串联磁光场传感器制造技术

一种检测导体内流过的电流的装置，其特征在于包括： 光源； 包括输入和输出的第一法拉第效应传感单元； 将所述光源与所述第一传感单元的输入耦合的第一装置； 将所述第一传感单元的输出与所述第二传感单元的输入耦合的第二装置； 光学检测器；以及 将所述第二传感单元的输出与所述光学检测器耦合起来的第三装置。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】考明领域本专利技术一般涉及法拉第效应光纤光电流传感器，具体而言，涉及利用多个串联场传感器(分立的传感光纤)的改进传感器。
技术介绍
对磁场灵敏的光纤是人们熟知的产品，并且被越来越多地用作例如电功率设备中的光电流换能器(OCT)。典型的OCT采用包围在导电体外面的单模光纤构成的线圈。由于磁光法拉第效应(又称法拉第旋转或Kundt效应)，光纤线圈中传输光线的偏振度随通过导体电流的变化而变化。在法拉第效应下，当线偏振光沿施加磁场方向通过物质时，其偏振度发生旋转，并且法拉第效应是法拉第双折射的结果。在法拉第双折射中，沿施加磁场方向通过物质的左右圆偏振光的折射率是不同的。有关场敏光线的细节可以参见美国专利No.5,051,577，该专利已经转让给本专利技术的受让人。许多现有的技术文献都提及OCT的特性受温度影响而发生相当大的变化，迄今为止尚无满足-40℃-+80℃温度变化范围内工作要求的高精度OCT。现有的技术发现温度对传感线圈的影响涉及三种方式(i)改变了传感光纤中的双折射；(ii)由于包裹传感光纤材料的应力变化而使双折射变化；(iii)改变了光纤芯体材料的Verdet系数。为了尽可能减少温度变化的影响，设计出了许多技术。大多数的基本技术是根据经验数据来对输出进行补偿，即在实际测量中利用温度计确定温度并由后级电子线路据此调整输出。在美国专利No.5,416,860中揭示了一种更为复杂的这类技术。该系统不仅需要额外的电子线路处理，并且需要增加光电流元件，从而提高了单元成本。在美国专利No.5,382,901中揭示了另一种较为复杂的技术，它利用分束器并涉及两种偏振元件的处理。还可以参见的是欧洲专利申请No.657,740。有一种不同的方法是如美国专利No.5,463,312所揭示的那样，通过在制造过程中尽量减少传感光纤的双折射(例如使光纤旋转)，随后将线圈形式退火以尽量减少温度依赖性。正如“不同双磁玻璃中Verdet系数温度依赖性”一文(《应用光学期刊》Vol.30，No.10，pp.1176-1178(1991年4月1日出版))中所揭示的那样，采用特殊的材料作传感光纤也可以尽量减少Verdet系数变化引起的起伏。温度敏感性的原因也可以是弯曲诱导双折射。例如，当单根传感光纤被排列在位于载流导体附近的两个或更多的直线段内并且光纤在直线段端部形成环时就可能发生这样的情况。在“法拉第旋转光纤光电流传感器中双折射元件几何结构分立”一文(《应用光学快报》Vol.16，No.9，pp698-689(1991年五月1日出版))所介绍的传感头中，通过选择合适的环几何参数(半径和匝数)从而使弯曲诱发双折射是2π的倍数，将这种效应减小到了最低限度。在上述传感头中，单根光纤在导体附近形成正方形的四个直线段。虽然这种结构抑制了弯曲诱导的双折射，但是它也存在将传感器安装在“无端部”光缆(即现有的无法从传感器穿线的光纤)上这一OCT的共有缺点。通过在线圈环或者正方形传感器光纤侧面提供足够的空间，可以在结构上保证传感器线圈和正方形传感器在无端部光缆上放置，但是这增加了传感器的体积并且可能会影响精度。因此设计一种温度依赖性有所改善而又易于安装在已有光缆上的光纤光电流传感器。如果这种传感器无需特殊的材料、特殊的光学元件或者特殊处理就可以制成，则它的优点更为明显。
技术实现思路
本专利技术提供一种法拉第效应电流传感器，一般包括光源、至少两个包括输入和输出的法拉第效应传感单元、将光源与第一传感单元的输入耦合的装置、将第一传感单元的输出与第二传感单元的输入耦合的装置、光学检测器以及将第二传感单元的输出与光学检测器耦合起来的装置。在较佳实施例中，第一和第二传感单元是单模传感光纤分立的部分，通常每个都固定在直线方向上，并且各种耦合装置包括融合叠加在传感光纤端部上的偏振光纤。该装置可以包括两个以上的传感单元，增加的偏振光纤与该单元串联。传感单元一般是直的光纤段，它们可以排列构成普通的多边形，例如三个单元传感器组成等边三角形。传感光纤段可以安装在刚性衬底上并在张力下固定。利用直传感光纤省略了制造过程中为抑制双折射而进行的光纤退火。传感光纤与偏振光纤之间拼接的位置的排列可以使传感光纤形成基本闭合的路径，而该路径位于载流导体附近。通过合适地选择每个传感单元偏角的数值可以改善传感器响应的线性度。该数值定义为与给定传感光纤相连的两个偏振光纤慢轴之间的夹角，优化值为arctan，这里n为传感单元数量。本专利技术还适于用作差分电流传感器，其中每个单元位于分立的包内，从而使得单元位于Y分支上不同导体附近或者不同位置的同一导体上。附图的简要说明借助以下附图将能更好地理解本专利技术附图说明图1为采用串联场传感器的本专利技术电流传感器顶视图；图2为与普通电流传感器相比的本专利技术电流传感器响应曲线图；图3为按照本专利技术的差分电流传感器示意图；图4为图3差分电流传感器响应曲线图。实施专利技术的较佳方式参见附图1，它示出了本专利技术光纤光电流传感器10的实施例。电流传感器10一般由靠近相邻载流导体18的三个串联场传感器12、14和16以及几个邻接光纤20、22、24和26构成。每个场传感器基本上是独立的法拉第传感光纤片，因此第一场传感器12包括第一传感光纤28，第二场传感器14保第二传感光纤30，并且第三场传感器16包括第三传感光纤32。光纤20为输入光纤，它将条件光信号从光源34(例如光发射二极管、激光二极管或者超荧光二极管)输送至第一传感光纤28。光纤22使第一传感光纤12与第二传感光纤14互连，而光纤24使第二传感光纤与第三传感光纤14互连。光纤26为输出光纤，它将场修改光信号输送至检测器36(例如光电二极管)。术语“串联”指的是场传感器串联的方式。就此而言，本专利技术的电流传感器可以串联任意数量的场传感器。即，至少必须有两个场传感器并且必须至少有一个与场传感器互连的光传输介质，这里互连的介质对法拉第效应不敏感，或者也可以直接将两个场传感器连接在一起。比较好的是至少有三个场传感器，排列成(等边)三角形。如果采用三个以上的场传感器，这比较好的是将它们排列为普通多边形。虽然其它手段(例如机械叠加)也是可以应付的，但是所有的光纤比较好的是借助熔化叠加手段附着。叠加点比较好的是在导体18周围构成一个闭合的路径或环路，从而更为精确地计量周围磁场。换句话说，输入光纤20与第一传感光纤28之间的叠加位置38与输出光纤26与第三传感光纤32之间的叠加位置是相邻的，或者是交叠的。同样，第一传感光纤28与连接光纤22之间的叠加位置40交叠在连接光纤22与第二传感光纤30之间的叠加位置上。而第二传感光纤30与连接光纤24之间的叠加位置42交叠在连接光纤24与第三传感光纤32之间的叠加位置上。叠加点比较好的是根据三个以上场传感器的变化而交叠。在这种方式下，串联场传感器接近完美的电流传感器，其测量误差在许多应用中可以忽略不计。光纤可以由任何合适的装置支承。在较佳实施例中，输入和输出光纤20和26以及连接光纤22和24通过用粘合剂粘合到固定块44上达到固定目的。块44依靠在石英棒46上，并且也可以用胶水固定。在图1所示实施例中，每个传感光纤(场传感器)一般为直的光纤段，即可以略微偏离完美的直线但光纤决不是曲线。这避免了弯曲诱导双折射参数的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：J·W·道森，T·W·麦克道盖尔，
申请(专利权)人：美国三M公司，
类型：发明
国别省市：