[发明专利]具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器

说明书

描述光纤电流传感器，该光纤电流传感器具有:光电模块部分（10‑2）其用于检测通过感测光纤（12）中的被测量的场而感应的光学相移;传感器头（10‑1）,其包含感测光纤（12），其中，感测光纤（12）是具有长度的旋转的高双折射光纤，该长度沿着由感测光纤线圈所给定的空间曲线通过线积分定义，使得感测光纤（12）的长度L是充分长的以便抑制由于感测光纤（12）的旋转特性而导致的热信号不稳定性，而光纤绕组的有效数量是足够低的以便将最大敏感性维持于光纤传感器（10）的全测量范围内。

发明领域

本发明涉及如通常在高电压或高电流应用中使用的包括将暴露于将测量的电流的磁场的感测光纤的光纤电流传感器（FOCS）。

发明背景

光纤电流传感器基于围绕电流导体盘绕的光纤中的磁光圆形双折射。该双折射表示沿着感测光纤累积的左和右圆形偏振光状态之间的相移。总相移与磁场的线积分成比例，其在其中感测光纤的两端在空间上极为接近的闭合的（或成环的）感测光纤线圈的情况下与包封的电流I乘以光纤绕组数N简单地成比例。

更精确地，左和右圆形偏振光状态之间的磁光相移总计4VNI（在反射型传感器中操作的光纤线圈）或2VNI（在透射型传感器中操作的光纤线圈），其中，V是石英光纤的维尔德常数。例如，在熔合的石英光纤中，在1310 nm下，。

存在不同的检测方案和传感器，以查询该相移：简单的方案在的范围内起作用，然而，更复杂的闭环的方案通常涵盖从至的范围[3]。因此，围绕电流导体的传感器光纤绕组的数量确定传感器在电流方面的测量范围，因为，更高数量的绕组增大磁光相移，且因而，增大信噪比，但降低在可检测相移的相应的固定范围内能够测量的最大电流。例如，在一个光纤绕组的情况下，对于最大可检测相移，在1310 nm下的最大可检测电流大致与在反射中操作的电流传感器的390 kA（或780 kA）相对应。该电流范围能够进一步通过高磁光相移下的非线性传感器特性来影响。

例如，在电积工业中以及用于针对电功率传输中的故障电流和收入计量的保护的过程控制中，进行对高电流的测量。

在已知的传感器中，使用不同类型的感测光纤。一个具体的光纤类型是旋转(spin)的高双折射光纤,其在拉丝过程期间通过使线性双折射光纤的光纤预制件(preform)旋转而生产。因此，局部线性双折射的主轴沿着光纤旋转，这引入椭圆光纤双折射，并且使光波的近圆形偏振状态针对弹光耦合更稳健，且因此，针对扰乱对外部机械应力源更稳健，但仍然在宽的参数范围中维持充分的对电流的磁场的敏感性。因而，与非双折射感测光纤或低双折射感测光纤相比，将旋转的高双折射光纤用作感测光纤实现简化的封装。旋转的高双折射光纤通过局部线性双折射描述，例如，通过线性拍长和旋转间距表达，线性拍长是产生双折射相移的等效的非旋转的高双折射光纤的长度区段，旋转间距是提供旋转的高双折射光纤中的局部线性双折射的主轴的完全旋转(fullrevolution)的旋转的高双折射光纤区段的长度。由于良好的稳健性与高电流敏感性之间的权衡,通常选择这些参数，使得旋转比x大于一：

由于光纤的双折射随着温度而变化，因而作为采用旋转的高双折射光纤的光纤电流传感器的温度的函数的信号能够展现振荡行为。这是不理想的，因为它限制传感器的准确度。众所周知的是通过使用宽带光源（中心波长，半最大值下的全光谱宽度（FWHM））和充分的长度L的感测光纤来能够充分地抑制这些不稳定性[4]。在反射中操作的光纤电流传感器的情况下，感测光纤长度L最佳地满足下面的要求：

，

其中，

对于，参见例如[4、5]。典型值为例如、、以及，使得。对于在透射中操作的电流传感器，上面的表达成为：

。