CN1049561A - 用于电流强度测量的光纤装置 - Google Patents

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Abstract

利用法拉第效应测量电流强度的光纤配置，环绕 着电流流经的导体1的磁场影响光偏振状态，光通路 经过以线圈形式环绕着导体1的光纤2的芯部，从光 纤2引出的光用分束器9分成两部分光束，分别通过 起偏器12和11之后其强度(I1和I2)分别用光探 测器14和13测出，达到扩大该配置测量范围的目 的是让起偏器12和11相互对应作对称旋转实现 的，而不是常规的45度角，起偏器12，11与引入光 纤2中的光的偏振平面之间的角(α)在+20度和+40 度间或在-20度和-40度间。

Description

本发明涉及一种光纤配置，通过它可利用法拉第效应来测量电流强度，环绕着电流所流经的导体的磁场可影响光的偏振状态，而光通路经过以线圈形式环绕着该导体的光纤芯部，由光纤引出的光用一分束器分成两部分光束，在分别通过一起偏器之后它们的强度分别用一光探测器测出。
这种装置特别适用于高压系统中，用来测量处于高电位的线路中的电流。由于光束波导（beam  waveguide）是用已知为良好电绝缘体的玻璃制成的，连接到地电位的显示装置相对于所测量和显示的电流流经的处于高电位的导体的绝缘是不成问题的。
这种装置见于DE-AS2261151，其中由一光源发出的光经一起偏器被引向一个半透明片。由此处，偏振光进入一根其一部分绕成线圈的光纤（此处称为光束波导），一高压导体沿其轴向延伸，且被测电流流经该导体。在其端头，该光纤线圈有一金属化表面，并在那里设有一反光镜。偏振光通过整个光纤，由于法拉第效应的结果在光纤呈线圈形部分出现作为流经导体的电流所产生的磁场的函数的偏振面的旋转，在线圈的端头，光束被反射回去，并再次通过该线圈，在这种情况下又会出现偏振平面的旋转。其偏振平面旋转的光从光纤中射出，穿过半透明片，进入一能够确定并显示进入光纤的光的偏振平面与从光纤发出的光的偏振平面之间的角度的分析装置，在这种情况下，该角度的大小正比于对磁场强度作的路径积分值。
根据DE-AS2835794，也可见到一种利用法拉第效应来测量电流强度的光纤配置，其中环绕着电流流经的导体的磁场影响光的偏振状态，而光通路通过以线圈形式环绕该导体的光纤的芯部。不同于DE-AS2261151，在这种配置情况下，在光纤的一端没有反射面，而光是从一端引入并从另一端再引出的，在这种情况下用光纤绕成的线圈必须有两倍的匝数，以求获得相同的偏振平面旋转角度，因为光只通过线圈一次。
在上述两种情况下，分析装置中包括一分束器，可将引出的光分成两部分光束，在光束通过两个相互垂直取向的起偏器之后，它们的偏振平面相互垂直，而它们的强度可用两个光探测器测出，于是它们的光通量将为：
I1＝I0（1+Sin2θ）
和：
I2＝I0·（1-Sin2θ），
其中角度θ根据：
θ＝V·N·I
是成正比的。围绕载流导体的光纤匝数为N。与材料有关的比例常数可确定为：
V＝2.6·104rad/A（弧/安）
由两个光通量，根据：
UA= (I1-I2)/(I1-I2) =sin2θ=sin2·V·N·I
于是得到输出信号UA，它是被测电流的正弦函数。
为了降低必须实时进行的计算的费用，测量元件设定得使与电流相关的角度θ保持较小。因而正弦函数可作线性近似，因为小角度的正弦值近似等于该角度。
此外，很大的电流，例如短路电流，可引起超过45度的光偏振平面旋转，而无法用上述方法检测出来，因为正弦函数只有在-90度到+90度的角度范围内才是正负明确的。由于这个原因，例如，在DE-AS2541027所述的一种已知方法中，用一个单独的补偿线圈和一个速控环，消除了偏振平面的旋转。作为对电流截止相位的不可避免的调节量值限制的结果，动态范围和带宽都很小。此外，这些截止相位的较高能耗也妨碍了这种想法的应用。
本发明的一个目的就是提供一种最初说明的光纤装置，能够进行更大范围电流的检测而不增加能耗。
这个目的的实现是通过使起偏器相互对应作对称旋转，而不同于常规的45度夹角。
根据本发明的优点的进一步扩展，起偏器和引入光纤的光的偏振面之间的角度被选在+20度和+40度之间或者在-20度和-40度之间。
由本发明获得的优点特别在于对于很大的偏振面旋转，输出电压UA的线性近似仍然成立。结果，与在已知装置的分析手段相比，动态范围得以扩大。通过加上计算机的支持分析手段可直接检测光通量I1和I2，超过45度的偏振平面旋转仍可检测出来。
一个实施例如图所示，并在下面作详细说明。
图1为此发明所述配置的示意性结构图;而
图2为此发明所述配置中分析装置的输出信号作为偏振平面旋转角度θ的函数的函数图形。
图1所示用来测量电流强度的光纤配置包括一根从其安放在透镜7的端头6延伸到处于高压的导体1的光纤2，它环绕着该导体1绕成多匝的线圈3并返回到透镜7附近，在此处其端头4有一校准得相对于光纤纵轴向成直角的金属化表面。
透镜7将从激光器10发出并用分束器8送来的偏振光送入光纤2的端头6。在光纤2做成线圈3的部分内，光束波导受到由流经导体1的电流所产生的磁场的作用。由于法拉第效应的结果，所导光的偏振平面当其通过线圈3亦即通过磁场时被旋转，旋转角度的大小就是对磁场强度作的路径积分值的量度。
过了线圈3之后，光仍然沿着光纤，到达其另一端头4，此处光在金属化端面5上被反射回去，因而沿相反方向通过光纤2并通过线圈3区域内的磁场，在这种情况下偏振平面再次被旋转，以致当光到达透镜7时，总体上的偏振平面旋转角度与光到达金属化端面5时的旋转角度相比被加倍。
光的引入和引出是用透镜7来实现的。在引出时，从光纤2发出的光通过分束器8到达一分析装置，该装置包括另一分束器9、两个起偏器11和12以及两个光探测器13和14，在其中可以确定光通过光纤2时其偏振平面所历经的并且作为流经导体1的电流强度的量度的旋转角度。
起偏器11和12相互对应作对称旋转，而不同于常规的45度夹角，尤其是按这样一种方式：起偏器11和12与引入光纤2的光的偏振平面之间的角度在+20度和+40度之间或者在-20和-40度之间，用这个偏振角α来表示，光通量为
I1＝I0·（1+Cos（2θ+2α））
和
I2＝I0·（1+Cos（2θ-2α））。
按上述方法从光通量可确定输出信号UA。结果为图2中的曲线，它表示对应于起偏器11和12的不同角位置α作为偏振平面旋转角度θ的函数的输出信号UA。如图2所示，在起偏器角度α在20度和40度之间的情况下，输出信号UA对正比于被测电流的偏振平面旋转角度θ的依赖关系大体上被线性化了。对于相当大的偏振平面旋转量，输出信号UA的线性近似是有效的。结果，与常规分析手段相比，动态范围得以提高。用附加的计算机辅助的可直线得出光通量I1和I2的分析手段，超过45度的偏振平面旋转量也可以检测出来。

Claims (2)

1、一种利用法拉第效应来测量电流强度的光纤配置，环绕着电流所流经的导体1的磁场可影响光的偏振状态，而光通路经过以线圈3的形式环绕着导体1的光纤2的芯部，由光纤2引出的光用分束器9分成两部分光束，强度(I1、I2)在光束分别通过起偏器12和11之后分别用光探测器14和13测出，其特征在于起偏器12和11是相互对应作对称旋转的，而不同于常规的45度夹角。
2、权利要求1所述光纤配置，特征在于起偏器12和11与进入光纤2中的光的偏振平面之间所成的角度（α）在+20度和+40度之间或者在-20度和-40度之间。
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