具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器制造技术

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

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器专利
本专利技术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）。专利技术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1310nm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1310nm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390kA（或780kA）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：。显然，在这两种情况下，光纤的某一最小长度的这种设计规则扩大感测线圈直径，如果需要检测高电流，则因为仅允许少量的感测线圈绕组，以便分别停留在可检测磁光相移的范围内（例如，或内）。因此，本专利技术的目的看作提供上面的种类的光学传感器（例如光纤电流传感器（FOCS）），其在避免由于旋转的高双折射光纤的典型的特性（变温下的传感器信号中的振荡分量）而导致的传感器准确度的降低的同时，且具体地，在针对旋转的高度双折射感测光纤的给定的最小长度而维持高的最大可检测电流的同时，降低光纤应力的不利影响，并且，使感测光纤线圈的组装简化。与解决上面的目的的传感器无关，已知许多特殊的用于光纤电流传感器的感测光纤布置，例如：-基于具有传感器光纤中的逆向传播的波的Sagnac干涉仪的用于光纤电流传感器的设计，该传感器光纤包含感测光纤线圈，且为了降低振动敏感性，包含逆向缠绕的光纤线圈[6、7、8、18]。如例如在参考文献[6]中所述的，这种形式的补偿要求与电流感测环路或线圈的乘积相同的逆向缠绕的绕组的数量或匝数乘以由环路或线圈包封的面积的乘积，即NsAs=-NcAc（其中，“s”表示感测线圈，并且，“c”表示补偿线圈。这种形式的补偿特定于Sagnac干涉仪，而不发现于不倾向于Sagnac效应的反射的干涉仪中。应当进一步注意到，为了是有效的，必须将补偿线圈取向于与感测线圈相同的平面中。在大部分的实施例中，补偿线圈由通过光学延迟器而与感测光纤线圈分离的光纤区段制成。-在[18]中，还公开了仅采用Sagnac效应的部分补偿的实施例，即，不满足上面提到的关于所包封的面积的条件。-带有具有光纤绕组的相反指向的两个反射的光纤线圈的传感器[9]。-包含将主电流导体包封的第一感测光纤线圈和将辅助电气绕组包封的第二线圈的电流传感器，其中，辅助绕组是闭环的反馈电路的一部分，以补偿第一线圈的磁光相移[10]。-采用传感器线圈的两端之间的间隙的磁隔离(magneticscreening)的传感器头[11]。-用来测量不同的导体中所承载的电流的和或差的光纤电流传感器包含通过光学延迟器和非敏感光纤而分离的多于一个的感测光纤线圈[12]。-具有在彼此正交的平面中的两个光纤线圈的光纤电流传感器，经过直电流导体,为了消除具有对沿着光纤区段的长度变化的磁场的敏感性的该区段的影响[13]。-用于监测由第一及第二光纤泄漏电流传感器组成的缆线的组合件，每个包含第一及第二电流感测线圈，这两个线圈优选地带有具有相反的旋转指向的相同数量的光纤绕组。第一传感器的第一线圈和第二线圈集中于将监测的缆线的第一端和第二端处。第二传感器的第一线圈集中于第一端处，而第二线圈分布于缆线上[17]。
技术实现思路
根据本专利技术的第一方面，存在提供的光纤电流传感器，该光纤电流传感器具有光电模块部分和传感器头，该光电模块部分用于检测通过电流的磁场而在感测光纤中感应的磁光相移，该传感器头包括感测光纤，其中，感测光纤是具有长度的旋转的高双折射光纤，该长度由沿着由感测光纤所描述的空间曲线的线积分定义，其中，对于透射光学传感器（在此，具体地是使用同向传播的光波的透射光学传感器），感测长度被定义为，并且，对于通过反射器终止的感测光纤，感测长度被定义为，并且，，其中，，并且，x是旋转的高双折射光纤的旋转比，是中心波长λ相对于感测光纤（12）中的光的光谱宽度的比，并且，是旋转的高双折射光纤的局部线性双折射，并且，其中，，其中，是50cm或更小，并且，a和b是将感测光纤包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，并且，通过具有下面的特征中的至少一个而减小光纤中所累积的磁光相移：（i）感测光纤的一个或更多个区段形成将电流包封的环路，但相对于形成将电流包封的环路的感测光纤的其他区段而逆向缠绕，（ii）感测光纤的一个或更多个区段至少部分地被磁屏蔽，以及（iii）感测光纤的一个或更多个区段形成未将电流（即，电流导体）包封的环路。在本专利技术的实施例中，由保偏光纤将传感器头与光电模块连接。在实施例中，传感器不是使用逆向传播的光波的透射光学传感器。在另外的实施例中，感测光纤通过反射器终止，或传感器是使用同向传播的光波的透射光学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤电流传感器（10），其具有:光电模块部分（10‑2）所述光电模块部分（10‑2）用于检测通过电流的磁场而在感测光纤（12）中感应的磁光相移;以及传感器头（10‑1）,其包括所述感测光纤（12），其中，所述感测光纤（12）是具有长度

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.08.19 EP 14181456.61.一种光纤电流传感器（10），其具有:光电模块部分（10-2）所述光电模块部分（10-2）用于检测通过电流的磁场而在感测光纤（12）中感应的磁光相移;以及传感器头（10-1）,其包括所述感测光纤（12），其中，所述感测光纤（12）是具有长度的旋转的高双折射光纤，所述长度由沿着由所述感测光纤所描述的空间曲线的线积分定义，其中，对于透射光学传感器，感测长度被定义为，并且，对于通过反射器终止的感测光纤，感测长度被定义为，以及其中，并且，x是所述旋转的高双折射光纤的旋转比，是中心波长λ相对于所述感测光纤（12）中的光的光谱宽度的比，并且，是所述旋转高双折射光纤的局部线性双折射，以及其中，，是50cm或更小，并且，a和b是将所述感测光纤（12）包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，其特征在于，通过具有下面的特征中的至少一个而减小所述光纤中所累积的所述磁光相移：（i）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）形成将所述电流包封的环路，但相对于形成将所述电流包封的环路的所述感测光纤的其他区段（12-1）而逆向缠绕，（ii）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）至少部分地被磁屏蔽，以及（iii）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）形成未将所述电流包封的环路。2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器头（10-1）通过保偏光纤（11）而与所述光电模块（10-2）连接。3.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其不是使用逆向传播的光波的透射光学传感器。4.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中所述感测光纤通过反射器终止。5.如权利要求1至3中的任何所述的传感器，其是使用同向传播的光波的透射光学传感器。6.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述感测光纤具有形成将所述电流包封的环路或设计用于将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的一个或更多个区段。7.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，形成将所述电流包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段具体地意味着形成设计用于将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段；和/或，形成未将所述电流包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段具体地意味着形成设计用于未将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段。8.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，将所述电流包封的逆向缠绕的环路的数量与将所述电流包封的未逆向缠绕的环路的数量是不同的。9.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其具有有效绕组数，其中其中，是在感测光纤长度L上的沿着由所述感测光纤定义的空间曲线的磁场向量H的线积分，I是所述电流，并且，|I...

【专利技术属性】
技术研发人员：G米勒，K博内特，A弗兰克，杨琳，
申请(专利权)人：ABB瑞士股份有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士,CH