光纤传感器和方法技术

描述光纤传感器(10)和相关方法，其中传感器(10)包含偏振元件(2，41，55a，24)与感测元件(12)之间的光路径中的交叉耦合元件(16)，但是与感测元件本身分离；其中生成偏振保持光纤(11)的基本模式的两个正交偏振状态之间的所定义交叉耦合的交叉耦合元件(16)把来自光源(1)的光引导到感测元件(12)，因而引入波长相关或温度相关传感器信号偏移，以便平衡因传感器的其他元件引起的波长相关或温度相关信号偏移，特别是因法拉第效应或电光效应常数的波长相关性引起的信号偏移。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及光纤传感器、例如光纤电流传感器(FOCS)或磁场传感器，其包含要暴露于例如待测量电流的磁场的感测光纤，或者例如光纤电压传感器，两者均通常用于高压或高电流应用中。
技术介绍
光纤电流传感器依靠盘绕电流导体的光纤中的磁光法拉第效应。电流引起磁场在光纤中生成与所应用磁场成比例的圆双折射。一种优选布置采用在感测光纤的远端的反射器，使得耦合到光纤中的光执行光纤线圈中的往返行程（round trip）。通常，左和右圆偏振光波（其由叠接到感测光纤并且充当四分之一波延迟器(QWR)的光纤相位延迟器从两个正交线性偏振光波来生成）如参考文献[1-4]所述地那样注入到感测光纤中。在经过光纤线圈的往返行程之后，两个圆形波因光纤中的圆双折射而累积了与所应用电流成比例的相位延迟。这个相位延迟与围绕电流导体的光纤绕组的数量、所应用电流和光纤的维尔德常数V(T, λ)成比例。维尔德常数由此是材料－、温度－和波长－相关的。作为备选方案，传感器可设计为具有在感测光纤两端的四分之一波延迟器(QWR)以及在感测光纤中反向传播的圆偏振的相同意义的光波的萨格纳克类型干涉计。在参考文献[3、5、6]中，公开方法，其中光纤延迟器用来平衡维尔德常数的温度相关性，维尔德常数对熔融硅石光纤为。为了这个目的，QWR的延迟设置成适当选择值，其通常偏离理想四分之一波延迟。延迟随温度的变化改变传感器比例因子，使得它平衡维尔德常数随温度的变化。在参考文献[7]中公开了如何制造这类延迟器的方法。通常，光纤电流传感器采用半导体光源、例如超发光二极管(SLD)。如果源不是温度稳定的，则其发射谱在增加的环境温度下偏移到较小波长。典型SLD波长偏移取决于SLD材料系统的细节对应于每℃十分之几纳米。熔融硅石光纤的维尔德常数大致作为随波长而缩放（scale），如例如参考文献[8、9]中所规定的。在这里，λ0是初始波长(参考波长)。因此，如果假定随0.3 nm/°C的温度波长偏移，则在1310 nm的相对比例因子变化为-0.15%/nm或者-0.05%/°C。除了维尔德常数之外，其他传感器参数也可随源波长而改变、例如在感测光纤开始的光纤延迟器的延迟，并且因而可影响比例因子。源波长还随驱动电流而变化，或者可因源老化而偏移。为了制止（counter）波长中的偏移，已知的是，通过以恒定电流操作源，并且通过热电冷却器(TEC)稳定源温度或者通过监测源温度并且适当校正传感器信号，来稳定光源的波长。在使用这些方法时没有校正因源老化引起的波长偏移。在光纤陀螺仪领域中，报导了跟踪陀螺仪中的波长偏移的若干方法，包含使用跟踪干涉计[10]、波分复用器[11-13]或光纤光栅[12、14]。还已知的是基于普克尔斯效应或线性电光效应或者基于耦合到压电材料的光纤的使用的电压或电场传感器。在这些传感器中，通过电场或者通过力或材料的折射率的各向异性变化所引起的双折射在光纤传感器中用来测量电压、电场强度或者力。如上所论述，参考文献[3、5、6]公开如何补偿光纤电流传感器的温度相关性。由此，一般来说，例如源自维尔德常数(在熔融硅石光纤中，在1310nm为)的温度相关性的一阶、即线性温度相关贡献（contribution）通过在感测光纤的入口处的光纤延迟器的温度相关行为来中和。WO 2014/154299还公开了如何补偿温度相关信号，其源自维尔德常数的温度相关性和感测光纤的双折射的组合。但是，这些方法一般没有补偿潜在高阶、具体来说是二阶、即抛物线或二次温度相关性，或者甚至能够引入附加高阶温度相关性。取决于传感器的检测方法(采用非交互（reciprocal）相位调制的检测或者采用无源相位偏置的检测)，抛物线贡献的曲率能够为正或者为负。非线性贡献也能够因在极端温度下的封装相关光纤应力或者最佳传感器工作点的温度相关偏移而源自偏振交叉耦合，如例如WO 2014/006121所示。本专利技术的一个目的是要提供一种光纤传感器，具体来说是磁场传感器或电流传感器，其包含要暴露于磁场的感测光纤，其中传感器信号对所使用的光的波长偏移和/或对温度偏移不太敏感。
技术实现思路
因此，按照本专利技术的第一方面，提供一种光纤传感器，其包含光源、偏振元件、检测器、偏振保持(PM)光纤和感测元件，其中传感器还包含偏振元件与感测元件之间的光路径中但是没有直接连接到感测元件的交叉耦合元件，其中交叉耦合元件生成PM光纤的基本模式的两个正交偏振状态之间的所定义交叉耦合。传感器能够是磁场或电流传感器，在所述情况下，感测元件优选地是要环绕导体并且在操作中暴露于导体中的电流的磁场的感测光纤。备选地，传感器能够是电场或电压传感器，在所述情况下，感测元件优选地是力耦合到压电元件的电光晶体或光纤。对于力或应变测量，光纤能够直接耦合到施加力的对象或者应变对象。偏振元件能够是固有地生成具有期望偏振的光的光源，或者它能够是与光源分离的传感器的一部分，例如偏振光纤、偏振分束器、(光纤耦合)块状光纤偏振器、偏振波导(例如通过质子交换所制作的铌酸锂(LiNbO3)波导)及其组合。一般来说，交叉耦合元件能够在任何点引入到光路径中，其中它能够提供PM光纤的两个偏振状态之间的交叉耦合效应。但是，优选的是不将元件对于进入感测光纤的光的入口点过于靠近地定位。具体来说，交叉耦合不是直接附连到感测元件，但最好的是与其至少分离PM光纤的一段和/或至少延迟器和/或法拉第旋转器，即，分离从由下列项所组成的编组中选择的至少一个元件：PM光纤的至少一段、延迟器、法拉第旋转器及其组合。在与其远端相比更靠近PM光纤的近端的位置处将交叉耦合元件引入到光学回路中是优选的。如果传感器包含另外有源或无源元件以便在光进入检测器(例如光学调制器或无源相位延迟器)之前调制或偏置光的相位，则具有接近这些另外有源或无源元件的交叉耦合元件是特别优选的。最优选地，交叉耦合元件集成在PM光纤的两段之间，或者在存在于传感器的情况下，直接附连到或者集成在位于光源与PM光纤之间的光路径中的光学分束器元件内。交叉耦合元件是除了PM光纤之外、具体来说除了具有正交偏振之间的残余交叉耦合的非理想PM光纤之外还存在的单独元件。换言之，交叉耦合元件引入传播到PM光纤中的正交光偏振之间的故意特定交叉耦合。这种有意交叉耦合能够添加到产生于非理想光学元件(例如PM光纤、偏振器、接头、延迟器、调制器等)的光学回路中的实际存在的交叉耦合。在实施例中，交叉耦合元件在传感器信号中引入波长相关部分，其能够被调谐，使得通过波长相关交叉耦合所引入的传感器信号中、具体来说是其比例因子中的偏移平衡通过光的中心波长λ的偏移所引起的传感器信号的其他变化、具体来说是感测元件的维尔德常数中的变化。交叉耦合元件能够采取非准确半波长延迟器的形式来实现。(非准确)半波长延迟器引入PM光纤的两个偏振状态之间的的相位偏移，其中m是包含零的整数，以及β(λ)不为零并且被选择，使得中心波长λ的偏移远离其初始值λ0不影响如所测量的信号。通常特别优选的是具有另外有源或无源元件、例如光学调制器或分束器，以及在一些变型中还具有光源和/或检测器连同在相同位置处的交叉耦合。在高压环境中，地电位上的位置常常是优选的。因此，有可能在单个壳体中容纳另外有源或无源元件、例如光学调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤传感器(10)，包括：光源(1)、偏振元件(2，41，55a，24)、检测器(5)、偏振保持(PM)光纤(11)和感测元件(12)，其中所述传感器(10)还包括所述偏振元件(2，41，55a，24)与所述感测元件(12)之间的光路径中的交叉耦合元件(16)，其中所述交叉耦合元件(16)生成所述PM光纤(11)中的基本模式的两个正交偏振之间的所定义交叉耦合，并且其中所述交叉耦合元件(16)和所述感测元件(12)沿所述光路径分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.12.20 EP PCT/EP2013/0777071.一种光纤传感器(10)，包括：光源(1)、偏振元件(2，41，55a，24)、检测器(5)、偏振保持(PM)光纤(11)和感测元件(12)，其中所述传感器(10)还包括所述偏振元件(2，41，55a，24)与所述感测元件(12)之间的光路径中的交叉耦合元件(16)，其中所述交叉耦合元件(16)生成所述PM光纤(11)中的基本模式的两个正交偏振之间的所定义交叉耦合，并且其中所述交叉耦合元件(16)和所述感测元件(12)沿所述光路径分离。2.如权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)和所述感测元件(12)通过从由下列项所组成的编组中选择的至少一个来分离：PM光纤(11)的至少一段、延迟器(14)、法拉第旋转器(14')及其组合。3.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)是除了所述PM光纤(11)之外还存在、具体来说除了具有正交偏振之间的残余交叉耦合的非理想PM光纤(11)之外还存在的单独元件(16)。4.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述感测元件(12)对于从电场、磁场或应变场所选择的外部场是敏感的。5.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)被设计，使得通过所述交叉耦合的所述波长相关性所引入的所述传感器信号中的偏移平衡通过另外传感器元件的所述波长相关性所引入的信号偏移。6.如权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)被设计，使得通过所述交叉耦合的所述波长相关性所引入的所述传感器信号中的偏移平衡通过所述法拉第效应或者所述电光效应所引入的信号偏移。7.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)包括光学延迟器或法拉第旋转器。8.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)包括通过非零量或相位β(λo)从准确半波延迟或准确多阶半波延迟所解谐的延迟器(16)。9.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)是光纤延迟器(16)，其包括双折射光纤，具体来说是椭圆芯光纤或者微结构双折射光纤。10. 如前述权利要求中的任一项、具体来说是权利要求8或9所述的传感器(10)，其中，所述PM光纤(11)的主光轴和所述交叉耦合元件(16)的主光轴相对彼此旋转±(45°±22.5°)的范围中、具体来说在±(45°±10°)的范围中的取向角。11. 如前述权利要求1至9中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)是具有相对所述PM光纤(11)的所述主轴形成±15°的范围中或者90°±15°的范围中的取向角的主轴并且具有等于± 20°之内的180°的整数倍的半波延迟δ(T0,λ0)的半波延迟器(16)，以实现对给定温度范围之内一直到二阶的温度不敏感的传感器信号。12.如前述权利要求1至10中的任一项所述的传感器(10)，包括延迟器(14)，其调整成补偿通过所述交叉耦合元件(16)和/或所述传感器(10)中的其他光学元件、具体来说是所述感测元件(12)的温度变化所引起的所述传感器信号中的偏移。13.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，包括延迟器(14)，其调整成补偿通过从由下列项所组成的编组中选择的元件的任何的温度变化所引起的所述传感器信号中的线性温度相关偏移：所述交叉耦合元件(16)、所述感测元件(12)、所述传感器(10)中的另外光学元件；具体来说，其中所述延迟器(14)引入所述传感器信号中的二次温度相关偏移。14.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，来自所述交叉耦合元件(16)对所述传感器信号的二次温度相关贡献中和来自其他元件、具体来说来自所述延迟器(14)对所述传感器信号二次温度相关贡献。15.如前述权利要求1至13中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)是温度稳定的。16.如权利要求15所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)包括无热光纤延迟器(16-1，16-2)，以形成固有温度稳定的交叉耦合元件(16)。17.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述交叉耦合元件(16)位于与光电子模块(10-2)的共同壳体内，所述光电子模块(10-2)包括至少用于调制或偏置光波的微分相位的有源或无源元件(4，41，43，54，55a，55b，55c，56)。18.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述感测元件(12)包括要环绕导体(13)并且要在操作中暴露于所述导体(13)中的电流I的磁场的感测光纤(12)。19.如权利要求1至17中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述感测元件(12)包括电光晶体(12)或电光纤(12)或者连接到压电材料的光纤。20.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述感测元件(12)与反射元件(15，15')端接。21.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，所述光源(1)没有与有源加热或冷却元件进行热接触。22.如前述权利要求中的任一项所述的传感器(10)，其中，具有所述交叉耦合元件(16)的所述光路径包括所述偏振元件(2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：G米勒，K博纳特，A弗兰克，P加布斯，
申请(专利权)人：ABB技术有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH