光纤电流传感器制造技术

一种光纤电流传感器，它具有一个包有导电体（Ｓ）的线圈形传感纤维（１）和至少一个邻接于所述传感纤维（１）的相位滞后元件（４，５），其中，所述至少一个相位滞后元件（４，５）具有一个具有温度依赖性的相位滞后，以便由该温度依赖性对所述传感纤维（１）的费尔德常数（Ｖ）的温度依赖性进行至少近似地补偿。由此可以得到一个至少近似地与温度无关的传感信号。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种如权利要求1的前序部分所述的光纤电流传感器。EP-A-0’856’737曾公开过这种类型的光纤电流传感器。它具有一个包有导电体、且绕成线圈形状的磁光活性传感纤维。该传感纤维的至少一端通过相位滞后元件被接在另一个光纤、也即所谓的导出导回纤维上，光便通过该导出导回纤维与光纤传感器进行输入输出耦合。传感纤维典型地由石英玻璃制成，且具有圆形的芯断面。在该传感纤维内传播圆偏振光。所述的导出导回纤维优选地具有椭圆形芯断面，并传播线偏振光。在传感纤维和导出纤维之间安放了一个双折射的纤维段，以便作用为相位滞后元件。该纤维段具有一些主光轴，它们以45°对准所述导出导回纤维的主轴。通常，纤维段的长度作如此选择，使得该纤维段作用为一种λ/4相位滞后元件。由此，它把导出导回纤维的线偏振光变成在传感纤维内传播的圆偏振光。传感纤维以赛格纳克干涉仪的形式工作，或者当其一端被镜面化时以反射干涉仪的形式工作。在该两种情形下，传感纤维内传播有两种圆偏振光波。对此，在赛格纳克干涉仪的情形下所述两种波是反向传播的，而在反射干涉仪的情形下是同向传播的。在赛格纳克干涉仪中，两种波的偏振意义是相同的，其中，它们向左或向右进行圆偏振。在反射干涉仪中，它们具有相反的偏振意义。若导电体有电流流过，该电流便产生磁场，由该磁场在所述两种反向或同向传播的光波之间产生一个互差的相移。该效应被称为磁光效应或法拉第效应。在此，所形成的相移与电流成比例，并在所述的赛格纳克配置时为ΔφS=2VNI (1)以及在所述反射配置时为ΔφR=4VNI (2)，其中，V表示纤维的费尔德常数，N表示线圈内的纤维匝数，且I表示电流强度。在EP-A-0’856’737中讲述过的传感纤维是不受机械应力限制的，这样，所获得的传感信号便不会受取决于温度的、由应力引起的线性双折射的干扰。但是，费尔德常数V依然与温度有依赖关系，即便在纤维线圈无应力的理想情况下，该依赖关系都是不可忽略的。因此，对于石英纤维的情况，每摄氏度的温度依赖性约为0.7×10-4。由此，当温度波动为100摄氏度时，传感信号变化为0.7％。然而，当电流传感器应用在高压设备内时，电流测量经常需要有非常高的准确性。在温度范围为-40摄氏度～+80摄氏度时，典型值为±0.2％。因此，本专利技术的任务在于，创造一种文章开头所述类型的光纤电流传感器，它具有改善过的温度补偿。该任务由具有权利要求1所述特征的电流传感器来实现。根据本专利技术，电流传感器带有至少一个具有温度依赖性的相位滞后元件，并由该温度依赖性至少近似地对传感纤维的费尔德常数的温度依赖性进行补偿。该补偿通过如下方式来进行，即相位滞后元件具有一个相应的相位滞后角，该滞后角与理想相位滞后元件的相位滞后角有偏差。在此，根据相位滞后元件的温度依赖性的符号，将该滞后角选择得大于或小于理想相位滞后元件的相位滞后角，譬如大于或小于理想的λ/4段的90°相位滞后角。在赛格纳克干涉仪的情况下，还根据相位滞后元件的快轴的相对对准来选择所述的相位滞后角。优选地，相位滞后元件为一种具有椭圆形芯断面的双折射纤维段，其中，通过选择段的长度可以调整相位滞后角。其它的优选实施方案由从属权利要求给出。下面借助附图示出的优选实施例来详细说明本专利技术的主题。图中附图说明图1示出了一种赛格纳克干涉仪形式的光纤电流传感器的简图；图2以温度的函数形式示出了标准化比例因子的图形；图3以偏差δ的函数形式示出了图1所示传感器的标准化比例因子的图形，所述偏差δ是与理想λ/4段的90°相位滞后角的偏差；图4为在反射配置下的光纤电流传感器的简图。图1示出了在赛格纳克配置下的光纤电流传感器。其基本的结构和作用方式可以从文章开头所引用的现有技术中获知。对此下文不再详细讲述。具有圆形芯断面的传感纤维1围着导电体S绕成线圈形。传感纤维1的第一端接在导出纤维2上，第二端接在导回纤维3上。导出导回纤维2、3优选地具有椭圆形的芯断面。导出导回纤维2、3与传感纤维1的连接是通过至少各一个(确切地说此处是一个)相位滞后元件4、5而产生的。在此处示出的实施例中，相位滞后元件4、5为双折射纤维的短段，它们优选地具有椭圆形的芯。在此，纤维具有双折射的主光轴，它们与椭圆芯的主轴重合。因此，所述芯具有一个长主轴和一个短主轴，其中短主轴被称为快轴。于是，导出导回纤维2、3与相位滞后元件4、5衔接在一起，使得两个纤维的纤维芯的短主轴形成一个确定的、优选为45°的偏转角。导出纤维中被校准为平行于长芯轴或短芯轴的线性偏振在进入相位滞后元件时被劈成两个正交的偏振成分，它们在方向上平行于相位滞后元件的芯主轴。两种偏振成分按双折射以不同的速度传播，其中，与快轴平行的成分的传播速度大于另一种成分。在相位滞后元件的末端处，该两种偏振成分累积出一个互差的相位滞后，它可以由相位滞后角φ来表示。该相位滞后角φ的增大是与相位滞后元件的长度成比例的。在理想的零阶λ/4段的情况下，所述的互差滞后对应于四分之一波长，且相位滞后角φ为90°。于是，从相位滞后元件射出的光是圆偏振的。在高阶λ/4段的情况下，相位滞后角对应于90°的奇数倍。导出导回纤维2、3连接在一个同样已知的回转模块6上。该回转模块6具有尤其为激光二极管60的光源、两个纤维耦合器61及62、纤维偏振器63、相位调制器64、光电二极管65以及信号处理器66。在激光二极管60内产生的光波通过第一纤维耦合器61到达纤维偏振器63内，并进行线偏振，然后在第二纤维耦合器62内分解成两个子波。按照前文所述方式被线偏振后的第一子波经过导出纤维2到达第一相位滞后元件4，并被变换成圆偏振光，然后输入传感纤维1。然后，该子波经过第二相位滞后元件5又变换成线偏振光，并继续通过导回纤维3和相位调制器64返回到第二相位耦合器62。第二子波以相反的方向穿过干涉仪。两种子波的传播方向和偏振在图1中是用箭头示出的。因此，在传感纤维1中传播有两种反向的光波。倘若导电体L中流经有电流，该两种波便会有一个如文章开头所述的、与电流成比例的互差相移ΔφS。根据本专利技术，为了至少近似地对费尔德常数V的温度依赖性进行补偿，现可以利用相位滞后元件4、5中的相位滞后的温度依赖性。这种补偿如图2所示，图中画出了传感器的灵敏度(亦即所谓的标准化比例因子SK)与温度的依赖关系。通过选择合适的相位滞后角，可以实现几乎与温度无关的比例因子，如函数K(T)所示。函数K(T)是函数TW(T)和函数TV(T)的乘积。在此，TV(T)示出了比例因子SK怎样按照费尔德常数的温度依赖性进行变化。TW(T)描述了比例因子SK按照相位滞后元件4、5中依赖于温度的相位滞后而进行的变化。因此，根据本专利技术，TW(T)的温度依赖性作如此选择，使得它至少是近似地补偿TV(T)的温度依赖性。在此，以副作用的形式增加或减小了所述的标准化比例因子SK。在一种光纤相位滞后元件中，通过选择纤维段的长度L可以得到所需的相位滞后角。理想的零阶λ/4段具有90°的相位滞后角，其中，段的理想长度由此为正交偏振方式的拍长度的四分之一。在m阶的λ/n段的情况下，理想长度为l/n的m倍。在本专利技术的经过温度补偿的相位滞后元件中，其长度L与该理想长度是有偏差的。无论如何，哪些相位滞后角或哪些长度L适合于温本文档来自技高网...

【技术保护点】
光纤电流传感器，它具有一个包有导电体（Ｓ）的线圈形传感纤维（１）和至少一个邻接于所述传感纤维（１）的相位滞后元件（４，５）， 其特征在于：所述至少一个相位滞后元件（４，５）具有一个具有温度依赖性的相位滞后，并由该温度依赖性对所述传感纤维（１）的费尔德常数（Ｖ）的温度依赖性进行至少近似地补偿。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：K波纳特，J尼林，
申请(专利权)人：ABB研究有限公司，
类型：发明
国别省市：CH[瑞士]