CN104769444B

CN104769444B - 温度补偿光纤电流传感器

Info

Publication number: CN104769444B
Application number: CN201380046353.9A
Authority: CN
Inventors: G.米勒; A.弗兰克; K.博内特; X.古
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Grid Switzerland AG
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2018-07-13
Anticipated expiration: 2033-07-04
Also published as: EP2870485B1; US9581622B2; EP2682765A1; CN104769444A; US20150115934A1; EP2870485A1; WO2014006121A1; AU2013285419A1

Abstract

在一种光纤电流传感器中，作为传感光纤线圈一部分的22.5°法拉第旋转器确定传感器的工作点。线圈用基本线偏振光或非相干的基本左和右圆偏振光波操作。在一种布置中，偏振分束器产生随变化电流反相改变的两个光信号。信号处理器从两个反相信号确定电流。在光纤线圈前用适当解谐和定向的光纤半波或四分之一波延迟器减小或消除温度和弯曲诱导双折射对检测信号的不利影响。另外，可从反相信号偏移的差异得到温度，并且可用此温度在信号处理器中消除温度影响。

Description

温度补偿光纤电流传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤电流传感器，所述光纤电流传感器具有光源、线偏振器、传感光纤、法拉第旋转器、镜和至少一个检测器。

背景技术

光纤电流传感器一般依赖在光学玻璃纤维中的法拉第效应。光纤围绕传导待测电流的导体形成至少一个回路。法拉第效应作为线偏振光的偏振旋转观察到，或者等同地作为左和右圆偏振光波之间的差分相移观察到。有时将这两个传感器种类分别称为偏振传感器和干涉传感器。光纤有利以反射模式操作，即，光往返通过光纤线圈。

磁光偏振旋转或相移通过偏振器转化成光强度变化。为了得到作为电流的函数的光强度线性变化，如果检测偏振旋转，有必要对偏振角引入45°偏移，或者，如果检测相移，引入90°相偏移。Frosio等[1]已应用从光纤陀螺仪[2]知道的非倒易调相方法，以在干涉传感器中通过调相器动态产生90°相偏移。或者，通过四分之一波延迟器[1]以无源方式产生相偏移。[3]描述利用相互反相和/或正交的数个检测通道的同样使用无源延迟器的检测方案。该方案允许某些缺陷补偿，例如温度相关性信号偏移和干涉条纹可见性的变化。

F. Brifford等[4]和K. Kurosawa等[5]描述一种方法，其中通过22.5°在线法拉第旋转器在偏振传感器中对线偏振光产生45°偏移角。光在往返期间经传感器通过旋转器两次，这产生45°偏移旋转。在类似布置中，H. Lin等[6]使用22.5°在线法拉第旋转器在左和右圆偏振光波之间引入90°相偏移。

美国专利申请US2007/0273358A1 [7]教授一种根据Ref. [5]利用法拉第旋转器旋转角的温度相关性补偿传感器中韦尔德常数的温度相关性的方法。美国专利申请US2010/0253320 A1 [8]公开一种根据Ref. [5]通过信号处理对传感器的温度相关性计算到第一级或通过信号处理和另外的温度传感器计算到更高级的方法。[9]描述在干涉传感器中利用非倒易调相补偿法拉第效应的温度相关性的方法。在此，以来自延迟器的温度效应平衡来自韦尔德常数的温度效应的方式制备产生圆光波的光纤四分之一波延迟器。

K. Bohnert等在J. of Lightwave Technology, Vol. 20, No. 2, pp.267 -276中描述一种利用非倒易调相的装置，其中非倒易调相方案中的温度补偿通过解谐四分之一波延迟器进行。

利用非倒易调相的当今技术水平的干涉光纤电流传感器为对交流和直流二者具有极佳精确度的高端传感器。另一方面，它们需要复杂且昂贵的装置测量磁光相移，例如，具有闭路电子器件的集成光学调相器。另外，连接光电模块(包括光源、光电检测器、信号处理电子器件等)和传感光纤线圈的光纤为偏振保持特种光纤。用于这些光纤的线缆和连接器要求高而且昂贵。

利用无源检测方案的较简单传感器的性能通常不足以应用于电力传输和分配，特别是由于温度的干扰效应。

发明内容

因此，要由本发明解决的问题提供上述类型的温度补偿光纤电流传感器和用此电流传感器测量电流的方法。此问题由电流传感器和独立权利要求的测量电流的方法解决。示例性实施方案由从属权利要求及其任何组合给出。

电流传感器应包括：

光源，

从所述光源接收光并产生偏振光的第一线偏振器，和

传感器头，所述传感器头具有：

- 延迟器，所述延迟器从所述偏振器接收光，并具有延迟，即，在延迟器中在线性正交偏振模式之间的相延迟，为90°+Δρ+N·180°或180°+Δρ+N·180°，其中延迟器解谐Δρ≠0，并且N为≥0的整数，

- 布置成从所述延迟器接收光的传感光纤，其中所述传感光纤适合围绕传导待测电流的导体至少一次形成回路，

- 布置成从所述传感光纤接收光的镜，和

- 在所述延迟器和所述镜之间布置的法拉第旋转器，其中法拉第旋转器使光旋转(22.5°+M·45°)±10°，并且M为≥0的整数。

传感器进一步包括至少一个检测器，所述检测器适合检测从传感器头通过所述第一线偏振器返回的至少一个光信号。

这种布置允许基本线偏振光或非相干的基本左和右圆偏振光耦合进入传感光纤。四分之一波或半波延迟器解谐量Δρ允许补偿(至少以第一近似)测量信号的温度相关性。

在室温的绝对解谐角|Δρ|有利地在1°和30°之间，特别在1°和15°之间。

在一个实施方案中，延迟器可以为解谐半波延迟器，即，具有180°+Δρ+N·180°延迟。在此情况下，在一个有利的实施方案中，延迟器具有相对于所述偏振光的偏振方向在角45°±10°下布置的主轴，即，离开延迟器的光仍基本线性偏振(除了Δρ引入的相移)，特别是如果偏振光入射在延迟器上，而不预先变成偏振态。

在另一个实施方案中，传感器可进一步包括在偏振器和延迟器之间布置的双折射元件，例如双折射偏振保持光纤。双折射元件具有相对于来自偏振器的偏振光的偏振方向以45°±10°布置的主轴。它引入超过光相干长度的差分群延迟，使得从双折射元件离开的两个线偏振光波相互相干。另外，延迟器的主轴相对于双折射元件的主轴处于45°±10°的角。因此，延迟器产生

- 两个正交非相干的基本圆偏振光波(如果延迟器为解谐四分之一波延迟器)或

- 两个非相干的基本线偏振光波(如果延迟器为解谐半波延迟器)。

在第二种情况下，如下所示，可选择延迟器长度，使得其至少部分补偿传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿法拉第旋转器产生的旋转的二次温度相关性。在所有其它情况下，可选择延迟器长度，以至少补偿传感光纤的韦尔德常数的(线性)温度相关性。在两种情况下，也可进一步考虑所述传感光纤双折射的温度相关性选择延迟器长度，使得也补偿该温度相关性。

如果在平面中布置回路传感线圈，则有利地以对延迟器的主轴45°±10°角布置所述平面的法向(即，线圈的轴)。这种取向减小弯曲诱导双折射的影响。

法拉第旋转器有利地使光旋转22.5°+M·45°±10°，其中M为整数，因此产生约45°(+90°的可能倍数)往返旋转。

如果传感器在相对小的温度范围内操作，若只有单一检测通道，其可能足够。然而，有利地，其包括第一光电检测器，所述第一光电检测器检测平行于(引出)偏振光偏振方向偏振的返回光；和第二光电检测器，所述第二光电检测器检测垂直于(引出)偏振光偏振方向偏振的返回光。

应了解，关于延迟和相移所给的任何角适用于室温下来自光源的光的中心波长。

在为了测量电流操作传感器时，延迟器有利地保持在与传感光纤相同的温度(例如，在±10℃内)，以使其可靠补偿光纤的韦尔德常数的温度相关性。

其它有利实施方案列于从属权利要求及以下说明中。

附图简述

通过以下详述，应更好地了解本发明，且上述以外的目的将变得显而易见。这些描述参考附图，其中：

图1显示传感器的基本设计图，

图2a显示在传感光纤内利用22.5°法拉第旋转器的作为电流的函数的计算信号，法拉第旋转器引入光偏移，这增加0电流附近的检测灵敏度，

图2b显示不利用22.5°法拉第旋转器的作为电流函数的计算信号，

图3显示本发明的实施方案A，

图4显示作为延迟Δρ=ρ-180°的函数的传感器结构A的标度因数，

图5显示对于Δρ=–3.3°的传感器结构A，对标度因数的温度相关性的贡献和总体温度相关性，

图6显示两种DC信号的归一化差如何随温度线性变化和如何能够在不施加DC电流时测量温度，

图7显示利用圆偏振光的传感器结构B，

图8a显示在两个光电检测器的作为电流函数的归一化信号(结构B)，其中光纤线圈的主轴对延迟器的轴以45°定向，其中四分之一波延迟器是理想的(Δρ=0)，并且没有弯曲诱导的双折射(δ=0)存在，

图8b对应于图8a，但代表传感器经温度补偿(Δρ=-15°)且显示弯曲诱导双折射的情况，

图9显示对于利用传感器B(Δρ=-15°)的AC电流测量和在传感器线圈平面和延迟器轴之间45°定向，对标度因数的温度相关性的贡献和总体温度相关性，

图10显示，如果光纤线圈的主轴平行于延迟器轴，在弯曲诱导光纤双折射存在下，传感器结构B的标度因数作为与理想四分之一波延迟的偏差的函数(实线)，为了比较，虚线显示在没有弯曲诱导双折射存在下的标度因数，箭头表示在弯曲诱导双折射存在下得到最大标度因数的Δρ值(注意：数据相对于Δρ=0和δ=0的情况归一化)，

图11显示，对于在传感器线圈平面法向和延迟器轴之间45°角，在弯曲诱导光纤双折射存在下标度因数作为与理想四分之一波延迟的偏差的函数(实线)，为了比较，虚线显示在没有弯曲诱导双折射存在下的标度因数(注：数据相对于Δρ=0和δ=0的情况归一化)，

图12显示利用线偏振光的非相干波束的传感器结构C，

图13显示两种光电检测器的归一化信号作为电流的函数(结构C)，其中ρ=183.2°，即Δρ=3.2°，并且

图14显示对于利用传感器C(ρ=183.2°，即Δρ=3.2°)的AC电流测量和在传感器线圈平面和延迟器轴之间45°定向，标度因数的温度相关性和各自的贡献。

发明详述

定义

本文所用术语“基本圆偏振光”类型和类似术语表示可由相等振幅且相互相移为90°+K·180°+Δα的两个共线、相干、正交、线偏振的光波叠加产生的光，其中K为整数，Δα在-30°和+30°之间，特别在-15°和15°之间(Δα=0°对应于理想圆偏振)。

本文所用术语“基本线偏振光”类型和类似术语表示可由相等振幅且相互相移为K·180°+Δα的两个共线、相干、正交、线偏振的光波叠加产生的光，其中K为整数，Δα在-30°和+30°之间，特别在-15°和15°之间(Δα=0°相当于理想线偏振)。

现有技术方法

成为公开发明基础的传感器的基本传感器设计图描绘于图1中：来自优选宽带光源(例如，超发光二极管)的去偏振光通过单模光纤传导到传感光纤线圈。在进入传感线圈之前，光波通过偏振器(或偏振分束器(PBS)，如图1)投射到所需的偏振态(即，偏振保持(PM)光纤的主轴)，这形成具有相互正交的偏振方向的第一线偏振和第二线偏振。PM光纤将线偏振光从PBS传导到传感光纤。或者，传感光纤线圈可直接连接到PBS。由低双折射光纤制成的光纤线圈围绕传导待测电流I的导体至少一次形成回路。线偏振光由左和右圆偏振光相干组成。由于从电流诱导磁场产生磁光双折射，这些圆偏振态在传感光纤中遇到不同的色散，即，不同速度。这变得表现为线性光偏振面的旋转，称为法拉第效应。光在传感光纤的末端反射，随后，旋转转变成在偏振分束器两个端口通过光电检测器PD1和PD2检测的光强度的变化。

另外，将22.5°法拉第旋转器放在传感光纤中，以引入光偏移，即，在左和右圆偏振态之间另外的相移，这使此装配0电流附近的灵敏度从局部最小变到局部最大。实际上，显示的结构在传感光纤末端利用法拉第旋转镜(FRM)。旋转器镜例如由准直透镜组成，例如，梯度折射率透镜、法拉第旋转器和镜。旋转器元件自身由磁性材料组成，例如，磁饱和钇铁石榴石(YIG)。永磁体产生所需的磁场。透镜使离开传感光纤的光准直，并使反射的光耦合回到光纤中。在单通期间，旋转器使偏振面旋转22.5°(或者旋转22.5°+M×45°，其中m为整数)。因此，由于FRM 造成的往返旋转α_FRM为45°(+M×90°)。反射光第二次通过传感光纤，并且在没有电流和在传感光纤中其它双折射作用存在下，线偏振探测光以相对于入射光偏振面约45°旋转的偏振达到传感光纤末端。如果在导体中存在电流I，就有线性光偏振面的另外的法拉第旋转

φ_F = 2·V·n·I ,　　　(1)

其中V为传感光纤的韦尔德常数(对于熔凝石英光纤，约1μrad/A，在1310nm)，n为传感线圈的光纤圈数。然后如下给出线偏振光的总旋转角α(仍忽略传感光纤中线性双折射的影响)：

α = α_FRM+ φ_F　　　(2)。

在两个光电检测器的两个信号S₁和S₂(光功率)分别随α的余弦的平方和α–90°的余弦的平方成比例变化。由于两个PBS检测器端口的偏振方向相互正交，因此，S₁和S₂根据α的变化处于反相：

S₁= S_ocos² α,　　　(3)

S₂= S_ocos² (α – π/2)　　　(4)

或者

S_1,2= 1/2 S_o [1 ± cos 2(α_FRM+ φ_F)],　　　(5)

并且在α_FRM=45°下：

S_1,2= 1/2 S_o [1 ± sin 2φ_F].　　　(6)。

信号振幅S_o与源功率成比例。

取两个信号之差并用结果除以其和，得到独立于S_o和源功率的归一化信号S：

S= [1 ± sin 2φ_F].　　　　(7)。

显然，由于法拉第旋转器的另外偏振旋转，由S_1,2相对于φ_F的导数给出的对电流的灵敏度达到最大限度。这一点进一步在图2a中说明，其中关于图1结构两个光电检测器的归一化信号作为电流的函数绘制(忽略弯曲诱导双折射δ)。±100kA最大电流对应于约±45°法拉第旋转角。这些特性曲线具有最陡斜度，即，在0电流最高灵敏度。为了比较，图2b显示不利用22.5°法拉第旋转器(α_FRM=0)的传感器的相应曲线。显示的曲线通过琼斯矩阵形式计算[10]，所有其它曲线在此文献中给出。

注1：在关于此文献中所示所有结构的示例计算中，除非另有说明，否则使用以下参数：传感光纤直径d=125μm，传感光纤线圈直径D=170mm，传感光纤长度2136mm(N=4圈)，法拉第旋转器的温度相关性dα_FRM/dT=-0.03°/K(α_FRM=45°，在室温)，延迟器的温度相关性1/ρ(dρ/dT)=-2.2·10^-4/K，在室温的韦尔德常数(λ=1310nm) V=1.0·10^-6 rad/A，韦尔德常数的温度相关性1/V(dV/dT)=7.1·10^-5/K，弯曲诱导双折射(如果不忽略)：δ=0.5rad (d/D)²/λ。

然而，存在可严重降低这种基础传感器结构性能的数种影响，特别是由于温度。因此，图1的传感器可能不适合应用于其中遇到通常扩展的操作温度范围的电力传输和分配变电站。以下描述如何对不同传感器结构消除或至少基本减小此类干扰效应的几种技术。特别应考虑以下效应：

- 韦尔德常数V随温度变化，温度系数约(1/V) dV/dT=0.7·10^–4/K，一般得到检测灵敏度的线性变化。

- 光偏移α_FRM随法拉第旋转器的温度线性变化(在室温，对于α_FRM=45°，通常dα_FRM/dT=-0.03°/K)，因此，在0电流(工作点)的两个光电检测器信号不再相同，所述电流传感器的图2a中曲线的交叉点随温度线性偏移到较小或较大电流。相应地，不能从封闭导体中施加的DC电流区分温度变化，没有法拉第旋转器的温度稳定作用，就不能用此传感器结构测量DC电流。然而，在高电压的温度稳定作用一般不是实际选项。因此，公开技术在下面涉及测量AC或瞬态电流，除非另外明确说明。

- 另外，在交叉点离开0电流时，由于在0电流斜度减小，图2a中特性曲线随温度的偏移变得表现为检测的法拉第相移的二级温度相关性。

- 使传感光纤弯曲产生弯曲诱导双折射，这改变光纤中光的偏振态，因此改变有效法拉第效应。弯曲诱导双折射同样为温度相关性。

- 两个检测通道中光功率的衰减可能不同(例如，由于在光纤尾纤的不同插入损失或在连接器的损失)，并且作为时间和温度的函数有不同变化，结果有两个检测信号的不同振幅S_o。

传感器结构A

图3描绘公开发明的传感器结构A的设计图。此实施方案在很大程度上解决先前部分中提出的问题。在以下部分中显示的结构B和C基于相同的基本思想并同样解决这些问题，但另外依赖稍微改进的工作原理。

如图1，在PBS后，PM光纤段与平行于从PBS离开的向前传导光的偏振方向的主轴之一对准。在PM光纤段后插入非理想半波延迟器(在这种背景下，“非理想”意味该延迟与理想半波延迟偏离有意的量)。这种双折射半波延迟器由其长度粗略相当于拍频长度L_b的一半(或L_b/2的整数倍数)(即，延迟ρ=180°(或180°的整数倍数)且其轴以对PM光纤轴45°方向定向的PM光纤段制造。这种半波延迟器代表具有进一步温度相关性的光学元件，但对以上讨论的工作原理没有其它影响。如下指出，使从ρ=180°的实际偏离Δρ优化，以补偿来自温度相关性质的前述不利影响。应注意，在结构A中，PM光纤只将光引导到延迟器和从延迟器引导，但从原理上来说可以省略，并且半波延迟器可直接连接到PBS。

图4描绘作为来自理想半波延迟器(参数如以上注1中所列)的延迟器偏差Δρ=ρ-180°的函数，采用传感器结构A的归一位单位的标度因数。此标度因数描述测量的法拉第旋转和施加电流之比(归一化单位)，并作为0电流下传感器响应的斜率从数值计算推出(见图2a)(由于正弦响应函数在高电流的标度因数变化可通过信号处理补偿)。在图4中，标度因数对于Δρ=0和δ=0归一化到统一。

优选传感线圈面的法向对延迟器轴以45°取向，因为这种选择减小弯曲诱导双折射的影响。偏离此角使图4中的最大值和最小值离开在90°倍数的位置。原则上，角度失准可通过与非理想半波延迟的近似偏离来补偿。应注意，由于在传感光纤中有限的弯曲诱导双折射，在图4中的最小值(在90°的奇数倍数)未达到0。由于相同原因，最大值未达到统一。

延迟器的延迟ρ随温度变化，并引起标度因数变化。为了计算，假定温度系数(1/ρ)(dρ/dT)=–2.2·10^-4 K^–1，这是对椭圆芯PM光纤测量的值。选择在室温适合的值Δρ使得能够调节总体温度相关性。琼斯矩阵计算显示，Δρ=0°值只对总体温度相关性产生小的延迟器二级温度贡献。这样，总体温度相关性基本上由韦尔德常数和旋转器镜的贡献确定。利用Δρ=-3.3°值，延迟器贡献包含随温度线性变化并且补偿韦尔德常数随温度(线性)变化(假定温度系数如以上注1中规定)的项。因此，在-40至80℃范围，相对标度因数变化从0.84%减小到0.35%。标度因数的总体温度相关性和单独贡献绘于图5中。在此，标度因数在室温归一化到统一。注2：弯曲诱导双折射的温度相关性的(小)贡献在图5和所有其它计算中忽略。

作为由半波延迟器温度补偿的替代，通过从两个光电检测器信号的DC偏移提取光纤线圈的温度，也可补偿传感器的温度相关性。然后在信号处理器中进行实际温度补偿。由于旋转角的温度相关性，DC偏移随旋转器镜(和因此光纤线圈)的温度变化。因此，两个DC偏移之差除以其和(图6)为线圈温度的量度(独立于源功率变化)。由于不能区分温度和直流的作用，该方法只能应用于交流电测量。为了补偿该方法的残余温度，这种方法也可与第一方法组合使用。

另外，也可通过电或光学或其它温度传感器测量光纤线圈的温度。

与温度变化相当，探测光波长的变化变得表现为法拉第旋转镜的变动旋转角，因此，除了传感光纤中韦尔德常数的波长相关性外，也引起工作点的一级变化和标度因数的二级变化。在光源未例如通过热电冷却器温度稳定的情况下，光源波长可例如随环境温度变化。在先前段落中所述用于在信号处理期间补偿温度影响的方法可同时补偿来自法拉第旋转器的变化探测波长的影响。因此，公开的传感器结构使得能够使用通常对温度显示显著波长相关性的非温度稳定光源，例如，如果通过另外的温度传感器测量法拉第旋转器温度。

如果使法拉第旋转器的温度和因此信号中的DC偏移得以稳定化，公开发明还能够测量DC电流，其条件为两个检测通道的差分光学损失为足够温度非相关的。

公开的信号评估和处理需要考虑PBS的两个输出通路中的不同(缓慢变化)光学损失。这可通过有差别地放大两个光电检测器信号，使得放大信号的AC或瞬态信号分量具有相等振幅来实现。

如果总法拉第旋转器角α_FRM保持恒定在45°(恒定温度)，也可通过调制光源功率实现来自两个光电检测器的信号归一化。在此情况下，可放大两个光电检测器信号，使得两个通道中的调制振幅相同。

概括而言，公开的传感器结构A解决先前部分中提出的问题：

- 通过有意非理想的半波延迟器补偿韦尔德常数的温度相关性。

- 或者或另外，用光电检测器信号的DC差异确定法拉第旋转器和因此光纤线圈的温度，其用于通过适合的信号处理进行温度补偿。

- 传感器头面相对于延迟器轴适当取向使弯曲诱导双折射的影响最大限度地减小。或者，可通过适当调节延迟器减小弯曲诱导双折射。

- 比较在两个光电检测器的AC或瞬态信号分量，使得能够校正PBS的两个输出通路中的不同光学损失。

传感器结构B

在结构B(描绘于图7)中，用非相干的左和右圆偏振光作为探测光用于传感光纤(代替结构A中的线性或近线性偏振光)。在PBS后通过双折射PM光纤段(或另一种双折射元件)和四分之一波延迟器组合产生圆光波。PM光纤轴现在对PBS和四分之一波延迟器的主轴以45°取向。在PBS输出端的线性光偏振态分解成平行于PM光纤轴的两个正交线性光偏振态。PM光纤中正交模式的差分群延迟长于光相干长度，因此，两个光偏振已在PM光纤段末端失去其相干性。通过例如由短PM光纤段制成的四分之一波延迟器，两个非相干线性光偏振转变成左或右圆偏振态。除了电流诱导的磁光相移外，在传感光纤末端的法拉第旋转器诱导左和右圆波之间90°相偏移。两个反射光波第二次通过四分之一波延迟器，并重新转变成正交线性偏振态。返回波的偏振态相对于前进波交换。因此，由于在返回通路通过PM光纤的差分延迟补偿，在它们到达PBS时，恢复两个态之间的相干性。使正交偏振态在PBS达到干涉。得到的两个反相干涉信号通过两个光电检测器PD1和PD2检测，并且对应于传感器结构A的相应信号。

为了补偿韦尔德常数的温度相关性，再次制造延迟器，具有与理想四分之一波延迟的偏离或解谐Δρ(类似于结构A中的半波延迟器调谐)：ρ=90°+Δρ。在此情况下，从延迟器返回到PBS的正交光波也包含具有未交换偏振方向的分量。那些分量在达到PBS时具有相对于交换分量 ±L·Δn_g的群延迟，因此，非相干地加入到检测信号。在此，L和Δn_g分别为PM光纤段的长度和正交模式的群折射率差(对于理想四分之一波延迟器但在传感光纤中具有非0线性双折射，也出现未交换偏振分量)。

在此实施方案中，传感线圈的法向有利地相对于延迟器轴以45°角定向，因为这种取向减小弯曲诱导双折射的影响。偏离此最佳定向可同样通过适当调谐延迟器延迟来补偿(见下)。

图8a显示作为电流函数的在两个光电检测器的归一化检测光功率，其中Δρ=0，且δ=0。在此，±100kA最大电流对应于在约±90°左和右圆光波之间的差分磁光相移。

利用以上部分1中注1中所给的传感器参数，延迟器的延迟必须选择为ρ=75°(Δρ=-15°)，以补偿韦尔德常数的温度相关性。

如图8b中所示，关于S₁和S₂的两条曲线的不对称可如下解释：延迟器解谐产生从光纤线圈返回到PBS的额外相干和非相干光波分量。额外分量的相互相在两个检测器通道是不同的，然后产生不对称响应。额外情况是180°-延迟器(Δρ=90°)，如以下结构C中考虑。在此，在0电流下两个通道的强度比为3:1，这可由光波的简单矢量模型解释。

由于法拉第旋转器产生的相偏移，图8b中曲线的斜度在0电流再次为最大。

图9描绘在Δρ=–15°和在PBS轴和传感器线圈平面之间为45°角的情况下对标度因数的温度相关性各自的贡献(即，来自韦尔德常数、延迟器和法拉第旋转器的贡献)和总体温度相关性。韦尔德常数和延迟器的一级温度贡献相互接近抵消，总体温度相关性主要通过由法拉第旋转器产生的二级温度相关性给出。随温度改变旋转角使圆波相偏移离开90°，即最高灵敏度角。然后，传感器灵敏度与角变化的余弦成比例下降。

如果传感器线圈平面的法向不以45°而是平行于延迟器轴取向，弯曲诱导双折射就使最佳工作点(即，最高灵敏度点)从0电流偏移。此问题可通过充分调谐延迟器来解决：图10显示具有和没有弯曲诱导双折射(分别为虚线和实线)的作为Δρ函数的在0电流的归一化标度因数。在弯曲诱导双折射不存在下，此曲线在180°延迟的倍数达到最大值。在弯曲诱导双折射存在下，利用Δρ≈18°，在0电流达到最大灵敏度。通过从Δρ≈18°偏离适合量，可实现补偿韦尔德常数的温度相关性，相当于图9中所绘的情况。

另一方面，如果线圈法向对延迟器轴以45°取向，则在Δρ≈0°达到最佳灵敏度，即使在弯曲诱导双折射存在下(图11)。因此，线圈法向对延迟器轴以45°或至少在例如约45°±15°或±10°或±5°角范围的这种取向是优选的。

传感器结构C

结构C与结构B在延迟器的延迟方面是不同的，达到ρ=180°+Δρ。在此，相互正交的基本线性偏振的非相干波束射入传感光纤。在此情况下，标度因数接近最小值(见图10和图13)。然而，这种装配使得能够显著降低二级温度相关性，因为与其它结构相比，来自延迟器和法拉第旋转器的二级贡献具有相反符号。在结构C的情况下，与理想半波延迟的偏离增加标度因数(见图10, 11)，并因此补偿减小标度因数的与理想工作点的偏离。因此，随着ρ接近180°，延迟器以适合符号的二次项贡献给总体温度相关性，因此，可用于充分补偿法拉第旋转器的二次温度效应和韦尔德常数的线性效应两者。标度因数的温度相关性和各自的贡献绘于图14中。

法拉第旋转器

22.5°-旋转器通常不是现成产品，而45°-法拉第旋转器(对于光单通具有45°偏振旋转)以不同操作波长广泛可用于光学隔离器和法拉第旋转器镜。然而，由于法拉第效应粗略与波长平方的倒数成比例缩放，因此，对于利用1310nm光的传感器，可利用具有1550nm规定操作波长的45°-法拉第旋转器：在此情况下，单向有效延迟为约63°，因此，接近角α_FRM=22.5°+45°，相当于旋转22.5°。然而，应注意，旋转角的温度相关性比真实22.5°-旋转器高至3倍。另外，在1310nm使用规定用于820nm操作的45°-旋转器产生约18°旋转角，因此，接近22.5°理想角。

在镜前的法拉第旋转器可沿传感光纤端在任何位置由一个或数个法拉第旋转器代替，只要总往返延迟合计达45°+M·90°，其中M为整数。尤其是，可能的实现可在传感线圈的开端需要22.5°延迟器，在传感光纤的末端需要45°法拉第旋转镜[4]。这种实现将减小来自传感光纤中弯曲诱导双折射的影响。

由于旋转器暴露于电流导体的磁场，因此，重要的是，使旋转器通过适合的磁屏屏蔽磁场，或者施加到高V玻璃板的磁场显著高于此玻璃的饱和磁场加上从电流产生的任何可能磁场。

光纤和连接器

与根据Ref. 1的干涉传感器比较，以上传感器结构的特别优点在于，是标准单模光纤而非偏振保持光纤使光从光源传送到传感器头，并传回到光电检测器。因此，为了制造传感器模块并有利于安装过程，可用标准低成本光纤连接器代替偏振保持连接器。

去偏振器

通常光源发射具有某种偏振程度的光。没有其它措施，在光从光源传导到传感器头时，光的偏振态可随机变化。为了避免偏振相关性损失(特别在偏振分束器的输入端口)和导致信号不稳定性，有利地用光纤里奥去偏振器使源光去偏振。出于相似原因，也可将去偏振器放入接近PBS的两个检测通道，以在其通过PBS后使返回光去偏振。

一些可能改进

以上提出结构的PBS可由偏振保持光纤耦合器和光纤偏振器分别在两个检测器端口代替。偏振方向相互正交，即，在一个端口，偏振平行于耦合器尾的快轴，在另一个端口平行于慢轴。这种改进更紧凑，并且具有潜在较低的插入损失和较佳的热稳定性。

上述低双折射单模传感光纤可由纺成双折射光纤代替[11]。在此类型光纤中，光的偏振相对于外应力更稳健，例如，对光纤弯曲、光纤涂布或包装。

延迟器可从不同类型的偏振保持光纤制造(例如，从具有内应力体的光纤、微结构光纤或椭圆芯光纤)。这些光纤具有其双折射的不同温度相关性，因此可选择以实现最佳温度补偿。如果需要，也可用多级延迟(即，N>0)提高延迟器的温度响应。

由于熔凝石英的弯曲诱导双折射δ也为温度相关的(6·10^-4 K^-1 [12])，因此，这也将影响传感器信号。可调谐延迟器，以便其不仅补偿韦尔德常数(和法拉第旋转器)的温度相关性，而且补偿对弯曲诱导双折射δ的温度相关性的标度因数的影响。

通过查表或多项式，可在信号处理器中使在较大电流的非线性传感器响应成为线性。

如果传感器在相对小的温度范围内操作(并因此随温度只有小的工作点变化)，可足够利用单检测通道工作。因此，优选用在线光纤偏振器代替PBS。

其它注解

由上述实施方案实现的一些其它目的包括：

- 提供具有通过法拉第旋转器的无源相偏移(工作点调节)的传感器结构。

- 实现传感光纤中和法拉第旋转器中法拉第效应的温度相关性的内在补偿。

- 或者，提供从光信号提取传感光纤线圈温度和在信号处理器中补偿温度影响的方法。

- 提供补偿传感光纤线圈中弯曲诱导双折射的装置。

- 可补偿检测通道中的不同光功率损失。

- 可实现在<±1%内精确度的测量(足以用于输电和配电中的保护应用)。

- 可在光电模块和传感光纤线圈之间使用标准光纤。

- 提供使用廉价市售组件的传感器。

总的来说，作为传感线圈一部分的22.5°法拉第旋转器确定传感器的工作点。线圈用基本线偏振光或非相干的基本左和基本右圆偏振光波操作。在一个有利的布置中，偏振分束器产生随变化电流反相改变的两个光信号。信号处理器从两个反相信号确定电流。在光纤线圈前用适合解谐的光纤半波或四分之一波延迟器消除温度和弯曲诱导双折射的影响。另外，可从反相信号偏移的差异得到温度，并且可用此温度在信号处理器中消除温度影响。

参考文献

1. G. Frosio和R. Dändliker, Reciprocal reflection interferometer fora fiber-optic Faraday effect current sensor(用于光纤法拉第效应电流传感器的倒易反射干涉仪), Appl. Opt. 33(25), 6111 (1994).

2. “The fiber-optic gyroscope”(光纤陀螺仪), Herve Lefevre, ArtechHouse, Boston, London, 1993.

3. EP 2010925, Fiber-Optic current sensor with polarimetric detectionscheme(利用偏振检测方案的光纤电流传感器).

4. F. Briffod et al., Polarimetric current sensor using in-lineFaraday rotator(使用在线法拉第旋转器的偏振电流传感器), IEICE Trans.Electron., E83-C, 331 (2000).

5. K. Kurosawa et al., Flexible fiber Faraday effect current sensorusing flint glass fiber and reflection scheme(使用火石玻璃光纤和反射方案的挠性光纤法拉第效应电流传感器), IEICE Trans. Electron., E83-C, 326 (2000) 和Optical Fibre Sensors Conference 13, 1999 April 12-16, 1999, Kyongju, Korea.

6. H. Lin et al., Modified in-line Sagnac interferometer with passivedemodulation technique for environmental immunity of a fiber-optic currentsensor(用于光纤电流传感器的环境抗性的利用无源解调技术的改进在线沙哥纳克干涉仪), Appl. Opt. 38, 2760 (1999).

7. US2007/0273358A1 (PCT/JP05/15004): Method for reducing temperaturedependent error in photocurrent sensor and photocurrent sensor device(减小光电流传感器和光电流传感器装置中温度相关误差的方法).

8. US2010/0253320A (PCT/JP2008/057933): Optical fiber electriccurrent sensor and electric current measurement method(光纤电流传感器和电流测量方法).

9. EP 1115000

10. R.C. Jones, A new calculus for the treatment of optical systems(光学系统处理的新计算法), J. Opt. Soc. Am. 31, 488 (1941).

11. R. I. Laming和D. N. Payne, Electric current sensors employingspun highly birefringent optical fibers(利用纺成高双折射光纤的电流传感器), J.Lightw. Technol., 7, 2084 (1989).

12. Z.B. Ren, P. Robert,和P.-A. Paratte, Temperature dependence ofbend- and twist-induced birefringence in a low-birefringence fiber(低双折射光纤中的弯曲和缠绕诱导双折射的温度相关性), Opt. Lett. 13, 62, (1988)。

Claims

1.一种电流传感器，所述电流传感器包括：

光源，

从所述光源接收光并产生偏振光的第一线偏振器，和

传感器头，所述传感器头具有：

- 延迟器，所述延迟器从所述第一线偏振器接收光，

-其中所述延迟器解谐|Δρ|在1°至30°的范围内，并用于降低测量信号中的温度相关性，

- 布置成从所述传感光纤接收光的镜，和

- 在所述延迟器和所述镜之间布置的法拉第旋转器，其中所述法拉第旋转器使光旋转(22.5°+M·45°)±10°，并且M为≥0的整数，

- 所述电流传感器进一步包括至少一个检测器，所述检测器适合检测从所述传感器头通过所述第一线偏振器返回的至少一个光信号，

所述电流传感器特征在于，

所述延迟器具有90°+Δρ+N·180°或180°+Δρ+N·180°的延迟，其中延迟器解谐Δρ≠0，并且N为≥0的整数，并且

所述延迟器的延迟应使得其至少部分补偿所述传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿所述法拉第旋转器产生的旋转角的温度相关性。

2.如权利要求1的电流传感器，其中延迟器解谐|Δρ|在1°和15°之间，并用于降低测量信号中的温度相关性。

3.如权利要求1的电流传感器，其中所述延迟器的延迟应使得其至少部分补偿所述传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿所述传感光纤的双折射的温度相关性和所述法拉第旋转器产生的旋转角的温度相关性。

4.如权利要求1的电流传感器，其中所述延迟器的长度应使得其至少部分补偿所述传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿所述传感光纤的双折射的温度相关性和所述法拉第旋转器产生的旋转角的温度相关性。

5.如权利要求1-4中任一项的电流传感器，其中所述延迟器具有相对于所述偏振光的偏振方向以45°±10°角布置的主轴，具体地讲，其中所述偏振光入射在所述延迟器上。

6.如权利要求1-4中任一项的电流传感器，所述电流传感器进一步包括在所述偏振器和所述延迟器之间布置的双折射元件，所述双折射元件具有相对于所述偏振光的偏振方向以45°±10°布置的主轴，其中所述双折射元件引入超过所述光相干长度的差分群延迟，并且其中所述延迟器具有相对于所述双折射元件的主轴以45°±10°角布置的主轴。

7.如权利要求6的电流传感器，其中所述延迟器具有180°+Δρ+N·180°的延迟，其中所述延迟器的延迟应使得其至少部分补偿所述传感光纤的所述韦尔德常数的温度相关性和所述法拉第旋转器产生的所述旋转角的温度相关性，并且补偿所述传感光纤的双折射的温度相关性。

8.如权利要求6的电流传感器，其中所述延迟器具有180°+Δρ+N·180°的延迟，其中所述延迟器的长度应使得其至少部分补偿所述传感光纤的所述韦尔德常数的温度相关性和所述法拉第旋转器产生的所述旋转角的温度相关性，并且补偿所述传感光纤的双折射的温度相关性。

9.权利要求6的电流传感器，其中所述延迟器具有90°+Δρ+N·180°的延迟，其中N为大于或等于0的整数。

10.如权利要求6的电流传感器，其中所述双折射元件为双折射偏振保持光纤。

11.如权利要求7的电流传感器，其中所述传感光纤在平面中布置，其中该平面的法向对于所述延迟器的主轴在45°±15°的角。

12.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中所述传感光纤在平面中布置，其中该平面的法向对于所述延迟器的主轴在45°±15°的角。

13.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，所述电流传感器进一步包括

第二线偏振器，

第一光电检测器，所述光电检测器适合检测从所述传感器头通过所述第一线偏振器返回的至少一个光信号，和

第二光电检测器，所述光电检测器适合检测从所述传感器头通过所述第二线偏振器返回的至少一个光信号，

其中所述第一线偏振器和所述第二线偏振器具有相互正交的偏振方向。

14.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中N>0。

15.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中所述法拉第旋转器产生约45°+90°的可能倍数的往返旋转。

16.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中所述法拉第旋转器的所述温度相关性在α_FRM=45°、在室温的情况下是dα_FRM/dT=-0.03°/K，所述延迟器的所述温度相关性是1/ρ(dρ/dT)=-2.2·10^-4/K，在室温并且在λ=1310nm的所述韦尔德常数是V=1.0·10^-6 rad/A，并且所述韦尔德常数的所述温度相关性是1/V(dV/dT)=7.1·10^-5/K，其中，α_FRM是由于法拉第旋转镜造成的往返旋转、T是温度、ρ是延迟。

17.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中使用下列参数：传感光纤直径d=125μm，传感光纤线圈直径D=170mm，传感光纤长度2136mm并且N=4圈，以及弯曲诱导双折射δ=0.5rad (d/D)²/λ。

18.如权利要求1至4中任一项的电流传感器，其中所述韦尔德常数和所述延迟器的一级温度贡献相互接近抵消，并且总体温度相关性主要通过由所述法拉第旋转器产生的二级温度相关性给出。

19.一种用于电流测量的方法，使用前述权利要求中任一项的电流传感器，所述方法包括以下方法要素：

- 使光从光源通过第一线偏振器传送到线延迟器，由此按向前方向，在镜反射后按向后方向，经过法拉第旋转器和围绕传导电流的导体布置的传感光纤，其中所述法拉第旋转器使光旋转(22.5°+M·45°)±10°，并且M为≥0的整数，并且

- 检测通过所述第一线偏振器返回的光，

所述方法进一步特征在于以下方法要素：

- 在所述延迟器中，使光延迟90°+Δρ+N·180°或180°+Δρ+N·180°的延迟，其中延迟器解谐Δρ≠0，且N为≥0的整数，并且

- 选择所述延迟器解谐Δρ为非零，以降低测量信号中的温度相关性，

- 选择所述延迟器解谐的绝对值|Δρ|在1°至30°的范围内，用于至少部分补偿所述传感光纤的韦尔德常数的温度相关性，并且补偿所述法拉第旋转器产生的旋转角的温度相关性。

20.如权利要求19的用于电流测量的方法，进一步包括以下方法要素：

- 选择所述延迟器解谐的绝对值|Δρ|在1°和15°之间，用于至少部分补偿所述传感光纤的所述韦尔德常数的温度相关性，并且补偿所述传感光纤的双折射的温度相关性和/或所述法拉第旋转器产生的所述旋转角的温度相关性。