CN107003343A

CN107003343A - 具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器

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Publication number: CN107003343A
Application number: CN201580056768.3A
Authority: CN
Inventors: G.米勒; K.博内特; A.弗兰克; 杨琳
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Grid Switzerland AG
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2015-08-18
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-08-18
Also published as: US20170160315A1; WO2016026861A1; CN107003343B; RU2677990C2; EP3183585A1; RU2017108534A3; RU2017108534A; US10481182B2

Abstract

描述光纤电流传感器，该光纤电流传感器具有:光电模块部分（10‑2）其用于检测通过感测光纤（12）中的被测量的场而感应的光学相移;传感器头（10‑1）,其包含感测光纤（12），其中，感测光纤（12）是具有长度的旋转的高双折射光纤，该长度沿着由感测光纤线圈所给定的空间曲线通过线积分定义，使得感测光纤（12）的长度L是充分长的以便抑制由于感测光纤（12）的旋转特性而导致的热信号不稳定性，而光纤绕组的有效数量是足够低的以便将最大敏感性维持于光纤传感器（10）的全测量范围内。

Description

具有旋转的双折射感测光纤的光学传感器

发明领域

本发明涉及如通常在高电压或高电流应用中使用的包括将暴露于将测量的电流的磁场的感测光纤的光纤电流传感器（FOCS）。

发明背景

光纤电流传感器基于围绕电流导体盘绕的光纤中的磁光圆形双折射。该双折射表示沿着感测光纤累积的左和右圆形偏振光状态之间的相移。总相移与磁场的线积分成比例，其在其中感测光纤的两端在空间上极为接近的闭合的（或成环的）感测光纤线圈的情况下与包封的电流I乘以光纤绕组数N简单地成比例。

更精确地，左和右圆形偏振光状态之间的磁光相移总计4VNI（在反射型传感器中操作的光纤线圈）或2VNI（在透射型传感器中操作的光纤线圈），其中，V是石英光纤的维尔德常数。例如，在熔合的石英光纤中，在1310 nm下，。

存在不同的检测方案和传感器，以查询该相移：简单的方案在的范围内起作用，然而，更复杂的闭环的方案通常涵盖从至的范围[3]。因此，围绕电流导体的传感器光纤绕组的数量确定传感器在电流方面的测量范围，因为，更高数量的绕组增大磁光相移，且因而，增大信噪比，但降低在可检测相移的相应的固定范围内能够测量的最大电流。例如，在一个光纤绕组的情况下，对于最大可检测相移，在1310 nm下的最大可检测电流大致与在反射中操作的电流传感器的390 kA（或780 kA）相对应。该电流范围能够进一步通过高磁光相移下的非线性传感器特性来影响。

例如，在电积工业中以及用于针对电功率传输中的故障电流和收入计量的保护的过程控制中，进行对高电流的测量。

在已知的传感器中，使用不同类型的感测光纤。一个具体的光纤类型是旋转(spin)的高双折射光纤,其在拉丝过程期间通过使线性双折射光纤的光纤预制件(preform)旋转而生产。因此，局部线性双折射的主轴沿着光纤旋转，这引入椭圆光纤双折射，并且使光波的近圆形偏振状态针对弹光耦合更稳健，且因此，针对扰乱对外部机械应力源更稳健，但仍然在宽的参数范围中维持充分的对电流的磁场的敏感性。因而，与非双折射感测光纤或低双折射感测光纤相比，将旋转的高双折射光纤用作感测光纤实现简化的封装。旋转的高双折射光纤通过局部线性双折射描述，例如，通过线性拍长和旋转间距表达，线性拍长是产生双折射相移的等效的非旋转的高双折射光纤的长度区段，旋转间距是提供旋转的高双折射光纤中的局部线性双折射的主轴的完全旋转(fullrevolution)的旋转的高双折射光纤区段的长度。由于良好的稳健性与高电流敏感性之间的权衡,通常选择这些参数，使得旋转比x大于一：

由于光纤的双折射随着温度而变化，因而作为采用旋转的高双折射光纤的光纤电流传感器的温度的函数的信号能够展现振荡行为。这是不理想的，因为它限制传感器的准确度。众所周知的是通过使用宽带光源（中心波长，半最大值下的全光谱宽度（FWHM））和充分的长度L的感测光纤来能够充分地抑制这些不稳定性[4]。在反射中操作的光纤电流传感器的情况下，感测光纤长度L最佳地满足下面的要求：

，

其中，

对于，参见例如[4、5]。典型值为例如、、以及，使得。对于在透射中操作的电流传感器，上面的表达成为：

。

显然，在这两种情况下，光纤的某一最小长度的这种设计规则扩大感测线圈直径，如果需要检测高电流，则因为仅允许少量的感测线圈绕组，以便分别停留在可检测磁光相移的范围内（例如，或内）。

因此，本发明的目的看作提供上面的种类的光学传感器（例如光纤电流传感器（FOCS）），其在避免由于旋转的高双折射光纤的典型的特性（变温下的传感器信号中的振荡分量）而导致的传感器准确度的降低的同时，且具体地，在针对旋转的高度双折射感测光纤的给定的最小长度而维持高的最大可检测电流的同时，降低光纤应力的不利影响，并且，使感测光纤线圈的组装简化。

与解决上面的目的的传感器无关，已知许多特殊的用于光纤电流传感器的感测光纤布置，例如：

-基于具有传感器光纤中的逆向传播的波的Sagnac干涉仪的用于光纤电流传感器的设计，该传感器光纤包含感测光纤线圈，且为了降低振动敏感性，包含逆向缠绕的光纤线圈[6、7、8、18]。如例如在参考文献[6]中所述的，这种形式的补偿要求与电流感测环路或线圈的乘积相同的逆向缠绕的绕组的数量或匝数乘以由环路或线圈包封的面积的乘积，即NsAs= - NcAc（其中，“s”表示感测线圈，并且，“c”表示补偿线圈。这种形式的补偿特定于Sagnac干涉仪，而不发现于不倾向于Sagnac效应的反射的干涉仪中。应当进一步注意到，为了是有效的，必须将补偿线圈取向于与感测线圈相同的平面中。在大部分的实施例中，补偿线圈由通过光学延迟器而与感测光纤线圈分离的光纤区段制成。

-在[18]中，还公开了仅采用Sagnac效应的部分补偿的实施例，即，不满足上面提到的关于所包封的面积的条件。

-带有具有光纤绕组的相反指向的两个反射的光纤线圈的传感器[9]。

-包含将主电流导体包封的第一感测光纤线圈和将辅助电气绕组包封的第二线圈的电流传感器，其中，辅助绕组是闭环的反馈电路的一部分，以补偿第一线圈的磁光相移[10]。

-采用传感器线圈的两端之间的间隙的磁隔离(magnetic screening)的传感器头[11]。

-用来测量不同的导体中所承载的电流的和或差的光纤电流传感器包含通过光学延迟器和非敏感光纤而分离的多于一个的感测光纤线圈[12]。

-具有在彼此正交的平面中的两个光纤线圈的光纤电流传感器，经过直电流导体,为了消除具有对沿着光纤区段的长度变化的磁场的敏感性的该区段的影响[13]。

-用于监测由第一及第二光纤泄漏电流传感器组成的缆线的组合件，每个包含第一及第二电流感测线圈，这两个线圈优选地带有具有相反的旋转指向的相同数量的光纤绕组。第一传感器的第一线圈和第二线圈集中于将监测的缆线的第一端和第二端处。第二传感器的第一线圈集中于第一端处，而第二线圈分布于缆线上[17]。

发明内容

根据本发明的第一方面，存在提供的光纤电流传感器，该光纤电流传感器具有光电模块部分和传感器头，该光电模块部分用于检测通过电流的磁场而在感测光纤中感应的磁光相移，该传感器头包括感测光纤，其中，感测光纤是具有长度的旋转的高双折射光纤，该长度由沿着由感测光纤所描述的空间曲线的线积分定义，其中，对于透射光学传感器（在此，具体地是使用同向传播的光波的透射光学传感器），感测长度被定义为，并且，对于通过反射器终止的感测光纤，感测长度被定义为，并且，，其中，，并且，x是旋转的高双折射光纤的旋转比，是中心波长λ相对于感测光纤（12）中的光的光谱宽度的比，并且，是旋转的高双折射光纤的局部线性双折射，并且，其中，，其中，是50 cm或更小，并且，a和b是将感测光纤包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，并且，通过具有下面的特征中的至少一个而减小光纤中所累积的磁光相移：

（i）感测光纤的一个或更多个区段形成将电流包封的环路，但相对于形成将电流包封的环路的感测光纤的其他区段而逆向缠绕，

（ii）感测光纤的一个或更多个区段至少部分地被磁屏蔽，以及

（iii）感测光纤的一个或更多个区段形成未将电流（即，电流导体）包封的环路。

在本发明的实施例中，由保偏光纤将传感器头与光电模块连接。

在实施例中，传感器不是使用逆向传播的光波的透射光学传感器。在另外的实施例中，感测光纤通过反射器终止，或传感器是使用同向传播的光波的透射光学传感器。

在实施例中，感测光纤具有形成将电流包封或设计用于将电流或承载电流的电流导体包封的环路的一个或更多个区段。

在实施例中，形成将电流包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段具体地意味着形成设计用于将电流或承载电流的电流导体包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段；并且，形成未将电流包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段具体地意味着未设计用于将电流或承载电流的电流导体包封的环路。

在另一实施例中，将电流包封的逆向缠绕的环路的数量与将电流包封的非逆向缠绕的环路的数量是不同的。

因而，提供一种光纤电流传感器，该光纤电流传感器具有：光电模块部分，用于检测在感测光纤中通过磁场而感应的光学相移，所述模块能够包括例如光源、偏振部件以及有源或无源相移检测系统；传感器头，包括通过保偏光纤而与光电模块连接的感测光纤，其中，感测光纤是旋转的高双折射光纤,其具有几何长度和光纤绕组的有效数量N_eff，该几何长度由沿着由感测光纤线圈所给定的空间曲线的线积分定义，其中对于给定的光纤线圈尺寸，有效的光纤长度L_eff与光纤绕组的该有效数量相关联，其中L_eff < L，使得感测光纤的几何长度是充分长的以便抑制由于光纤的旋转特性而导致的信号不稳定性，而光纤绕组的有效数量是足够低的以实现充分高的最大可检测电流。

通过具有形成未使将测量的电流包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段，或通过具有与使将测量的电流包封的一个或多个剩余的区段相比而形成在相反的指向上使将测量的电流包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段，或通过具有被磁屏蔽的感测光纤的一个或更多个区段或这些敏感性降低元件中的两个或更多个的组合，从而减小与被测量的电流成比例的磁光相移。应当注意到，在感测光纤不围绕电流导体缠绕的情况下，环路或线圈能够是简单的折叠件(fold)。然而，在本发明的优选的实施例中，感测光纤的两端在空间上极为接近，具体地，比10 mm更近，或甚至比5 mm更近。另外或作为备选方案，在磁屏蔽的感测光纤区段的情况下，感测光纤的未屏蔽端与磁屏蔽的感测光纤区段的开始在空间上极为接近。

感测光纤的区段被定义为，当例如通过将感测光纤的区段包封于磁屏蔽材料内，从而在该区段的位置处，降低将测量的电流或磁场的效应时，被屏蔽免受电流。

如前言中所提到的，迄今为止，感测光纤的附加环路仅用于Sagnac型干涉仪的传感器（参见参考文献[6、7、8]），其中，将在条件NsAs = - NcAc的情况下的逆向缠绕的光纤线圈的附加环路引入到光路中，以补偿振动。

在本发明的变型中，传感器具有满足以下的条件的有效绕组数：

其中，是沿着感测光纤线圈（具有几何长度L）的空间曲线（由向量空间曲线元ds定义）的磁场向量H的线积分，I是将测量的电流，并且，| I |是将测量的电流的绝对值，

，

其中，a和b是将感测光纤线圈包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，是表征用于传感器头的可用体积的长度，并且，是数字因数，具体地，C = 1、0.9、0.8、0.5或0.3。

在其中可用于传感器头的体积被制约的情况下，最佳地应用上面的方面。因此，优选的是将最大长度限制于50 cm或甚至30 cm，从而允许紧凑的传感器头的设计。

传感器光纤长度L是这样的以致于在通过反射器终止的感测光纤的情况下，

，

或者，在透射光学传感器的情况下，

。

在实施例中，传感器光纤长度L是这样的，以致于在通过反射器终止的感测光纤的情况下，

，

或者，在透射光学传感器的情况下，

。

在该实施例的特别地优选的变型中，这样选择长度L的下限，以致于对于反射的配置，根据下式而确定感测光纤中的（热）信号不稳定性的预期的幅度K：

或者，对于在透射中操作的传感器，根据下式而确定该幅度K：

其中K低于平均信号的0.5 %或甚至低于0.1 %，并且，其中x是旋转比，并且在1至20，或具体地，在2至10的范围中。

进一步优选的是有效绕组数是小的正整数，具体地， = 1，或 = 2。

应当理解到，具有长度L的感测光纤的区段优选地为不中断的单件光纤。具体地，优选的是感测光纤的旋转间距p或周期性沿着长度L为恒定的，和/或感测光纤性质沿着长度L为均质的。因而，在本发明的该实施例中，排除感测光纤,其中具有长度L的光纤的区段由光纤的两个或更多个截然不同的区段（不论是拼接在一起，还是被不同的种类或另外的光学元件（例如延迟器）的光纤的区段中断）制成。

如上面所提到的元件优选地集成至反射类型的传感器中，即，其中，感测光纤通过反射器终止。

然而，元件还能够用于透射类型的传感器，具体地，使用同向传播的光波的透射光学传感器。

磁屏蔽件优选地由诸如镍铁合金（例如，Ni₈₀Fe₂₀）、钴铁合金以及非晶态磁性合金的软磁材料制成。

如上所述的元件能够集成至传感器中，其中相位检测系统包括有源相位调制器或无源光学元件用于引入波模式之间的相位偏置。这类相位检测系统本身是已知的。

在下面的描述和附图中更详细地描述本发明的上面的方面及其他方面，连同本发明的进一步有利的实施例和应用。

附图说明

图1A是光纤电流传感器的已知组件的示意图；

图1B和1C图示根据具有无效环路的本发明的示例的对图1A的传感器的修改；

图2A和2B图示具有对传感器信号负贡献的环路的本发明的另外的变型的示例；以及

图3A和3B图示采用磁屏蔽的本发明的另外的变型的示例。

具体实施方式

采用下文中所公开的感测光纤布置的光纤电流传感器的实施例包含：宽带光源，例如超发光二极管、发光二极管或光纤光源；信号处理单元，包含一个或更多个光电检测器；以及另外的光学元件，用来检测在感测光纤中感应的磁光相移。在干涉仪的电流传感器的情况下，这些光学元件能够包含电光调制器[3]，或者在更简单的测定偏振的检测方案的情况下，这些光学元件能够仅包含无源光学元件，例如延迟器、偏振器以及法拉第旋转器[1、2]。

通常，经由保偏（PM）光纤的区段而将探头光传递至传感器头。在许多传感器配置中，正交的线性偏振的光波的叠加由该PM光纤引导，并且，由通向感测光纤的入口处的延迟器转换成左和右圆形偏振光波或接近于左和右圆形偏振。左和右圆形偏振光波遇到感测光纤中的微分磁光相移。感测光纤的远端处的反射器反射入射光波，这交换其螺旋性，使得磁光相移进一步累积于返回路径处。感测光纤入口处的延迟器将返回的光波转换回到线性（或接近线性）光偏振。

由于在返回路径上交换光偏振，因而在返回路径上补偿PM光纤中的线性双折射相移，并且，返回的光波的相位差仅由磁光相移给定。

电流传感器的其他实施例依赖于感测光纤中的左和右圆形光波的相干叠加，即，线性或接近线性偏振光。在这种情况下，PM光纤仅将一个线性光偏振的光波传递至感测光纤。在此，磁光相移导致线性光偏振的旋转。在本文中，不一定使用感测光纤与PM光纤之间的延迟器。

在下文中，针对在如上所述的光纤电流传感器中使用的传感器头而描述所公开的发明的实施例，该光纤电流传感器由PM光纤引线、可选的延迟器和通过反射器终止的旋转的感测光纤组成。所公开的发明能够直接地应用于采用在反射或透射中操作的传感器头的光纤电流传感器的另外的实施例，例如基于Sagnac干涉仪的光纤电流传感器[3]、采用3x3耦合器的电流传感器[14]或在透射中操作的简单的测定偏振的电流传感器[15]。

因此，在图1A中，示出采用采用利用非交互相位调制的信号检测方案的光学电流传感器的配置的示例。为了图1A的已知的元件的另外的细节和可能的修改，能够参考[3]。

在如图1A中所示出的采用非交互相位调制的光纤电流传感器设计中，光优选地从低相干光源1（例如，超发光二极管）注入，在经过光纤、光纤耦合器101以及初始光纤偏振器2之后（这使所发射的光成为单线性偏振状态），在45°光纤拼接件(splice)3处注入为PM光纤11的两个正交偏振状态，其转而由光纤延迟器14投射到感测光纤12中的圆形或接近圆形光状态上。感测光纤中的两个光状态获取由于所应用的电流而导致的磁光相位延迟（法拉第效应）。借助于闭环的检测电路来检测相位延迟，该闭环的检测电路包括采用光纤耦合器101来与光路链接的光学相位调制器4和检测器5。光学相位调制器4和检测器5还通过信号处理器6而电链接应用闭环的检测。备选地，可以使用开环的检测电路。

应当理解到，在这些中，如在下文的示例中，所引用的组件能够被具有相同或类似的功能性的组件取代。例如，所提到的光源能够被其他类型的光源（例如，发光二极管（LED）、边缘发射LED、垂直腔表面发射激光器（VCSEL）、掺杂的光纤光源或激光器二极管）取代。类似地，图1A的调制器4可以例如为集成光学双折射调制器（例如，铌酸锂调制器或压电调制器）。

除了传感器头10-1的组件和PM光纤11的部分之外的传感器的大部分组件示出为光电模块10-2的一部分。光电模块10-2和传感器头10-1通过PM光纤11而光学连接。传感器头10-1包括包围电流导体13的传感器的一部分。根据下式而计算通过感测光纤的单程的圆形偏振状态之间的微分磁光相位：

，

其中，V是感测材料的维尔德常数，并且，H是与无穷小的光纤区段ds平行的磁场分量（并且，积分在感测光纤长度L上）。在闭合线积分的情况下，即，如果感测光纤描述闭环，则磁场的积分根据麦克斯韦方程而与包封的电流相对应，即，在其中光波仅在一个方向上同向传播的透射中操作的光纤电流传感器的情况下，或在具有逆向传播的光波的基于Sagnac干涉仪的电流传感器的比较的设计的情况下，

（其中N是光纤绕组数），或在其中光沿着磁场传播两次的反射的电流传感器的情况下：

。

将感测光纤的无效或不那么有效的区段添加至传感器头，从而在保持有限空间和所要求的最大可检测电流的边界条件的同时，增加感测光纤长度，这转而导致所允许的最大有效光纤绕组数。在数学术语上，有效光纤绕组数被定义为，其中积分配径沿着感测光纤L。有效长度L_eff是从和感测光纤环路直径得出的。如下面的段落中所公开的，感测光纤的无效或不那么有效的区段以如下的方式布置：即使这些区段能够在空间上极为接近于被测量的电流I，这些区段也并非有助于磁光相移，或不那么有助于磁光相移。具体地，光纤绕组的有效数量小于：

在本文中，是数字因数，具体地，C = 1、0.9、0.8、0.5、0.3。此外，

，

其中，a和b是将感测光纤线圈包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，是表征用于传感器头的可用体积的长度。在适当的情况下，在相关附图中指示量a和b。注意到，在感测光纤的简单的现有技术的圆形布置的情况下，D是感测光纤线圈的直径。因此，本发明的该方面促进带有具有比带有相同尺寸的常规的现有技术的圆形传感器线圈更长的感测光纤的给定的数量的有效光纤绕组和与根据本发明的该方面的有效数量的光纤绕组相对应的许多光纤绕组的光纤电流传感器线圈。

高电压隔离传输中的电力计量通常要求±0.2%内的传感器准确度。于是，所提到的起源于旋转的高双折射光纤的信号振荡应当显著地小于±0.2%。例如<±0.05%。使用作为基础的参考文献[4、5、16]，能够推导出，对于反射的传感器，在现有技术的章节中描述的信号不稳定性的幅度由下式给定：

在透射中操作的传感器的情况下，该表达成为：

假设如上文的现有技术的章节中所给定的参数，于是，光纤长度L必须比1625 mm要长。如果人们进一步假设必须检测高达150 kA的电流（例如，故障的情况下的过电流），则由于150 mm的有限空间而导致的最大感测线圈直径、–π/2与+π/2之间的可检测磁光相移的范围、1310 nm的操作的波长（且与维尔德常数相对应），光纤线圈能够只有2个有效环路(与光纤的942 mm相对应)，以免超过最大电流下的测量范围。

在下文中，详细地描述所公开的发明的不同的实施例，其中，在描述中和在示例中，在适当的情况下，感测光纤12的有效区段由数字12-1表示，而无效或不那么有效的区段由数字12-2表示。

在第一实施例中，将不敏感的传感器绕组添加至如图1B和1C中所示出的感测光纤12。如先前所讨论的，闭合的感测光纤环路的磁光相移与包封的电流相对应，并且，具体地，其中，未将电流包封的闭合的感测光纤环路中的磁光相移为零。

根据上面的示例，例如，100 mm直径的三个附加的不敏感的光纤绕组将确保所要求的最小光纤长度L，且导致所要求的信号稳定性。应当注意到，在该示例中，有效光纤环路的面积和绕组的乘积与无效光纤环路的同一乘积是不同的。

在图1B和图1C中，示出在维持（给定的最大可检测磁光相移下）最大可检测电流的同时，增加感测光纤长度L的两个示例。感测光纤绕组的有效数量仅由将电流导体13包封的光纤环路确定。

为了实现特定的几何结构的信号的独立性，需要使感测光纤12的两端在空间上极为接近。

在图1B的示例中，使用非交互相位检测方案的光电模块10-2的元件与当参考图1A时描述的元件相同。在传感器头中，感测光纤12的光纤环路按照数字8的形状布置有包围电流导体13的感测光纤的有效区段12-1的环路和将电流导体13排除的感测光纤的无效区段12-2的环路。两个环路直径可以是相同的，或可取决于传感器应用中的机械边界条件（具体地，如以其横向尺寸为特征的传感器头10-1的可用体积）而不同地选择。

如所提到的，感测光纤的两端彼此在空间上极为接近。两组数字8的环路可在单个平面中，或可彼此成某角度地布置，例如，彼此正交。

在图1C中示出根据本发明的示例的另一光纤布置。在图1C的示例中，光电模块10-2使用基于在经过感测光纤的光的两个部分或模式之间引入静态光学相位偏置的相位检测方案。

在该示例中，光电模块包括集成光学偏振分配器模块，以创建静态偏置光学相移，这在所示出的示例中基于集成光学1x3分配器/组合器器40（SC），其与偏振器41、45和延迟器44以及附接至延迟器44的隔板46一起形成模块。来自光源1的光通过第一偏振器41（P1）而进入三个源侧端口中的第一源侧端口中，这使光在通向SC 40的入口处偏振。优选地，偏振方向相对于SC平面的法线而成45°。SC 40内的波导为低双折射，以免变更所透射的光的偏振状态。

在相对的SC面（也被称为线圈侧面）处，光耦合至保偏（PM）光纤尾纤11中。PM光纤11的主轴与SC平面平行和垂直，即，与偏振器P1 41的偏振方向成45°。结果，PM光纤11的两个正交偏振模式都以相同的幅度激励。

传感器头如已经在上文中描述地那样操作，并且，SC 40将返回的正交光波分离至两个光学检测通道中。源侧面处的四分之一波长的延迟器板（QWR）44用作引入静态偏置光学相移的元件，在该示例中，静态偏置光学相移是两个检测通道的正交波之间的90°微分相位延迟。QWR 44的主轴与PM光纤尾纤11的轴平行地对准，并且，与偏振器P1 41成45°。

检测器通道中的第一通道的正交波在偏振器41（在该示例中，偏振器41为光源通道和第一检测器通道所共用）处干涉。第二检测器通道的正交波在第二偏振器45处干涉。45的偏振方向与41的偏振方向成90°。由光电检测器5-1和5-2检测两个通道中的光的强度。

注意到，SC 40不需要定位成接近于光源1和检测器5-1和5-2，而可以定位成靠近传感器头10-1，或甚至定位于与传感器头10-1共同的壳体中。

在图1C的示例中，传感器头10-1又包括形成感测光纤的有效区段12-1且包围电流导体13的环路和形成将电流导体13排除的感测光纤的无效区段12-2的环路。与图1B的示例相比，环路布置为两个单独的线圈。

在图1B和图1C的示例中，通过添加未将电流导体13包封的感测光纤的区段12-2，从而已使感测光纤的长度延长至接近于将热不稳定性抑制低于所要求的极限（参见上文）所要求的长度或超过该长度。

然而，还能够使用围绕电流导体13成环的区段来增加感测光纤的法拉第无效长度。在其中传感器头内的可用空间（即，围绕一个或多个电流导体的空间）仅提供用于在与电流导体13的位置间隔开的体积中将光纤折叠或使光纤成环的小的空间的情况下，本发明的这样的变型是有利的。

在图2A和图2B的示例中，利用的是所检测到的相移的符号取决于感测光纤12中的光波相对于磁场方向的传播方向，且因而，取决于光纤绕组关于电流方向的指向。因此，在图2A的示例中，围绕导体13的感测光纤绕组包括两组环路12-1和12-2。（法拉第）无效区段由具有如有效区段的绕组指向的许多环路和具有相对的绕组指向的相等的数量的光纤绕组组成，使得当这两个区段中的相移彼此抵销时，减小总磁光相移。

在本发明的不同的实施例中，两个逆向缠绕的线圈能够布置于同一平面内，或能够一个在另一个之上堆叠。在后一种情况下，逆转环路与线圈平面正交。在第一布置中，逆转环路能够位于平面内，或与线圈的平面正交。传感器光纤的两端要求在空间上极为接近。

使用与先前的示例中相同的假设，例如，一个旋转指向上的150 mm直径的3个光纤绕组和1个150 mm直径的逆向缠绕的感测光纤绕组能够用来满足传感器要求。

如图2B的示例中所图示的，通过在维持在其上两个区段的环路缠绕的方向的同时，使两组环路12-1、12-2之间的电流导体13的方向反转，从而能够实现相同效应。在图2B的示例中，使用由三个截然不同的区段组成的蝴蝶结状的感测光纤布置。在感测光纤弯曲成180度转向之前和在其之后，感测光纤的两个外部区段12-1、12-2分别围绕导体13缠绕，但在相同方向上缠绕。

在第三变型中，能够通过降低由感测光纤的至少一部分感测的磁场而实现磁光相移的减小。在该变型中，感测光纤12的全长又能够围绕导体13缠绕（如图2A和2B的示例中那样），然而，有效区段12-1和无效区段12-2的绕组围绕电流导体13在相同指向上缠绕（其中电流在相同方向上流动）。

如图3A和图3B中所图示的，能够通过具有感测光纤12-2的被磁屏蔽且因而不那么有助于或完全不利于所检测到的磁光相移的至少部分而实现有效屏蔽。它还能够通过将导体13分离成两个或更多个平行区段并且围绕区段中的仅仅一个缠绕感测光纤来实现。

在图3A中，通过诸如由屏蔽材料制成的图3B中所示出的空心环形线圈16的屏蔽件而致使感测光纤的虚线部分12-2对磁场不敏感。

用于屏蔽的适合材料是高磁导率和低矫顽力的铁磁材料,所谓的软磁材料，例如镍铁合金（例如Ni80Fe20）、钴铁合金以及非晶态磁性合金。磁屏蔽件16能够设计为具有用于感测光纤的入口161的环形线圈（如在图3B中描绘），或设计为管。为了实现充分高的磁隔离，能够借助于电磁有限元计算来使设计优化。未屏蔽的环路12-1必须形成闭合的线圈。在实施例中，还将屏蔽的光纤环路12-2闭合，从而即使在低磁隔离的情况下，也独立于导体几何结构而保证传感器信号。

采用如用在上文的先前的示例中的假设，能够例如通过150 mm直径的2个未隔离的传感器绕组和2个隔离的传感器绕组而满足传感器要求。适度的隔离系数100是足够的。备选地，形成四个绕组的完全屏蔽的感测光纤能够与隔离系数2的屏蔽件一起使用。

另一方面或比较的示例涉及光纤电流传感器10，光纤电流传感器10具有:光电模块部分10-2，其用于检测通过电流的磁场而在感测光纤12中感应的磁光相移;传感器头10-1,其包括感测光纤12，并且，通过保偏光纤11而与光电模块10-2连接，其中，感测光纤12是具有长度的旋转的高双折射光纤，该长度由沿着由感测光纤所描述的空间曲线的线积分定义，适度，

在使用逆向传播的光波的透射光学传感器的情况下：

并且，其中，通过具有下列中的至少一个而减小光纤中所累积的磁光相移：

（i）感测光纤的一个或更多个区段12-2形成将电流包封但相对于形成将电流包封的环路的感测光纤的其他区段12-1而逆向缠绕的环路，

（ii）感测光纤的一个或更多个区段12-2至少部分地被磁屏蔽，以及

（iii'）形成未将电流导体包封的环路的感测光纤的一个或更多个区段，当相对于形成将电流包封的环路的感测光纤的区段12-1而逆向缠绕时，逆向缠绕的绕组的数量或匝数乘以被环路或线圈包封的面积的乘积与电流传感环路或线圈的乘积是不相等的，

其中，并且，x是旋转的高双折射光纤的旋转比，是中心波长λ相对于感测光纤中的光的光谱宽度的比（12），并且，是旋转的高双折射光纤的局部线性双折射。实施例如针对通过使用同向传播的光波的反射器或透射光学传感器终止的感测光纤的情况而公开那样。

参考文献

参考标号列表

1 光源

101 光纤耦合器

2 光纤偏振器

3 45°光纤拼接件

4 光学相位调制器

40 集成光学1x3分配器/组合器（SC）

41、45 偏振器

44 相移板

46 间隔物

5、5-1、5-2 检测器

6 信号处理器

10 光纤电流传感器

10-1 传感器头

10-2 光电模块

11 保偏光纤

12 感测光纤

12-1 感测光纤（有效区段）

12-2 感测光纤（无效区段）

13 导体

14 光学延迟器

15 反射器

16 磁屏蔽件

161 入口

Claims

1. 一种光纤电流传感器（10），其具有:光电模块部分（10-2）所述光电模块部分（10-2）用于检测通过电流的磁场而在感测光纤（12）中感应的磁光相移;以及传感器头（10-1）,其包括所述感测光纤（12），其中，所述感测光纤（12）是具有长度的旋转的高双折射光纤，所述长度由沿着由所述感测光纤所描述的空间曲线的线积分定义，

其中，对于透射光学传感器，感测长度被定义为，并且，对于通过反射器终止的感测光纤，感测长度被定义为，以及

其中，并且，x是所述旋转的高双折射光纤的旋转比，是中心波长λ相对于所述感测光纤（12）中的光的光谱宽度的比，并且，是所述旋转高双折射光纤的局部线性双折射，以及

其中，

，

是50 cm或更小，并且，a和b是将所述感测光纤（12）包封的最小大小的长方体的两个最大的边长，其特征在于，

通过具有下面的特征中的至少一个而减小所述光纤中所累积的所述磁光相移：

（i）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）形成将所述电流包封的环路，但相对于形成将所述电流包封的环路的所述感测光纤的其他区段（12-1）而逆向缠绕，

（ii）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）至少部分地被磁屏蔽，以及

（iii）所述感测光纤的一个或更多个区段（12-2）形成未将所述电流包封的环路。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述传感器头（10-1）通过保偏光纤（11）而与所述光电模块（10-2）连接。

3.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其不是使用逆向传播的光波的透射光学传感器。

4.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中所述感测光纤通过反射器终止。

5.如权利要求1至3中的任何所述的传感器，其是使用同向传播的光波的透射光学传感器。

6.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述感测光纤具有形成将所述电流包封的环路或设计用于将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的一个或更多个区段。

7.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，形成将所述电流包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段具体地意味着形成设计用于将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段；和/或，形成未将所述电流包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段具体地意味着形成设计用于未将所述电流或承载所述电流的电流导体包封的环路的所述感测光纤的所述一个或更多个区段。

8. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，将所述电流包封的逆向缠绕的环路的数量与将所述电流包封的未逆向缠绕的环路的数量是不同的。

9.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其具有有效绕组数，其中

其中，是在感测光纤长度L上的沿着由所述感测光纤定义的空间曲线的磁场向量H的线积分，I是所述电流，并且，| I |是将测量的电流的绝对值，

并且，C是数字因数，其中0< C ≤ 1。

10. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述感测光纤（12）的两端彼此在空间上极为接近，具体地，比10 mm更近，或甚至比5 mm更近。

11. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，在磁屏蔽的感测光纤区段的情况下，所述感测光纤（12）的未屏蔽端与所述磁屏蔽的感测光纤区段的开始在空间上极为接近，具体地，比10 mm更近，或甚至比5 mm更近。

12.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述感测光纤（12）的所述长度L是这样的，以致于对于反射传感器配置，根据下式而确定传感器信号不稳定性的预期的幅度K：

，

或者，对于在透射中操作的传感器配置，根据下式来确定所述幅度K：

，

其中K低于平均信号的0.5 %或甚至低于0.1 %，并且，其中旋转比x在1至20的范围中，或具体地，在2至10的范围中。

13.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其具有如下的作为有效绕组数的整数：

其中，是沿着由所述感测光纤所定义的所述空间曲线的磁场向量H的线积分，I是将测量的所述电流，并且，| I |是将测量的电流的绝对值，具体地，N_eff是1或2。

14.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述感测光纤（12）的旋转间距（p）沿着感测光纤长度L为恒定的。

15.如前述权利要求中的任何所述的传感器，具体地，如权利要求14所述的传感器，其中，感测光纤性质沿着所述感测光纤长度L为均质的。

16. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述旋转间距（p）为1 mm与20 mm之间，具体地，为2 mm与10 mm之间。

17.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述旋转比（x）为1与20之间，具体地，2与10之间。

18. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，D_max是30 cm或更小。

19.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，用于将所述感测光纤（12-2）的区段屏蔽的磁屏蔽件（16）由具体地选自由下列组成的组的软磁材料制成：镍铁合金（例如Ni₈₀Fe₂₀）、钴铁合金以及非晶态磁性合金。

20.如前述权利要求中的任何所述的传感器，其中，所述相位检测包含有源相位调制器（4）。

21.如权利要求1至19中的任何所述的传感器，其中，所述相位检测包含用于将相位偏置引入在干涉光波之间的无源光学元件（40、41、44、45）。

22. 如前述权利要求中的任何所述的传感器，

其中，是线性拍长，所述线性拍长是产生双折射相移的等效的非旋转的高双折射光纤的长度区段；和/或

其中，所述旋转的高双折射光纤的旋转比x由给定，其中，L_LB是线性拍长，所述线性拍长是产生双折射相移的等效的非旋转的高双折射光纤的所述长度，并且，p是旋转间距，所述旋转间距是提供所述旋转的高双折射光纤中的局部线性双折射的主轴的完全旋转的旋转的高双折射光纤区段的所述长度。