CN102033147A - 制造具有法拉第效应的固有温度补偿的光纤电流传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明制造具有法拉第效应的固有温度补偿的光纤电流传感器的方法。为了朝期望的温度依赖性来调谐光纤电流传感器的光纤延迟器(4)，传感纤维(5)暴露于磁场或对应的电流并且测量传感器信号以及该信号对延迟器温度的依赖性。从该初始传感器信号和它的温度依赖性，可以确定对延迟器温度的依赖性等于期望值时的目标传感器信号。然后，延迟器(4)被热处理直至传感器信号达到该目标值。该方法避免需要在该调谐过程中重复测量温度依赖性。

Description

制造具有法拉第效应的固有温度补偿的光纤电流传感器的方法

技术领域

本发明涉及制造光纤电流传感器(FOCS)，其包括暴露于要测量的电流的磁场的传感纤维(sensing fiber)。该类型的传感器典型地在高电压变电站或具有高直流电(dc)的应用中使用。

背景技术

光纤电流传感器(FOCS)通常依赖熔融石英纤维中的法拉第效应。法拉第效应随温度变化。熔融石英纤维的Verdet常数(其是法拉第效应的度量)根据

变化，即在例如-40℃至+80℃的操作温度范围内传感器信号在0.84％内变化。然而，传感器的许多应用要求±0.2％或±0.1％内的准确度，因此要求温度补偿的措施。在EP1107029、EP1115000和参考文献[1]中，描述用于在干涉Sagnac和反射型光纤电流传感器中的法拉第效应的固有温度补偿的方法。固有补偿的方法消除对额外温度传感器的需要，其对于在高电势的电流传感是特别重要的。该方法利用产生正常圆形光波(在传感纤维中传播)的光纤延迟器的温度依赖性。为了进行温度补偿，该延迟设置到与常规90°延迟相差非零量ε的值。延迟随温度的变化影响传感器的标度因子。采用适当选择的延迟，例如ε＝10°，延迟器对传感器灵敏度(规格化标度因子S)的影响正好抵消Verdet常数随温度的变化。

根据现有技术水平延迟器初始采用过长度、即大于目标延迟的延迟来准备。适当的延迟然后通过采用逐步方式细调该延迟而达到。在每个细调步骤后，测量对传感器的温度依赖性的延迟器贡献。该测量牵涉将延迟器转变为温度控制器，从而在某个范围内改变延迟器温度并且监测对于给定电流对传感器信号的所产生的影响。细调继续直到达到适当的补偿。细调通过在纤维接合机(fiber splicer)的电弧或加热器灯丝中加热延迟器完成。该加热改变延迟器的线性双折射从而延迟，例如通过掺杂剂扩散出纤维芯和/或通过改变纤维应力。

发明内容

本发明要解决的问题是要提供当制造FOCS时调谐用于温度补偿的延迟器的更高效的方法。

该问题由权利要求1的方法解决。

因此，该方法适应于制造光纤电流传感器，该传感器包括

-将暴露于要测量的电流I的磁场的传感纤维，其中所述传感纤维具有Verdet常数V；该传感纤维进一步具有在热退火后剩下的导致双折射相位延迟δ[1、2]的弯致双折射或残留线性双折射。该相位延迟δ取决于纤维的类型、纤维环的数量和半径、纤维的制备(例如，退火等)并且它可是零或非零。

-耦合于所述纤维用于在线性和椭圆偏振之间转换光的至少一个光纤延迟器，其中所述延迟器的慢轴处于相对于所述传感纤维的慢轴的角度45°-β；该延迟器导致依赖于温度的差分延迟ρ，其中

$Q=\frac{1}{\mathrm{\ρ}}\·\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂T};$

-控制单元，其产生依赖于电流导致的相移Δφ(特别地与所述相移Δφ成比例)的传感器信号σ，该相移可以写为

其中

并且其中N是所述传感纤维的环的数量并且S是标度因子。

根据本发明的方法包括步骤：

-暴露所述传感纤维于磁场；

-在初始步骤中测量所述传感器信号σ对所述延迟器的温度T的初始依赖性A

$A=\frac{1}{\mathrm{\σ}}\·\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂T};$

-限定传感器信号σ对所述延迟器的温度T的目标依赖性B

$B=\frac{1}{\mathrm{\σ}}\·\frac{\∂\mathrm{\σ}}{\∂T}$

-从A、B、Q、δ和β确定在延迟器的热处理之前的阶段的初始测量信号σ_ini和在延迟器的热处理之后的最终阶段的目标信号σ_fin之间的比率r，其中

$r=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{fin}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ini}}}$

σ_ini和σ_fin用相同的δ、β和

值测量。

-使所述延迟器受到热处理并且测量所述信号σ直到所述信号已经大致上变化了所述比率r。

因此，根据本发明的方法避免需要在纤维的热处理期间重复地明确测量σ的温度依赖性。仅要求监测由磁场引起的信号σ，直到该信号已经变化了所述比率r(或至少变化了接近所述比率r的值)。

比率r可以计算使得

$r(A,B,Q_1,Q_2)=\frac{S(B/Q_2,\mathrm{\δ},\mathrm{\β})}{S(A/Q_1,\mathrm{\δ},\mathrm{\β})}$

其中S是例如通过使用下文的方程(3)-(5)、或等同说明，或对于小电流导致的相移的其的线性近似(例如，方程(6))计算的标度因子。在方程(3)-(5)(或方程(6))中的量ε可以用二阶近似计算使得

$\mathrm{\ϵ}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

其中

$a=1+\frac{1}{2}X-\sin \left(2\mathrm{\β}\right)\mathrm{\δ}\frac{\mathrm{\π}}{4}$

$b=\frac{\mathrm{\π}}{2}+\sin \left(2\mathrm{\β}\right)\mathrm{\δ}(1+X)$

$c=\sin \left(2\mathrm{\β}\right)\mathrm{\δ}\frac{\mathrm{\π}}{2}-X$

其中当在热处理之前计算S时X＝A/Q₁并且当在热处理后计算S时X＝B/Q₂，其中Q₁和Q₂指示在热处理之前和之后Q的值。一般来说，Q₁和Q₂不相等，并且有利地它们中的至少一个已经在制造传感器之前确定。测Q₁和Q₂的方法在下文描述。

其他有利实施例在附上的权利要求以及在下文的说明中列出。

附图说明

从本发明的下列详细说明本发明将更好理解并且除上文阐述的目的外的目的将变得明显。这样的说明参照附图，其中：

图1是光纤电流传感器的图，

图2示出光纤延迟器的实施例，

图3图示延迟器相对于传感纤维平面的旋转位置，

图4示出作为延迟ρ的函数的规格化标度因子，

图5示出用于表征延迟器的设置，以及

图6示出对于在-40℃、20℃和80℃的延迟器温度T、δ＝0的三个不同的延迟器设定值ρ的作为

的函数的标度因子S。

具体实施方式

传感器设计

如在[1]中描述的光纤电流传感器的工作原理在图1中描绘。两个正交线性偏振光波从控制单元1通过连接保偏纤维(pm纤维)2发送到传感头，一般用3指示。传感头3包括光学延迟器4、传感纤维5和反射器7。

延迟器4是光纤延迟器并且用于pm纤维2中的线性偏振光和传感纤维5中的椭圆偏振光之间的转换。它具有两个主轴并且它的长度适应于导致沿它的主轴偏振的光波之间的差分相移ρ＝π/2+ε，其中ε是附加非零相移。

通常，传感纤维5绕导体6(其中具有要测量电流I)环绕N＞0次。反射器7设置在传感纤维5的末端，用于将光反射通过传感纤维5、延迟器4、pm纤维2回到控制单元1。右和左旋光波当由于法拉第效应绕该导体在磁场中传播时具有不同的相位速度。因此，光波获得由如下给出的相位差Δφ

这里，V是传感纤维的Verdet常数，N是传感纤维绕导体6的环数量，并且I是电流。方程(1)对于没有任意线性双折射(δ＝0)的纤维芯和理想圆形光波(ε＝0°)是有效的。

在由延迟器4转变回到线性偏振后，磁场导致的相位差由控制单元1测量，例如采用从如在参考文献[1]、[4]中描述的光纤陀螺仪修改的技术测量。

延迟器4用保偏纤维(pm纤维)制造并且接合到低双折射传感纤维(参见图2)，如例如在EP1107029中描述的。延迟器纤维可用若干类型的pm纤维中的一种制作，例如椭圆芯纤维或具有应力导致双折射的纤维(Panda、Bowtie或椭圆包层纤维)。

如它在WO2005/111633和参考文献[2]中示出的，具有线性纤维双折射(δ≠0°)的温度补偿传感器(ρ≠90°)的磁光相移Δφ不仅受I、V和N影响，还受下列传感器头参数影响：延迟器的延迟ρ＝π/2+ε、在传感纤维中的双折射δ和方位角β。方位角β在图3中示为紧挨延迟器4之前的保偏(pm)纤维的第一主轴和传感纤维5的线圈平面的法向矢量n之间的角。在图2中，延迟器纤维的慢主轴相对于紧挨延迟器之前的pm纤维的第一主轴朝向+45°，如在图3中示出的。注意为了使β的限定清楚，pm纤维2的主轴选择使得延迟器纤维的慢主轴相对于pm纤维2的第一主轴朝向+45°。延迟器纤维的慢主轴于是相对于pm纤维2的另一个、第二主轴朝向-45°。

由本装置观察到的磁光相移Δφ可以至少采用线性近似(即，对于小的磁光相移

写为

Δφ＝4S(ε，δ，β）·V·N·I

对于ε＝0°和δ＝0°，S是等于一的规格化标度因子。

在一般情况下，Δφ由[2]给出

$\mathrm{\Δ\φ}=\arctan \left(\frac{2U}{1-U^2}\right)---\left(3\right)$

其中

原则上，传感纤维可还展现一些例如由于纤维各向异性或内在应力的固有纤维线性双折射δ_i。通常，然而，δ_i对于目前技术水平的低双折射传感纤维可忽略，并且因此在下面不再考虑。

对于小法拉第相移

即

并且采用准确到在大致上ΔS/S＝10^-4内的近似，规格化标度因子S由[2]给出：

$S(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\δ},\mathrm{\β})=\frac{1+1/3{\mathrm{\δ}}^2}{\cos \left(\mathrm{\ϵ}\right)-\mathrm{\δ}\sin \left(2\mathrm{\β}\right)\sin \left(\mathrm{\ϵ}\right)}.---\left(6\right)$

如提到的，延迟器4的延迟ρ与理想的四分之一波延迟器的π/2-延迟相差适当的量ε(例如，对于特定类型的延迟器纤维ε＝10°)，以便补偿Verdet常数V的温度依赖性，如在图4中图示的，即延迟器对传感器的温度依赖性的贡献B抵消Verdet常数的贡献：

$B=-\frac{1}{V}\·\frac{\∂V}{\∂T}---\left(7\right)$

温度无依赖性是必需的以便实现传感器的准确度要求(例如在高电压变电站应用中或在高dc电流的测量中)。

为了考虑制造公差，可使用条件

$|B+\frac{1}{V}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;T}|<t---\left(7^{,}\right)$

其中t是小于7*10^-51/K的阈值，特别地小于2*10^-51/K。

在传感纤维中的弯致和/或封装相关应力以及从而双折射可导致对传感器的温度依赖性的进一步贡献H，即H是与在传感纤维中存在的双折射效应或与来自封装传感器用于作为测量装置的应用的效应关联的传感器标度因子的温度依赖性。从而，方程(7)的更一般的版本由如下给出：

$B=-(\frac{1}{V}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;T}+H)---\left(7^{,,}\right)$

为了考虑制造公差，可使用条件

$|B+H+\frac{1}{V}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;T}|<t---\left(7^{,,,}\right)$

其中t是小于7*10^-51/K的阈值，特别地小于2*10^-51/K。

为获得在大磁光相移下的温度补偿需要的对方程7”的修改在下一章说明。

大法拉第相移

在方程(7)、(7’)和(7”)或(7”’)中，假定了法拉第相移

是小的

在许多实际情况下，该近似在范围

(特别地＜0.1rad)内保持相当合理。显著更大的相移

可例如在金属的电解生产(例如在铝熔炉，其中必须测量高达大约500kA的电流)中碰到。这里项

可达到高达例如2π的值。如从方程(3)-(5)明显的，标度因子S于是不仅是ε、δ和β的函数，也取决于

从而取决于电流。这在图6中图示，其示出对于具有Q＝(1/ρ)δρ/δT＝-2.2×10^-4℃^-1的延迟器(ρ＝90°、96°、100.5°)的三个不同的延迟ρ＝π/2+ε的作为

的函数的标度因子S。在传感纤维中的线性双折射δ假定为零。采用ρ＝100.5°，对于小磁光相移

温度补偿该传感器。这里，标度因子

从1.0216减小0.86％到1.0130(如果温度从-40℃升高到80℃)，其正好抵消Verdet常数随温度的相对增加(在图6中的竖直箭头)。在增加磁光相移时，低和高温度曲线开始收敛并且最终在

(对于一个纤维环和820nm的波长对应于I＝300kA)彼此相交。因此，温度补偿在大相移仅是部分的并且最终在

消失。然而，延迟器可准备用于处于中等法拉第相移(例如

)的最佳的温度补偿。传感器然后将在

以下被稍微过度补偿并且在以上被欠补偿。从图6明显的是，在中等法拉第相移的温度补偿要求比在

的温度补偿需要的值稍微高的值ρ。

一般来说，对于参数δ、β和Q的给定集，调谐延迟ρ到在磁光相移

的期望值处提供法拉第效应的最佳温度补偿的值。尽管传感器的较大磁光相移现在被补偿，延迟器调谐仍然可以在具有

的小磁场进行。用于计算目标信号σ_fin的目标温度依赖性B于是必须由B’＝B+ΔB代替，其中ΔB是在小磁光相移

的B和在值

的B(在将获得最佳温度补偿的情况下)之间的差别的原因。

常现延迟器制造方法

在目前技术水平的延迟器制造过程中，延迟器采用初始过长度来制造。延迟然后采用逐步的方式细调(降低)直到达到目标温度依赖性。选择初始过长度以便克服制造过程中的公差。细调通过在纤维接合机的电弧或加热器灯丝中热处理(即加热)延迟器完成。该加热改变延迟器的双折射从而改变它的延迟。在每个细调步骤后，测量延迟器对传感器的温度依赖性的贡献。该测量牵涉：将延迟器变换为温度控制器，在某个范围内改变延迟器温度，并且测量作为延迟器温度的函数的以恒定电流的传感器信号。细调继续直到达到适当的补偿。这样的过程是相当耗时的。

改进的延迟器制造方法

本发明的目的是教导更高效的制造方法。特别地，在每个调谐步骤后温度依赖性的耗时重新测量将避免。反而，仅测量传感器信号σ的变化，其可以在细调过程期间重复进行而不用移动纤维或任意其他部件。

标度因子S和从而σ随延迟ρ变化。因此信号σ可充当延迟器对传感器的温度依赖性的贡献B的度量(假定传感纤维的温度保持恒定)。

该过程要求需要知道由如下给出的延迟ρ的温度依赖性Q

$Q=\frac{1}{\mathrm{\&rho;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;T}---\left(8\right)$

和由如下给出的传感器信号σ对延迟器温度的初始依赖性A

$A=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&sigma;}}{\&PartialD;T}=\frac{1}{S_{\mathrm{ini}}}\frac{\&PartialD;S_{\mathrm{ini}}}{\&PartialD;T}---\left(9\right).$

测量延迟器纤维的性质Q和纤维拍长(beat length)L_B的方法在下一章中描述。A可以通过监测信号σ同时改变延迟器4的温度来测量。

延迟器调节通常在小磁光相移

进行。作为ε的函数的标度因子S于是由S(ε)＝1/cos(ε)给出，如在图4中示出的(根据[1])。延迟ρ＝π/2+ε根据如下随温度变化

ρ(T)＝ρ₀·(1+Q·ΔT)    (10)

并且因此

ε(T)＝ε₀+Δε(T)＝ε₀+ρ·Q·ΔT    (11)

其中ρ₀＝ρ(T₀)并且ε₀＝ε(T₀)，其也在图4中描绘。T₀通常是室温，并且ΔT＝T-T₀。初始标度因子S_ini和传感器信号σ对延迟器温度的初始依赖性A(ε)可表达为：

$A=\frac{1}{S_{\mathrm{ini}}}\frac{\&PartialD;S_{\mathrm{ini}}}{\&PartialD;T}=\frac{1}{S_{\mathrm{ini}}}\frac{\&PartialD;S_{\mathrm{ini}}}{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}{\&PartialD;T}=\frac{1}{S_{\mathrm{ini}}}\frac{\&PartialD;S_{\mathrm{ini}}}{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}\&CenterDot;Q(\mathrm{\&epsiv;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})---\left(12\right)$

方程(6)和(12)的组合允许表达作为传感器信号σ的初始测量的温度依赖性A和初始延迟器温度依赖性Q₁的函数的初始规格化标度因子S_ini(A，Q₁)。相似地，最终规格化标度因子S_fin(B，Q₂)可表达为细调后延迟器温度依赖性Q₂和目标标度因子温度依赖性B(和信号σ的目标温度依赖性)的函数，其中B限定为

$B=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}\frac{\&PartialD;\mathrm{\&sigma;}}{\&PartialD;T}=\frac{1}{S_{\mathrm{fin}}}\frac{\&PartialD;S_{\mathrm{fin}}}{\&PartialD;T}---\left(13\right)$

分别在细调之前和之后的延迟器温度依赖性Q₁和Q₂可因纤维性质上的可能变化(由于纤维的热处理)而稍微不同。

目标信号σ_fin可以从初始测量传感器信号σ_ini和从计算的标度因子S_ini(A，Q₁)与S_fin(B，Q₂)的比率根据如下获得：

${\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{fin}}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ini}}\&CenterDot;\frac{S(B/Q_2)}{S(A/Q_1)}={\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ini}}\&CenterDot;r(A,B,Q_1,Q_2)---\left(14\right)$

方程的详细推导可以在下文的章节“方程的推导”中找到。

延迟器制造和调谐过程从而可总结如下：

1.制造连接到传感纤维的延迟器，其中延迟器具有大于标度因子的目标温度依赖性B需要的适当延迟的初始延迟。

2.测量传感器信号σ对延迟器温度的初始依赖性A。

3.测量在给定磁场(或电流)的初始传感器信号σ_ini。

4.根据(14)计算目标传感器信号σ_fin。

5.细调、再次测量传感器信号σ。

6.重复细调直到达到计算的目标传感器信号σ_fin。

7.测量传感器信号σ对延迟器温度的依赖性用于确认已经达到目标温度依赖性B。

有利地，传感器纤维在上文的过程期间保持笔直的以便最小化弯致线性双折射δ。然后，纤维弯曲到具有期望的纤维环数的最终线圈。备选地，传感纤维在上文的过程期间采用产生与在最终线圈中存在的相同的线性双折射量的方式保持弯曲。在后者的情况下，方位角β可已经设置到在最终线圈组件中预见的值。

纤维性质的表征

用于设置正确延迟ρ的上文的过程要求在细调之前和之后的延迟Q₁和Q₂的导热系数已知。该章节描述用于测量给定类型的纤维的这些值的方法。即使，Q₁和Q₂可以假定近似相等，考虑延迟器的温度系数可通过热处理改变到某个程度可是有利的。

该测量设置在图5中描绘。来自具有消偏振器9的源8(例如来自高亮度二极管(SLD))的低相干光的去偏振束馈入纤维起偏器10。在测试中，该具有与双折射轴中的一个平行的偏振方向的偏振光然后耦合进入后跟长度L的相位延迟器4的PM纤维11。延迟器4如在EP1107029中描述的在纤维11的末端制造，不同的是，随后的纤维12不是低双折射传感纤维而是另一个保偏纤维。纤维段11和12的双折射轴相对于延迟器4的轴处于45°。纤维12剥去可在延迟器处产生的包层模(cladding mode)，并且引入比低相干光源的相干长度大得多的在它的正交模之间的群时延。

来自第二PM纤维12的光被发送通过旋转分析器(即旋转线性起偏器)13并且然后在检测器14中检测。该检测器信号与D＝[1+sin(h+p)·cos(ρ)]成比例，其中p是分析器的(旋转)角(0°-360°)，h是对应于相对于分析器的零位置的任意纤维取向的恒定相位并且ρ还是延迟器4的差分延迟。

延迟器4放置在温度控制器15、例如Peltier元件上。通过改变延迟器4的温度，并且记录D，延迟ρ随温度的变化从而Q的值可以确定。延迟器4的选择的长度为了表征的目的是任意的。测量具有不同长度L的若干延迟器给予便利并且准确的方式来通过将ρ(L)＝2π·(L-b)/L_B拟合到测量的数据而确定PM纤维的拍长L_B。该拟合参数b是在接头处的纤维改性的原因。

该方法还可以用于确定延迟器的热处理对纤维温度依赖性Q的影响。

方程的推导

如提到的并且如在图4中示出的，传感器标度因子S示出S(ε)＝1/cos(ε)对ε的依赖性(对于并且对于δ＝0°)。

对于椭圆芯纤维，延迟ρ的温度系数Q(参见方程(8))典型地大约是Q＝(-1...-6)·10^-4K^-1。

参量ε＝ρ-π/2如由方程(10)和(11)给出的随温度变化。

方程(12)的温度依赖性A可以根据实验确定。

在对小电流的近似中的规格化标度因子S由[2]给出：

我们假定标度因子和它的温度依赖性的公式应该准确到10^-4的水平。在延迟器制造设置中，测量的法拉第角通常是小的，即并且弯致线性双折射也是小的，即δ＜2°～0.04[rad]。ε的大小通常是ε＜12°～0.2。如果仅保持项＞10^-4，方程(15)可以简化：

其对应于方程(6)。

标度因子S的甚至更加简化的近似将是：

使用方程(12)的温度依赖性现在变成：

$A=\frac{1}{S}\frac{\&PartialD;S}{\&PartialD;\mathrm{\&epsiv;}}\&CenterDot;Q(\mathrm{\&epsiv;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})=\frac{\sin \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)+\mathrm{g\&delta;}\cos \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)}{\cos \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)-\mathrm{g\&delta;}\sin \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)}\&CenterDot;Q(\mathrm{\&epsiv;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2})$

在对包含小参量ε的项泰勒近似直到二阶后，可以导出二次方程：

$\frac{A}{Q}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}^2(1-\mathrm{g\&delta;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4})+\mathrm{\&epsiv;}(\mathrm{g\&delta;}+\mathrm{\&pi;}/2)+\mathrm{g\&delta;}\&CenterDot;\mathrm{\&pi;}/2}{1-\mathrm{g\&delta;\&epsiv;}-{\mathrm{\&epsiv;}}^2/2}.---\left(17\right)$

这允许对于传感器信号σ对在延迟器的温度的测量的依赖性A计算ε的值。Q从延迟器纤维的表征得知并且δ和β从几何考虑[2]得知。该二次方程可以对ε求解：

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}---\left(18\right)$

其中

$a=1+\frac{1}{2}\frac{A}{Q}-\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}$

$b=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}(1+\frac{A}{Q})$

$c=\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\frac{A}{Q}$

因此，我们可以从上文的公式(16)和(18)计算初始规格化标度因子S_ini＝S(A/Q₁，δ，β)。与三阶泰勒展开(然后求解三次方程)比较，由二阶近似引入的误差是小的(Δε/ε～10^-3)。利用已知的传感器信号σ对延迟器温度的目标依赖性B，通常B＝-7·10^-5/K用于补偿Verdet常数变化，和在细调后延迟的给定温度依赖性Q₂，最终规格化的标度因子S_fin＝S(B/Q₂，δ，β)可以用相同的公式(16)和(18)计算。在(14)中的比率r然后可以根据如下计算：

$r(A,B,Q_1,Q_2)=\frac{S(B/Q_2,\mathrm{\&delta;},\mathrm{\&beta;})}{S(A/Q_1,\mathrm{\&delta;},\mathrm{\&beta;})}---\left(19\right)$

参考文献

[1]K.Bohnert，P.Gabus，J.Nehring，H.

，，Temperature and Vibration In-sensitive Fiber-Optic Current Sensor“，J.Lightwave Technol.，20(2)，267，(2002).

[2]K.Bohnert，P.Gabus，J.Nehring，H

M.Brunzel，，，Fiber-Optic Current Sensor for Electrowinning of Metals“，J.Lightwave Technol.，25(11)，3602，(2007).

[3]J.Noda，K.Okamato，Y.Sasaki，，，Polarization maintaining fibers and their ap-plications“，J..Lightwave Technol.，4，1071，(1086).

[4]H.Lefevre，“The Fiber-Optic Gyroscope”，Artech House，London，1993.

[5]K.Bohnert，R.Wüest，A.Frank，P.Gabus，S.Wiesendanger，J.Nehring，H.

，，Experimental and theoretical investigation of the high current regime of an interferometric fiber-optic current sensor“，Proceedings of IEEE Sensors 2008.

部件列表

1       控制单元                    I     电流

2       pm纤维(保偏纤维)            L     延迟器长度

3       传感头                      L_B    拍长

4       延迟器                      N     传感纤维环的数量

5       传感纤维                    p     分析器的旋转角度

6       导体                        Q     延迟ρ的温度依赖性

7       反射器                      r     σ_ini和σ_fin之间的比率

8       光源                        S     规格化标度因子

9       消偏振器                    T     温度

10      起偏器                      U     见方程(4)

11，12  PM纤维                      V     传感纤维的Verdet常

                                          数

13      旋转分析器                  β    延迟器的方位角

14      光检测器                    ρ    延迟器的相移

15      温度控制器

σ      传感器信号

ΔB     在不同磁光相移的B的差别

b       拟合参数

D       检测的光强度

h       相移

δ      在传感纤维中的双折射导致的相移

ε       延迟器的额外相移(从π/2偏离)

A        传感器信号对延迟器温度的初始依赖性

B        传感器信号对延迟器温度的最终依赖性

Q₁、Q₂   在延迟器热处理之前/之后ρ的温度依赖性(延迟器调整)

σ_ini    在延迟器调谐前的传感器信号

σ_fin    在延迟器调谐后的传感器信号

S_ini     在延迟器调谐前的规格化标度因子

S_fin     在延迟器调谐后的规格化标度因子

Claims (9)

1.一种用于制造光纤电流传感器的方法，该光纤电流传感器包括

将暴露于要测量的电流I的磁场的传感纤维(5)，其中所述传感纤维(5)具有Verdet常数V和双折射线性相位延迟δ，

耦合于所述纤维(5)用于在线性和椭圆偏振之间转换光的至少一个光纤延迟器(4)，其中所述延迟器的慢轴处于相对于所述传感纤维的慢轴的角度45°-β，并且其中由所述延迟器导致的差分延迟ρ依赖于温度，其中

$Q=\frac{1}{\mathrm{\&rho;}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;\mathrm{\&rho;}}{\&PartialD;T}$

以及控制单元(1)，其产生依赖于电流导致的相移Δφ、特别地与所述相移Δφ成比例的传感器信号σ，该相移可以写为

其中

并且其中N是所述传感纤维(5)的环的数量，并且S是标度因子，

所述方法包括步骤：

暴露所述传感纤维(5)于磁场，

在初始步骤中测量所述传感器信号σ对所述延迟器(4)的温度T的依赖性A

$A=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;\mathrm{\&sigma;}}{\&PartialD;T},$

限定传感器信号σ对所述延迟器的温度T的目标依赖性

$B=\frac{1}{\mathrm{\&sigma;}}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;\mathrm{\&sigma;}}{\&PartialD;T},$

从A、B、Q、δ和β确定所述延迟器(4)的热处理之前的初始传感器信号σ_ini和所述延迟器(4)的热处理之后的目标传感器信号σ_fin之间的比率r，其中

$r=\frac{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{fin}}}{{\mathrm{\&sigma;}}_{\mathrm{ini}}},$ 以及

使所述延迟器(4)受到所述热处理并且测量所述传感器信号σ直到所述传感器信号σ已经大致上变化了所述比率r。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述比率r由如下计算

$r(A,B,Q_1,Q_2,\mathrm{\&delta;},\mathrm{\&beta;})=\frac{S(B/Q_2,\mathrm{\&delta;},\mathrm{\&beta;})}{S(A/Q_1,\mathrm{\&delta;},\mathrm{\&beta;})}$

其中B是所述传感器信号σ对所述延迟器(4)的温度的目标依赖性，Q₁和Q₂分别是在所述延迟器(4)的所述热处理之前和之后Q的值，并且S是由如下给出的规格化标度因子或其近似

其中

$\mathrm{\&Delta;\&phi;}=\arctan \left(\frac{2U}{1-U^2}\right)$

其中

$\mathrm{\&epsiv;}=\frac{-b+\sqrt{b^2-4\mathrm{ac}}}{2a}$

其中

$a=1+\frac{1}{2}X-\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{4}$

$b=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}+\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}(1+X)$

$c=\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)\mathrm{\&delta;}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-X$

其中当计算热处理之前的S时X＝A/Q₁并且当计算热处理后的S时X＝B/Q₂，其中Q₁和Q₂指示在所述热处理之前和之后Q的值。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述近似是

$S=\frac{1+1/3{\mathrm{\&delta;}}^2}{\cos \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)-\mathrm{\&delta;}\sin \left(\mathrm{\&epsiv;}\right)\sin \left(2\mathrm{\&beta;}\right)}$

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述值Q₁和Q₂不相等，并且其中它们中的至少一个已经在制造所述传感器之前确定。

5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中

$|B+\frac{1}{V}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;T}|<t$

其中t是小于7*10^-51/K的阈值，特别地小于2*10^-51/K。

6.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中

$|B+H+\frac{1}{V}\&CenterDot;\frac{\&PartialD;V}{\&PartialD;T}|<t$

其中H是与在所述传感纤维中存在的双折射效应或与来自封装所述传感器用于作为测量装置的应用的影响关联的传感器标度因子的温度依赖性，其中t是小于7*10^-51/K的阈值，特别地小于2*10^-51/K。

7.如权利要求6所述的方法，其中B确定为使得对于

特别地对于对所述传感器进行温度补偿。

8.如权利要求6所述的方法，其中B确定为使得对于

来对所述传感器进行温度补偿。

9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中在所述延迟器(4)的制造期间，所述传感纤维(5)大致上是直的并且其中在所述制造后，所述传感纤维(5)弯曲以形成由N＞0个环构成的线圈。

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