CN1549928A - 一种制造用于光学电流传感器的传感器头的方法 - Google Patents

Abstract

一种光学电流或磁场传感器具有一个传感器头，该传感器头包含第一相位延迟元件(13)、第二相位延迟元件以及传感器光纤(15)。该两个相位延迟元件(13)光学连接到传感器元件(15)的相对的两端，以及至少一个相位延迟元件(13)上的相位延迟角ρ相对于90°偏离了角ε，并且ε≠0°。线偏振光波(3)入射到第一相位延迟元件(13)，并且这些线偏振光波(3)的偏振轴(y’)与第一相位延迟元件(13)的主轴(y)形成一个角，该角相对于45°偏离了角Δα，并且Δα≠0°。将角Δα作为至少是角ε的一个函数进行选择。这种对角Δα的选择使得有可能补偿由于角ε≠0°所导致的直接测量信号与要被测量的电流或磁场之间的非线性。

Description

一种制造用于光学电流传感器的传感器头的方法

技术领域

本发明涉及光学电流和磁场传感器***的领域。其特别地涉及：

-一种如在专利权利要求1的前序部分中要求保护的用于制造传感器头的方法，

-一种如在专利权利要求12的前序部分中要求保护的光学电流或磁场传感器，以及用于制造该传感器的方法，以及

-一种如在专利权利要求13的前序部分中要求保护的用于测量电流或磁场的方法。

背景技术

可以从EP0856737 A1中获知这样一种光学电流传感器。该光学电流传感器具有一个缠绕成线圈状的传感器光纤，该传感器光纤是磁光作用的并且环绕在一个电导体上。该传感器光纤的至少一端通过相位延迟元件连接到另一段光纤，即所谓的供应光纤或返回光纤，通过该供应光纤或返回光纤，光能够被射入传感器光纤或从传感器光纤输出。该供应和返回光纤优选地具有椭圆形的纤芯横截面，并且线偏振光波在其中传播。设置在传感器光纤和供应光纤之间的双折射光纤段充当相位延迟元件。该光纤段具有两条光学主轴，一条快(短)主轴和一条慢(长)主轴，它们相对于供应和返回光纤的两个主轴以45°的夹角定位。通常按照这样一种方式选择该光纤段的长度，使得它充当对应于与90°的奇数倍相等的相位延迟角的λ/4相位延迟元件。因此，它将上面提到的供应和返回光纤中的线偏振光波转换为在传感器光纤中传输的圆偏振光波。所引用的EP0856737 A1明确说明了对于所提到的主轴之间夹角的公差角度以及对于相位延迟元件的相位延迟角的公差角度。

传感器光纤以Sagnac干涉仪的形式工作，或者如果在它的一端是反射的话，它以反射干涉仪的形式工作。这两种情况下，在传感器光纤中传输两个圆偏振光波。在传感器光纤以Sagnac干涉仪的形式工作的情况下，此时光波以相反的方向传播，而在传感器光纤以反射干涉仪的形式工作的情况下，光波以相同的方向传播。在Sagnac干涉仪中两个光波的偏振态是一样的，或者是左旋圆偏振，或者是右旋圆偏振。而在反射干涉仪中，两个光波的偏振态是相反的。

如果电流I流过电导体，那么电流I产生一个磁场，该磁场导致了以相反方向传播的或者以相同方向传播的这两个光波之间的差分相移。这种效应被称作磁光效应或Faraday效应。对于传感器光纤中的圆偏振光波，所导致的相移在这种情况下与电流成正比，并且在Sagnac结构中，该相移为：

而在反射结构中，该相移为：

其中所谓的Farady相移 被定义为

其中V是传感器光纤的Verdet常数，N是线圈的光纤圈数，I是电流强度。

所引用的EP0856737 A1描述了一种被公认为没有机械应力的传感器光纤，使得所产生的测量信号并不会受到依赖于温度的、应力所致的线性双折射干扰。传感器光纤的Verdet常数V同样地依赖于温度，但是从某种意义上讲，在理想的、无应力光纤线圈的情况下，其自身也是值得注意的。

EP1115000公开了一种光纤光学电流传感器，其通过使用相位延迟元件校正了Verdet常数V的温度依赖性的影响，其中该相位延迟元件的温度依赖性补偿了Verdet常数V的温度依赖性。这是通过具有相位延迟角的相位延迟元件而得以实现的，其中该相位延迟角相对于理想相位延迟元件的相位延迟角偏离的角度ε≠0°。因此，在使用λ/4相位延迟元件的情况下，相位延迟角是90°+ε，而不是90°，所对应的典型的相位延迟角为95°到105°。根据Verdet常数V的温度依赖性的算数符号，也可能会出现负的角ε。

如这样的相位延迟元件优选地以具有椭圆形的纤芯横截面的双折射光纤段的形式出现，在这种情况下，通过适当地选择光纤段的长度能够容易地设置相位延迟角。如果通过供应光纤向这样具有ε≠0°的相位延迟元件提供线偏振光波，并且供应光纤的主轴与相位延迟元件的主轴的夹角为45°，那么将有轻微的椭圆偏振光波在传感器光纤中传播。

这类通过Verdet常数V的温度依赖性进行补偿的一个问题在于，它导致了要被测量的电流和测量信号之间的关系不再是线性的，其中测量信号通常与ΔΦ_S或ΔΦ_R成比例。这意味着：适用于圆偏振光波的线性关系ΔΦ_S＝2VNI和ΔΦ_R＝4VNI对于椭圆光波来说不再有效。像在被测量的电流和测量信号之间的关系非线性的量级典型为0.1％到1％，而这会引起测量的不准确度和/或使对测量的评价变得复杂，但在此时要求较好的测量准确度。例如这样的非线性能够通过复杂的信号处理得以补偿。

发明内容

本发明的目的是提供一种如最初所提到的该类型的改进的电流或磁场传感器以及相应的测量方法。该传感器将被用于克服上述缺点。特别地，该传感器被用于实现更好的测量准确度和/或简化对测量的评价，并且不必使用复杂的信号处理。

通过以下方面，该目的得以实现：具有专利权利要求1的特征的制造用于光学电流或磁场传感器的传感器头的方法，如专利权利要求11中所要求保护的制造光学电流或磁场传感器的方法，如专利权利12中所要求保护的光学电流或磁场传感器，以及具有专利权利要求13的特征的用于测量电流或磁场的方法。

该光学电流或磁场传感器具有一个传感器头，该传感器头具有一个传感器元件和两个相位延迟元件，以及两个光导元件。该传感器头的各个组件被沿着一条光路放置，并且彼此之间光学连接，其连接次序是：第一光导元件、第一相位延迟元件、传感器元件、第二相位延迟元件，以及第二光导元件。相位延迟元件中的至少一个的相位延迟角ρ、ρ’相对于90°的奇数倍的偏离为角ε≠0°，并且-90°＜ε＜90°。根据本发明，至少一个光导元件的主轴与邻接于它的相位延迟元件的主轴形成+45°±Δα的夹角，其中Δα≠0°并且0°＜Δα＜45°，并且将所形成的夹角作为至少是角ε的函数进行选择。通过对角度Δα进行适当地、依赖于ε地选择，至少能够近似地补偿由ε≠0°导致的在直接测量信号和要被测量的电流或磁场之间的非线性。这导致了直接测量信号和要被测量的电流或磁场之间的关系至少近似地为线性关系。这具有这样的优点：它使得对测量的简单评价可以实现，并且可以获得更好的测量准确度而不需要使用复杂的信号处理。

在根据本发明的制造用于光学电流或磁场传感器的传感器头的方法中，所述的传感器头的各个组件按照所述的方式设置，并且其尺寸大小也按照所述的方式被设定。特别地，将所述的角Δα作为至少是角ε的函数进行选择。

根据本发明的光学电流或磁场传感器具有一个传感器头，并且使用根据本发明的方法制造该传感器头。由于可以使用在市场上能够买到的探测单元而不需要对其进行任何复杂的改造，因而能够以低成本制造出如这样的利用Sagnac结构构成的传感器。

在本发明的另一种实施方案中，两个相位延迟元件具有偏离90°的奇数倍的相位延迟角。这导致了一种更灵活的传感器头的设计。

在本发明的又一种实施方案中，按照这样一种方式将角Δα作为角ε的函数进行选择，使得所述的非线性被减小了至少半个数量级，也就是说与其中Δα＝0°的情况相比，非线性被减小了三倍。

在本发明的一种优选实施方案中，两个相位延迟元件的相位延迟角ρ、ρ’与90°的奇数倍之间分别相差ε、ε’，所述ε、ε’不等于零，并且两个相位延迟元件共同具有的温度依赖性至少近似地补偿了传感器元件的Verdet常数V的温度依赖性。这意味着两个相位延迟元件共同对直接测量信号的温度依赖性起到了影响，从而使传感器元件的Verdet常数V的温度依赖性至少近似地得到补偿。这样，按照所述的方式选择了由两个相位延迟元件的组合所导致的温度依赖性。这意味着该传感器不仅具有直接测量信号和要被测量的电流和磁场之间至少是近似的线性关系，而且还具有了更好的温度稳定性。

在本发明主题的另一个优选实施方案中，相位延迟角ρ、ρ’也是相等的(ρ＝ρ’，ε＝ε’)。而且，相位延迟元件相对于所有情况下均与它们光学连接的光导元件的相对对准也被同样地进行了选择，也就是说对于两个相位延迟元件来讲，相位延迟元件的至少一条主轴与光导元件的至少一条主轴形成了相同的夹角Δα＝Δα’。传感器头的这种对称结构导致了改进的制造能力和对干扰影响的高度不敏感性。

另一个有优势的特征是对于通过用作光导元件的保偏光纤而入射到相位延迟元件的线偏振光波而言的。这允许用于产生线偏振光波的装置在物理上远离相位延迟元件和传感器元件设置，而线偏振光波始终以相同的角度入射。

在本发明主题的又一个优选实施方案中，两个相位延迟元件中的至少一个以具有椭圆形纤芯的光纤段的形式出现，或者优选地是两个相位延迟元件都以具有椭圆形纤芯的光纤段的形式出现，其相位延迟角为90°+ε(或者90°+ε’)。例如这样的相位延迟元件可以容易地并以低成本生产出来。

有利的是：选择该传感器元件，使得它可以具有线圈形式的电导体，因为这可以提高传感器的测量准确度和灵敏度。

将实际上没有机械应力的磁光作用玻璃光纤用作传感器元件也是有利的。这降低了传感器的温度依赖性。

进一步的优选实施方案在专利权利要求中进行限定。

附图说明

参考优选的示例性实施方案和相关附图，在下文中将对本发明的主题进行更加详细的解释，在附图当中：

图1表示根据本发明的传感器头的一部分的示意图；

图2表示采用Sagnac结构的根据本发明的电流或磁场传感器的示意图；

图3表示根据本发明在电流或磁场传感器的工作期间，在传感器头中传播的光波的传播方向的示意图；

图4表示对于相位延迟元件的彼此之间互相平行排列的快轴(χ＝0°)来说，计算得到的差分相移ΔΦ_S(根据

对其进行了规格化)与Faraday相移 的二倍之间的关系的示意图，其中

以及对于不同的角ε来说，Δα＝Δα’＝0°；

图5表示对于相位延迟元件的彼此之间互相平行排列的快轴(χ＝0°)来说，计算得到的差分相移ΔΦ_S(根据 对其进行了规格化)与Faraday相移

的二倍之间的关系的示意图，其中 以及对于不同的角Δα＝Δα’来说，ε＝0°；

图6表示对于相位延迟元件的彼此之间互相平行排列的快轴(χ＝0°)来说，计算得到的差分相移ΔΦ_S(根据 对其进行了规格化)与Faraday相移

的二倍之间的关系的示意图，其中 以及对于不同的角Δα＝Δα’来说，ε＝13°。

在附图中所使用的附图标记和它们的含义以汇总的形式在附图标记表中列出。原则上，相同的部分以相同的附图标记表示。所述的示例性实施方案以示例的形式描述了本发明的主题，并且其不具有限制作用。

具体实施方式

图1表示用于光学电流或磁场传感器的根据本发明的传感器头1的一部分的示意图。以具有椭圆形纤芯横截面的保偏光纤形式存在的第一光导元件11光学连接到第一相位延迟元件13的第一端131，也就是说光波可以从光导元件11入射到第一相位元件13的第一端131中，反之亦然。一段具有椭圆形纤芯横截面的光纤被用作第一相位延迟元件13，并且其长度以这样一种方式进行选择，使得它的相位延迟角ρ＝90°+ε，其中角是ε≠0°。通过最初所引用的EP1115000可以知道，有技巧地选择角ε可以使光学电流传感器的温度稳定性提高，这表现了本发明不可缺少的一部分。第一相位延迟元件13的第二端132光学连接到传感器元件15，它优选地是具有圆形纤芯横截面的磁光作用光纤。

图1上部的三幅图示意性地表示了在所提到过的三个光纤段11、13、15中传输的光波3、4x、4y，6，以及优选的纤芯横截面和主轴x、x’、y、y’。粗箭头代表光波，并且该箭头用于以符号形式表示光波的电场矢量。第一线偏振光波3在第一光导元件11中传输，并且在这种情况下该第一线偏振光波具有第一偏振轴y’，并且该偏振轴与第一光导元件11的慢、长主轴y’重合。第一光导元件11的主轴y’与第一相位延迟元件13的主轴y形成了45°+Δα的夹角，其中Δα≠0°，并且将Δα作为角ε的一个函数进行选择。当第一线偏振光波3进入第一相位延迟元件13时，该光波变为第二线偏振光波4，其包含第二线偏振光波4x和第二线偏振光波4y，它们的偏振轴沿着第一相位延迟元件13的两个主轴x、y。

图1下部的两幅图示意性地表示了第一相位延迟元件13中的第二线偏振光波4。在第一相位延迟元件13的第一端131，第二线偏振光波4y与第二线偏振光波4x同相，其中该第二线偏振光波4y沿着第一相位延迟元件13的慢主轴y偏振，该第二线偏振光波4x沿着第一相位延迟元件13的快主轴x偏振。在沿着传播方向z通过第一相位延迟元件13后，在第一相位延迟元件13的第二端132处，光波4x和光波4y之间的相位差已经积累到ρ＝90°+ε。

在相位延迟元件13的第二端132处将第二线偏振光波4入射到传感器元件15会导致在那里产生椭圆偏振光波6，然后该光波在传感器元件15中传播。

图2表示根据本发明的电流或磁场传感器，并且该传感器具有Sagnac结构。这里将不会对该传感器的基本结构和工作方法进行详细的描述。通过最初所引用的现有技术可以获得适合的信息。除了传感器头1之外，该电流或磁场传感器还具有一个传输评价单元2。在所示的例子中，具有光源20、光纤耦合器21、光纤偏振器22、第二光纤耦合器24和相位调制器25，以及探测器26、信号处理器27和测量值输出端28。该传输评价单元2被用于产生和探测光，以及用于评价和输出测量数据。

图3表示了在图2所示的电流或磁场传感器的工作期间，能够在传感器头1中传播的光波的传播方向。附图标记之上的空白箭头表示传播方向。为了清楚起见，图2仅表示了少量的光波和传播方向。下面的解释性说明涉及图2和3。

传输评价单元2通过第一光导元件11和第二光导元件12或相应的扩展或连接装置连接到传感器头1。除了第一相位延迟元件13之外，该传感器头1还具有与第一相位延迟元件13类似的第二相位延迟元件14，该第二相位延迟元件14在第一端141处光学连接到第二光导元件12，并且在第二端142处光学连接到传感器元件15的第二端。传感器元件15以磁光作用光纤的形式出现，它以线圈的形式环绕电导体S。光导元件11和12以保偏光纤的形式出现，并具有椭圆形纤芯横截面。

在传输评价单元2中产生线偏振光，然后通过该线偏振光波，会在两个光导元件11和12中产生第一线偏振光波3、3’。在图2的中央，用粗箭头来表示这些光波3、3’。空白箭头表示光波3、3’的传播方向。

如结合图1所述的那样，通过(第一)相位延迟元件13将来自第一光导元件11的第一线偏振光波3转换为椭圆偏振光波6，然后该椭圆偏振光波在传感器元件15中传播。在这种情况下，第一光导元件11的主轴与第一相位延迟元件13的主轴形成了所述45°+Δα的夹角，并且第一相位延迟元件13的相位延迟角ρ是所述的ρ＝90°+ε。

如果电流I流过电导体S，那么椭圆偏振光波6将经历由Faraday效应所导致的磁光所致的相移。在通过传感器光纤后，椭圆偏振光波6入射到第二相位延迟元件14的第二端142，在第二相位延迟元件中，该椭圆偏振光波被转换为第三线偏振光波5，其包含线偏振光波5x和5y。这些第三线偏振光波5在第二光导元件12中激发第四线偏振光波5a，继而这些第四线偏振光波被通过第二光导元件12提供到传输评价单元2，在该传输评价单元中光波被探测。偏振轴与第一线偏振光波3的偏振轴的夹角为直角的第三光波5a能够在光纤偏振器22中被阻断，从而不会被探测到。

第一线偏振光波3’在第二光导元件12中的状态是类似的。用虚线附图标记表示由此产生的光波。第二相位延迟元件14将第一线偏振光波3’转换为椭圆偏振光波6’，然后该椭圆偏振光波在传感器元件15中传播，其传播方向精确地与椭圆偏振光波6的传播方向相反。在这种情况下，第二光导元件12的主轴与第二相位延迟元件14的主轴形成了45°+Δα’的夹角，并且对于Δα’角，满足0°≤Δα’＜45°。第二相位延迟元件14所具有的相位延迟角ρ’相对于90°偏离了角ε’，也就是说ρ’＝90°+ε’。典型地，ε’≠0°。

由电导体S中流动的电流所产生的磁场引起了在椭圆偏振光波6’中由Faraday效应所导致的磁光所致的相移。在通过传感器元件15之后，椭圆偏振光波6’入射到第一相位延迟元件13的第二端132。产生了第三线偏振光波5’，其包含第三线偏振光波5x’和5y’，并且在这些第三线偏振光波5x’和5y’之间产生了90°+ε的相移。此后，在第一相位延迟元件13的第一端131处产生了第四线偏振光波5a’，继而它们通过第一光导元件11被提供到传输评价单元2，在该单元中探测该光波并且确定磁光所致相移。偏振轴与第一线偏振光波3’的偏振轴的夹角为直角的第三光波5a’，可以在光纤偏振器22中被阻断，从而不会被探测到。为了确定电流I，可以将来自椭圆偏振光波6的磁光所致相移或将来自在传感器元件15中与椭圆偏振光波6的传播方向相反的椭圆偏振光波6’的磁光所致相移用作直接测量信号。“直接”测量信号的表达方法是用于表示通过该测量信号产生与电流I至少近似地成比例的信号，并不进行信号处理。

为了容易地确定Sagnac结构的传感器中的磁光所致相移，一个椭圆偏振光波6的信号优选地被用作另一个光波6’的参考信号，其中该另一个光波6’的椭圆偏振方向与该偏振光波6的椭圆偏振方向相反。然后在两个椭圆偏振光波6和6’之间产生了差分相移ΔΦ_S，作为直接测量信号。该直接测量信号恰好为椭圆偏振光波6和6’中的每个自身经历的磁光所致相移的二倍。在其中ε＝0°，ε’＝0°，Δα＝0°，Δα’＝0°的情况下，如在EP0856737 A1中所获知的那样，该直接测量信号达到Faraday相移 的两倍， 并且因此与电流I成比例。

如在所引用的EP1115000中那样，如果ε≠0°，ε’≠0°，但是Δα＝0°，Δα’＝0°，那么直接测量信号和电流I之间的关系就不再是线性的。如果借助Jones矩阵来描述椭圆偏振光波6、6’的传播，并且通过在传输评价单元2中的探测器26中相互干涉的两个光波的复振幅得到它的差分相移ΔΦ_S，那么这会得到下面用于直接测量信号ΔΦ_S的表达式

在这种情况下，χ是两个相位延迟元件13和14的快轴之间的夹角。在χ＝0°和ε＝ε’的特殊情况中，对于小的Faraday相移

这近似地导致了 并且对于小的角ε，ΔΦ_S可以被近似为 在χ＝90°和ε＝ε’的特殊情况中，对于小的，

这近似地导致

并且对于小的角ε，ΔΦ_S可以被近似为

对于ε＝ε’＝13°并且χ＝0°，直接测量信号ΔΦ_S与要被测量的电流I之间关系的线性的相对差异对于

来说近似是-0.21％，并且对于 来说是-0.92％。到目前为止，还假设Δα＝0°，Δα’＝0°，也就是说每个光导元件11和12的主轴都分别与各自的相位延迟元件13和14的主轴形成恰好为45°的夹角。

对应于根据本发明的情况，如果ε≠0°，并且额外地选择Δα，使其不等于0°，和/或选择Δα’，使其不等于0°，那么直接测量信号ΔΦ_S和与电流I成正比的Faraday相移

之间的关系为：

其中

A₁＝1+cosεcosε′cos(2Δα) cos(2Δα′)

A₂＝sin(2Δα)sin(2Δα′)-sinεsinε′cos(2Δα)cos(2Δα′)

A₃＝sinεcos(2Δα)sin(2Δα′)+sinε′cos(2Δα′)sin(2Δα)

这样，如能够从图6看出的，通过对角Δα和Δα’的选择，能够影响直接测量信号ΔΦ_S与电流I之间的非线性关系，使得非线性被减小。通过将角Δα和Δα’作为角ε和ε’的函数进行有技巧地选择，可以使由ε≠0°和/或ε’≠0°所导致的该非线性至少近似地得到补偿。继而在直接测量信号ΔΦ_S与电流I之间具有至少近似的线性关系。大体上，与其中Δα＝Δα’＝0°的情况相比，该非线性至少可以被减小半个数量级，也就是说减小3倍。由于角ε、ε’和角Δα、Δα’的函数关系之间的差别，从数学角度而言，不可能实现对非线性的完全补偿。但是，非线性可以被减小，并且被补偿到在实际中可以被忽略的程度。

如可以从上面的等式中看出的，角Δα和Δα’的算数符号是无关紧要的，这是因为对于这些算数符号，角Δα和Δα’表现出对称性。只有角Δα和Δα’的大小是重要的。在下文中给出了对于这样的传感器结构来说，如何为至少近似的补偿而计算角度的例子，在这种传感器结构中，相位延迟元件13、14的快轴之间是互相平行的，也就是说χ＝0°。

图4表示使用上面的等式计算得到的、对于χ＝0°，Δα＝Δα’＝0°以及各种角ε＝ε’的情况的、在直接测量信号ΔΦS和两倍的Faraday相位延迟角

之间的关系。在这种情况下，根据

对ΔΦ_S进行了规格化。

这清楚地表示了对于相对较大的角ε来说，非线性是增加的。非线性的大小在千分之几到百分之几的范围之内。对于ε＝13°，相对的非线性在

的情况下是-0.21％，并且在

的情况下是-0.92％。使用下面的等式计算得到这些非线性：

{Δφ_S/(2_F)[2_F＝40°]-Δφ_S/(2_F)[2_F＝0°]}/Δφ_S/(2_F)[2_F＝0°]

和

{Δφ_S/(2_F)[2_F＝90°]-Δφ_S/(2_F)[2_F＝0°]}/Δφ_S/(2_F)[2_F＝0°]，

也就是说，通过在

和/或 的情况下的

与在 的情况下的 之间的差别得到非线性，并且使用在

的情况下的 对其进行了规格化。

图5表示根据上面的等式计算得到的在χ＝0°的情况下的直接测量信号ΔΦ_S和两倍的Faraday相位延迟角2ΔΦ_S之间的关系，用于这样一些情况，其中对于各种角Δα＝Δα’，都满足ε＝ε’＝0°。在这种情况下，根据

对ΔΦ_S进行了规格化。这清楚地表示对于较大的角Δα来说，非线性是增加的。非线性的大小在千分之几的范围之内。如可以看到的，图5中的曲线的弯曲方向与图4中的曲线的弯曲的方向相反。这使得有可能通过有技巧地选择角Δα、Δα’从而对于由ε≠0°和/或ε’≠0°所导致的非线性提供所述本发明的补偿。

图6表示根据上面的等式计算得到的直接测量信号ΔΦ_S和两倍的Faraday相位延迟角2ΔΦ_S之间的关系，其用于这样一些情况，即对于各种角Δα＝Δα’，都满足ε＝ε’＝13°以及χ＝0°。在这种情况下，根据

对ΔΦ_S进行了规格化。这清楚地表示了：对于角Δα约为5.85°的情况，由不等于0°的ε导致的非线性至少近似地得到了补偿。这使得可以根据图表来确定根据本发明的角Δα。

但是，优选地是将Δα作为ε的函数对其进行计算。对于给定的相位延迟角ρ＝ρ’，也就是说对于给定的角ε＝ε’，使用上面描述的等式，能够通过下面的方法计算根据本发明的角Δα＝Δα’：

实际上，函数

应该独立于 特别是对于0°到90°之间的

值。为此目的而要进行选择的角Δα＝Δα’可以从下面的等式中得到

Δφ_S(ε，Δα＝Δα′，_F＝0°)/(2_F)＝Δφ_S(ε，Δα＝Δα′，_F＝90°)/(2_F)

可以通过数值计算的方法解该等式。可替换地，对于χ＝0°和小的角ε的情况，还可以获得下面的解析表达式：

sin²(2Δα)≈sin²ε-2[(π-1)/(π-2)]sin⁴ε+...

这里省略了高阶项。作为对于Δα＝Δα’的近似解，这导致：

Δα≈±(1/2)arcsin{sin²ε-2[(π-1)/(π-2)]sin⁴ε}1/2

对于ε＝13°，该等式导致Δα＝±5.85°(也可参见图6)。在这种情况下，在 和

之间的比值

的变化小于0.02％。因此，它的变化实际上是50倍，并且因此它比上述的对于Δα＝Δα’＝0°的情况的0.92％小了多于一个半数量级。如果还需要进一步的线性化，那么可以使用迭代的方法从而在变量

的预定值范围内使该变化最小化，例如在

和 之间。因此，可以获得对于ε＝13°的最佳角Δα＝±5.9°。对于传感器的χ≠0°的情况，步骤是完全类似的。相位延迟元件13、14的快轴之间互相垂直，也就是说χ＝90°的这种情况是被特别关注的。在其它参数不变的情况下，这导致了用于对χ＝90°情况下的非线性进行最佳补偿的Δα＝Δα’＝±6.8°。

除了结合图2所讨论的示例性实施方案，还可能有多种其它的变化。光导元件11、12还可以以不同类型的保偏光纤的形式出现，例如所谓的熊猫光纤、蝴蝶领带(Bowtie)光纤或具有附加的、内部的、椭圆形包层(光纤衬套)的光纤。可替换地，将第一线偏振光波3、3’直接地或通过透镜或光学组件引入到相位延迟元件13、14也是可行的。在这种情况下，光导元件11、12将会是空气或真空，或者是透镜或光学组件。光导元件11、12的主轴总是那些由第一线偏振光波3、3’的偏振矢量确定的轴。

相位延迟元件13、14与光导元件11、12或传感器元件15之间的光学连接可以是直接连接，例如那些通过所谓的接头被焊接在一起而得到的连接。可替换地，可以由中间介质提供该连接，该中间介质例如胶、粘合剂、光纤段，或者光学组件。可替换地，可以通过真空或气体使光波入射。

相位延迟元件13、14可以是具有由几何形状(例如通过椭圆形纤芯)所致的双折射的光纤段，或者是具有由应力所致的双折射的光纤段，例如蝴蝶领带光纤或熊猫光纤，或者具有内部椭圆衬套的光纤。它们还可以是具有圆形纤芯的传统单模光纤的环的形式。在这种情况下，相位延迟是由光纤弯曲所导致的双折射引起的。而且，也可以使用λ/4波片。相位延迟角ρ、ρ’可以与任意希望得到的90°的奇数倍相差角ε、ε’。优选地以这样一种方式预定角ε、ε’，使得它们刚好足够大从而通过相位延迟元件13、14的温度依赖性补偿传感器元件15的Verdet常数的温度依赖性。这既可能导致负的角ε、ε’，也可能导致正的角ε、ε’。

角ε、ε’可以具有不同的大小。而且，对于任意给定的角χ，通常会有大量不同的角Δα和Δα’的组合，这会导致对于由不等于0°的ε或不等于0°的ε所引起的非线性的至少近似的补偿。但是，在这种情况下，对Δα的选择还是依赖于ε，而在这种情况下Δα此外还依赖于ε’和Δα’以及χ。因此，可以说将Δα和Δα’作为至少是角ε和ε’的函数进行选择。角χ形成了另一个产生影响的变量。

如上面所叙述的，传感器元件15可以以线圈的形式环绕电导体S，优选地具有多圈。但是，也可能是一圈中的多个部分，并且还可能使用了以不同的方式弯曲或未弯曲的传感器元件15。传感器15优选地包含一根没有机械应力的光纤，如在EP0856737 A1中所述的那样。特别有利的是将如这样的没有应力的传感器光纤15与相位延迟元件13、14结合使用从而补偿温度依赖性，如在EP1115000中所描述的那样。如这样的根据本发明的电流或磁场传感器在实际上是不依赖于温度的，但是该传感器在要被测量的电流I和直接测量信号ΔΦS之间具有线性关系。

除了磁光作用光纤，还有可能使用固体玻璃或磁光晶体作为传感器元件，例如石榴石型钇铁氧体，Y₃ FE₅O₁₂。如果电流或磁场传感器被用于磁场的局部测量，那么以上这些变化形式具有特别的优势。传感器元件15在工作中必须连接到要被测量的磁场，优选地位于具有大磁场的位置，从而使椭圆偏振光波6、6’经历了尽可能大的由磁场引起的磁光所致的相移。而且，还可能在一个传感器头1中使用两个或更多个传感器元件15。

角ε、ε’和Δα、Δα’所受到的限制条件是0°＜ε、ε’＜90°和0°＜Δα、Δα’＜45°，在这种情况下，Δα’为0°，和/或ε’为0°也是有可能。因为如上面所叙述的，Δα的算数符号是无关紧要的，所以将Δα限制为正的也是可行的。如果如上面所提到的那样选择ε、ε’从而将其用于温度补偿，那么，基于现有的光纤材料，这会导致当ε＝ε’和χ＝0°或χ＝90°时，对于ε、ε’其值会达到约20°。因此，优选地使用小于约30°的角ε。如这样的ε的值导致了角Δα达到了大约10°。如上所述，如果Δα≠Δα’，那么有可能根据本发明选择不同的Δα、Δα’的组合，以至于如果ε＝30°，根据本发明角Δα也可能大于10°。

干涉和偏振探测变体都可以被用作传输评价单元2。根据现有技术，可以获知评价直接测量信号的各种可能的方法。在图2中所示的例子中，在各种情况中，一组椭圆偏振光波6被用作另一椭圆偏振光波6’的参考信号，并且它们都受到电流I或磁场的影响。但是，还可能在没必要使用相互不同的椭圆偏振光波6和6’的情况下测量磁光所致的相移。例如，在传输评价单元2中能够产生不受任何磁光所致的相移影响的线偏振光波，并且能够确定椭圆偏振光波6或6’上的磁光所致的相移。

一种低相干半导体光源典型地被用作光源20，例如超发光二极管、多模激光器二极管、低于激光器阈值工作的激光器二极管，或者发光二极管(LED)，优选具有约为800、1300或1550nm波长的光源。但是，有可能使用大不相同的波长，例如在紫外、可视或红外波段上的波长。

因此，在生产根据本发明的传感器头的过程中，按照这样一种方式将角Δα、Δα’作为至少是角ε(或ε’)的函数进行选择，使得在前面描述的非线性可以被显著地降低，或者甚至至少近似地得到补偿。这可以通过例如上述方法中的一种来实现。还可能涉及根据本发明进行了选择的规定的角Δα。通过随机发生的角Δα可以对此进行清楚的描述，其中该随机发生的角Δα例如受到公差的影响并且优选地尽可能地小，也就是说近似为0°。当实施本发明时，是否产生了由于例如制造公差所导致的轻微偏离了最佳角Δα的角是无关紧要的。实质的特征在于规定的角Δα是基于降低所述的非线性而进行选择的，和/或在于实现了适合的结果。

参考符号列表

1     传感器头

11    第一光导元件

12    第二光导元件

13    第一相位延迟元件

131 第一相位延迟元件的第一端

132 第一相位延迟元件的第二端

14  第二相位延迟元件

141 第二相位延迟元件的第一端

142 第二相位延迟元件的第二端

15  传感器元件

2   传输评价单元

20  光源

21  光纤耦合器

22  光纤偏振器

24  第二光纤耦合器

25  相位调制器

26  探测器

27  信号处理器

28  测量值输出端

3、3’            第一线偏振光波

4、4x、4y、4’、4x’、4y’  第二线偏振光波

5、5’           第三线偏振光波

5a、5a’       第四线偏振光波

6、6’           椭圆偏振光波

I         电流、电流强度

N         圈数

S         电导体

V         Verdet常数

Δα               进入(第一)相位延迟元件的入射角从45°偏离的角度

Δα’             进入(第二)相位延迟元件的入射角从45°偏离的角度

ΔΦ_S   对于Sagnac结构的差分相移，对于Sagnac结构的直接测量信号

ε               (第一)相位延迟元件的相位延迟角ρ从90°的奇数倍偏离的角度

ε’             (第二)相位延迟元件的相位延迟角ρ’从90°的奇数倍偏离的角度

Faraday相移，

ρ       (第一)相位延迟元件的相位延迟角

ρ’     (第二)相位延迟元件的相位延迟角

χ       角

Claims (13)

1.一种制造用于光学电流或磁场传感器的传感器头(1)的方法，该传感器头包含第一光导元件(11)、第二光导元件(12)、第一相位延迟元件(13)、第二相位延迟元件(14)和传感器元件(15)，

其中两个光导元件(11、12)中的每一个都具有至少一条主轴(x’、y’)，

其中两个相位延迟元件(13、14)中的每一个都具有至少一条主轴(x、y)，

其中第一相位延迟元件(13)的第一端(131)光学连接到第一光导元件(11)，并且该第一相位延迟元件(13)的第二端(132)光学连接到传感器元件(15)的第一端，

其中第二相位延迟元件(14)的第一端(141)光学连接到第二光导元件(12)，并且该第二相位延迟元件(14)的第二端(142)光学连接到传感器元件(15)的第二端，

其中两个相位延迟元件(13、14)中的至少一个的尺寸大小以这样一种方式被设置，使得它的相位延迟角ρ、ρ’相对于90°的奇数倍偏离了角ε，并且ε≠0°，-90°＜ε＜90°，

该方法的特征在于，该第一光导元件(11)以这样一种方式与该第一相位延迟元件(13)对准，使得该第一光导元件(11)的至少一条主轴(x’、y’)与该第一相位延迟元件(13)的至少一条主轴(x、y)形成一个角，该角相对于45°偏离了角Δα，并且0°＜Δα＜45°，以及以这样一种方式将该角Δα作为至少是角ε的一个函数进行选择，使得直接测量信号(ΔΦ_S)与要被测量的电流或磁场之间的关系中的非线性至少近似地被补偿，其中该非线性是发生在通过光学电流或磁场传感器对电流或磁场进行测量的情况中的。

2.如权利要求1中所述的制造方法，其特征在于该两个相位延迟元件(13、14)的尺寸大小以这样一种方式被设置，使得它们的相位延迟角ρ、ρ’相对于90°的奇数倍偏离了角ε、ε’，其中ε≠0°且-90°＜ε＜90°，ε’≠0°且-90°＜ε’＜90°。

3.如权利要求1或2中所述的制造方法，其特征在于以这样一种方式将该角Δα作为至少是ε的一个函数进行选择，使得与其中Δα＝0°的情况相比，直接测量信号(ΔΦ_S)与要被测量的电流或磁场之间的关系中的非线性被降低至少半个数量级，其中该非线性是发生在通过光学电流或磁场传感器对电流或磁场进行测量的情况中的。

4.如权利要求2中所述的制造方法，其特征在于所使用的相位延迟元件(13、14)共同具有的温度依赖性至少近似地补偿了传感器元件(15)的Verdet常数的温度依赖性。

5.如权利要求4中所述的制造方法，其特征在于对该两个相位延迟元件(13、14)的尺寸大小进行设置，使得它们的相位延迟角ρ、ρ’相等，并且第二光导元件(12)与第二相位延迟元件(14)相对准，使得该第二光导元件(12)的至少一条主轴(x’、y’)与该第二相位延迟元件(14)的至少一条主轴(x、y)形成一个角，该角相对于45°偏离了角Δα’，并且0°＜Δα’＜45°，该方法的特征还在于对角Δα和Δα’进行选择，使它们的大小相同。

6.如权利要求1或2中所述的制造方法，其特征在于保偏光纤被用作光导元件(11、12)，其特征还在于，它们连接到相位延迟元件(13、14)。

7.如权利要求1或2中所述的制造方法，其特征在于一段具有椭圆形纤芯的光纤被用作两个相位延迟元件(13、14)中的至少一个，对该段光纤的尺寸大小进行设置，使得它的相位延迟角ρ、ρ’相对于90°偏离了角ε。

8.如权利要求1或2中所述的制造方法，其特征在于所使用的传感器元件(15)能够被设置为以线圈的形式环绕电导体(S)。

9.如权利要求8中所述的制造方法，其特征在于具有圆形纤芯横截面的磁光作用光纤被用作该传感器元件(15)，并且它实际上是没有机械应力的。

10.如权利要求1或2中所述的制造方法，其特征在于选择角ε的大小使其小于30°，并且选择角Δα使其小于10°。

11.一种用于制造光学电流或磁场传感器的方法，该光学电流或磁场传感器包含传输评价单元(2)和传感器头(1)，其特征在于使用了采用如上述权利要求中的一个所述的方法制造的传感器头(1)。

12.一种光学电流或磁场传感器，其特征在于该传感器是使用如权利要求11中所述的方法制造的。

13.一种用于测量电流或磁场方法，其中第一线偏振光波(3)在传输评价单元(2)中产生并且入射到第一相位延迟元件(13)的第一端(131)，

其中在该第一相位延迟元件(13)中由该第一线偏振光波(3)激发第二线偏振光波(4；4x、4y)，该第二线偏振光波传输通过该第一相位延迟元件(13)并且因此相对于彼此所产生的相移为角ρ，

其中该第二线偏振光波(4；4x、4y)在传感器元件(15)中激发椭圆偏振光波(6)，并且该传感器元件的第一端连接到该第一相位延迟元件(13)的第二端(132)，该椭圆偏振光波(6)经历由电流(I)或磁场所导致的磁光所致的相移，

其中该椭圆偏振光波(6)然后入射到第二相位延迟元件(14)，该第二相位延迟元件的第二端(142)连接到传感器元件(15)的第二端，

其中在该第二相位延迟元件(14)中由该椭圆偏振光波(6)激发第三线偏振光波(5；5x、5y)，该第三线偏振光波(5；5x、5y)传输通过该第二相位延迟元件(14)并且因此相对于彼此所产生的相移为角ρ’，

其中该第三线偏振光波(5；5x、5y)被从该第二相位延迟元件(14)的第一端(141)输出，并且激发了第四线偏振光波(5a)，该第四线偏振光波被提供到传输评价单元(2)，

其中该第四线偏振光波(5a)在传输评价单元(2)中被探测，并且根据它们获得与磁光所致的相移成比例的直接测量信号(ΔΦS)，以及

其中角ρ、ρ’中的至少一个相对于90°的奇数倍偏离了角ε，其中ε≠0°并且-90°＜ε＜90°，

其特征在于，

该第一线偏振光波(3)的偏振轴(x’、y’)与该第二线偏振光波(4)的偏振轴(x、y)形成了一个角，该角相对于45°偏离了角Δα，并且0°＜Δα＜45°，和/或该第三线偏振光波(5)的偏振轴(x、y)与该第四线偏振光波(5a)的偏振轴(x’、y’)形成了一个角，该角相对于45°偏离了角Δα，并且0°＜Δα＜45°，以及

其特征还在于，将该角Δα作为至少是ε的一个函数进行选择，使得直接测量信号(ΔΦ_S)与要被测量的电流(I)或磁场之间的关系中的非线性至少近似地得到补偿。

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