CN101600968B - 光学电压传感器 - Google Patents
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Abstract
一种电压传感器，包括两根光学传感光纤(10a，10b)和控制单元(1)。该传感光纤(10a，10b)传送第一模式和第二模式的光，其被正交地极化，在该两个模式之间的双折射率取决于待测电压。控制单元适配于产生对于传感元件中的两种模式的光并且用于测量在该两种模式之间所遭受的相位延迟。在控制单元(1)和传感光纤(10a，10b)之间布置了45°法拉第旋转器(9)。该法拉第旋转器(9)允许将传感光纤及其相关部件的行为转换成具有偏振-旋转的反射的磁光电流传感器的行为，该电流传感器反过来允许使用为光学陀螺仪和电流传感器而开发的高级测量技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学电压传感器，该传感器具有至少一个延长型光学传感元件(诸如光纤)，以及控制单元。该传感元件能够传送至少第一模式和第二模式的光，此两种模式的光被正交偏振。该传感元件以这样一种方式被设计，两种模式之间的双折射率取决于待测电压。控制单元适配于为产生对于传感元件中的两种模式的光，并且测量两模式之间的相位延迟。
背景技术
已知使用光学方法测量电压。
一些已知的光学电压测量技术(诸如EP316619、EP316635以及参考文献2、3中所述)依赖于压电效应。这些设备中，压电材料中场引起的机械变化导致机械地耦合到压电材料的光学传感元件(诸如光纤)中的应力。该应力进一步导致该传感元件中的电压引起的双折射率变化，该变化能被光学地检测。
其他已知的光学电压测量技术(诸如EP682261中所述)依赖于电光效应，其中电场直接改变材料的折射率或双折射率，例如通过线性Pockels效应。
这两种情况中，两种正交偏振光波之间的相延迟(或其改变)的测量允许去测量电场强度，或者，更确切地说，允许去测量沿着光的路径的电场强度的积分。
还已知的是，通过类似技术测量电流，参见例如EP1154278及参考文献6、7，其中通过适当的控制单元测量由磁场引起的光纤中的左和右圆偏振光波之间的相位偏移。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种上述类型的电压传感器，特别用于测量大约10kV或更高的高压，该传感器允许方便的、准确的和标准化的测量。
该问题是通过权利要求1中的光学电压传感器解决的。
本发明是基于这样的认识，在控制单元和传感元件之间加入法拉第旋转器，允许将电光测量元件及其相关部件的行为转换成传统的磁光电流传感器的行为，其反过来允许使用高级的控制单元和为光学电流传感器而开发的测量技术。
特别地，磁光传感器(诸如EP1154278和参考文献6和7之一的磁光传感器)利用产生具有正交偏振的第一线性偏振光波对并将该光波对发送到传感设备的控制单元，所述传感设备将光波作为第二线性偏振光波对返回，该第二线性偏振光波对也正交但具有交换的偏振方向，并且该第二对光波之间的相移是待测电流的函数。类似地，本发明的控制单元能产生第一线性偏振光波对并将其发送到传感设备，所述传感设备(在法拉第旋转器的帮助下)将光波作为第二线性偏振光波对返回，其中两个光波正交偏振并且该第二对光波之间的相移是待测电压或电场的函数。
有利地，电压传感器包括串联布置的至少第一和第二传感元件。该传感元件以这样一种方式彼此耦合，在第一传感元件中的第一传播模式下行进的光耦合到第二传感元件的第二模式中，且反之亦然。正如下面的更详细的描述，这种设计允许对一系列非预期效应做补偿并把波的双程不平衡性减小到接近零，从而即使是在使用低相干光源时也允许基于干涉的测量。
低相干光源(即相干长度在亚毫米范围内(优选地＜0.1mm)的光源)是有利的，因为由偏振交叉耦合产生的光波(例如在光纤接头处)非相干干涉并且因此不降低传感器的性能。
电压传感器有利地是基于压电效应或电光效应的(参见EP316635、EP316619、以及参考文献2和3)。压电传感器包括压电元件，其具有机械地安装在其上的传感元件，以使电压的改变产生应力引起的双折射率的改变。电光传感器的(多个)传感元件能够用电光材料(诸如显示出足够强的Pockels效应的材料)制成，在存在电场的情况下，该材料的双折射率线性变化。
这里使用的术语“传感元件”能够代表有利地具有可与光场的侧向延伸相比拟的截面的波导，特别是光纤。优选地，该波导是保偏的(polarization maintaining)并支持单个空间模式。该模式能够用两个正交方向的偏振激励。术语“传感元件”还能够代表具有大于光学光场的侧向延伸的截面的元件，在该情况下，准直(collimated)光束基本自由地传播，即未经导引地穿过该元件。
如果传感元件作为波导使用，这里使用的术语“模式”代表波导模式。如果传感元件没有被用作波导，那么该模式就代表线性偏振光束，该光束基本上未经导引地穿过传感元件传播而不改变其偏振状态。
附图说明
本发明进一步的实施例、优点和应用披露在所附的权利要求和下面的详细描述中，其参照附图：
图1示出压电传感器的第一实施例，
图2示出压电传感器的第二实施例，
图3示出压电传感器的第三实施例，
图4示出压电传感器的第四实施例，
图5示出压电元件的第一布置，
图6示出沿着图5的线VI-VI的截面图，
图7示出压电元件的第二布置，
图8示出沿着图7的线VIII-VIII的截面图，
图9示出电光传感器的第一实施例，
图10示出电光传感器的第二实施列，和
图11示出旋转器的可替换实施。
具体实施方式
下面描述本发明的一些有利的实施例。
压电电压传感器：
图1示出具有控制单元1和两个传感元件2的光纤电压传感器，该传感元件2使用压电引起的双折射率改变(birefringence change)。
控制单元1包括光源3、用于非互易(non-reciprocal)相位调制的相位调制器4、光探测器5、信号处理器6、和保偏光纤耦合器7。控制单元1和传感元件2形成偏振-旋转的反射干涉计并使用如由光纤陀螺仪已知的解调技术(interrogation technique)，具体细节参见参考文献[5，4]。
两个正交的线性偏振光波(用实和虚箭头指示)从控制单元1离开，穿过保偏(pm)馈送光纤8(例如椭圆芯光纤)，以每通过一次(per pass)产生45°的旋转角(或者，等价地，45°+k·90°的旋转角，k为任意整数)到达法拉第旋转器9。换句话说，每次光波通过法拉第旋转器9时，每个光波都被旋转45°。旋转是非互易的，即如果该光束从左传播到右，那么正如从迎着光束来看的观察者看到的那样旋转是例如顺时针的，但如果该光束从右传播到左，那么旋转就是逆时针的。因此总旋转是90°(或者90°+k·180°，k为任意整数)。从法拉第旋转器9离开的光波耦合到第一pm传感光纤10a。该传感光纤的快轴和慢轴相对于旋转器9左侧的pm馈送光纤8的轴取向为45°。结果，在旋转之后的偏振方向再一次与双折射光纤轴重合。第二相同pm传感光纤10b在接头12处被拼接，其轴相对于第一传感光纤10a旋转90°。平行于第一光纤10a中的慢轴被偏振的波接着沿着第二光纤10b的快轴被偏振，且反之亦然。波在第二光纤10b的末端处被镜15反射并且然后顺它们的路径返回。非互易法拉第旋转器9引入另一个45°的旋转，其添加到第一旋转。因此，在前向和后向路径上的该总旋转是90°，即正如EP1154278的电流传感器中那样，光波再次返回到控制单元1，且具有交换的偏振。这是有利的，因为它保持波的总双程不平衡性为零或接近零并因此在低相干光源3的相干长度内。进一步地，由温度和振动引起的、调制器4和法拉第旋转器9之间的光纤中的光学相位改变很大程度上彼此抵消。注意：在穿过双折射光纤8、10a、10b的单程上，正交波累加由于其不同的群速度导致的程差。一般，在820nm的波长上，每米光纤的路径不平衡性为0.5到1mm。
在法拉第旋转器9右侧的两个传感光纤10a、10b起到应变传感器的作用并且被用于在交变电场(参见下文)的影响下测量压电石英转换器元件11a、11b的周期性的压电形变。引起的光纤应变导致两个正交波之间的差分相移。
两个转换器元件11a、11b被彼此反平行布置，即如图1所示的那样，它们的极轴x(石英的双重晶体轴)反平行。然后，如果电场方向E相同(如所指出的)，那么传感光纤中的相移就是同号的。
使用第一和第二传感光纤10a、10b，以及彼此相反布置的转换器元件11a、11b的优点如下：
-第二pm传感光纤10b平衡在第一传感光纤10a中引入的两个正交波之间的光路的不平衡性。再次，有必要保持总路径的不平衡性在低相干光源的相干长度内。
-如果两根光纤的温度大致相同，那么第二传感光纤10b还补偿第一光纤10a中的热相移。大的热相移的补偿是有必要的，因为否则可能需要更加复杂的信号处理。理想地，总的相位改变应当保持在±π区间内。
-第二光纤10b允许使电压传感器的灵敏度加倍，并且允许消除振动引起的效应(参见下文)。
保偏光纤是椭圆芯光纤(被称作熊猫光纤或蝴蝶结光纤)、具有内椭圆包层的光纤、微结构光纤或其它类型的pm光纤[8，9]。
应当注意的是，使用这里描述的探测技术，两根pm传感光纤10a、10b相对于交变应变的有效灵敏度作为时间延迟的函数而变化，该时间延迟是在施加应变的转换器元件11a、11b的位置处的前向和后向传播的波之间的时间延迟，并因此作为光纤长度的函数。如果相较于交变应变的周期可以忽略时间延迟，那么应变引起的相移就达到其最大值，并且如果该延迟相应于应变的周期的一半，那么该应变引起的相移就变为零。进一步地，如果该延迟是不可忽略的，那么两根传感光纤10a、10b的有效灵敏度将会不同。但是，对于下面考虑的情况——50或60Hz的应变周期以及达到几米的光纤长度——该时间延迟就是可忽略的并且该延迟效应能够被忽视。
图2示出图1中的装置的修改。Pm光纤耦合器13和两个pm传感光纤10a、10b形成环路镜。在法拉第旋转器9处的该耦合器末端象图1中的第一传感光纤10a部分那样取向。该环路包括两个90°接头12，14。这些接头将该环路分成具有相同长度的两半。不需要额外的反射器。具有所示取向的两个正交偏振对在环路中反向传播。这两个环路半(loop halves)的功能与图1中的两根传感光纤10a、10b相同。如果晶体x-方向和场方向E如图2所示，那么光纤10a、10b的相移就相加。这种配置的潜在优点是对于转换器元件11a、11b的对称布置而言，有效的灵敏度总是相同的，而不受时间延迟的影响(但是该灵敏度随着延迟的增加而再次减小)。
图1和2中的相位调制器4是集成光路锂离子调制器，参见例如参考文献[4]。该调制器也起到偏振器的作用。另一种选择是如参考文献[5]中描述的压电调制器。
图3示出与图1相同的配置但具有不同类型的集成光路相位调制器4。该调制器是直接调制正交光波的相位的双折射调制器。然后，就不再需要图2的pm耦合器7了。来自光源3的去偏振光(未示出去偏振器)在光纤偏振器21中被偏振，并随后在接头23处被耦合到调制器的入口pm光纤引线22中。偏振方向与pm光纤引线的轴呈45°(45°接头)。结果，激励了两个等幅值的正交波。调制器4的两根pm光纤引线22，8的快轴和慢轴与调制器的电光轴平行。
可替换地，可以将参考文献6中描述的压电调制器用作双折射调制器。
图4示出本发明的基于使用两个法拉第旋转器8的Sagnac类型的干涉计的实施方式。在调制器4和旋转器8之间有两个具有平行偏振的反向传播的波，并且在具有转换器元件11a、11b的第一和第二pm传感光纤10a、10b中具有正交偏振。旋转器8的光纤芯的取向如上所述。两根传感光纤都以相同方向旋转，即相对于在调制器4和旋转器8之间前向行进的波的偏振平面都顺时针或都逆时针。如果晶体x-方向和场方向E是如图4所示的那样，那么光纤10a、10b中的相移就相加。
图5和6示出根据本发明的、用于电场的线集成的、图1-4类型的压-光电压传感器的布置。仅示出了传感器的场传感部分，即两个pm传感光纤10a、10b和转换器元件11a、11b。根据参考文献2，转换器元件11a、11b优选地是相同的石英梁(beam)(或者小片(platelet))。在本实施例中，两个转换器元件被分配给每个传感光纤10a、10b。它们可以被布置在地和高电压电势之间(等距的)，它们之间具有不可忽略的间距，或者它们能够形成如图5所示的基本上连续的石英桥。在后面一种情况中，该梁可以具有例如200mm的长度和例如2×2mm2的截面。高电压变电站的例如245kV的测量可能需要10-12个这种石英。该梁的纵轴和光纤的方向与晶体x-方向(双重晶体轴)一致。石英由于其优越的材料属性，是用于压电转换器的优选材料。其他合适的材料在参考文献1，2中给出。
两根感应光纤10a、10b优选地在地和高电压(法拉第旋转器和镜)之间的距离的一半处以90°-接头12附接到转换器元件11a、11b。然后，由石英的热膨胀引起的两个光纤部分的光学相移是相同的并且彼此抵消。
给定传感光纤的石英的x-方向(或者极性(polar)方向)指向相同的方向。沿着第二传感光纤10b的x-方向与沿着第一感应光纤10a的x-方向反向平行。然后，在增加或减小的场强处的光学相移的符号在所有转换器元件处是相同的，正如场的线集成所需要的：由于反向平行晶体方向，在两根传感光纤处由场引起的压电应变具有相反的符号；两根传感光纤对给定的、由于90°的接头的原因也具有相反符号的应变变化作出反应；结果，结合起来的效应具有相同的符号。总相移是用于场的线集成的测量且因此也是用于电压的测量。该布置的进一步的好处是，由外部共模(common-mode)的机械扰动(诸如振动)引起的光学相移彼此抵消。
优选地，传感光纤10a、10b具有涂层，该涂层在宽温度范围上(一般为-40℃到85℃)把全部的压电应变从石英处传输到传感光纤(例如薄的聚酰亚胺涂层或类金刚石碳(DLC)涂层)。传感光纤优选地以一些外延性的预应变附接到石英上。该预应变要足够大以使石英在低温收缩时仍能保持足够的应变。传感光纤可以被安装到石英表面或者用适当的粘合材料被安装到该表面中的槽16。可替换地，光纤可以被附接到沿着x的通孔中。
石英序列(series)可以被附接到共同的支撑结构17，诸如光纤强化的环氧树脂带。该带可以被安装到管子、线缆或者另一外壳(enclosure)中(在图5，6中未示出)以起到机械保护的作用。
图7和8示出另一布置，其中传感元件2或传感光纤10a、10b被并排布置并且在相邻的末端18a、18b处以0接头12光学地耦合。该装置包括两个平行的具有轴向x的压电转换器元件11a、11b序列，以及所指出的光纤布置。相邻的转换器元件11a和11b被安装到如图8所示的共同的支撑结构17。这种布置的优点如下：(i)相比图5，灵敏度(每电压改变下的光学相移)被加倍。(ii)由于两个石英序列彼此靠的很近，振动引起的相位改变被更彻底地消除。短波长振动仍然是共模的。
进一步可替换的(未示出)：
-替代两个传感光纤，传感器可以包含三根或更多90°拼接的传感光纤，并且该传感光纤具有使正交光波的总路径不平衡性还是零的长度。光纤可以是相同类型的或不同类型的。
-传感光纤可以被附接到转换器元件序列(或者几个转换器元件序列)，以使光纤多次穿过每个序列，因此提高传感器的灵敏度。
-石英梁或者小片可以被具有附接到柱状物的圆周表面的传感光纤的石英柱替代(参见参考2)。
-仅一个传感光纤可以附接到转换器元件(石英)上，而第二部分仅用于补偿路径的不平衡性。
电光电压传感器：
图9示出根据本发明的电光电压传感器。图1的第一和第二传感光纤10a、10b和压电转换器元件11a、11b被电光晶体19替代。在45°法拉第旋转器9和晶体19之间的准直仪20产生发射到晶体19的准直束。该束两次穿过晶体19并且然后耦合回馈送光纤8中。由于45°-旋转器9，光波再一次以交换的偏振返回。
优选地，晶体19适于电场的线集成。合适的晶体种类和晶体取向被列在参考文献10的表1和2中。晶体8的电光轴相对于馈送光纤8的双折射轴45°对齐。然后，晶体8中的正交线偏振光波的偏振方向平行于电光轴。在它们穿过晶体19的双程上，波累加与施加的电压成比例的电光相移。双程相移是单程相移的两倍。有利地，晶体属于参考文献10中的表1的类之一。这些晶体没有任何的固有双折射率。优选的材料是Bi4(GeO4)3(BGO)。
在双折射晶体的情况中(表2)，有利的是使用两个如图10所示的相同晶体19a、19b的序列。两个晶体19a、19b的双折射的轴(也是电光轴)具有90°-偏移且纵向轴(对于表2的材料的双重轴)是反向平行的。然后，来自固有双折射的相移彼此抵消而电光相移相加。
可以使用电光晶体光纤代替体(bulk)电光晶体。在晶体单模光纤的情况下，准直器可以被忽略。
电光晶体也可以是根据图2的环路镜配置或者根据图5的Sagnac配置的一部分。
代替如前面的实施例中所示的使用45°-法拉第旋转器，返回的光波的偏振方向可以通过图11所示的两个偏振-不灵敏的光学循环器(circulator)[11]旋转。光纤a和b也是保偏的。各种光纤段的长度是使得两个正交的波的总程差再一次为零。光纤b(或者光纤a)可以包括所示的90°-接头以旋转偏振。可替换地，光纤可以被附接到具有轴取向的循环器以使返回的波的偏振方向如期望的那样被交换。
使用循环器代替简单的法拉第旋转器并没有提供优点，在这里提到它仅仅是出于完整性的原因。注意任何循环器都包括至少一个法拉第旋转器。
参考文献
1.EP 316635，EP 316619
2.K.Bohnert and J.Nehring，Fiber-optic sensing ofvoltages by line integration of the electric field，Opt.Lett.14，290(1989).
3.K.Bohnert，G.de Wit，and J.Nehring，Coherence-tuned Interrogation of a remote elliptical-core，dual-mode fiber strain sensor″，K.Bohnert，G.deWit，and J.Nehring，J.of Lightwave Technology 13，94(1995).
4.″The fiber-optic gyroscope″，Herve Lefevre，ArtechHouse，Boston，London，1993.
5.EP 1154278
6.K.Bohnert，P.Gabus，J.Nehring，and H.
，″Temperature and vibration insensitive fiber-opticcurrent sensor″，J.Lightw.Technol.，vol.20，no.
2，pp.267-276，2002.
7.K.Bohnert，P.Gabus，H.
，Peter Guggenbach，Fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry″，in 17thInt.Conference on OpticalFibre Sensors，Bruges，Belgium，May 23-27，2005，ed-ited byM.Voet，R.Willsch，W.Ecke，J.Jones，B.Culshaw，Proc.of SPIE Vol.5855(SPIE，Bellingham，WA，2005)210-213.
8.J.Noda，K.Okamoto，and Y.Sasaki，″Polarization-maintaining fibers and their applications″，J.Lightw.Technol.4，1071-1089，1986.
9.A.Orthigosa-Blanch et al.，Highly birefringentphotonic crystal fibers，Optics Letters 25，1325，2000.
10.EP 682261
11.Y.Fuj ii，High-isolation polarization-independentquasi-optical circulator，J.of Lightwave technology10，1226(1992).
参考标记列表
1：控制单元
2：传感元件
3：光源
4：相位调制器
5：光探测器
6：信号处理器
7：pm光纤耦合器
8：馈送光纤
9：法拉第旋转器
10a，10b：传感光纤
11a，11b：压电转换器元件
12：90°接头
13：pm光纤耦合器
14：90°接头
15：镜
16：槽
17：支撑
18：传感光纤末端
19，19a，19b：电光晶体
20：准直器
21：光纤偏振器
22：pm光纤引线
23：接头
Claims (15)
1.一种光学电压传感器，包括
至少一个延长型光学传感元件，该至少一个延长型光学传感元件能够传送至少第一模式和第二模式的光，其中所述模式具有正交的线性偏振，其中所述模式之间的双折射率取决于待测电压，
控制单元(1)，用于产生对于所述传感元件中的所述两种模式的光，以及用于测量由于所述双折射率导致的所述两种模式所遭受的相位延迟，
和至少一个法拉第旋转器(9)，其被布置在所述控制单元(1)和所述传感元件之间，特征在于线性偏振光传播通过法拉第旋转器(9)，并且该法拉第旋转器(9)对于每通过一次将线性偏振的第一和第二模式的光旋转45°。
2.根据权利要求1所述的电压传感器，其中控制单元(1)包括光源(3)、用于非互易相位调制的相位调制器(4)、光探测器(5)、信号处理器(6)、以及其中该至少一个法拉第旋转器(9)被布置在所述相位调制器(4)和所述传感元件之间。
3.根据权利要求2所述的电压传感器，其中所述相位调制器(4)是双折射率调制器，该调制器直接调制正交光波的相位。
4.根据前述任一权利要求所述的电压传感器，其中所述至少一个延长型光学传感元件包括至少第一和第二延长型光学传感元件，其中所述第一和第二延长型光学传感元件以串联布置并且被耦合以使在所述第一延长型光学传感元件中的所述第一模式下行进的光被耦合到所述第二延长型光学传感元件中的所述第二模式中，且反之亦然。
5.根据权利要求4所述的电压传感器，其中所述第一延长型光学传感元件和所述第二延长型光学传感元件被并排布置且被安装到共同的支撑结构(17)。
6.根据前述权利要求1-3任一权利要求所述的电压传感器，进一步包括至少一个压电转换器元件，其中所述延长型光学传感元件被安装到所述压电转换器元件以使所述电压的改变产生应变引起的所述双折射率的改变。
7.根据权利要求4所述电压传感器，包括至少两个压电转换器元件，其中所述第一延长型光学传感元件被安装到所述压电转换器元件的至少第一个，并且所述第二延长型光学传感元件被安装到所述压电转换器元件的至少第二个，其中所述第一和所述第二压电转换器元件被布置成彼此反向平行。
8.根据权利要求6所述的电压传感器，其中所述延长型光学传感元件被布置到所述压电转换器元件的槽(16)中或通孔中。
9.根据权利要求6所述的电压传感器，其中所述压电转换器元件由石英制成。
10.根据权利要求1到3中任一所述的电压传感器，其中所述延长型光学传感元件由电光材料制成并且在电场下改变所述双折射率。
11.根据权利要求4所述的电压传感器，其中所述第一和所述第二延长型光学传感元件的纵轴被彼此反向平行布置。
12.根据前述权利要求1-3任一权利要求所述的电压传感器，进一步包括在所述控制单元(1)和所述法拉第旋转器(9)之间的保偏馈送光纤(8)。
13.根据前述权利要求1-3任一权利要求所述的电压传感器，其中所述延长型光学传感元件是光纤。
14.根据权利要求13所述的电压传感器，其中所述延长型光学传感元件是保偏光纤。
15.根据权利要求3所述的电压传感器，其中所述双折射率调制器是集成光路锂离子调制器。
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| US8378661B1 (en) * | 2008-05-29 | 2013-02-19 | Alpha-Omega Power Technologies, Ltd.Co. | Solar simulator |
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| WO2011069558A1 (en) * | 2009-12-11 | 2011-06-16 | Abb Research Ltd | Fiber-optic current sensing using a sensor with exchangeable sub-modules |
| WO2011154029A1 (en) * | 2010-06-07 | 2011-12-15 | Abb Research Ltd | High-voltage sensor with axially overlapping electrodes |
| CN102221362B (zh) * | 2011-04-12 | 2012-11-14 | 浙江大学 | 一种光纤陀螺输出延迟时间的测量装置及其方法 |
| US8791831B2 (en) | 2011-09-23 | 2014-07-29 | Eaton Corporation | System including an indicator responsive to an electret for a power bus |
| US9093867B2 (en) | 2011-09-23 | 2015-07-28 | Eaton Corporation | Power system including an electret for a power bus |
| US20130188175A1 (en) * | 2012-01-20 | 2013-07-25 | Chiral Photonics, Inc. | Configurable Chiral Fiber Tip-Positioned Sensor |
| CN102608770A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 复旦大学 | 一种白光干涉方法及其实现系统 |
| CN102788897A (zh) * | 2012-07-19 | 2012-11-21 | 北京航空航天大学 | 一种采用反射式准互易光路的光纤电功率传感器 |
| US9465052B2 (en) | 2013-06-10 | 2016-10-11 | General Electric Company | Systems and methods for monitoring fiber optic current sensing systems |
| CN106030318B (zh) | 2013-12-20 | 2020-11-17 | Abb电网瑞士股份公司 | 光纤传感器和方法 |
| WO2015090448A1 (en) | 2013-12-20 | 2015-06-25 | Abb Technology Ag | Optical sensor |
| ES2662124T3 (es) | 2014-02-21 | 2018-04-05 | Abb Schweiz Ag | Sensor interferométrico |
| DE112015000882T5 (de) | 2014-02-21 | 2016-11-17 | Abb Schweiz Ag | Interferometrischer Sensor |
| DE112015000886T5 (de) * | 2014-02-21 | 2016-11-10 | Abb Schweiz Ag | Interferometrischer Sensor mit differenzmodulierter Phasendetektion |
| US9377489B2 (en) | 2014-04-15 | 2016-06-28 | General Electric Company | Systems and methods for monitoring fiber optic current sensing systems |
| ES2767503T3 (es) | 2015-03-19 | 2020-06-17 | Abb Schweiz Ag | Conjunto de compartimento estanco al gas y sensor de voltaje óptico |
| EP3290931B1 (en) | 2016-09-02 | 2019-05-15 | ABB Schweiz AG | Interferometric voltage sensor with error compensation |
| ES2728575T3 (es) | 2016-09-02 | 2019-10-25 | Abb Schweiz Ag | Sensor interferométrico de bucle cerrado que utiliza una ganancia de bucle para determinar el contraste de interferencia |
| WO2019120588A1 (en) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Abb Schweiz Ag | Polarization optical detection with enhanced accuracy in the high-signal regime |
| CN112670811B (zh) * | 2020-12-23 | 2023-10-17 | 中国地质大学（武汉） | 一种基于光纤环谐振腔的双光频梳产生系统及方法 |
| CN114777899B (zh) * | 2022-03-29 | 2024-04-26 | 孙安 | 一种基于分布式传感器的监测系统及方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4564289A (en) * | 1984-07-31 | 1986-01-14 | Geo-Centers, Inc. | Single mode optical fiber polarimetric stress sensor having optical common mode rejection |
| EP0316635A1 (de) * | 1987-11-13 | 1989-05-24 | ABB Management AG | Faseroptischer Spannungssensor |
| CN2365747Y (zh) * | 1998-08-27 | 2000-02-23 | 湖南电力电瓷电器厂 | 220千伏组合式光学电力互感器 |
| US6122415A (en) * | 1998-09-30 | 2000-09-19 | Blake; James N. | In-line electro-optic voltage sensor |
| EP1154278B1 (de) * | 2000-05-05 | 2004-10-20 | Abb Research Ltd. | Faseroptischer Stromsensor |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5155273A (en) * | 1974-11-09 | 1976-05-14 | Eto Goro | Hikarihenseigatakendenki |
| DE2845625A1 (de) * | 1978-10-19 | 1980-04-30 | Siemens Ag | Anordnung zur elektrooptischen spannungsmessung |
| DE3886699D1 (de) | 1987-11-05 | 1994-02-10 | Asea Brown Boveri | Faseroptischer Sensor. |
| DE4416298A1 (de) | 1994-05-09 | 1995-11-16 | Abb Research Ltd | Verfahren und Vorrichtung zur optischen Ermittlung einer physikalischen Größe |
| TWI255933B (en) * | 2004-02-06 | 2006-06-01 | Ind Tech Res Inst | Optical polarization beam combiner |
-
2006
- 2006-12-22 CA CA002672399A patent/CA2672399A1/en not_active Abandoned
- 2006-12-22 EP EP06817784.9A patent/EP2095135B1/en not_active Not-in-force
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-
2009
- 2009-06-22 US US12/488,746 patent/US7911196B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4564289A (en) * | 1984-07-31 | 1986-01-14 | Geo-Centers, Inc. | Single mode optical fiber polarimetric stress sensor having optical common mode rejection |
| EP0316635A1 (de) * | 1987-11-13 | 1989-05-24 | ABB Management AG | Faseroptischer Spannungssensor |
| CN2365747Y (zh) * | 1998-08-27 | 2000-02-23 | 湖南电力电瓷电器厂 | 220千伏组合式光学电力互感器 |
| US6122415A (en) * | 1998-09-30 | 2000-09-19 | Blake; James N. | In-line electro-optic voltage sensor |
| EP1154278B1 (de) * | 2000-05-05 | 2004-10-20 | Abb Research Ltd. | Faseroptischer Stromsensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2095135B1 (en) | 2015-11-04 |
| EP2095135A1 (en) | 2009-09-02 |
| CN101600968A (zh) | 2009-12-09 |
| CA2672399A1 (en) | 2008-07-03 |
| US20090289617A1 (en) | 2009-11-26 |
| WO2008077255A1 (en) | 2008-07-03 |
| US7911196B2 (en) | 2011-03-22 |
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| US7102757B2 (en) | Current measurement method and device based on a fiber optic in-line Sagnac interferometer | |
| Bohnert | Optical Fiber Current and Voltage Sensors | |
| Kim | Fiber-Optic Device Research at Stanford University | |
| Thawale | Study Of All Fiber Optic Current Transducer In Optical Transmission System And Evaluation Of Performance On Optisystem | |
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