[發明專利]具有旋制光纖和溫度補償的光纖電流傳感器

有效

• 申請號: 201380075193.0
• 申請日: 2013-03-28
• 公開（公告）號: CN105051551B
• 公開（公告）日: 2018-07-17
• 發明（設計）人: G.米勒;顧遜;K.博內特;A.弗蘭克
• 申請（專利權）人: ABB研究有限公司
• 主分類號: G01R15/24
• 分類號: G01R15/24;G01R33/032
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張金金;付曼

光纖電流傳感器使用高雙折射旋制光纖（17）作為感測光纖（17）。光通過延遲器（16）饋送，該延遲器是失諧1/4波或半波延遲器（16）。示出這樣的失諧可以用于補償感測頭的溫度依賴。

技術領域

本發明涉及具有強雙折射旋制光纖（spun fiber）的光纖電流傳感器。

背景技術

光纖電流傳感器通常依靠熔融石英光纖中的法拉第效應。感測光纖圍繞攜帶要測量的電流的導體形成線圈。觀察到法拉第效應為線性偏振光的偏振的旋轉，或等效地是在左和右圓偏振光波之間的差分相移。在后面的情況下，圓光態通常在感測光纖的入口處由充當1/4波延遲器（QWR）的保偏光纖的短段來產生。這樣的傳感器然后采用在感測光纖的相對末端處具有鏡（mirrior）的反射配置設計[1，2]。備選地，傳感器可設計為Sagnac型干涉儀[2]，其在兩個感測光纖末端處具有QWR（1/4波延遲器）以及在感測光纖中對向傳播的相同圓偏振狀態的光波。

為了在廣泛溫度范圍內的精確電流測量，在感測光纖中維持光波的圓偏振態，這是重要的。光纖中的機械應力（其可由于光纖彎曲成線圈而存在），光纖封裝或低溫時涂層的硬化對光纖中光偏振的演進具有明顯影響并且可導致不穩定且依賴于溫度的信號。彎曲引致的應力可以使光纖環（特別是在小的環直徑的情況下）的可能數量限制為幾個環。因此，在指定檢測帶寬（測量時間）的最小可檢測電流則相應地受到限制。

光纖線圈的熱退火用于去除彎曲引致的應力，但趨于是復雜且耗時的過程[2，3]。在參考文獻[4]和[5]中，裸光纖存在于熔融石英的細毛細管中。該方法防止光纖應力受到涂層和光纖封裝的影響。涂層的去除和光纖插入毛細管內又是耗時的投入。

Laming和Payne表明所謂的高雙折射旋制光纖用作感測光纖使對外部機械攝動的影響減少[6]。通常，旋制光纖具有螺旋型內部應力場，其導致橢圓雙折射。通常選擇光纖的參數使得這樣的光纖的本征模接近左和右圓偏振光波。該橢圓雙折射基本上終止線性雙折射的擾亂效應（例如來自彎曲引致的應力）。

橢圓雙折射也可由沿光纖旋轉的橢圓光纖芯[7]或由足夠的光纖微結構[8]產生。

Laming和Payne還證明電流測量可以微妙地取決于旋制光纖參數，特別是對應非旋制光纖的線性拍長和旋繞間距，它們本身可隨著溫度變化[6]。這些效應可以通過使用寬帶光源來減少。此外，Laming和Payne表明旋制光纖關于入射光的偏振方向的角度對準對光纖傳感器特性具有明顯影響。

在參考文獻[9]中，在（非旋制）感測光纖中產生圓光波的延遲器有意從完美的90°延遲失諧。進入感測光纖的光波然后略呈橢圓形。如果延遲器失諧了適當量，由于延遲器的溫度依賴性造成的傳感器標度因子的變化很大程度上補償非旋制光纖的法拉第效應的溫度依賴性。傳感器信號然后廣泛地與溫度無關。感測光纖[9]基本上是無應力的退火光纖。在參考文獻[5]中，方法適于對具有指定量的彎曲引致應力的非退火光纖線圈進行溫度補償。

上面的那類光纖電流傳感器可以對兩個干涉光波的差分相位的非互逆調制采用調制器以便以最佳靈敏度操作干涉儀：一種起初為光纖陀螺儀開發的技術[10]。

備選地，光纖電流傳感器可以使用無源光元件來生成光波的相位偏置。對應的常規傳感器配置采用低雙折射感測光纖并且例如在參考文獻[11]中公開。參考文獻[11]公開光纖電流傳感器，其中1/4波延遲器（其是偏振分裂器模塊的一部分）產生相位偏置；關于該傳感器配置的另外的現有技術可以在參考文獻[12]和[13]中發現。此外，參考文獻[6]和[14]呈現關于利用高雙折射旋制光纖和純被動光學檢測方案的電流感測的現有技術。

發明內容

本發明要解決的問題因此是提供具有高雙折射旋制光纖和良好溫度補償的光纖電流傳感器。

該問題由本發明的電流傳感器解決。因此，光纖電流傳感器包括：

光源，其在波長范圍內產生光，