CN1213305C - 光纤的电流传感器 - Google Patents

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Abstract

光学的电流传感器，具有一个反射干涉仪(1，10)，该传感器在其光纤传导线(2)中具有一个保持极化且用于两个相互正交极化的正向波的第一纤维支路(20)和一个保持极化且用于两个相互正交极化的反向波的第二纤维支路(20′)。两个纤维支路(20，20′)通过传感器方的耦合器(8)相互连接。第一纤维支路(20)与一个光源(4)相连，第二纤维支路(20’)与检测器(5)相连。所述两个纤维支路(20，20′)中至少有一个有效地连接了一个用于移相的装置(7)。由此可以为波的相差实现一种准静态的控制，使得对所述用于移相的装置所提出的要求要低于对在这种电流传感器中所通常使用的调相器和信号处理器所提出的要求。

Description

光纤的电流传感器
技术领域
本发明涉及具有反射干涉仪的光纤电流传感器，具有一个检测器，该反射干涉仪具有一个光纤传导线和一个线圈形光传感器，其中所述的光纤传导线具有一个第一纤维支路和一个第二纤维支路，所述的两个纤维支路通过传感器方的耦合器相互连接，并且所述的第一纤维支路与一个光源相连，以及所述的第二纤维支路与所述的检测器相连，而且所述传感器的第一端被连接到所述的传导线上，其第二端设有一个反射器，以及具有一个用于对在所述传导线内传播的相互正交极化的两个光波的相差进行调相的装置；本发明另外还涉及用于调节这种电流传感器中的工作点的方法；以及借助该电流传感器测量电流的方法。
背景技术
上述光纤电流传感器曾在DE-A-4224190和G.Frosio等人的“Reciprocal reflection interferometer for a fiber-opticFaraday current senser”，应用光学，卷33第25号第6111-6122(1994)中公开过。由G.Frosio等人公开了前序部分的特征。所述的电流传感器具有一种绕成线圈状的磁光活性传感光纤，而该传感光纤包围着一个电流导体。所述传感纤维的一端被镜面化，其另一端通过延相元件与一个保持极化的光传导纤维相连接，通过该传导纤维可以向所述的传感纤维输入或输出光。在该情形下，传导纤维用于传播被相互正交和线性地极化的光波。借助光纤的延相器，在进入传感器线圈之前将该光波转换成两个圆形极化的波，其中两个被圆形极化的波具有相反的旋转方向。在穿过传感器线圈之后，所述的两个圆形波在线圈的末端被反射，此时它们以互换的极化方向往回穿过所述的线圈。
此时，如果由电流流经所述的电流导体，则该电流的磁场便在所述的两个圆形光波之间产生一个差分相移。该效应被称为磁光或法拉第效应。通过穿越线圈两次，所述的波累积了一个差分相移Δφs＝4VNI，其中V表示纤维的维尔德常数，N表示线圈中纤维绕组的数量，以及I表示通过电流导体的电流。
当从线圈出来时，所述的圆形波在延相器内被再次转换成正交的线性极化的波，并通过传导纤维输入到检测***中。与正向波相比，所述被返回的正交波的极化方向被互换。由所述电流引起的移相可以通过以下方式测出，即在一个与所述传导纤维相连接的极化器内使所述两个被反射的线性极化波产生干涉。
为了获得可用的干涉信号，干涉仪的有效工作点必须被设置在余弦形干涉函数的线性区域。这借助一个具有调相器的调制单元来实现，由该调相器改变所述传导纤维内的双折射，并由此改变两个波的相差。由于正向和反向波都经过同一调相器，所以该调相器必须以与所述波的循环时间相匹配的频率来进行振荡，以便非倒易地调制两个干涉波的相差。在没有调制单元的情况下，所述两个干涉波的相差等于零。
在理想情况下，所述的调制频率等于光线在干涉仪内的双倍循环时间的倒数值。该调制频率典型地位于100kHz至几MHz之间的范围，而且还可以通过至传感纤维的纤维连接(也即所述的传导纤维)的长度来确定。
通过合适的解调可以确定所述电流感生的相移。这些解调技术与用于光学回转仪的技术是相同的，这譬如在R.A.Bergh等人的“AnOverview of fiber-optic gyroscopes”，J.LightwaveTechnol.2，91’107(1984)中讲述过。在此，主要将其区分为开环和闭环配置。
为了使光纤电流传感器在实践中具有实用性，它需要好的长时间稳定性。遗憾的是，简单的调制单元、譬如具有压电调制器的调制单元在其幅度方面带有漂移，譬如由于温度变化的缘故。因此在现有技术中采用相当贵的、尽可能稳定的调制单元，这些调制单元集成了光调制器或用于补偿幅度波动的装置。这类装置譬如是用于确定调相幅度的测试装置，以便借助附加的调节回路使该调相幅度保持恒定。但该装置会使传感器的结构变得复杂并因此增加成本。
发明内容
本发明的任务是创造一种反射配置式的光纤电流传感器，它对调制单元、尤其是对其分析电子装置没有太高的要求。
从文章开头所说的光学的电流传感器出发，本发明对其作如下改进：
-所述的第一纤维支路被构造为保持极化的第一纤维支路以用于两个正向的相互正交极化的波，
-所述的第二纤维支路被构造为保持极化的第二纤维支路以用于两个反向的相互正交极化的波，以及
-所述用于调相的装置与所述纤维支路之一相连接。
或作为另一种替代方案作以下改进：
-所述的第一纤维支路被构造为保持极化的第一纤维支路以用于两个正向的相互正交极化的波，
-所述的第二纤维支路被构造为保持极化的第二纤维支路以用于两个反向的相互正交极化的波，以及
-设有第二调相装置，且在所述纤维支路之一上分别连接一个调相装置。
在本发明的电流传感器中，正向和反向波在其线路的一部分上而在两个分开的纤维段中进行传播，在所述纤维段中的至少一个上有效地连接了用于移相的装置。已知的调相器适合作为这种装置。由于所述的两个段，来回的波只由同一调制器作用一次。因此可以利用一种准静态工作的调制器把所述的工作点移到正交点中，并附加地补偿两个同步波的相差中的非电流感生的波动，譬如因温度变化而引起的波动。为此，一个具有小频带、譬如约5Hz的调制器就足够了。
另外，对本发明的电流传感器有利的是，保持极化的纤维的长度不必再与调制频率相匹配，而是可以任意地选择。实际上对所述传导纤维的长度不再存在下限要求，由此可进一步节省成本。
根据本发明的用于在所述的具有反射干涉仪的光学电流传感器中调节工作点的方法，所述的电流传感器具有两个纤维支路，其中：在所述两个纤维支路之一中传播相互正交地线性极化的正向波，以及在另一纤维支路中传播相互正交地线性极化的反向波，而且在至少一个纤维支路中调节在其内所传播的波的相移。
根据本发明的利用所述的具有反射配置的光学电流传感器来测量电流的方法，所述的电流传感器具有两个纤维支路，其中：在所述两个纤维支路之一中传播正交地线性极化的正向波，以及在另一纤维支路中传播正交地线性极化的反向波；在至少一个纤维支路中调节在其内所传播的波的相差；把所述相互正交地线性极化的反向波对划分成两个波对，在一个分析器内使所产生的每个波对发生干涉，其中所述分析器的导通方向互成90°；检测所获得的干涉信号，求出所述干涉信号的和与差，以及把该差除以所述的和，以便获得一个与所述需测量的电流至少近似地成比例的信号。
在本发明方法的一种变型方案中，不仅准静态地补偿温度感生的和因其它影响所感生的相移，而且还采用一种动态的调制，该调制利用一个与需测量的交变电流相应的频率来进行。这可以利用同一调制器或利用第二个调制器来执行。在第二种情况下，所述的第二个调制器被优选地放置在另一纤维支路中。
附图说明
下面参考附图示出的优选实施例来详细讲述本发明的主题。其中：
图1示出了本发明的光纤电流传感器；
图2示出了在准静态相位控制中的工作点调节图；
图3示出了根据本发明第一实施方案的本发明电流传感器的检测器和调制单元；以及
图4示出了根据本发明第二实施方案的本发明电流传感器的检测器。
具体实施方式
在图1中示出了具有一个反射干涉仪的本发明光纤电流传感器。传感纤维1按线圈形状被绕在电流导体1的周围。它优选地具有圆形的芯截面，并优选地由石英玻璃组成。所述传感纤维1的第一端与传导纤维2相连接。第二端设有一个反射器10。反射器10通常通过第二纤维端的反射镜构成。传导线2至少是逐段双折射的，并因此被构成来保持极化。优选地，它具有一个椭圆形芯截面以产生双折射。但也可以采用应力感生的双折射纤维。传导线2与传感纤维1的连接通过移相元件3来实现，其中为此优选地采用一个λ/4延相纤维段。
另外还设有一个光源4，其光线被传输通过所述的纤维。尤其具有小相干波长的光源适合作为这种光源，特别是超发光二极管、在激光临界值以下工作的激光二极管、LED或宽带的纤维光源。所述的传感器具有一个检测器5，由该检测器检测通过所述传感纤维传送的并被设成干涉的光。该检测器5通过检测信号线50与信号处理器6相连，而该信号处理器经传感信号线60把所述的传感信号传送给未示出的分析电子装置。
根据本发明，所述的传导线2具有两个保持极化的纤维支路20、20’。具有椭圆芯的纤维段尤其适合作为纤维支路20、20’。所述的纤维支路20、20’至少具有近似相同的光学长度，也就是说它们在光源4的相干长度内是相等的。因此，在不同纤维支路中传播的两种模式或波长所积累的光程差是相等的。所述的两个纤维支路是并联连接的，并在其传感器方的那一端经保持极化的耦合器8彼此相连。在此处所示的优选实施例中，耦合器8是一个具有椭圆芯的纤维耦合器，其轴被如此地布置，使得其平行于纤维支路20、20’的轴。但也可以使用其它类型的耦合器。所述的两个纤维支路20、20’优选如此地与耦合器相连，使得正向(支路20)和反向(支路20’)波的线性极化方向相对于所述的纤维轴互换。在第一支路20平行于长芯轴进行振荡的光波在第二支路20’内是平行于短轴振荡的，或者是相反的情况。第一纤维支路、也即传导线支路20在其另一端与光源4有效连接。所述的第二纤维支路、也即检测支路20’与检测器5有效连接。
传导线支路20在至光源4的过渡区内与极化器21相连。优选地，极化器21被如此地定向，使得其极化方向以45°对准纤维支路20的主轴。在该实施例中设立一个纤维极化器21，它通过一个45°接头与传导线支路20相连。但也可以采用其它的极化器。
所述的纤维支路20另外还优选地具有一个程度为l的去相干元件22。该去相干元件22在所述传播于传导线支路20内的波中产生一个差分的光程差，该光程差要大于光源4的相干长度。因此，利用在下述移相装置7、7’(调相器7、7’)中的模式耦合而阻止了干扰效应。如果调相器7’位于支路20’中，则该调相器优选地以至少长l的线路被放置于纤维端或检测器5之前。
所述两个纤维支路20、20’中的至少一个有效地与移相单元相连接。该移相单元本来就相当于已知的调相单元，并主要包括上述的信号处理器6和至少一个经调制信号线61与该处理器相连接的调相器7、7’。但此处的至少一个调相器7、7’并不是以已知的方式被用来调制所述的相差，而是被用作准静态的移相装置。优选地采用一种压电调制器作为调相器7、7’，其中，各纤维支路20、20’的一部分被绕在调相器7、7’的压电体上。但也可以采用其它的调制器，特别是一种基于波导中的压电效应的集成光调制器。
在最简单的实施方案中，两个纤维支路20、20’中只有一个与调相器7、7’有效地相连接，其中该纤维支路的选择是任意的。而在此处的实施例中，每个纤维支路20、20’都与调相器7、7’有效地连接。所述两个调相器7、7’优选地与同一信号处理器相连接。
在图1中用窄箭头示出了本发明电流传感器的正向和反向波的极化。同时用宽箭头给出了波的传播方向。由光源4发出的正向光波在极化器21内被极化，并通过45°接头以具有两种相互正交的极化的波而被输入耦合到保持极化的传导纤维2中，此处是耦合到传导纤维20中。所述的两种极化在下文也被称作两个正交的线性极化波。传导纤维2的去相干元件22对该波具有损坏相干的作用，并在两种传播的正交极化当中产生一个差分的光程差，该光程差明显大于光源4的相干长度。必须相应地选择所述的去相干元件22的长度l，其中应满足ΔL＝1ΔnG，ΔL为程差，ΔnG为所述两种极化所看到的群折射率差。
正向波的正交极化穿过第一调相器7的作用区，并通过耦合器8和所述传导线2的另一个保持极化的纤维段23而到达延相元件3。在此处把正交极化波转换成两个左右圆形极化的波，如图1所示。所述的圆形波穿过传感纤维1；在线圈端10被反射和互换其极性状态；返回到所述的线圈；然后在λ/4延迟器3内再次被转换成正交线性极化的波，此时它们的极化垂直于相应的正向波的极化。如果所述支路20、20’至少近似地具有相同的光学长度，那么当没有电流流经电流导体S时，所述正向和反向波在检测器方的纤维端处的整个差分的相差就等于0，而当电流导体S有电流流过时就不等于0。反向波被导过耦合器8和检测器支路20’，在检测器内造成干涉，并由此检测所产生的干涉信号。
根据本发明，所述正交极化的差分相位借助一种准静态相位控制来进行控制，并由此调定一个合适的工作点。这种准静态相位控制可以从D.A.Jackson等人的“Elimination of drift in a single-modeoptical fiber interferometer using a piezoelectricallystretched coiled fiber”，应用光学，卷19号17，1980中公开过，在那儿它被应用于光纤的马赫-钱德尔干涉仪中。在此，在正交点Q中选择所述的工作点，也就是说选择ΔΘ＝ΔΘ1+ΔΘ2＝π/2+mπ，其中m为整数。工作点的调节如图2所示。此处的ΔΘ是一个组合的相差，它是传播于电流传感器内的波在两个分开的纤维支路中所累积下来的。在此，ΔΘ1和ΔΘ2是两个支路中的相差。在两个纤维支路具有相同的光学长度的情况下，在无电流状态和由于相反的极化，ΔΘ1将会等于-ΔΘ2。
在本发明的传感器中，可以控制正向和/或反向波的正交极化的相位。
根据本发明，工作点的调节、相差的控制、以及信号检测等是通过把所述正向和反向波分配到两个分开的纤维支路20、20’上来实现的。
下面借助图3来详细讲述为此所采用的检测器5和调制单元。反向的正交线性极化波通过检测支路20’到达检测器5。该检测器具有一个优选对极化不敏感的辐射分配器51，该分配器优选地按比例1∶1划分所述的光线。所产生的两对正交波中的每一对在一个作用为分析器的极化器52中被设成干涉，并在各光电二极管53内检测所产生的光I+和I-。所述的分析器52相对于检测支路20’的纤维轴以±45°的角度对准，以致于其自身的传输方向相互垂直。对于所检测的光电二极管信号I+和I-，适合：
I±＝I0(l±Kcos(ΔΦ+ΔΘ))
其中I0为正交点内的光强，K为干涉条纹的可见度，以及ΔΘ＝组合的相差，ΔΦ＝差分相移。
在信号处理器6的减法元件62内求出所述两个光电二极管信号的差，并将其输入到正交控制器64中。由正交控制器64如此地控制所述的调相器，使得所述的差在无电流状态和无外部影响的情况下等于0。在该情形下到达所述的正交点Q。这种控制是准静态地进行的，也就是说不断地调节到该正交点，其中，在工作点可能漂移或通过外部影响缓慢地感生出相移的情况下对所述的电压值进行匹配。对此，具有小频率带宽、譬如5Hz的正交控制器64就足够了。
而在所述方法的一种优选变型方案中，另外还对由在电流导体S内需测量的交变电流所引起的交变的调相进行补偿。为此需要一个具有较大带宽、譬如100Hz的正交控制器，由它还补偿所述差中的周期性波动。这种补偿是一种动态的闭环控制。在该情形下，由正交控制器所产生并被施加到调相器7、7’上的电压同时被用作所述传感器的输出信号。
可以把单个的调制器既用于准静态的控制也用于动态地控制。而在一种优选实施方案中设立了两个调相器7、7’，其中一个被用于准静态的控制，另一个被用于动态的控制。
如果不补偿所述电流感应的调相，则用于测量流经电流导体L的电流的信号处理器另外还具有一个加法元件63和一个除法元件65。在流经电流的状态下，在光强恒定时所获得的信号I+、I-之差与电流成比例。两个信号的总和与光强成比例。在除法元件65中把所述的差除以该总和便得出检测信号60：
S＝(I+-I-)/(I++I-)＝Ksin(ΔΦ)≈KΔΦ
此时的该信号与光强I0无关，但与电流I成比例。
在图4中示出了本发明电流传感器的调制单元的另一实施方案。此处设立了三个近似相同的辐射分配器51、51’、51”。两个反向波中的每一个在所述的辐射分配器内都会经历一次反射和一次透射。该装置具有以下优点，即两种波会经受辐射分配器特性的，由老化过程、温度波动和气体外部影响所导致的相同变化。
利用本发明的电流传感器可以获得一个与调制器及其调制单元的稳定性无关的检测信号。上述实施例在此也可以有其它的变型。于是，为代替线圈形传感纤维，也可以采用集成的光学器件来作为线圈形的传感纤维。如同在集成的光学实施方案中一样，该线圈在光纤实施方案也可以由单个的绕组构成。另外，为替代对极化不敏感的辐射分配器和所述的两个分析器，也可以使用极化的辐射分配器。
    参考符号清单
L    电流导体
1    传感纤维
10   反射器
2    光纤传导线
20   第一纤维支路
20’     第二纤维支路
21   极化器
22   延迟回线
23   另一保持极化的纤维段
3    延相元件
4    光源
5    检测器
50   检测信号线
51，51’，51”      辐射分配器
52   分析器
53   光电二极管
6    信号处理器
60   传感信号线
61   调制信号线
62   减法元件
63   加法元件
64   正交控制器
65   除法元件
7    调相器
7’       调相器
8    耦合器

Claims (14)

1、光学的电流传感器，
-具有一个检测器(5)，
-具有一个反射干涉仪，该反射干涉仪具有一个光纤传导线(2)和一个线圈形光传感器(1)，其中所述的光纤传导线(2)具有一个第一纤维支路(20)和一个第二纤维支路(20’)，所述的两个纤维支路(20，20’)通过传感器方的耦合器(8)相互连接，并且所述的第一纤维支路(20)与一个光源(4)相连，以及所述的第二纤维支路(20’)与所述的检测器(5)相连，而且所述传感器(1)的第一端被连接到所述的传导线(2)上，其第二端设有一个反射器(10)，以及
-具有一个用于对在所述传导线(2)内传播的相互正交极化的两个光波的相差进行调相的装置(7，7’)，
其特征在于：
-所述的第一纤维支路(20)被构造为保持极化的第一纤维支路(20)以用于两个正向的相互正交极化的波，
-所述的第二纤维支路(20’)被构造为保持极化的第二纤维支路(20’)以用于两个反向的相互正交极化的波，以及
-所述用于调相的装置(7、7’)与所述纤维支路(20，20’)之一相连接。
2、光学的电流传感器，
-具有一个检测器(5)，
-具有一个反射干涉仪，该反射干涉仪具有一个光纤传导线(2)和一个线圈形光传感器(1)，其中所述的光纤传导线(2)具有一个第一纤维支路(20)和一个第二纤维支路(20’)，所述的两个纤维支路(20，20’)通过传感器方的耦合器(8)相互连接，并且所述的第一纤维支路(20)与一个光源(4)相连，以及所述的第二纤维支路(20’)与所述的检测器(5)相连，而且所述传感器(1)的第一端被连接到所述的传导线(2)上，其第二端设有一个反射器(10)，以及
-具有一个用于对在所述传导线(2)内传播的相互正交极化的两个光波的相差进行调相的装置(7，7’)，
其特征在于：
-所述的第一纤维支路(20)被构造为保持极化的第一纤维支路(20)以用于两个正向的相互正交极化的波，
-所述的第二纤维支路(20’)被构造为保持极化的第二纤维支路(20’)以用于两个反向的相互正交极化的波，以及
-设有第二调相装置(7、7’)，且在所述纤维支路(20，20’)之一上分别连接一个调相装置(7、7’)。
3、按权利要求1或2的电流传感器，其特征在于：
所述的两个纤维支路(20，20’)通过耦合器(8)彼此相连，使得在所述两个支路中传播的光波相对于纤维轴的极化方向被互换。
4、按权利要求1或2的电流传感器，其特征在于：
所述的两个纤维支路(20，20’)具有相同的光学长度。
5、按权利要求1或2的电流传感器，其特征在于：
所述至少一个用于调相的装置(7、7’)和所述的检测器(5)被连接到一个信号处理器(6)上，该信号处理器具有用于正交控制和补偿准静态相移的装置(62，64)。
6、按权利要求5的电流传感器，其特征在于：
用于调相的两个装置(7，7’)被连接到同一信号处理器(6)上。
7、按权利要求1或2的电流传感器，其特征在于：
所述至少一个用于调相的装置(7、7’)和所述的检测器(5)被连接到一个信号处理器(6)上，该信号处理器具有用于对由需测量的交变电流感生的相移进行补偿的装置(62，64)。
8、按权利要求7的电流传感器，其特征在于：
用于调相的两个装置(7，7’)被连接到同一信号处理器(6)上。
9、按权利要求1或2的电流传感器，其特征在于：
所述的检测器(5)具有三个辐射分配器(51，51’，51”)，这些辐射分配器被布置使得反向波中的每一个都通过所述辐射分配器进行反射和透射。
10、用于在如权利要求1-9之一所述的具有反射干涉仪的光学电流传感器中调节工作点的方法，所述的电流传感器具有两个纤维支路(20，20’)，其特征在于：
在所述两个纤维支路之一(20)中传播相互正交地线性极化的正向波，以及在另一纤维支路(20’)中传播相互正交地线性极化的反向波，而且
在至少一个纤维支路(20，20’)中调节在其内所传播的波的相移。
11、按权利要求10的方法，其特征在于：
把工作点准静态地调节到正交点。
12、按权利要求10的方法，其特征在于：
把工作点调节到正交点，并且补偿由需测量的电流所引起的周期性相移。
13、按权利要求11或12的方法，其特征在于：
把所述相互正交地线性极化的反向波对划分成两个波对，在一个分析器内使所产生的每个波对发生干涉，其中所述分析器的导通方向互成90°，而且
检测所获得的干涉信号，求出所述干涉信号的差，以及把该差调节到0。
14、利用如权利要求1-9之一所述的具有反射配置的光学电流传感器来测量电流的方法，所述的电流传感器具有两个纤维支路(20，20’)，其特征在于：
在所述两个纤维支路之一(20)中传播正交地线性极化的正向波，以及在另一纤维支路(20’)中传播正交地线性极化的反向波，
在至少一个纤维支路(20，20’)中调节在其内所传播的波的相差，
把所述相互正交地线性极化的反向波对划分成两个波对，在一个分析器(52)内使所产生的每个波对发生干涉，其中所述分析器(52)的导通方向互成90°，
检测所获得的干涉信号，求出所述干涉信号的和与差，以及把该差除以所述的和，以便获得一个与所述需测量的电流至少近似地成比例的信号。
CN01812641.3A 2000-07-10 2001-07-04 光纤的电流传感器 Expired - Fee Related CN1213305C (zh)

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