡O的整数。
[0011]传感器进一步包括至少一个检测器，所述检测器适合检测从传感器头通过所述第一线偏振器返回的至少一个光信号。
[0012]这种布置允许基本线偏振光或非相干的基本左和右圆偏振光耦合进入传感光纤。四分之一波或半波延迟器解谐量Λ P允许补偿(至少以第一近似)测量信号的温度相关性。
[0013]在室温的绝对解谐角I Δ P I有利地在1°和30。之间，特别在1°和15。之间。
[0014]在一个实施方案中，延迟器可以为解谐半波延迟器，S卩，具有180° +Λρ+Ν.180°延迟。在此情况下，在一个有利的实施方案中，延迟器具有相对于所述偏振光的偏振方向在角45° ±10°下布置的主轴，即，离开延迟器的光仍基本线性偏振(除了 Δρ引入的相移)，特别是如果偏振光入射在延迟器上，而不预先变成偏振态。
[0015]在另一个实施方案中，传感器可进一步包括在偏振器和延迟器之间布置的双折射元件，例如双折射偏振保持光纤。双折射元件具有相对于来自偏振器的偏振光的偏振方向以45° ±10°布置的主轴。它引入超过光相干长度的差分群延迟，使得从双折射元件离开的两个线偏振光波相互相干。另外，延迟器的主轴相对于双折射元件的主轴处于45° ±10°的角。因此，延迟器产生
-两个正交非相干的基本圆偏振光波(如果延迟器为解谐四分之一波延迟器)或 -两个非相干的基本线偏振光波(如果延迟器为解谐半波延迟器)。
[0016]在第二种情况下，如下所示，可选择延迟器长度，使得其至少部分补偿传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿法拉第旋转器产生的旋转的二次温度相关性。在所有其它情况下，可选择延迟器长度，以至少补偿传感光纤的韦尔德常数的(线性)温度相关性。在两种情况下，也可进一步考虑所述传感光纤双折射的温度相关性选择延迟器长度，使得也补偿该温度相关性。
[0017]如果在平面中布置回路传感线圈，则有利地以对延迟器的主轴45° ±10°角布置所述平面的法向(即，线圈的轴)。这种取向减小弯曲诱导双折射的影响。
[0018]法拉第旋转器有利地使光旋转22.5° +M.45° ±10°，其中M为整数，因此产生约45° (+90°的可能倍数)往返旋转。
[0019]如果传感器在相对小的温度范围内操作，若只有单一检测通道，其可能足够。然而，有利地，其包括第一光电检测器，所述第一光电检测器检测平行于(引出)偏振光偏振方向偏振的返回光；和第二光电检测器，所述第二光电检测器检测垂直于(引出)偏振光偏振方向偏振的返回光。
[0020]应了解，关于延迟和相移所给的任何角适用于室温下来自光源的光的中心波长。
[0021]在为了测量电流操作传感器时，延迟器有利地保持在与传感光纤相同的温度(例如，在±10°c内)，以使其可靠补偿光纤的韦尔德常数的温度相关性。
[0022]其它有利实施方案列于从属权利要求及以下说明中。
[0023]附图简述
通过以下详述，应更好地了解本发明，且上述以外的目的将变得显而易见。这些描述参考附图，其中:
图1显示传感器的基本设计图，
图2a显示在传感光纤内利用22.5°法拉第旋转器的作为电流的函数的计算信号，法拉第旋转器引入光偏移，这增加O电流附近的检测灵敏度，
图2b显示不利用22.5°法拉第旋转器的作为电流函数的计算信号，
图3显示本发明的实施方案A，
图4显示作为延迟Λ P =p-180°的函数的传感器结构A的标度因数，
图5显示对于Λ P = - 3.3°的传感器结构Α，对标度因数的温度相关性的贡献和总体温度相关性，
图6显示两种DC信号的归一化差如何随温度线性变化和如何能够在不施加DC电流时测量温度，
图7显示利用圆偏振光的传感器结构B，
图8a显示在两个光电检测器的作为电流函数的归一化信号(结构B)，其中光纤线圈的主轴对延迟器的轴以45°定向，其中四分之一波延迟器是理想的(Δ p=0)，并且没有弯曲诱导的双折射(S=O)存在，
图Sb对应于图8a，但代表传感器经温度补偿(Λ p=-15° )且显示弯曲诱导双折射的情况，
图9显示对于利用传感器Β( Λ P =-15° )的AC电流测量和在传感器线圈平面和延迟器轴之间45°定向，对标度因数的温度相关性的贡献和总体温度相关性，
图10显示，如果光纤线圈的主轴平行于延迟器轴，在弯曲诱导光纤双折射存在下，传感器结构B的标度因数作为与理想四分之一波延迟的偏差的函数(实线)，为了比较，虚线显示在没有弯曲诱导双折射存在下的标度因数，箭头表示在弯曲诱导双折射存在下得到最大标度因数的Δ P值(注意:数据相对于Λ P =0和δ =0的情况归一化)，
图11显示，对于在传感器线圈平面法向和延迟器轴之间45°角，在弯曲诱导光纤双折射存在下标度因数作为与理想四分之一波延迟的偏差的函数(实线)，为了比较，虚线显示在没有弯曲诱导双折射存在下的标度因数(注:数据相对于△ P =O和δ =O的情况归一化)，
图12显示利用线偏振光的非相干波束的传感器结构C，
图13显示两种光电检测器的归一化信号作为电流的函数(结构C)，其中P =183.2°，艮P Δ P =3.2°，并且
图14显示对于利用传感器C(P=183.2°，即Λρ=3.2° )的AC电流测量和在传感器线圈平面和延迟器轴之间45°定向，标度因数的温度相关性和各自的贡献。
[0024]发明详述定义
本文所用术语“基本圆偏振光”类型和类似术语表示可由相等振幅且相互相移为90° +Κ.180° +Δ α的两个共线、相干、正交、线偏振的光波叠加产生的光，其中K为整数，Δ α在-30°和+30°之间，特别在-15°和15。之间(Δ α =0。对应于理想圆偏振)。
[0025]本文所用术语“基本线偏振光”类型和类似术语表示可由相等振幅且相互相移为K.180