CH686744A5

CH686744A5 - Fiberoptic current sensor.

Info

Publication number: CH686744A5
Application number: CH205793A
Authority: CH
Inventors: Guido Dr Frosio
Original assignee: Abb Research Ltd
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1993-07-08
Publication date: 1996-06-14
Also published as: DE4224190B4; DE4224190A1

Description

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CH 686 744 A5 CH 686 744 A5

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Beschreibung description

TECHNISCHES GEBIET TECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung betrifft einen, auf dem Faraday-Effekt basierenden faseroptischen Stromsensor zur Messung des in einem elektrischen Stromleiter fliessenden Stromes, umfassend a) eine linear polarisiertes Licht erzeugende Lichtquelle; The present invention relates to a fiber-optic current sensor based on the Faraday effect for measuring the current flowing in an electrical current conductor, comprising a) a linearly polarized light-generating light source;

b) eine zwei optische Achsen aufweisende polari-sationserhaltende Faser c) einen Faserkoppler d) einen x/4-Retarder, b) a polarization-maintaining fiber having two optical axes c) a fiber coupler d) an x / 4 retarder,

e) eine in mehreren Windungen um den Stromleiter geführte Sensorfaser, und eine Interferenz-Auswerteinheit, wobei das Licht von der Lichtquelle über den Faserkoppler derart in die polarisationser-haltende Faser eingekoppelt ist, dass in dieser beide Polarisationsrichtungen gleichstark angeregt sind, und wobei der /74-Retarder im Lichtweg zwischen der polarisationserhaltenden Faser und der Sensorfaser angeordnet ist. e) a sensor fiber guided in several turns around the current conductor, and an interference evaluation unit, the light from the light source via the fiber coupler being coupled into the polarization-maintaining fiber in such a way that both polarization directions are excited to the same extent, and the / 74 retarder is arranged in the light path between the polarization-maintaining fiber and the sensor fiber.

STAND DER TECHNIK STATE OF THE ART

Ein faseroptischer Stromsensor dieser Art ist aus G. Frosio, K. Hug, R. Dändliker, All-Fiber Sagnac Current Sensor, Opto 92, Paris 1992, S. 1-5, bekannt. Wichtige Grundlagen bezüglich des verwendeten Messprinzips sind in S. Ezekiel, H. J. Arditty, Fiber-Optic Rotation Sensors and Realted Technologies, Proceedings of the First International Conference MIT, Cambridge, Mass. USA, November 9-11, 1981, S. 1-26, Springer-Verlag Heidelberg, New York 1982, beschrieben. A fiber optic current sensor of this type is known from G. Frosio, K. Hug, R. Dändliker, All-Fiber Sagnac Current Sensor, Opto 92, Paris 1992, pp. 1-5. Important foundations regarding the measurement principle used are in S. Ezekiel, H. J. Arditty, Fiber-Optic Rotation Sensors and Realted Technologies, Proceedings of the First International Conference MIT, Cambridge, Mass. USA, November 9-11, 1981, pp. 1-26, Springer-Verlag Heidelberg, New York 1982.

Bei dem bekannten Stromsensor durchläuft das Licht eine geschlossene Faserschleife, welche neben der Sensorspule zwei polarisationserhaltende Fasern und zwei >74-Retarder umfasst. Zur Ankopp-lung an die geschlossene Faserschleife und zur Aufspaltung des Lichtweges ist ein zusätzlicher, po-larisationserhaltender Faserkoppler vorgesehen. In the known current sensor, the light passes through a closed fiber loop which, in addition to the sensor coil, comprises two polarization-maintaining fibers and two> 74 retarders. An additional, polarization-maintaining fiber coupler is provided for coupling to the closed fiber loop and for splitting the light path.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG PRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Stromsensor der eingangs genannten Art anzugeben, welcher sich gegenüber dem bekannten u.a. durch einen einfacheren Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch einen faseroptischen Stromsensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. It is an object of the present invention to provide a fiber optic current sensor of the type mentioned at the outset, which is different from the known u.a. characterized by a simpler structure. This object is achieved according to the invention by a fiber-optic current sensor with the features specified in patent claim 1.

Wie nachfolgend noch eingehender erläutert wird, breiten sich bei dem erfindungsgemässen Stromsensor die beiden in der polarisationserhaltenden Faser angeregten und nachfolgend im X74-Retarder zirkulär polarisierten Moden in der Sensorfaser in der gleichen Richtung aus, anstatt in entgegengesetzten Richtungen, wie dies bei dem bekannten Stromsensor der Fall ist. Am freien, verspiegelten Ende der Sensorfaser werden die beiden zirkulär polarisierten Moden reflektiert. Dabei wird die rechtszikular polarisierte Mode als linkszirkulare und die linkszirkulare als rechtszirkulare Mode zurückreflektiert. Auf diese Weise ist die für das Messprinzip notwendige Reziprozität im Lichtweg sichergestellt, so dass der nichtreziproke Faraday-Effekt detektiert werden kann. As will be explained in more detail below, in the current sensor according to the invention, the two modes excited in the polarization-maintaining fiber and subsequently circularly polarized in the X74 retarder propagate in the sensor fiber in the same direction instead of in opposite directions, as is the case with the known current sensor Case is. The two circularly polarized modes are reflected at the free, mirrored end of the sensor fiber. The right-hand circularly polarized mode is reflected back as left-hand circular and the left-hand circular mode as right-hand circular mode. In this way, the reciprocity in the light path necessary for the measuring principle is ensured, so that the non-reciprocal Faraday effect can be detected.

Gegenüber dem bekannten Stromsensor benötigt die erfindungsmässe Reflexkonfiguration lediglich eine polarisationserhaltende Faser. Insbesondere dann, wenn vermittels der polarisationserhaltenden Faser grössere Abstände zu überbrücken sind, können die Kosten der gesamten Anordnung durch die Einsparung der Faser erheblich reduziert werden. Des weiteren entfällt gegenüber dem bekannten Stromsensor ein x/4-Retarder sowie der dort zur Strahlaufteilung benötigte polarisationserhaltende Faserkoppler. Bei gleicher Empfindlichkeit wird nur die halbe Länge für die Sensorfaser benötigt, da der nichtreziproke Faraday-Effekt in der Sensorfaser sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg aufsummiert wird. Bei gleicher Faserlänge wäre der detektierte Faraday-Effekt im Vergleich mit der bekannten Konfiguration doppelt so gross. Mit einer Reduktion der Sensorfaserlänge ist in vorteilhafter Weise auch eine Reduktion der Störempfindlichkeit verbunden. Schliesslich werden auch weniger Spieissverbindungen benötigt. Compared to the known current sensor, the reflex configuration according to the invention only requires a polarization-maintaining fiber. In particular, if larger distances are to be bridged by means of the polarization-maintaining fiber, the cost of the entire arrangement can be considerably reduced by saving the fiber. Compared to the known current sensor, there is also no x / 4 retarder and the polarization-maintaining fiber coupler required there for beam splitting. With the same sensitivity, only half the length is required for the sensor fiber, since the non-reciprocal Faraday effect in the sensor fiber is added up both on the way there and on the way back. With the same fiber length, the detected Faraday effect would be twice as large compared to the known configuration. A reduction in the sensor fiber length is advantageously associated with a reduction in sensitivity to interference. Finally, fewer splice connections are required.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zeigen: The invention will be explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments in connection with the figures. Show it:

Fig. 1 den generellen Aufbau eines faseroptischen Stromsensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei nur die Grundelemente dargestellt sind, 1 shows the general structure of a fiber optic current sensor according to the present invention, only the basic elements being shown,

Fig. 2 unter a) und b) in zwei Diagrammen elektrische Feldvektoren bzw. E-Vektoren von sich in den Fasern des Stromsensors von Fig. 1 ausbreitenden Lichtwellen bzw. Moden, wobei unter a) die E-Vektoren der hinlaufenden und unter b) die der reflektierten Lichtwellen dargestellt sind, und 2 under a) and b) in two diagrams electric field vectors or E-vectors of light waves or modes propagating in the fibers of the current sensor of FIG. 1, with under A) the E-vectors of the incoming and under b) those of the reflected light waves are shown, and

Fig. 3 einen erfindungsgemässen Stromsensor in etwas detaillierterer Ausgestaltung. Fig. 3 shows a current sensor according to the invention in a somewhat more detailed embodiment.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, 2 einen vorzugsweise polarisationserhaltenden Faserkoppler, 3 eine erste 45°-Spleissverbindung, 4 eine distanzüberbrückende, zwei optische Achsen aufweisende, polarisationserhaltende Faser, 5 eine weitere 45°-Spleissverbindung, 6 einen /74-Retarder, 7 eine in mehreren Windungen um einen elektrischen Leiter 8 gewundene Sensorfaser und 9 einen Spiegel bzw. eine Verspiegelung am freien Ende der Sensorfaser 7. Mit 10 ist eine Interferenz-Auswerteinheit bezeichnet. In FIG. 1, 1 denotes a light source, 2 a preferably polarization-maintaining fiber coupler, 3 a first 45 ° splice connection, 4 a distance-bridging, polarization-maintaining fiber having two optical axes, 5 another 45 ° splice connection, 6 a / 74 retarder, 7 a sensor fiber wound in several turns around an electrical conductor 8 and 9 a mirror or a mirror coating at the free end of the sensor fiber 7. 10 denotes an interference evaluation unit.

Die Lichtquelle 1 ist vorzugsweise ein Laser, welcher linear polarisiertes Licht mit kurzer Kohärenzlänge erzeugt. The light source 1 is preferably a laser which generates linearly polarized light with a short coherence length.

Das linear polarisierte Licht von der Lichtquelle 1 wird über den Faserkoppler 2 und die erste 45°- The linearly polarized light from the light source 1 is transmitted via the fiber coupler 2 and the first 45 °

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Spieissverbindung 3 derart in die polarisationserhaltende Faser 4 eingekoppelt, dass in dieser zwei zueinander orthogonale Moden entsprechend den beiden optischen Achsen dieser Faser mit möglichst gleicher Amplitude angeregt werden. Im Diagramm von Fig. 2a) ist der E-Vektor des von der Lichtquelle stammenden linear polarisierten Lichtes in Richtung der y-Achse aufgetragen und mit Eo bezeichnet, während die E-Vektoren der beiden zueinander orthogonalen und mit der ursprünglichen Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° einschliessenden Moden in der polarisationserhaltenden Faser 4 mit Ei und E2 bezeichnet sind. Splice connection 3 is coupled into the polarization-maintaining fiber 4 in such a way that in this two mutually orthogonal modes corresponding to the two optical axes of this fiber are excited with the same possible amplitude. In the diagram of FIG. 2a), the E vector of the linearly polarized light originating from the light source is plotted in the direction of the y axis and designated Eo, while the E vectors of the two orthogonal to one another and with the original polarization direction form an angle of 45 ° including modes in the polarization-maintaining fiber 4 are denoted by Ei and E2.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Moden in der polarisationserhaltenden Faser unterschiedlich ist, akkumulieren sie beim (ersten) Durchlaufen dieser Faser einen gewissen Gangbzw. Wegunterschied a L. Die Lichtquelle 1 ist nun so ausgewählt, dass die Kohärenzlänge des von ihr erzeugten Lichtes kleiner als dieser Wegunterschied a L und, für Hin- und Rückweg, kleiner als 2* a L ist. Die beiden Moden sind dann nach dem Durchlaufen der polarisationserhaltenden Faser voneinander unabhängig. Since the propagation speed of these modes differs in the polarization-maintaining fiber, they accumulate a certain rate when (passing through) this fiber. Path difference a L. The light source 1 is now selected such that the coherence length of the light generated by it is smaller than this path difference a L and, for the outward and return path, less than 2 * a L. The two modes are then independent of one another after passing through the polarization-maintaining fiber.

Die E-Vektoren Ei und E2 der beiden gegeneinander laufzeitmässig verschobenen Moden lassen sich, wie dies in Fig. 2a) auch dargestellt ist, ihrerseits jeweils in zwei zueinander orthogonale Komponenten zerlegen, welche in Fig. 2a) mit Em und Ei 2 bzw. mit E2 1 und E22 bezeichnet sind. The E vectors Ei and E2 of the two modes that are shifted in terms of their running time can, as is also shown in FIG. 2a), be broken down into two mutually orthogonal components, which in FIG. 2a) with Em and Ei 2 and with E2 1 and E22 are designated.

Durch den x/4-Retarder 6 wird dann aus den Komponenten Em und E12 rechtszirkular polarisiertes und aus den Komponenten E2 1 und E2 2 links-zirkular polarisiertes Licht erzeugt, indem durch den X/4-Retarder 6 beispielsweise die beiden entlang der Y-Achse ausgerichteten Komponenten Em bzw. E2 1 um eine viertel Wellenlänge (x/4) gegenüber ihren jeweils zugehörigen, in Richtung der positiven bzw. negativen X-Achse ausgerichteten Komponenten Ei 2 und E2 2 verzögert werden. The x / 4 retarder 6 then generates right circularly polarized light from the components Em and E12 and left circularly polarized light from the components E2 1 and E2 2, by using the X / 4 retarder 6, for example, the two along the Y- Axis-aligned components Em and E2 1 are delayed by a quarter of a wavelength (x / 4) compared to their associated components Ei 2 and E2 2 aligned in the direction of the positive and negative X-axis.

Das derart erzeugte, rechts- bzw. linkszirkular polarisierte Licht durchläuft die Sensorfaser 7, wird an deren Ende reflektiert und läuft anschliessend zum A/4-Retarder 6 wieder zurück. Bei der Reflexion wird durch den dabei auftretenden Phasensprung von einer halben Wellenlänge (>72) das rechtszirkular polarsierte Licht in linkszirkular polarisiertes und das linkszirkular polarisierte Licht in rechtszirkular polarisiertes verwandelt. Die zuvor durch den x/4-Retarder 6 um x/4 gegenüber den X-Komponenten Ei 2 und E2 2 verzögerten Y-Komponenten Em und E2 1 laufen diesen jetzt um x/4 vor. Durch erneute Verzögerung der Y-Komponenten beim erneuten Passieren des ?74-Retarders werden die X- und Y-Komponenten jeweils wieder phasengleich. Sie lassen sich dadurch auch wieder zu zwei zueinander orthogonalen, linear polarisierten Moden zusammensetzen. Die beiden zurücklaufenden Moden sind dabei allerdings gegenüber den hinlaufenden Moden Ei und E2 bezüglich ihrer Richtungen gerade vertauscht. Die entsprechenden, vertauschten Verhältnisse sind in Fig. 2b) dargestellt. In Fig. 2b sowie im folgenden sind die zurücklaufenden Wellen bzw. Moden zur Unterscheidung von den hinlaufenden mit einem Apostroph versehen. The light generated in this way, which is polarized to the right or left circularly, passes through the sensor fiber 7, is reflected at the end thereof and then runs back to the A / 4 retarder 6. In the case of reflection, the phase jump of half a wavelength (> 72) that occurs in this process converts the right-hand circularly polarized light into left-hand circularly polarized and the left-hand circularly polarized light into right-hand circularly polarized. The Y components Em and E2 1 which were previously delayed by the x / 4 retarder 6 by x / 4 compared to the X components Ei 2 and E2 2 now lead them by x / 4. By delaying the Y components again when passing the? 74 retarder again, the X and Y components each become in phase again. As a result, they can also be put together to form two mutually orthogonal, linearly polarized modes. The two returning modes are, however, just reversed in their directions with respect to the incoming modes Ei and E2. The corresponding, reversed relationships are shown in Fig. 2b). 2b and in the following, the returning waves or modes are differentiated from the incoming ones with an apostrophe.

Das Vertauschen der Richtungen der beiden reflektierten Moden Ei' und E2' hat zur Folge, dass die zuvor auf der «schnellen» Achse übertragene Mode beim Zurücklaufen auf der «langsamen» Achse dieser Faser übertragen wird und umgekehrt. Der beim Hinlaufen akkumulierte Wegunterschied zwischen den beiden Moden wird dadurch beim Zurücklaufen gerade wieder aufgehoben bzw. rückgängig gemacht. Nach dem erneuten Durchlaufen der polarisationerhaltenden Faser 4 sind die beiden Moden wieder in Phase und können miteinander interferieren. Für Licht, welches wegen nicht-idealer Elemente eine Kopplung von einem Polarisationszustand in den (orthogonalen) anderen erfahren hat, liegen hingegen nicht diese Verhältnisse vor. Solches Licht kann am Ausgang des Interferometers keine unerwünschten Interferenzen produzieren, da sein Wegunterschied (2* a L) grösser als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 1 ist. Exchanging the directions of the two reflected modes Ei 'and E2' has the consequence that the mode previously transmitted on the "fast" axis is transmitted when it runs back on the "slow" axis of this fiber and vice versa. The difference in path accumulated between the two modes when you are running is just canceled or reversed when you run back. After passing through the polarization-maintaining fiber 4 again, the two modes are in phase again and can interfere with one another. For light, however, which has undergone coupling from one polarization state to the (orthogonal) other because of non-ideal elements, these relationships do not exist. Such light cannot produce any undesired interference at the output of the interferometer, since its path difference (2 * a L) is greater than the coherence length of the light source 1.

Auf die vorbeschriebene Weise ist, wie bereits erwähnt, die Reziprozität im Lichtweg sichergestellt. Allein dadurch kann der nichtreziproke, ausserordentlich kleine Faraday-Effekt überhaupt gemessen werden. Der Faraday-Effekt besteht darin, dass das von einem in dem elektrischen Stromleiter 8 fliessenden Strom I verursachte Magnetfeld den Brechungsindex für rechtszirkular polarisiertes Licht in der Sensorfaser 7 genau umgekehrt verändert wie den für linkszirkular polarisiertes Licht und zwar jeweils proportional zur Stromstärke. Ein im Stromleiter 8 fliessender Strom I wird dadurch eine gewisse Phasenverschiebung bewirken, welche dann eine messbare Veränderung des durch die Interferenz zwischen den beiden reflektierten Moden Ei' und E2' erzeugten Interferenzmusters zur Folge hat. Zur Auswertung des Interferenzmusters bzw. seiner Veränderung dient die Interferenz-Auswerteinheit 10. As already mentioned, the reciprocity in the light path is ensured in the manner described above. This alone allows the non-reciprocal, extremely small Faraday effect to be measured at all. The Faraday effect consists in the fact that the magnetic field caused by a current I flowing in the electrical current conductor 8 changes the refractive index for right-hand circularly polarized light in the sensor fiber 7 in exactly the same way as for left-hand circularly polarized light, in each case proportional to the current intensity. A current I flowing in the current conductor 8 will thereby cause a certain phase shift, which will then result in a measurable change in the interference pattern generated by the interference between the two reflected modes Ei 'and E2'. The interference evaluation unit 10 serves to evaluate the interference pattern or its change.

Im folgenden wird nun auf Fig. 3 Bezug genommen. Die Elemente des darin dargestellten faseroptischen Stromsensors sind, soweit sie mit solchen des in Fig. 1 dargestellten Stromsensors übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie jene. Zusätzlich ist ein Phasenmodulator 11, ein Polarisator 12 sowie ein Detektor 13 dargestellt. Die Interferenz zwischen den beiden reflektierten Moden findet im Polarisator 12 statt. Die Anforderungen an den Faserkoppler 2 sind deshalb gering (nur Intensitätsübertragung). Der Detektor 13 wertet die durch den Faraday-Effekt bei sich änderndem Strom I verursachten Intensitätsänderungen des erzeugten Interferenzmusters aus. Der Phasenmodulator 11, welcher die Zeitverzögerungen moduliert, dient zur Optimierung des Arbeitspunktes (nicht-reziproke Verschiebung des Arbeitspunktes von einem Maximum der Detektor-Ausgangsstromkurve in deren steile Flanke(n). Um den optimalen Faraday-Effekt zu erhalten, muss die Modulationsfrequenz gleich 1/T sein, wobei T die Zeit ist, die das Licht der Lichtquelle 1 für einen vollständigen Durchlauf durch das Interferometer benötigt. In the following, reference is now made to FIG. 3. The elements of the fiber-optic current sensor shown therein are provided with the same reference numerals as those that correspond to those of the current sensor shown in FIG. 1. In addition, a phase modulator 11, a polarizer 12 and a detector 13 are shown. The interference between the two reflected modes takes place in the polarizer 12. The requirements on the fiber coupler 2 are therefore low (only intensity transmission). The detector 13 evaluates the changes in intensity of the generated interference pattern caused by the Faraday effect when the current I changes. The phase modulator 11, which modulates the time delays, serves to optimize the operating point (non-reciprocal shift of the working point from a maximum of the detector output current curve in its steep edge (s). In order to obtain the optimal Faraday effect, the modulation frequency must be 1 / T, where T is the time that the light from the light source 1 takes for a complete passage through the interferometer.

Der AM-Retarder 6, der Polarisator 12 sowie der Phasenmodulator 11 sind vorzugsweise sog. «all-fi-ber»-Elemente. Die polarisationserhaltende Faser 4 ist eine sog. «hi-bi »-Faser, d.h. eine Faser mit hoher intrinsischer Doppelbrechung. Der x74-Retarder The AM retarder 6, the polarizer 12 and the phase modulator 11 are preferably so-called “all-fi-ber” elements. The polarization-maintaining fiber 4 is a so-called "hi-bi" fiber, i.e. a fiber with high intrinsic birefringence. The x74 retarder

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6 wird dabei durch eine zwischen zwei steifen Platten eingeklemmte Faserschlaufe gebildet und der Phasenmodulator 11 durch etwa 10 um einen pie-zo-keramischen Zylinder (Durchmesser ca. 32 mm) gewickelte Windungen einer polarisationserhaltenden Faser. Weitere Einzelheiten zu diesen sowie auch den übrigen Elementen können den eingangs erwähnten Literaturstellen (S. Ezekiel et al. bzw. G. Frosio et al.) entnommen werden. 6 is formed by a fiber loop clamped between two rigid plates and the phase modulator 11 by about 10 turns of a polarization-maintaining fiber wound around a piezoceramic cylinder (diameter approx. 32 mm). Further details on these and the other elements can be found in the references mentioned at the beginning (S. Ezekiel et al. Or G. Frosio et al.).

Claims

1. Fiber-optic current sensor for measuring the current (I) flowing in an electrical current conductor (8), comprising a) a linearly polarized light-generating light source (1);

b) a polarization-maintaining fiber (4) having two optical axes,

c) a fiber coupler (2),

d) an x / 4 retarder (6),

e) a sensor fiber (7) guided in several turns around the current conductor,

f) which is mirrored at its one free end, and g) an interference evaluation unit (10, 13),

h) the light from the light source (1) via the fiber coupler (2) is coupled into the polarization-maintaining fiber (4) in such a way that both polarization directions are excited to the same extent, and i) the AM retarder (6) in the light path is arranged between the polarization-maintaining fiber (4) and the sensor fiber (7), characterized in that j) the light generated by the light source (1) has a coherence length which at the end of the polarization-maintaining fiber (4) is smaller than the optical path difference between the two optical axes.

2. Current sensor according to claim 1, characterized in that the light generated by the light source (1) has a coherence length which is smaller than the double optical path difference between the two optical axes for the return path in the polarization-maintaining fiber (4).

3. Current sensor according to claim 1 or 2, characterized in that a non-reciprocal phase modulator (11) is arranged in the light path between the fiber coupler (2) and the sensor fiber (7) to optimize the operating point.

4. Current sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the fiber coupler (2) is polarization-maintaining.

5. Current sensor according to claim 4, characterized in that a polarizer (12) is arranged in the light path between the fiber coupler (2) and the polarization-maintaining fiber (4) and that the interference evaluation unit comprises a detector (13) sensitive to light intensity.

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