CH686744A5 - Faseroptischer Stromsensor. - Google Patents

Description

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CH 686 744 A5

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Beschreibung

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft einen, auf dem Faraday-Effekt basierenden faseroptischen Stromsensor zur Messung des in einem elektrischen Stromleiter fliessenden Stromes, umfassend a) eine linear polarisiertes Licht erzeugende Lichtquelle;

b) eine zwei optische Achsen aufweisende polari-sationserhaltende Faser c) einen Faserkoppler d) einen x/4-Retarder,

e) eine in mehreren Windungen um den Stromleiter geführte Sensorfaser, und eine Interferenz-Auswerteinheit, wobei das Licht von der Lichtquelle über den Faserkoppler derart in die polarisationser-haltende Faser eingekoppelt ist, dass in dieser beide Polarisationsrichtungen gleichstark angeregt sind, und wobei der /74-Retarder im Lichtweg zwischen der polarisationserhaltenden Faser und der Sensorfaser angeordnet ist.

STAND DER TECHNIK

Ein faseroptischer Stromsensor dieser Art ist aus G. Frosio, K. Hug, R. Dändliker, All-Fiber Sagnac Current Sensor, Opto 92, Paris 1992, S. 1-5, bekannt. Wichtige Grundlagen bezüglich des verwendeten Messprinzips sind in S. Ezekiel, H. J. Arditty, Fiber-Optic Rotation Sensors and Realted Technologies, Proceedings of the First International Conference MIT, Cambridge, Mass. USA, November 9-11, 1981, S. 1-26, Springer-Verlag Heidelberg, New York 1982, beschrieben.

Bei dem bekannten Stromsensor durchläuft das Licht eine geschlossene Faserschleife, welche neben der Sensorspule zwei polarisationserhaltende Fasern und zwei >74-Retarder umfasst. Zur Ankopp-lung an die geschlossene Faserschleife und zur Aufspaltung des Lichtweges ist ein zusätzlicher, po-larisationserhaltender Faserkoppler vorgesehen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Stromsensor der eingangs genannten Art anzugeben, welcher sich gegenüber dem bekannten u.a. durch einen einfacheren Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen faseroptischen Stromsensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Wie nachfolgend noch eingehender erläutert wird, breiten sich bei dem erfindungsgemässen Stromsensor die beiden in der polarisationserhaltenden Faser angeregten und nachfolgend im X74-Retarder zirkulär polarisierten Moden in der Sensorfaser in der gleichen Richtung aus, anstatt in entgegengesetzten Richtungen, wie dies bei dem bekannten Stromsensor der Fall ist. Am freien, verspiegelten Ende der Sensorfaser werden die beiden zirkulär polarisierten Moden reflektiert. Dabei wird die rechtszikular polarisierte Mode als linkszirkulare und die linkszirkulare als rechtszirkulare Mode zurückreflektiert. Auf diese Weise ist die für das Messprinzip notwendige Reziprozität im Lichtweg sichergestellt, so dass der nichtreziproke Faraday-Effekt detektiert werden kann.

Gegenüber dem bekannten Stromsensor benötigt die erfindungsmässe Reflexkonfiguration lediglich eine polarisationserhaltende Faser. Insbesondere dann, wenn vermittels der polarisationserhaltenden Faser grössere Abstände zu überbrücken sind, können die Kosten der gesamten Anordnung durch die Einsparung der Faser erheblich reduziert werden. Des weiteren entfällt gegenüber dem bekannten Stromsensor ein x/4-Retarder sowie der dort zur Strahlaufteilung benötigte polarisationserhaltende Faserkoppler. Bei gleicher Empfindlichkeit wird nur die halbe Länge für die Sensorfaser benötigt, da der nichtreziproke Faraday-Effekt in der Sensorfaser sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg aufsummiert wird. Bei gleicher Faserlänge wäre der detektierte Faraday-Effekt im Vergleich mit der bekannten Konfiguration doppelt so gross. Mit einer Reduktion der Sensorfaserlänge ist in vorteilhafter Weise auch eine Reduktion der Störempfindlichkeit verbunden. Schliesslich werden auch weniger Spieissverbindungen benötigt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 den generellen Aufbau eines faseroptischen Stromsensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei nur die Grundelemente dargestellt sind,

Fig. 2 unter a) und b) in zwei Diagrammen elektrische Feldvektoren bzw. E-Vektoren von sich in den Fasern des Stromsensors von Fig. 1 ausbreitenden Lichtwellen bzw. Moden, wobei unter a) die E-Vektoren der hinlaufenden und unter b) die der reflektierten Lichtwellen dargestellt sind, und

Fig. 3 einen erfindungsgemässen Stromsensor in etwas detaillierterer Ausgestaltung.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, 2 einen vorzugsweise polarisationserhaltenden Faserkoppler, 3 eine erste 45°-Spleissverbindung, 4 eine distanzüberbrückende, zwei optische Achsen aufweisende, polarisationserhaltende Faser, 5 eine weitere 45°-Spleissverbindung, 6 einen /74-Retarder, 7 eine in mehreren Windungen um einen elektrischen Leiter 8 gewundene Sensorfaser und 9 einen Spiegel bzw. eine Verspiegelung am freien Ende der Sensorfaser 7. Mit 10 ist eine Interferenz-Auswerteinheit bezeichnet.

Die Lichtquelle 1 ist vorzugsweise ein Laser, welcher linear polarisiertes Licht mit kurzer Kohärenzlänge erzeugt.

Das linear polarisierte Licht von der Lichtquelle 1 wird über den Faserkoppler 2 und die erste 45°-

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Spieissverbindung 3 derart in die polarisationserhaltende Faser 4 eingekoppelt, dass in dieser zwei zueinander orthogonale Moden entsprechend den beiden optischen Achsen dieser Faser mit möglichst gleicher Amplitude angeregt werden. Im Diagramm von Fig. 2a) ist der E-Vektor des von der Lichtquelle stammenden linear polarisierten Lichtes in Richtung der y-Achse aufgetragen und mit Eo bezeichnet, während die E-Vektoren der beiden zueinander orthogonalen und mit der ursprünglichen Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° einschliessenden Moden in der polarisationserhaltenden Faser 4 mit Ei und E2 bezeichnet sind.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Moden in der polarisationserhaltenden Faser unterschiedlich ist, akkumulieren sie beim (ersten) Durchlaufen dieser Faser einen gewissen Gangbzw. Wegunterschied a L. Die Lichtquelle 1 ist nun so ausgewählt, dass die Kohärenzlänge des von ihr erzeugten Lichtes kleiner als dieser Wegunterschied a L und, für Hin- und Rückweg, kleiner als 2* a L ist. Die beiden Moden sind dann nach dem Durchlaufen der polarisationserhaltenden Faser voneinander unabhängig.

Die E-Vektoren Ei und E2 der beiden gegeneinander laufzeitmässig verschobenen Moden lassen sich, wie dies in Fig. 2a) auch dargestellt ist, ihrerseits jeweils in zwei zueinander orthogonale Komponenten zerlegen, welche in Fig. 2a) mit Em und Ei 2 bzw. mit E2 1 und E22 bezeichnet sind.

Durch den x/4-Retarder 6 wird dann aus den Komponenten Em und E12 rechtszirkular polarisiertes und aus den Komponenten E2 1 und E2 2 links-zirkular polarisiertes Licht erzeugt, indem durch den X/4-Retarder 6 beispielsweise die beiden entlang der Y-Achse ausgerichteten Komponenten Em bzw. E2 1 um eine viertel Wellenlänge (x/4) gegenüber ihren jeweils zugehörigen, in Richtung der positiven bzw. negativen X-Achse ausgerichteten Komponenten Ei 2 und E2 2 verzögert werden.

Das derart erzeugte, rechts- bzw. linkszirkular polarisierte Licht durchläuft die Sensorfaser 7, wird an deren Ende reflektiert und läuft anschliessend zum A/4-Retarder 6 wieder zurück. Bei der Reflexion wird durch den dabei auftretenden Phasensprung von einer halben Wellenlänge (>72) das rechtszirkular polarsierte Licht in linkszirkular polarisiertes und das linkszirkular polarisierte Licht in rechtszirkular polarisiertes verwandelt. Die zuvor durch den x/4-Retarder 6 um x/4 gegenüber den X-Komponenten Ei 2 und E2 2 verzögerten Y-Komponenten Em und E2 1 laufen diesen jetzt um x/4 vor. Durch erneute Verzögerung der Y-Komponenten beim erneuten Passieren des ?74-Retarders werden die X- und Y-Komponenten jeweils wieder phasengleich. Sie lassen sich dadurch auch wieder zu zwei zueinander orthogonalen, linear polarisierten Moden zusammensetzen. Die beiden zurücklaufenden Moden sind dabei allerdings gegenüber den hinlaufenden Moden Ei und E2 bezüglich ihrer Richtungen gerade vertauscht. Die entsprechenden, vertauschten Verhältnisse sind in Fig. 2b) dargestellt. In Fig. 2b sowie im folgenden sind die zurücklaufenden Wellen bzw. Moden zur Unterscheidung von den hinlaufenden mit einem Apostroph versehen.

Das Vertauschen der Richtungen der beiden reflektierten Moden Ei' und E2' hat zur Folge, dass die zuvor auf der «schnellen» Achse übertragene Mode beim Zurücklaufen auf der «langsamen» Achse dieser Faser übertragen wird und umgekehrt. Der beim Hinlaufen akkumulierte Wegunterschied zwischen den beiden Moden wird dadurch beim Zurücklaufen gerade wieder aufgehoben bzw. rückgängig gemacht. Nach dem erneuten Durchlaufen der polarisationerhaltenden Faser 4 sind die beiden Moden wieder in Phase und können miteinander interferieren. Für Licht, welches wegen nicht-idealer Elemente eine Kopplung von einem Polarisationszustand in den (orthogonalen) anderen erfahren hat, liegen hingegen nicht diese Verhältnisse vor. Solches Licht kann am Ausgang des Interferometers keine unerwünschten Interferenzen produzieren, da sein Wegunterschied (2* a L) grösser als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 1 ist.

Auf die vorbeschriebene Weise ist, wie bereits erwähnt, die Reziprozität im Lichtweg sichergestellt. Allein dadurch kann der nichtreziproke, ausserordentlich kleine Faraday-Effekt überhaupt gemessen werden. Der Faraday-Effekt besteht darin, dass das von einem in dem elektrischen Stromleiter 8 fliessenden Strom I verursachte Magnetfeld den Brechungsindex für rechtszirkular polarisiertes Licht in der Sensorfaser 7 genau umgekehrt verändert wie den für linkszirkular polarisiertes Licht und zwar jeweils proportional zur Stromstärke. Ein im Stromleiter 8 fliessender Strom I wird dadurch eine gewisse Phasenverschiebung bewirken, welche dann eine messbare Veränderung des durch die Interferenz zwischen den beiden reflektierten Moden Ei' und E2' erzeugten Interferenzmusters zur Folge hat. Zur Auswertung des Interferenzmusters bzw. seiner Veränderung dient die Interferenz-Auswerteinheit 10.

Im folgenden wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Elemente des darin dargestellten faseroptischen Stromsensors sind, soweit sie mit solchen des in Fig. 1 dargestellten Stromsensors übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie jene. Zusätzlich ist ein Phasenmodulator 11, ein Polarisator 12 sowie ein Detektor 13 dargestellt. Die Interferenz zwischen den beiden reflektierten Moden findet im Polarisator 12 statt. Die Anforderungen an den Faserkoppler 2 sind deshalb gering (nur Intensitätsübertragung). Der Detektor 13 wertet die durch den Faraday-Effekt bei sich änderndem Strom I verursachten Intensitätsänderungen des erzeugten Interferenzmusters aus. Der Phasenmodulator 11, welcher die Zeitverzögerungen moduliert, dient zur Optimierung des Arbeitspunktes (nicht-reziproke Verschiebung des Arbeitspunktes von einem Maximum der Detektor-Ausgangsstromkurve in deren steile Flanke(n). Um den optimalen Faraday-Effekt zu erhalten, muss die Modulationsfrequenz gleich 1/T sein, wobei T die Zeit ist, die das Licht der Lichtquelle 1 für einen vollständigen Durchlauf durch das Interferometer benötigt.

Der AM-Retarder 6, der Polarisator 12 sowie der Phasenmodulator 11 sind vorzugsweise sog. «all-fi-ber»-Elemente. Die polarisationserhaltende Faser 4 ist eine sog. «hi-bi »-Faser, d.h. eine Faser mit hoher intrinsischer Doppelbrechung. Der x74-Retarder

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6 wird dabei durch eine zwischen zwei steifen Platten eingeklemmte Faserschlaufe gebildet und der Phasenmodulator 11 durch etwa 10 um einen pie-zo-keramischen Zylinder (Durchmesser ca. 32 mm) gewickelte Windungen einer polarisationserhaltenden Faser. Weitere Einzelheiten zu diesen sowie auch den übrigen Elementen können den eingangs erwähnten Literaturstellen (S. Ezekiel et al. bzw. G. Frosio et al.) entnommen werden.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Faseroptischer Stromsensor zur Messung des in einem elektrischen Stromleiter (8) fliessenden Stromes (I), umfassend a) eine linear polarisiertes Licht erzeugende Lichtquelle (1);

b) eine zwei optische Achsen aufweisende, polarisationserhaltende Faser (4),

c) einen Faserkoppler (2),

d) einen x/4-Retarder (6),

e) eine in mehreren Windungen um den Stromleiter geführte Sensorfaser (7),

f) die an ihrem einen, freien Ende verspiegelt ist, und g) eine Interferenz-Auswerteinheit (10, 13),

h) wobei das Licht von der Lichtquelle (1) über den Faserkoppler (2) derart in die polarisationserhaltende Faser (4) eingekoppelt ist, dass in dieser beide Polarisationsrichtungen gleichstark angeregt sind, und i) wobei der AM-Retarder (6) im Lichtweg zwischen der polarisationserhaltenden Faser (4) und der Sensorfaser (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass j) das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht eine Kohärenzlänge aufweist, welche am Ende der polarisationserhaltenden Faser (4) kleiner als der optische Wegunterschied zwischen den beiden optischen Achsen ist.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht eine Kohärenzlänge aufweist, welche für Hin- und Rückweg in der polarisationserhaltenden Faser (4) kleiner als der doppelte optische Wegunterschied zwischen den beiden optischen Achsen ist.

3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen dem Faserkoppler (2) und der Sensorfaser (7) ein nichtreziproker Phasenmodulator (11) zur Optimierung des Arbeitspunktes angeordnet ist.

4. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkoppler (2) polarisationserhaltend ist.

5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Lichtweg zwischen dem Faserkoppler (2) und der polarisationserhaltenden Faser (4) ein Polarisator (12) angeordnet ist und dass die Interferenz-Auswerteinheit einen auf Lichtintensität empfindlichen Detektor (13) umfasst.

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