CN101952686A - 用于萨克尼亚光纤电流传感器的传感线圈和传感单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于萨克尼亚干涉仪电流传感器的传感线圈，传感线圈(14)由被安排成在使用中传送单椭圆偏振态的光纤(例如扭转偏振高双折射光纤)组成，并且传感线圈包含至少两个互连的环(15和16，或26和27，或28和29)。多个环中至少一个环用于环绕电流导体(11、12或25)，并且多个环互连，使得在第一环中沿第一方向(23或30)传播的光在其它环沿相反的第二方向(24或31)传播，或者，若其它环多于一个，则在第一环中沿第一方向传播的光在彼此的环中沿第二方向传播，因而传感线圈提供了最小的转动灵敏度。本发明还公开了包含这种传感线圈的传感单元(图5)和包含有这种传感单元的电流传感器(图1)。

Description

用于萨克尼亚光纤电流传感器的传感线圈和传感单元

技术领域

本发明涉及一种供萨尼亚克(Sagnac)干涉仪光纤电流传感器使用的传感线圈，尤其涉及一种包含这种传感线圈的电流传感器，涉及一种包含该传感线圈的传感单元和涉及一种包含该传感单元的电流传感器。

背景技术

各种类型的Sagnac干涉仪光纤电流传感器是众所周知的。授予作为Ian G.Clarke的受让人的悉尼大学的美国专利5677622公开了一种电流传感器，它包括一个扭转单模双折射(“高双折射”)光纤的单传感线圈，并设置在电流导体周围，尤其设置在大电流承载母线周围。反向传播光束通过3×3耦合器进入传感线圈，并把电流强度测量检测为反向传播光束偏振模之间的相移。

采用已知的Sagnac干涉仪进行的电流测量受到传感线圈垂直于线圈平面的转动的不利影响，并且发明人已经证实：相对于磁场变化及由此带来的电流强度变化产生的相移，较小的转动(例如由50HZ或60HZ的机械振动产生)能够产生偏振模的大相移。

本发明主要是设法提供一种使转动影响无效，或者至少部分无效的传感线圈绕组，也就是提供一种转动敏感性最小的传感线圈。

发明内容

概括地说，本发明提供了一种用于萨克尼亚干涉仪电流传感器的传感线圈，该传感线圈由用于单椭圆偏振态传输的光纤组成，该传感线圈包含至少两个互连的环。环中的第一个环用来包围电流导体，并且这些环互连，使得在第一个环中沿第一方向传播的光会在其它环中沿与第一方向相反的第二方向传播，或者若其它环多于一个，则第一个环中沿第一方向传播的光会在至少一个其它环中沿第二方向传播。

本发明还提供一种萨克尼亚干涉仪电流传感器，包括：上述的传感线圈；光源；连接光源与传感线圈的耦合器，用于将反向传播光束传输到传感线圈；以及用于检测反向传播光束的偏振模之间相移的检测器。

形成传感线圈的光纤可以任意地包括一种退火的光纤，以便消除环形成过程中产生的弯曲应力，并且设置有尾部滤波器，以便能够在使用中传输单椭圆偏振态。然而，所述光纤优选包括绞合光纤，最好包括扭转双折射光纤，例如扭转蝶形偏振光纤，其具有大得足以克服线性弯曲双折射的椭圆(也就是近似圆形)双折射。

传感线圈可任选地具有如下所述的n＞2个环，但是在一个实施例中传感线圈仅具有n＝2个环。在后种情况下，两个环可选地具有相同的匝数，并且包围相同的面积。然而，传感线圈可以以如下方式绕制：

N₁×A₁＝N₂×A₂

其中，N₁＝第一环的匝数，

      A₁＝第一闭环包围的面积，

      N₂＝第二环的匝数，

      A₂＝第二环包围的面积。

传感线圈的各个环可任选地绕着相隔一定距离的平行轴绕制(也就是沿平行轴延伸)，并且，当传感线圈只有两个环时，以8字形绕组形成两个环。在一个可选安排中，传感线圈的各个环可围着一根公共轴绕制，并且，在传感线圈只具有两个环的情况下，两个环同心绕制(但是沿着相反的方向)，形成一个环形线圈。在后种情况下，一个环安置在另一个环的内圆周内，或者按重叠方式设置两个环。

在两个环围绕分离的平行轴绕制传感线圈的一个实施例中，每个环可任选地包围电流导体的相应支路或者导体部分。

当传感线圈由n＞2个环形成时(即，至少三个环)，第一环用于环绕单电流导体，其它环被绕制成第一环周边上互连的子环。在这种情况下，传感线圈将会以(如上述的)一种方式绕制，使得在第一个环中沿第一方向传播的光在每个子环中沿着相反方向传播。同样，在此情况下，传感线圈将会以一种方式绕制，使得：

N₁×A₁＝∑(N₂×A₂)

其中，N₁＝第一环的匝数，

A₁＝第一环包围的面积，

N₂＝诸多子环的相应子环的匝数，

A₂＝诸多子环的相应子环包围的面积。

(各种)上述实施例的传感线圈可以由其彼此倾斜的环任选地绕制而成(也就是说，这些环按0度或180度之外的角度分隔)，但是，为了获得最佳性能，形成相应线圈的多个环被合理地布置在同一平面。

如上所述的电流传感器可选地包含或包括可在电路中与电流母线连接的传感单元，所述传感单元包括载体，所述载体具有用于串联连接电流母线的两个互连导体部分。如上所述的具有两个环的传感线圈通过每个环并入传感单元，其每个环环绕电流导体的相应一个导体部分。

这样，本发明在它的一个实施例中可以被进一步定义为提供一种用于萨克尼亚干涉仪电流传感器的传感单元，该传感单元在回路中与电流母线连接。该传感单元包括：

a)具有第一和第二导体部分的载体，所述第一和第二导体部分被安排成在使用与电流母线串联连接；

b)由光纤组成的传感线圈，所述光纤被安排成在使用中传送单椭圆偏振态，并且包括分别环绕第一和第二导体部分的互连的第一和第二环，通过互连两个环，使得在第一环内沿着第一方向传播的光在第二环内沿着相反的第二方向传播。

如上所述的传感单元具有被安排和设置的电流导体部分及传感线圈环，使得当传感单元在电路中与载流母线连接时，电流导体的两导体部分能够有效地供给增强的电流灵敏度，同时双环传感线圈供给最小的转动灵敏度。

所述传感单元可被装入电流传感器，这样，本发明可以被进一步定义为提供一种萨克尼亚干涉仪电流传感器，包括：上述的传感单元；光源；连接光源与传感线圈的耦合器，用于将反向传播光束送入传感线圈；以及用于检测反向传播光束的偏振模之间相移的检测器。

在一个实施例中，传感单元的载体可选地包括相互分离的第一和第二导体部件，第一和第二导体部件与母线串联连接并分别与第一和第二导体部分固定连接。并且，第一和第二导体部分被形成为载体圆盘部的突出部分(例如实心柱体形突出部分)，在本发明的该实施例中，传感线圈被承载于导体部件与圆盘部之间。传感单元各部件之间设置有绝缘垫圈，使得通过第一(圆柱形)导体部分、圆盘部和第二(圆柱形)导体部分，在第一和第二导体部件之间形成串联回路。这样，当在有源电路中连接传感单元时，电流将以相反方向有效地流经第一和第二导体部分。

上述(以各种可能形式)定义的电流传感器的光源可选择为一种可宽带或窄带发射的光源，但是优选为一种可宽带发射的光源。本发明一个实施例的光源包含宽带超发光二极管。

通过下面对传感线圈、包含传感线圈一种形式的传感单元和包含该传感线圈的萨克尼亚干涉仪电流传感器的说明性实施例进行有图说明，将会更充分理解本发明。

附图说明

图1是电流传感器的示意图；

图2是供电流传感器使用的传感线圈的一种形式的示意图；

图3是供电流传感器使用的传感线圈的第二种形式的示意图；

图4是供电流传感器使用的传感线圈的第三种形式的示意图；

图5是含有图2所示传感线圈的传感单元的分解透视图。

具体实施例方式

如图1所示，一般来说，电流传感器包括：处理器10，该处理器产生、接收并处理光信号，以便对流经两部分导体11/12的传感电流进行测量，以及传感单元13。传感单元13的一个实施例参照图5进行了详细描述，但一般来说，传感单元13包括传感线圈14，它具有分别包围导体部分11和12的两个互连的环15和16。传感线圈14的两个环15和16基本上位于同一个平面，两导体11、12具有空间分离的平行轴，两导体11、12经由各自的环15、16垂直延伸。

传感线圈14经由双工(芯)单模光纤19、复用网络20和3×3光耦合器21连接处理器10的光源17和光检测器18。在萨克尼亚干涉仪，包括在萨克尼亚光纤电流传感器领域中，这些组件17～20的各种可能的形式是众所周知，因此，在此不再详细描述。

但是，光源17优选地包含一个超发光二极管，以便提供频率为50至200KHZ，脉宽为100至200ns的光脉冲系列的输出。光源17的输出光脉冲系列进入复用网络20，复用网络20将输入脉冲分成三路，用光延迟线按时间分离它们，然后将三个脉冲传输到3×3光耦合器21，每支路一个脉冲。

复用网络20还收集从传感线圈返回并从3×3光耦合器输出的光脉冲。复用网络利用光延迟线再次按时间分离脉冲，并复用这些脉冲，以便经由光纤连接19把单(脉冲)输入信号提供给光检测器18。光检测器18将输入光脉冲转换成电子脉冲，信号处理系统22把每个脉冲的振幅确定为流经导体部分11和12的电流测量。

脉冲振幅与偏振模相移之间的关系通过下面的数学表达式来解释。

如上所述，复用网络20将每一个来自光源17的光脉冲分成时间上分离的三个脉冲，然后顺序地送入3×3光耦合器21的每个支路，这样对于每个输入脉冲，都会从3×3光耦合器的每个支路产生一个光脉冲输出。这样又产生九个输出脉冲(也就是3个输入脉冲×3个支路)，九个输出脉冲被复用到“输出”光纤19。这些输出脉冲用术语I_nm表示，其中，

I表示强度，

n表示光信号进入的耦合器支路，

m表示获得光输出脉冲的耦合器支路。

这样，I₃₂表示由输入到支路3光脉冲产生的从支路2输出的光信号的强度。

一般地，这些信号近似地以下面的形式表示：

I₁₁＝I₂₂＝I₃₃＝A＊cos(sJ)+b

I₁₂＝I₂₃＝I₃₁＝A＊cos(sJ+2π/3)+b

I₂₁＝I₃₂＝I₁₃＝A＊cos(sJ-2π/3)+b

其中，A和b是依据干涉(条纹可见度)、光功率、电增益和偏移的理想情况确定的常量，s是依据rad/amp为单位的电流传感器的敏感度确定的常量，J是流经电流传感器的电流。

如图1、2所示，传感线圈14被绕成8字形的图案，使得以沿着第一方向(例如箭头23所示的逆时针方向)传播方式进入第一个环15的光会沿着相反的第二方向(箭头24所示的顺时针方向)在与其连接的第二个环16中传播。

尽管为了方便描述，线圈14的环15和16被显示为包括单匝光纤，但是依据给定的电流传感器所需的灵敏度级别，每个环可以典型地包含1到100匝光纤，或者包括用于特殊目的的更多匝光纤。环15和16之每个的典型标称直径可以为100mm，但是，依据给定的电流传感器的需求，标称直径可以达到600mm或600mm以上。但是，一般来说，如果以下关系式(1)被充分满足，则两个环的环匝数和环包围面积都可以不同：

N₁×A₁＝N₂×A₂        (1)

其中，N₁＝第一个环15的匝数，

      A₁＝第一个环15包围的面积，

      N₂＝第二个环16的匝数，

      A₂＝第二个环16包围的面积。

如上所述，形成线圈14的光纤可以包含任何为单椭圆偏振态的传输的光纤或者被安排在使用中传送单椭圆偏振态的光纤。但是，典型地可以包含具有含硼蝶形区域以产生应力双折射的扭转偏振光纤。

当电流导体包含传导电流的两部分或两支路11、12(如图所示，对于导体部分11，电流流入图面，对于导体部分12，电流流出图面)时，传感线圈14被绕制的如图1、2所示的8字形图案是特别适用的。但是，这只是很多可能的绕组的一种，在如图3和图4所示的电流经由单导体25传导的情况中，传感线圈14例如可以用两个准同心环26和27绕制，如图3所示。在这种情况下，形成两个(第一和第二)环的匝数及这两个环包围的面积应当满足上述关系式(1)。

作为再一个例子，如图4所示的传感线圈可以包含用来包围单电流导体25的第一环28和其它环，这些其它环被绕制成位于第一环28周边的互连的多个子环29。在这种情况下，传感线圈将会以这样的方式绕制：在第一环中沿第一方向(例如箭头30所示的逆时针方向)传播的光在每个子环29中将沿着相反方向(如箭头31所示的顺时针方向)传播，同样，在这种情况下，线圈将会以满足以下关系式的方式绕制：

N₁×A₁＝∑(N₂×A₂)        (2)

其中，N₁＝第一环28的匝数，

      A₁＝第一环28包围的面积，

N₂＝多个子环29中相应一个的匝数，

A₂＝多个子环29中相应一个包围的面积。

电流传感器可以按不同方式构成，这取决于例如电流导体是包含如图1和图2所示的两个串联部分11和12，还是包含如图3和图4所示的单支路25。如图5所示，电流传感器的一个可能实施例可以包括含有8字形传感线圈(如图1、2所示)的传感单元13。

如图5所示的传感单元13包含传感线圈14的载体(支架)32，载体包括可与载流母线(图中未示出)串联并分离的第一和第二条形导体部件33和34。导体部件33、34通过螺钉35与第一和第二导体部分11、12固定连接，在所示实施例中，第一和第二导体部分被形成为载体32的普通盘形板部38的实心圆柱形突出部36、37。

传感线圈14被承载和定位于导体部件33和34与圆盘38之间，以便其环15、16包围(例如围绕)圆柱形突出部36、37，图5中未显示。导体部件33、34与传感线圈之间设置有绝缘垫圈39，并且在导体部件33、34与压板41、42之间设有另一个绝缘垫圈40。

螺钉43将载体的组件固定在一起，并且通过销钉连接方式，将盖子44(经由盖子实现光纤与传感线圈的连接)可移动地附着(连接)在圆盘部38上。

对于上述传感单元的结构，利用第一(圆柱形)导体部分36、圆盘38和第二(圆柱形)导体部分37，在第一和第二导体部件33、34之间形成串联回路。这样，当传感单元与有源电路中的母线串联时，电流将以相反方向有效地流过第一和第二导体部分36、37及环绕的传感线圈的环15、16。

对于上述的传感线圈、传感单元和电流传感器，可以进行落入所附权利要求范围的诸多变化和修改。

Claims (23)

1.一种用于萨克尼亚干涉仪电流传感器的传感线圈，所述传感线圈由被安排成在使用中传送单椭圆偏振态的光纤组成，并且所述传感线圈包含至少两个互连的环，第一环被安排成在使用中环绕电流导体，并且通过环的互连，使得在第一环中沿第一方向传播的光在其它环中沿着相反的第二方向传播，或者若其它环多于一个，则沿第一方向传播的光在至少一个其它环中沿相反的第二方向传播。

2.如权利要求1所述的传感线圈，其中当传感线圈仅由两个环形成时，绕制各环的匝数和各环包围的面积满足以下关系式：

N₁×A₁＝N₂×A₂

其中，N₁＝第一环的匝数，

      A₁＝第一环包围的面积，

      N₂＝第二环的匝数，

      A₂＝第二环包围的面积。

3.如权利要求2所述的传感线圈，其中，所述第一和第二环具有相同匝数，并且包围相同大小的面积。

4.如权利要求1所述的传感线圈，其中，围着空间分离的平行轴绕制各个环。

5.如权利要求2所述的传感线圈，其中，所述第一和第二环形成8字形绕组，所述8字形绕组用围着空间分离的平行轴绕制的各个环绕成。

6.如上述权利要求任一项所述的传感线圈，其中，所述各个环基本上位于同一平面。

7.如权利要求2所述的传感线圈，其中，所述第一和第二环沿相反方向绕同一轴绕制。

8.如权利要求7所述的传感线圈，其中，所述两个环中的一个环被绕制在另一个环内。

9.如权利要求7所述的传感线圈，其中，所述两个环中的一个环被绕制成覆盖在另一个环上。

10.如权利要求2、3或5所述的传感线圈，其中所述第一和第二互连环都被安排成在使用中环绕电流导体的部分。

11.如权利要求1所述的传感线圈，其中当传感线圈由至少三个环形成时，第一环用于环绕单电流导体，并且把所述互连环绕制为第一环周边的子环，其中第一环和子环被互连，使得在第一环中沿第一方向传播的光将在每个子环内沿相反的第二方向传播。

12.如权利要求11所述的传感线圈，其中，所述第一环和各个子环的匝数和包围的面积满足关系式：

N₁×A₁＝∑(N₂×A₂)

其中，N₁＝第一环的匝数，

      A₁＝第一环包围的面积，

      N₂＝诸多子环的相应子环的匝数，

      A₂＝诸多子环的相应子环包围的面积。

13.如上述权利要求任一项所述的传感线圈，其中所述光纤包含可绞合的双折射光纤。

14.如上述权利要求任一项所述的传感线圈，其中所述光纤包括扭转双折射光纤。

15.如上述权利要求任一项所述的传感线圈，其中所述光纤包含扭转蝶形双折射光纤，该扭转蝶形双折射光纤具有大得足以克服线性弯曲双折射的椭圆双折射。

16.一种萨克尼亚干涉仪电流传感器，包括：上述权利要求任一项所述的传感线圈；光源；连接光源和传感线圈的耦合器，用于把反向传播光束送入传感线圈；以及用于检测反向传播光束的偏振模之间相移的检测器。

17.如权利要求16所述的电流传感器，其中所述传感线圈安装在传感单元内，传感单元被安排成在使用中与电流母线连接。

18.一种用于萨克尼亚干涉仪电流传感器的传感单元，所述传感单元可在电路中中串联连接电流母线，所述传感单元包括：

a)具有第一和第二导体部分的载体，所述第一和第二导体部分被安排成在使用中与电流母线串联连接；

b)由被安排成在使用中传送单椭圆偏振态的光纤组成的传感线圈，包含分别环绕第一和第二导体部分的互连的第一和第二环，通过两个环互连，使得在第一环内沿着第一方向传播的光在第二环内沿着相反的第二方向传播。

19.如权利要求18所述的传感单元，其中，所述载体包括空间隔离的第一和第二导体部件，第一和第二导体部件可与母线串联连接并分别与第一和第二导体部分固定连接。

20.如权利要求19所述的传感单元，其中，所述第一和第二导体部分被形成为载体圆盘部的突出部分，并且传感线圈被承载于导体部件与圆盘部之间。

21.如权利要求20所述的传感单元，其中，传感单元部件之间设置有绝缘垫圈，使得通过第一导体部分、圆盘部和第二导体部分，在第一和第二导体部件之间形成串联电路，并在传感单元使用中，使电流将以相反方向有效地流经第一和第二导体部分。

22.一种萨克尼亚干涉仪电流传感器，包括：

如权利要求18至21任一项所述的传感单元；

光源；

连接光源与传感线圈的耦合器，用于把反向传播光束送入传感线圈，以及

用于检测反向传播光束的偏振模之间相移的检测器。

23.如权利要求16、17或22所述的电流传感器，其中，所述光源包含宽带超发光二极管。

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