CN1591026A - 温度稳定的传感器线圈和电流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于电流或者磁场传感器的光纤传感器头(2)包括光纤，其包含光学连接的磁光的有源传感器光纤(3)和至少一个供给光纤(5)，其中传感器光纤(3)的光纤保护鞘被去除。该传感器头(2)还包括毛细管(6)，其中至少设置有该传感器光纤(3)。此外，该传感器头(2)可以在传感器光纤(3)的区域中弯曲，并且减小摩擦的装置(7)设置在毛细管(6)中，以便减小传感器光纤(3)和毛细管(6)之间的摩擦力。该减小摩擦的装置(7)有利地为油，或者干膜润滑剂(7)。毛细管(6)有利地由毛细管壳体(8)包绕。传感器(2)允许很大程度与温度无关的测量，容易安装，以及允许对大截面导体测量。

Description

温度稳定的传感器线圈和电流传感器
技术领域
本发明涉及光纤传感器***领域。本发明尤其涉及如在独立权利要求的前序部分中所述的一种传感器头以及一种电流或者磁场传感器。
背景技术
一种诸如从EP0856737A1已知的传感器头，该文献描述了一种具有传感器头的光纤电流传感器，该传感器头包含设置在毛细管中的传感器光纤。该传感器光纤使得其光纤保护鞘从其上去除，然后被热处理，以便去除机械应力，该机械应力导致由偶然的双折射产生的扰动影响。这导致传感器测量的温度稳定性得到改进。将保护气或者其它保护油引入毛细管中，以便防止湿气或者化学腐蚀性蒸汽渗入毛细管内部，这些化学腐蚀性蒸汽能够引起对已经去除了光纤保护鞘的传感器光纤的化学损害。
诸如这样的传感器头具有的缺点在于，其安装困难，且几乎不能适于在大直径电导体中进行温度稳定的电流的测量。
下面的抑制干扰光纤中的双折射的可能的方法从现有技术也是已知的：使用“hibi spun(双折射旋转)”的光纤。在“hibi spin”光纤的情况下，线性双折射的干扰通过限制的圆形双折射来抑制。这具有这样的缺点，即，测量信号随着温度相对急剧地变化(通常每100℃几个百分点)。还可以使用包括火石玻璃的光纤。火石玻璃的弹-光系数很低，以致外部力只引起较小的线性双折射。然而，火石玻璃光纤具有比石英玻璃光纤差的耐化学和机械性，且带有供给光纤或者包括石英玻璃的相位滞后元件的熔合结点(光纤接续、熔合接续)是不可能的。此外，使用机械缠绕的光纤是已知的。然而，相应的线圈制造困难，且它们的长期可靠性有问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供初始提到的类型的一种传感器头和一种电流或者磁场传感器，其不具有上述的缺点。一个具体的目的是用传感器来提供很大程度上与温度无关的电流或者磁场测量，该传感器可以容易地安装，且允许通过大传感器线圈直径测量，诸如那些在大截面电导体中的电流的测量所要求的。
该目的通过具有独立权利要求的特征的传感器头和传感器来实现。
根据本发明的用于电流或者磁场传感器的光纤传感器头包括：
光纤，其包含光学连接的磁光的有源传感器光纤和至少一个供给光纤，其中传感器光纤的光纤保护鞘被去除，以及
毛细管，其中至少设置有该传感器光纤。
传感器头的特征在于，该传感器头可以在传感器光纤的区域中弯曲，以及减小摩擦的装置设置在毛细管中，以便减小传感器光纤和毛细管之间的摩擦力。
这样，可以容易地安装传感器头，且仍然可以很大程度地消除对借助传感器头执行的测量的温度相关性和弯曲相关性干扰的影响。在从引证的EP0856737A1已知的传感器头的情况下，传感器光纤在其软化温度下回火一段时间。诸如这样的热处理给定传感器光纤固定的形状。其机械折断应力减小了。如果有人试图这样使传感器光纤变形，那么它会折断，或者至少新的、大的、不需要的双折射会在光纤中产生，以致热处理的目的尤其是从传感器光纤去除双折射的目的会再次失效。
在传感器光纤中的双折射是不需要的，尤其是当其仍然与温度相关时，这是由于双折射导致例如传感器光纤中的光传播的圆偏振状态被干扰而不是被维持。为了维持小于大约0.2％的测量误差，应该在整个相关的温度范围上尽可能地使由双折射产生的相移具有不超过大约10度的幅度，且应该最多只改变小数字的度数。双折射由外部力作用在传感器光纤上的影响产生。
然而，尤其是在大直径线圈，其中，传感器光纤具有相应的大曲率半径的情况下，已经发现，由于在毛细管和设置在毛细管中的光纤之间的摩擦力，由传感器光纤本身的曲率产生的双折射的影响小于在弯曲传感器头来形成线圈期间产生的不需要的双折射的影响。例如，对于1m的线圈直径，具有80微米的光纤直径和800纳米的光波长，该首先提到的弯曲产生的双折射为每匝线圈大约1.1度。该最后提到的双折射一方面以不可再现的方式依赖于温度，因此借助传感器头获得的测量信号以不合要求的方式与温度有关。另一方面，当线圈打开和关闭，例如用于运输和安装，或者其形状以一些其它的方式改变时，摩擦力和由后者产生的双折射改变。这导致测量敏感性和/或传感器的校准中的不希望的变化。此外，在温度变化的情况下，光纤和毛细管的共有结构也可以改变，其结果是，当出现温度变化时，由于光纤和毛细管之间的相互作用力，在传感器光纤的双折射中出现进一步不希望的变化。该与摩擦有关的、不希望的双折射可以通过减小摩擦的装置来很大程度地避免。
由于传感器头是可弯曲的，且仍然只具有少量双折射，所以其可以容易地安装。例如，如果目标是测量流过电导体的电流，那么不需要中断电导体来围绕电导体设置传感器光纤。此外，不需要预先确定要从传感器头形成的线圈的几何形状。根据应用(电导体截面几何形状)，线圈形状例如可以是圆形的、椭圆形的、卵形的或者跑道形的。此外，可以产生一个、两个或者更多线圈匝，以便传感器头可以灵活地匹配测量问题。
传感器光纤的磁光活性意味着，其具有不消失的Verdet常数。
供给光纤用于将光和传感器头的光学连接引导到光电模块，该光电模块用于产生并检测光，以及估算测量信号。
传感器光纤使其光纤保护鞘被去除的事实避免了由光纤保护鞘施加在光纤上的机械力产生的不需要的双折射，如通常在温度变化的情况下出现的那样，这是由于光纤保护鞘和覆层的热膨胀系数通常是不同的。这样的干扰双折射通常导致1％到2％或者更大的测量误差。
毛细管提供了光纤保护鞘已经被去除的光纤的机械保护。
在根据本发明的主题的一个优选实施例中，传感器光纤至少在传感器光纤材料的软化温度下没有进行热处理。结果，传感器光纤保持在特别柔性的状态下，这样，相当大地简化了用于大直径线圈的传感器头的制造，以及传感器头的安装。
在另外的有利实施例中，在安装的状态下，传感器光纤具有至少0.25m，尤其是至少0.4m或者至少0.5m的曲率半径。由于诸如这样的大曲率半径和相应的线圈直径，通过弯曲传感器光纤产生的双折射相对小。此外，在诸如这些的大线圈直径的情况下，可以在具有诸如这样的很大的截面的导体中测量电流，这出现在铝的制造中。
在一个特别有利的实施例中，至少一个供给光纤的一部分设置在毛细管中。该实施例具有的优点在于，一部分供给光纤也由毛细管机械地保护。此外，在该实施例中，可以设置在至少一个毛细管端部处的保持器或者设置在该处的封闭装置可以机械地连接到供给光纤上，该保持器或者封闭装置通常相对于传感器光纤不是机械敏感的，以便在传感器光纤中没有由保持器或者封闭装置产生的干扰双折射。
毛细管和传感器光纤都有利地基本包括石英玻璃。因此，它们都具有相同的热膨胀系数，此外，由石英玻璃生产光纤接续是简单的。
在另外的有利的实施例中，毛细管由毛细管壳体包绕。这避免了当传感器头频繁地弯曲时出现在毛细管表面上的微观裂缝。诸如这样的微观裂缝会导致毛细管的破裂。
毛细管有利地设置在光纤保护空心缆线内。该光纤保护空心缆线用于保护光纤和毛细管防止外部机械影响。
减小摩擦的装置为液体是特别有利的，尤其是油或者粉末。
在一个优选的实施例中，毛细管在其端部借助封闭装置来封闭，毛细管包含作为减小摩擦的装置的液体，以及包含气体，以便消减减小摩擦的装置的与温度相关的体积变化。这导致在宽温度范围可靠地封闭的毛细管。减小摩擦的装置中的与温度相关的膨胀变化可以借助容易压缩的气体在需要的温度范围内补偿，以便避免落到最小的压力之下或者超过最大的压力，该最小和最大的压力可以在毛细管中预先规定。例如，气体可以在毛细管的一端设置为单个体积(柱)，或者设置为每个设置在毛细管的一端的两个体积(柱)，或者其还可以采用甚至更多量的分离的体积的形式，其沿着毛细管的轴线分布。尤其是，混合物、乳剂也可以有利地由减小摩擦的装置和气体形成。当减小摩擦的装置流出或者蒸发时，封闭毛细管通常是有利的。
在另外的有利的实施例中，减小摩擦的装置采用了在光纤上和/或毛细管的内表面上的薄的摩擦减小层的形式。在这样的情况下，需要较少的减小摩擦的装置。此外，在一些情况下，可能不需要封闭毛细管。例如，这些层可以是油膜或者油层，包括诸如MoS2之类的干膜润滑剂，或者由单分子层或者少量分子层构成的纳米技术润滑剂。
毛细管可以有利地借助作为密封装置的粘合剂在其端部封闭。这使得可以以简单的方式来可靠地封闭毛细管，以便保护传感器光纤和/或以便防止减小摩擦的装置和包含在毛细管中的气体排出。
为了封闭毛细管，毛细管可以有利地在其每个端部处设置有柔性管形式的延伸件，使得每个延伸件具有第一部分，该第一部分在所有情况下在毛细管的一端处在外部围绕毛细管，或者可围绕毛细管壳体，并且每个延伸件具有第二部分，该第二部分在轴向方向上突出超过毛细管的各端，使得封闭装置引入到延伸件的第二部分中。
在一个优选实施例中，光纤包含至少一个相位滞后元件，其光学连接到传感器光纤以及至少一个偏振维持供给光纤，使得该至少一个相位滞后元件设置在传感器光纤和至少一个供给光纤之间，以及该至少一个供给光纤为偏振维持光纤。
在最后提到的优选实施例的进一步的实施例中，光纤包含两个相位滞后元件和两个供给光纤，使得在所有情况下，一个相位滞后元件设置在传感器光纤和两个供给光纤的每个之间。诸如这样的传感器头适于在Sagnac结构中测量。
根据本发明的电流或者磁场传感器的特征在于，具有根据本发明的传感器头。传感器的优点由所述的传感器头产生。
另外的优选实施例和优点可以由从属权利要求和附图来描述。
附图说明
本发明的主题将在下文中参考优选的典型实施例来更详细地说明，这些优选的典型实施例在附图中显示，其中，示意性地为：
图1示出了根据本发明的Sagnac结构中的电流传感器；
图2示出了根据本发明的反射结构中的电流传感器；
图3示出了根据本发明的Sagnac结构中的传感器头；
图4示出了根据本发明的反射结构中的传感器头；
图5示出了采用具有一匝的跑道形的线圈形状的根据本发明的反射结构的传感器头；
图6示出了根据本发明的温度补偿的电流传感器的测量的温度依赖性。
附图中使用的标号以及它们的意思以概述的形式在标号列表中列出。原则上，同样的部分或者具有相同作用的部分在图中设置有相同的标号。所述的典型实施例是本发明的主题的例子，且没有限制性作用。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据本发明的Sagnac结构的电流传感器1。传感器1包括光电模块13和传感器头2，它们通过两个有利地偏振维持供给光纤5来光学相互连接。除了传感器头2的一些细节，传感器1可以以与在欧洲公开说明书EP1154278中描述的相同的方式来有利地设计，因此，其整个披露内容在本说明书中采用。此外，该传感器也是有利地温度补偿的，如在欧洲公开说明书EP1115000或者在具有国际专利申请号PCT/CH02/00473(国际申请日为2002年8月29日)的PCT申请中描述的，因此，这两个文献的整个披露内容包括在本说明书中。
尽管这些公开说明书包括在本发明的本说明书中，但是传感器的主要设计和基本功能在此再次描述。
光电模块13包含光源14，最好是超级发光二极管或者工作在激光域值以下的激光二极管，以及解偏振器15。由光源14产生且由解偏振器15解偏振的光经通过光纤耦合器16到相位调节器17。光学集成的铌酸锂相位调节器最好用作相位调节器17，且在闭环(闭环回转仪)中工作。在这样的情况下，在光电模块13中再次补偿由电流引起的相移。这在整个测量范围具有好的测量精度、宽的动态范围和很好的线性的优点。相位调节器17同时用作偏振器。
相位调节器17经由控制线21可操作地连接到信号处理器20，且由后者控制，以便完成单向的相位调节。信号处理器20经由信号线19可操作地连接到检测器18，以便估计检测的光信号。检测器18光学连接到光纤耦合器16的第二臂。光纤接续装置22或者插塞式连接器22最好也在光电模块13中设置在两个供给光纤5的至少一个中。供给光纤5可以在此断开和再次闭合，以安装传感器头2。在插塞式连接器22的情况下，这有利地集成在光电模块13的一个壳体壁中。
传感器头2包含传感器光纤3，该传感器光纤在其两端的每一端处通过相位滞后元件4光学连接到各供给光纤5。传感器光纤2在安装的状态下采用线圈的形式，如所示的，使得如所示的一个或者两个或者更多匝围绕电导体L设置，该电导体携带要被测量的电流I。由传感器头2形成的匝数有利地为整数，因为这导致闭合的集成通道，使得测量的值(电流I)与导体L在线圈内的位置无关。在反射性传感器1(图2)的情况下，相位滞后元件4和反射镜24相互并排设置。在Sagnac传感器(图1)的情况下，两个相位滞后元件4相互并排设置。传感器光纤的覆层和芯有利地包括石英玻璃。这也适用于相位滞后元件4和供给光纤5。传感器光纤3的芯截面有利地是圆的。相位滞后元件4和供给光纤的芯截面有利地是椭圆的。
在所有情况下，传感器光纤3和相位滞后元件4，以及供给光纤5的一部分设置在毛细管6中。此外，毛细管6包含减小摩擦的装置7，例如硅油。
在操作期间，具有以相同的旋转方向圆偏振或者近似圆偏振的两个光波在相反的方向上通过传感器光纤3。光波经历单向不可逆的光学相移Δφs，其与电流I成正比，在完全圆偏振的波的情况下，Δφs＝2VNI，其中V是传感器光纤3的Verdet(维尔德(偏振光磁旋))常数，N是线圈中的光纤匝数。非圆(椭圆)偏振的光波的情况在引证的欧洲公开说明书EP1115000和在引证的PCT/CH02/00473(国际申请日为2002年8月29日)的PCT申请，以及在K.Bohnert、P.Gabus、J.Nehring和H.Brandle的“Temperature and vibrationinsensitive fiber-opticcurrent sensor”，Journal of LightwaveTechnology，Vol.20(2)，第267-276页，2002年中描述。这些文献也指明了用于电偏振的Δφs指定相应的值。
圆形(或椭圆形)波借助光纤相位滞后元件4由在供给光纤5中传播的线性偏振波产生。当离开传感器光纤3时，相位滞后元件4将圆形(或者椭圆形)波转换回线性波。相移最好通过一种方法和一种已知为光纤光学回转仪的相应的光电设备来测量。在这个方面，还可以在R.A.Bergh、H.C.Lefevre和H.J.Shaw的“An overview offiber-optic gyroscopes”，J.Lightw.Technol.Vol.2(2)，第91-107页，1984年的出版物中可见，因此，其整个披露内容包括在本描述中。
传感器头2的进一步的细节在图3中更详细地显示，且将结合图3讨论。
类似于图1，图2示意性地示出了根据本发明的反射结构的电流传感器。有关图1进行的陈述应用到光电模块13，但是不需要设置0度光纤接续装置22或者插塞式连接器22，这是因为与Saganc结构相比，传感器头不形成环，因此不需要打开光纤来安装。相位调节器17的两个输出在偏振维持光纤耦合器25中连接在一起，使得90度的光纤接续装置23设置在两个光纤分支中的一个上。如果光纤耦合器25以这样的方式连接到相位调节器17，即，光纤快轴在一个光纤端部平行于偏振方向对准，且慢轴在另一端平行于偏振方向对准，那么不需要90度的光纤接续装置23。偏振维持光纤耦合器25的输出光学连接到供给光纤5。供给光纤5经由相位滞后元件4光学连接到传感器光纤3的一端。传感器光纤3的另一端是镜面反射的，或者具有反射镜24。毛细管6包绕供给光纤5的一部分、相位滞后元件4和传感器光纤3，且包含减小摩擦的装置7。
在相反方向上旋转且具有相同的传播方向的两个圆形或者近似圆形的波通过由传感器头2形成的光纤线圈。这些波在传感器光纤3的反射端24处反射，在相反的方向上第二次通过线圈。在完全圆形偏振的光波的情况下，由电流I产生的总的光学相移在这样的情况下为ΔφR＝4VNI。这两个圆形偏振的波借助相位滞后元件4由相互成直角地线性偏振的两个波产生，且在离开线圈时，转换回相互成直角地线性偏振的波。相移ΔφR最好通过从引证的欧洲公开说明书EP1154278(变型的回转仪模块)中已知的光电设备来测量。另外，涉及图1的描述仍然适用。
图3示意性地示出了根据本发明的Sagnac结构中的传感器头2，如可以用于例如在图1中显示的传感器中。如在图1中已经显示的，两个供给光纤5每个经由相位滞后元件4光学连接到传感器光纤3的各端。此外，每个供给光纤5的一部分和两个相位滞后元件4，以及整个传感器光纤3设置在毛细管6中。为了简化起见，传感器头2以延长的状态显示，而不是以其形成线圈的安装状态显示。
供给光纤5有利地在合适的位置具有光纤保护鞘26，其在面向各相位滞后元件4的端部处有利地被去除。传感器光纤3以及有利的相位滞后元件4也没有它们的光纤保护鞘，使得围绕光纤芯的光纤覆层不由光纤保护鞘保护。毛细管6基本上执行光纤保护鞘的功能，以便机械保护光纤(光纤覆层和光纤芯)，使得毛细管6比光纤保护鞘更好地实现机械保护。毛细管6有利地包括石英玻璃。这是因为毛细管6可具有与石英玻璃光纤(尤其是传感器光纤3)相同的热膨胀系数，这样使得温度变化的影响最小化。传感器光纤3宽松地位于毛细管6中。
减小摩擦的装置7，例如硅油，被引入到光纤和毛细管6的内表面之间的空间中。为了防止减小摩擦的装置7从毛细管6排出，毛细管6借助封闭装置10在其两端封闭。封闭装置10可以是预制的盖子，或者更好地为粘合剂10，尤其是可以通过紫外线固化的粘合剂10。光纤有利地在封闭装置10的区域中具有光纤保护鞘26。
由于在粘合剂10和被油润湿的毛细管6的内壁之间的粘附较差，所以在所有情况下，采用柔性管形式的延伸件11有利地从外部装配到每个毛细管端部。采用柔性管形式的延伸件11的第一部分11a围绕毛细管端部，并且柔性管形式的延伸件11的第二部分11b在轴向上突出超过毛细管端部通常几毫米。粘合剂10被引入到柔性管形式的延伸件11的第二部分11b中。粘合剂10当然也可以位于毛细管6内。热缩套管可以有利地用作柔性管形式的延伸件11。一旦热缩套管11通过加热收缩到毛细管6上，粘合剂10被有利地固化。
为了吸收硅油7的热膨胀，气体12也设置在毛细管6中。例如，干燥气体或者氮气可以简单地用作气体12。如图3所示，气体12可以采用设置在毛细管6的一端处的气柱的形式。油柱的长度有利地总是选择成使得即使在传感器头2的最低预定的操作温度下其仍然完全覆盖传感器光纤3，以及有利地覆盖相位滞后元件4。气柱的长度有利地选择为使得不超过在毛细管6中可以预先确定的最大压力。
一个数值例子：硅油的体积膨胀系数在幅度为10-3/℃的量级。如果硅油柱具有例如5m的长度，那么在±50℃的温度变化的情况下，长度变化±25cm。举个例子，假设在初始温度下的压力为大气压，如果目标是将气柱中的最大压力限定到0.2MPa(2巴)，那么在初始温度下的气柱的长度必须至少为50cm。
毛细管6有利地具有用于其外部机械保护的毛细管壳体8。这有利地由聚酰胺形成。这样避免了对外部毛细管表面的损坏(微观裂缝)，该损坏在频繁弯曲的情况下会导致毛细管6破裂。
为了保护毛细管6和光纤，毛细管6和至少一部分的供给光纤5设置在光纤保护空心缆线9中。光纤保护空心缆线9在机械上坚固，且保护传感器头2的剩余部分以防止机械影响和损坏，如果合适，还可保护供给光纤5。光纤保护空心缆线9有利地从光电模块13直到光电模块13包绕传感器头2和供给光纤5。
类似于图3，图4示出了反射结构中的传感器头2，例如可以用于在图2中显示的传感器1中。图1的左手部分与图3的左手部分相同。右手部分示出了传感器光纤3在一端反射24。在图4的右手部分中的封闭装置10没有用于供给光纤5的开口。此外，光纤保护空心缆线9在此具有光纤保护空心缆线终端27。
图4还示出了气体12可以设置为采用两个体积单元的形式，其有利地每个设置在毛细管6的一端处。原则上，气体还可以在毛细管6中不同地分布，例如采用大量较小的体积，分布在整个毛细管6的长度上。使用气体12和减小摩擦的液体装置7的乳剂也是高度有利的，一方面确保了摩擦均匀地减小，另一方面可合适地压缩。
还可以提供液体和/或采用毛细管内表面和/或光纤外部上的薄层形式的粉状的减小摩擦的装置7。例如，如果减小摩擦的装置7是油，当光纤被装配到毛细管6时，可以允许油流过毛细管6，以便合适的层(油膜)保持在其后。如果减小摩擦的装置7采用多个层的形式，通常不需要封闭毛细管6。
如果减小摩擦的装置7是油，可以使用广泛不同的类型的油，其在预定的操作温度范围内具有合适的粘度。同样可以使用油脂作为减小摩擦的装置7。还可以使用不同的，最好粉状的干膜润滑剂7(抗粘附装置7)，例如，硫化钼、石墨或者二硫化钨。在这样的情况下，干膜润滑剂7的颗粒像微小的滚珠轴承一样起作用。使用包括应用到光纤的单分子层或者小数目的分子层的新型纳米技术的润滑剂也是可行的。例子：过氟聚醚(PFPE)、碳纳米管(CNT)、端羟基过氟聚醚(PFPE-OH)。如果使用干膜润滑剂7，毛细管6在一些情况下可以保持不封闭，以及通常也不需要采用柔性管形式的延伸件11，这是由于很多粘合剂10充分地粘附到干膜润滑剂7上，以致粘合剂可以直接引入毛细管6。
图5示意性地示出了传感器头2，其形成了采用具有一匝的跑道形的形状的线圈。传感器头围绕六个汇流条设置，这些汇流条共同地携带要被测量的电流I。以灵活的方式设置根据本发明的传感器头2的能力使得可以提供广泛不同的线圈几何形状，以便传感器头2是可变的，且可以适于明显不同的测量问题。
为了安装根据本发明的传感器头2，传感器头设置成便于其围绕电导体L，该电导体的电流I要被测量，或者设置在要被测量的磁场的区域中。传感器头2可以为此柔性地变形或者弯曲。这样，传感器光纤3有利地不需要在至少其玻变温度下热处理。为了避免由光纤保护鞘产生的与温度有关的影响，至少从传感器光纤3中去除光纤保护鞘。在运输和/或安装期间，传感器头2的弯曲，尤其是传感器光纤3的弯曲导致光纤和毛细管壁之间的相互作用力。如果光纤粘附到毛细管6，结果，这在光纤中产生双折射，其将使在光纤中携带的光的偏振状态改变到干扰的程度。这样的干扰也可能出现在温度变化的情况下。
关于由毛细管的弯曲产生的毛细管壁的伸展和压缩如何导致机械力传导到光纤的数值例子：毛细管内径：0.53mm。毛细管6从延展的状态弯曲到圆形。然后，位于外部的毛细管壁每匝伸展π×0.53mm＝1.66mm；面向中点的毛细管壁压缩相同的量。如果圆形直径(线圈直径)例如为0.7m，这样，相对膨胀为1.6mm/(π×700)＝0.76×10-3。通过具有直径为80微米的光纤(其典型的用于电流传感器应用)，这相应于轴向方向上0.27N的张应力。由于该力不对称地作用在光纤上(在光纤和毛细管之间的接触面上)，在光纤中形成不对称的应力场，以及与其相关的不需要的双折射。
由于传感器头2的柔性，安装传感器头2的能力获得了改进，这是由于线圈直到安装过程才需要改变到最终的形状，并且匝数、线圈尺寸和几何形状可以与外部特征相匹配，且直到制成传感器头以后才需要被固定，而且尤其是因为不需要断开电感L来安装。此外，传感器1(或者传感器线圈2)的校准不会由于安装和运输而改变。在从通常0℃到60℃或者-40℃到85℃的温度范围可获得的测量精度为0.1％到0.2％。
图6示出了用于如图4所示的根据本发明的具有反射线圈的电流传感器1的归一化信号SN，其作为0℃和50℃之间的线圈温度T的函数。该传感器线圈具有两匝，直径大约80cm。Faraday效应的温度依赖性(也就是说，传感器光纤2的Verdet常数温度依赖性)根据本发明来补偿，如在引证的EP1115000中描述的。归一化的信号SN在±0.1％内与温度无关，其表示上述的由光纤和毛细管内表面之间的相互作用引起的干扰效果通过根据本发明的方法有效地抑制。因此，这可获得很好的温度稳定的测量。
典型的光纤直径大约80微米，对于大约50微米的毛细管壁厚，典型的毛细管内径大约320微米或者530微米。
两个或者更多的光纤，尤其是两个或者更多的传感器光纤3也可以设置在一个毛细管6中。供给光纤5也可以完全设置在毛细管6外部。还可以在毛细管中不设置相位滞后元件或者多个相位滞后元件。
与热处理的传感器光纤3相比，如通过在引证的EP0856737A1中的例子描述的，根据本发明的传感器头具有的优点在于，即使是在大线圈的情况下，它们可以在没有较大的努力的情况下制造和处理。具有1米或者更大的直径的线圈的热处理需要在实际上无法实现的大烘箱，且运输这样大的线圈是高度复杂的。
此外，诸如机油或者液压油，或者润滑油脂之类的油也可以用作减小摩擦的装置7。
根据本发明的传感器头2当然不仅仅可以与上述的具有偏振维持供给光纤5和相位滞后元件4的传感器一起使用。这里提到具有3×3耦合器的Sagnac传感器来作为另外的可能的传感器类型的一个例子，其可以有利地具有本发明的传感器头2，举个例子，如在J.H.Haywood等的“Application on the NIMI Technique to the 3×3 Sagnac FibreCurrent Sensor-Experimental Results”，15th Optical Fiber SensorsConference，Portland，2002年5月6-10，Portland，OR，USA TechnicalDigest pp 553-556或者在K.B.Rochford等，“Polarization dependenceof response functions in 3×3 Sagnac optical fiber current sensors”J.Lightwave Technology 12，1504-1509，1994中描述的。J.H.Haywood等的出版物提到“HiBi spun”光纤作为传感器光纤3，尽管这可以由具有圆的芯截面的“LowBi”光纤来替代。K.B.Rochford等的出版物提到了一种热处理传感器光纤3，尽管这也可以由没有热处理的光纤来替代。在具有3×3耦合器的Sagnac传感器的情况下，不维持偏振的光纤(最好具有圆的芯截面)可以用作供给光纤5。在这样的情况下，传感器头2不需要具有相位滞后元件4。
测定偏振的传感器，也可以作为上述的诸如那些在A.Papp，H.Harms，“Magneto-optical current transformer.L：Principles”AppliedOptics，19，3729-3734，1980或者在A.J.Rogers等，“Vibration immunityfor optical fibre current measurement”in 10th Optical Fiber SensorsConference，Glasgow，1994年10月，11-13，B.Culshaw，J.Jones Editors，Proceedings SPIE 2360，pp 40-44，1994年中描述的为可能的传感器类型的另一个例子，其可以有利地具有根据本发明的传感器头2。在测定偏振的传感器的情况下，偏振器设置在传感器光纤3的两端的每一个处，使得偏振器相互成45度与正消失的磁场对准。在所有情况下，一个偏振器通常设置在传感器光纤3和两个供给光纤5、5’的每一个上。供给光纤有利地具有圆的芯截面。在A.Papp和H.Harms的出版物中描述的传感器的情况下，传感器光纤3同时也是供给光纤。
标号列表
1  传感器
2  传感器头
3  传感器光纤
4  相位滞后元件
5  供给光纤
6  毛细管
7  减小摩擦的装置，油
8  毛细管壳体
9  光纤保护空心缆线
10 封闭装置，粘合剂
11 柔性管形式的延伸件
11a柔性管形式的延伸件的第一部分
11b柔性管形式的延伸件的第二部分
12 气体，空气
13 光电模块
14 光源、激光、超级发光二极管
15 解偏振器
16 光纤耦合器
17 相位调节器
18 检测器、光电二极管
19 信号线
20   信号处理器
21   控制线
22   0度光纤接续装置或者插塞式连接器
23   90度光纤接续装置
24   反射镜、反射端
25   偏振维持光纤耦合器
26   供给光纤上的光纤保护鞘
27   光纤保护空心缆线终端
I    电流
L    电导体、汇流条
N    传感器线圈的匝数
SN  归一化信号
T    温度

Claims (15)

1.一种用于电流或者磁场传感器(1)的光纤传感器头(2)，其包括：
光纤，其包含光学连接的磁光的有源传感器光纤(3)和至少一个供给光纤(5)，其中该传感器光纤(3)的光纤保护鞘被去除，以及
毛细管(6)，其中至少设置有该传感器光纤(3)，
其特征在于，
该传感器头(2)可以在该传感器光纤(3)的区域中弯曲，并且减小摩擦的装置(7)设置在该毛细管(6)中，以便减小该传感器光纤(3)和该毛细管(6)之间的摩擦力。
2.如权利要求1所述的传感器头(2)，其特征在于，该传感器光纤(3)是至少在传感器光纤材料的软化温度下没有热处理的光纤。
3.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，在安装后的状态下，传感器光纤(3)具有至少0.25m的曲率半径。
4.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，至少一个供给光纤(5)的一部分设置在毛细管(6)中。
5.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)和传感器光纤(3)基本上包括石英玻璃。
6.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)由毛细管壳体(8)包绕。
7.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)设置在光纤保护空心缆线(9)内。
8.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该减小摩擦的装置(7)为液体，尤其是油或者粉末。
9.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)在其端部借助封闭装置(10)来封闭，且包含作为减小摩擦的装置(7)的液体，并且该毛细管(6)包含气体(12)，以便消减所述减小摩擦的装置(7)的与温度相关的体积变化。
10.如权利要求1到8之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该减小摩擦的装置(7)的形式为在光纤上和/或毛细管(6)的内表面上的薄的摩擦减小层。
11.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)借助作为密封装置(10)的粘合剂(10)在其端部封闭。
12.如权利要求9或者11之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该毛细管(6)在其每个端部处设置有柔性管形式的延伸件(11)，其中每个延伸件(11)具有第一部分(11a)，该第一部分(11a)在所有情况下在毛细管的一端处在外部围绕该毛细管(6)，或者可围绕该毛细管壳体(8)，并且每个延伸件具有第二部分(11b)，该第二部分在轴向方向上突出超过毛细管(6)的相应端，其中该封闭装置(10)引入到延伸件(11)的该第二部分(11b)中。
13.如前面的权利要求之一所述的传感器头(2)，其特征在于，该光纤包含至少一个相位滞后元件(4)，其光学连接到该传感器光纤(3)以及至少一个偏振维持供给光纤(5)上，使得该至少一个相位滞后元件(4)设置在传感器光纤(3)和至少一个供给光纤(5)之间，并且该至少一个供给光纤(5)为偏振维持光纤。
14.如权利要求13所述的传感器头(2)，其特征在于，该光纤包含两个相位滞后元件(4、4’)和两个供给光纤(5、5’)，使得在所有情况下，一个相位滞后元件(4、4’)设置在该传感器光纤(3)和两个供给光纤(5、5’)的每个之间。
15.一种电流或者磁场传感器(1)，其特征在于，该传感器(1)具有如前面的权利要求之一中所述的传感器头(2)。
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