CN107091950A - 基于光学传感原理集成了温度传感的反射式电流和磁场传感器 - Google Patents

Abstract

在此公开了基于光学传感的电流传感器，其包括：光源、传输光纤、包括输入起偏器的电流传感器探头、第一法拉第材料、第二法拉第材料、光学反射镜、包括第一光探测器的光学探测单元、以及测量模块。根据本申请的电流传感器，基于光学传感原理，集成了温度传感，其能够确保光纤电流传感器在感测电流时的感测精度、测量范围和稳定性。

Description

基于光学传感原理集成了温度传感的反射式电流和磁场传 感器

技术领域

本申请涉及电流和温度传感领域，具体地，涉及一种基于光学传感原理集成了温度传感的反射式电流和磁场传感器。

背景技术

电流是一种由于电荷在金属一类的导体中移动而产生的电信号。给出电流的电特性，用于感知或测量电流的技术或装置，目前很大程度上依赖于电子电路系统。电子电路系统通常需要现场供电，而且容易受到电磁干扰(EMI)的影响。各种用于感测电流的电子电路系统需要放在被测电流现场的位置，这就会在一些应用中受到限制。

对此，一种较好的方法是采用光学电流传感器感测电流，这对于智能电网的变电站和配电系统的测量、控制和防护都是非常具有吸引力的。与目前传统的电流传感器相比，光学电流传感器技术，可使处于被测电流位置的光学传感器与处理电流信号的电子处理系统拉开距离，在检测端不包含任何电路和供电，只单纯有光的传感信息，从而使得传感头不会受到电磁干扰，而且在高压情况下更安全。采用光学电流传感器还有体积小、重量轻、低功耗、避免电流饱和等其他优点。一些基于法拉第效应晶体或玻璃的电流传感器具有更小的体积、重量和功耗，而且安装更方便等优点，可直接安装在包括生活用电导线在内的导线上，大大降低安装成本。由于其低成本和小尺寸，可用在低压或中压变压器监测和其他电流测量应用。

在光学电流传感器中，光纤电流传感器在很多应用方面都具有吸引力，包括智能电网和电解铝生产厂的变电站和配电系统的检测、控制和保护，等等；与传统电流传感器相比，光纤电流传感器具有传感头和电子处理系统分开在不同位置的优点，因而不需要对传感头进行供电，在高压环境中更安全。另外，与传统电流传感相比，光纤电流传感精度更高，尤其是在温度变化范围宽的环境。其他优点还包括体积小、重量轻、不受电磁干扰、低功耗，且不会电饱和。

对于光纤电流传感器来说，精度、测量范围和稳定性是其重要指标。一种增加动态范围的有效方法是增加磁场探测的灵敏度，尽量降低电路系统的光探测器的噪声。由于法拉第材料(玻璃或晶体)的维尔德常数的温度系数会影响测量精度，所以在传感系统设计当中需要加以考虑。来自传感探头的光信号中的温度效应会受到传感器周边环境稳定性的影响，所以要提供一种机理来补偿这种温度效应。另外，来自附近其他电流导体的磁场干扰也会影响电流检测，这也需要减少和降低。

因此，需求能够同时尽可能地确保测量精度、测量范围和稳定性的光纤电流传感器。

发明内容

基于此，本申请公开了一种基于光学传感原理集成了温度传感的反射式电流和磁场传感器，其能够确保光纤电流传感器在感测电流时的感测精度、测量范围和稳定性。

根据本申请的一方面，一个基于光学传感的电流传感器，包括：

一个光源产生探测光；

一段传输光纤，其第一端口接收来自光源的探测光，并将所接收的探测光传输到第二端口；

一个电流传感器探头连接到传输光纤的第二端口，用来接收所述探测光；所述传感器探头包括一个输入起偏器，用来过滤所述探测光产生一束输入偏振光束；一个不受外部磁场影响的第一法拉第材料放置在所述输入偏振光束的光路中；一个会受外部磁场影响的第二法拉第材料也放置在所述输入偏振光束的光路中；一个光学反射镜放置在通过第一和第二法拉第材料的偏振输入光束光路后面，用来反射收到的输入偏振光束回到第一和第二法拉第材料和输入起偏器，并返回传输光纤；

一个包括一个第一光探测器的光学探测单元连接在传输光纤，用来从传输光纤接收来自光学传感器探头携带被测电流信息的光的至少一部分；

一个测量模块用来接收来自第一光探测器的包含电流信息的输出。

根据本申请的另一方面，提供了一种基于光传感的电流传感器，包括：

一个产生探测光的光源；

一个第一偏振分束装置，用来接收来自光源的探测光，并产生一束第一偏振态的光，和一束与第一偏振态不同的第二偏振态的光；

一个第一法拉第旋光器用来接收来自偏振分束装置的第一偏振光束，并产生一个旋转偏振后的输出光束；

一个第二偏振分束装置，用来接收来自第一法拉第旋光器的输出光束，并产生一个处于第三偏振态的第三偏振光束，和一束处于与第三偏振态不同的第四偏振态的偏振光束；

一个第二法拉第旋光器，用来接收来自第二偏振分束器的第三偏振光束，以产生一个第二输出光束；

一段围绕在携带被测电流的导体上的传感光纤用来接收来自第二法拉第旋光器的第二输出光，以感测由导体电流产生的磁场；

一个法拉第反射镜，用来接收来自传感光纤的光，并将接收到的光反射回传感光纤、回到第二法拉第旋光器，并通过第二偏振分束装置分成第三偏振态和第四偏振态的光；

来自第二偏振分束装置的第四偏振态反射光束被一个第一光探测器来接收和探测，处于第三偏振态的返回光束通过第一法拉第旋光器达到第一偏振分束装置；

一个第二光探测器用来接收和探测来自第一偏振分束装置的第二偏振态返回光；

一个测量模块用来接收来自第一和第二光探测器的探测输出，以获得电流信息。

上述基于光学传感的电流传感器，通过探测来自光电子探头的反射光，感测或测量探头处的电流和温度，其采用光来传递所携带的从传感位置获得的电流或温度信息，输送到远处的基站，这种光信息传输可以实现远程感测；其传感介质是具有法拉第效应的光介质材料，因而可以有效防止电磁干扰；探测信号的光信息处理具有比基于电路系统的等其他传感技术更难以替代的优势。

附图说明

图1是一种基于光学传感的电流传感器；

图2是一种基于光学传感的温度传感器；

图3是一种集成了温度传感探头的光学电流传感器；

图4是另一种集成了温度传感探头的光学电流传感器；

图5是一种前面的方案基础上，采用了沃拉斯顿棱镜替代起偏器的电流传感器方案；

图6是一个图5基础上单纯测量温度的光学传感器；

图7是一个带有双光源和WDM的测量电流的光学传感器；

图8是图7基础上，采用一个宽波段光源替代双光源的测量电流的光学传感器；

图9是图8基础上，在探测端采用WDM分开波长的测量电流的光学传感器；

图10是又一种带有WDM的测量电流的光学传感器；

图11是采用偏振棱镜的带有WDM的测量电流的光学传感器；

图12是一种采用光纤代替图1传感材料的电流传感器；

图13是一种采用光纤代替图5传感材料的电流传感器；

图14是一种采用光纤代替图7传感材料的电流传感器；

图15是一种采用光纤代替图8传感材料的电流传感器；

图16是一种采用光纤代替图9传感材料的电流传感器；

图17是一种采用光纤代替图10传感材料的电流传感器；

图18是一种采用光纤代替图11传感材料的电流传感器；

图19是一种采用光纤代替图11传感材料的电流传感器，并增加了WDM；

图20是一种采用了两个偏振分束装置的电流传感器。

具体实施方式

本申请中，提出了可以用于远距离测量电流或温度的光传感技术，通过探测光从测量基站通过光纤传输到放置在需测量电流或温度的位置的光传感器探头，通过测量从传感器探头返回的包含和携带电流和温度信息的光，来获取被测位置的电流值和温度值。

紧凑的传感器设计可以采用偏振敏感的传感头，输出光功率随着输入光的偏振而变化。这种偏振敏感性可以采用低DOP(偏振度)光源来降低，例如ASE光源。如本发明实施例中的整个光学探头外壳中的反射式设计提供了增强传感灵敏度的作用。例如，低DOP输入光源对于入射光器件没有偏振方向的要求。这就降低了光学传感头对于光偏振的敏感性。另一个例子，也可以在设计中在法拉第传感材料后面放置一个起偏器。此外，可以在电流传感器的基础上使用温度传感，用于补偿电流传感器探头的法拉第材料的温度系数。本专利还提出了使用光纤作为传感材料的反射设计方案。在公开的设计中，为了获得高稳定性，将温度传感器和电流传感器整合在一起，以降低成本。

在本发明的一个例子中，电流传感头是一个由一个没有电路系统或电子器件的全光学器件的电流传感头。就这一点而言，传感探头不包含任何光电探测器件，而是通过光纤传输，在传感器基站探测和解析携带电流信息的探测光。所述全光电流传感器探头放置在电流导体处，通过测量由于电流磁场引起的全光电流传感器中法拉第材料产生的光偏振旋转来感测电流。当被测电流方向与法拉第旋光器中的通光路径相垂直，则电流产生的磁场沿着法拉第旋光器中光传播路径方向，这时受电流磁场产生光偏振旋转效率最高。来自宽带光源的探测光通过电流传感器探头感测到，并从电流传感器探头产生一个直接返回的光束，通过光纤传输到电流传感基站中的光电二极管(PD)探测单元，并通过电子电路系统提取出由电流传感器探头产生的信息。低DOP探测光是在采用单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)，进行光传输进入位于电流传感远端的传感器探头的时候，保证穿过传感器探头的光的功率稳定。如果使用价格很贵的保偏光纤，则可以使用高DOP光源，同时探测光的偏振轴要和保偏光纤的慢轴(或快轴)方向一致。

图1所示是第一个反射式电流传感器实施例。使用一个带有单模或多模光纤尾纤的低偏振度(DOP)远程光源。如果光源的DOP不是足够低，可以用一个消偏器来减小DOP。对位于磁场或被感测的电流导体的光传感头采用低DOP光。低DOP光首先进行准直，然后通过起偏器对光进行起偏后，再通过一个永久法拉第旋光器，这个法拉第旋光器保持22.5°的旋光角。这个永久法拉第旋光器本身带有磁性，可以避免任何来自外部磁场的影响，包括避免来自电流产生的磁场(包括被测电流产生的磁场)的影响。除了永久法拉第旋光器之外，此设计还包括一个会因为被测电流变化引起偏振旋光的法拉第敏感材料。这个由电流引起的偏振旋光用来感测电流。感测电流的法拉第材料随着材料温度变化偏振旋转角也会旋转变化，当该材料沿着光传播方向处于自由外磁场空间，可用于测量材料处的温度。起偏后的光穿过前面的传感法拉第材料再反射回准直器。两次穿过法拉第旋光器以后，在不受外部磁场影响的时候，其偏振方向与穿过的起偏器偏振轴成45°。任何外部因素引起的偏振旋光都将使穿过起偏器进入光纤的光的强度产生变化。测得探测器PD1的光电流I1：

I₁＝I₀(1+sin2θ) (1)

其中

θ＝α₁(T)M+α₂(T-T_o) (2)

其中θ是由感测到的磁场和随温度变化引起的偏振旋转角，α₁(T)是与磁场M和温度相关的偏转角比例常数，α₂是与温度相关的偏振偏转角θ的比例常数，To是在磁场不存在情况下θ＝0时的温度。对于一个交变磁场，例如交流电(AC)产生的磁场，与电流或电流磁场成比例，可以在公式(1)中分解成AC和DC分量：

θ＝α₁(T)M+α₂(T-T_o)＝I₁/2I₀, (3)

对于DC电流或磁场，来自监测探头PD2的信号需要剔除任何来自光源随时间的功率漂移。

图1中电流传感器的例子可以被实施到一个基于光传感的电流传感器中。该装置可以包括一个产生探测光的光源；一段光纤，其一端用来接收来自光源的探测光，并将接收的探测光传导到另一端；一个光学电流传感器探头连接到光纤的另一端用来接收探测光。所述传感探头包括一个输入光起偏器，用来过滤探测光，产生一个起偏的输入光束；一个第一法拉第材料，该材料进行了磁屏蔽所以不受外界磁场的任何影响，被放置在沿着偏振输入光束的光路；一个不具有固定磁性的第二法拉第材料，放置在偏振输入光束光路中用来感测由被测电流产生的磁场；一个光反射器沿着输入起偏光束光路放置在第一和第二法拉第材料的后面，用来将起偏输入光束反射回第一和第二法拉第材料并再次进入输入光起偏器，并返回光纤。所述传感装置可进一步包括一个光探测单元，该探测单元由一个连接在光纤上的光探测器构成，用来接收光纤中来自光学电流传感器探头携带被测电流信息的反射光的至少一部分。一个测量模块用来接收一个探测器输出的来自所述光探测器所包含的电流信息。在一些实施例中，测量模块可以包括放大电路，用来放大探测器的输出信号，一个数模转换器用来将电路模拟信号输出转换成数字信号，一个微处理器用来处理携带电流信息的数字信号。

在本发明公开的技术中，还公开了一个基于光传感的温度传感器。该传感器包括一个产生探测光的光源；一段光纤，其第一光纤端口用来接收来自光源的探测光并将接收到的探测光传导到光纤的第二端口；一个光学温度传感器探头连接到光纤第二端口用来接收探测光。所述探头包括一个输入光起偏器用来过滤探测光并产生一个起偏输入光束；一个进行了磁屏蔽的、因而不受来自外磁场影响的法拉第材料沿着起偏输入光束的光路放置，其法拉第磁偏角响应法拉第材料的温度变化；一个光反射器沿着起偏输入光束的光路放置在法拉第材料之后，用来反射起偏输入光束回到法拉第材料和输入起偏器，再返回到光纤。所述装置进一步包括一个光探测器连接到光纤，用来从光纤中接收至少一部分来自光学温度传感器探头的携带被测温度信息的反射光。一个测量模块用来接收来自光探测器的包含温度信息的探测器输出光。

图2所示是一个温度传感器探头的实施例，其中去掉了图1中的法拉第材料。使用法拉第旋光器来感测由图2中所示的温度变化引起的旋光变化，并可以进行磁屏蔽以减少因外界磁场带来的不需要的对旋光产生的干扰。当放置在外部磁场干扰无关或者已知的位置，磁屏蔽就不需要，因为可以通过校准排除已知的磁场来测量该处的温度。其温度T可以通过公式(3)获得：

T＝T_o+(I₁-βI₂)/2α₂ (4)

其中I₁是PD1中的光电流，I₂＝βI_o是PD2中的光电流。

图3是第一种集成了温度传感器探头的磁/电流传感器探头的实施例。从温度探头获得的温度值可用于矫正电流传感器探头因为温度产生的误差。图4是第二种集成了温度传感器探头的磁/电流传感器探头的实施例。从温度探头获得的温度值可用于矫正电流传感器探头因为温度产生的误差。这里公开的各种电流和温度传感器可用于图3和图4中传感器设计的实施。

图5是第二种磁/电流传感头设计，其中使用沃拉斯顿棱镜代替了起偏器。通过沃拉斯顿棱镜后的光被分成了两束偏振态不同的偏振光，其中一束某一偏振态的光到达反射镜，并从反射镜反射回准直器。回到准直器之前两次穿过22.5度固定法拉第旋转器和敏感法拉第材料后，反射光的偏振态会与沃拉斯顿棱镜的光轴旋转45度，并且被棱镜分成两束偏振态相互垂直的光。准直器将两束光聚焦输入到两个光纤中。使用光探测器PD1和PD2来探测两个偏振组件的功率。PD3是可选用来监测输出光。当探测电路适当调节，PD1和PD2上的光伏电压值可表示为：

V₁＝V₀(1+sin2θ), (3)

V₂＝V₀(1-sin2θ) (4)

由磁场和温度产生的偏振旋转角可表示为如下公式：

其中θ＝α₁(T)M+α₂(T-T_o)。可以确定的是偏转角对温度敏感。

图6是一个图5中去掉法拉第传感材料的温度传感器探头的第二例子。这个温度T可由公式(5)获得：

T＝T_o+(V₁-V₂)/[2α₂(V₁+V₂)] (6)

当获得T以后，温度产生的旋转角可以被提取出，从而获得纯磁场产生的旋转；

图5和图6的例子，是使用基于两个通过类似于沃拉斯顿棱镜的偏振分束元件产生的不同的光偏振的、带有两根光纤的传感器基本方案。

基于本发明设计的另一种电流传感器，还可以包括一个光源以产生探测光；一个第一传输光纤的第一端口用来接收来自光源的探测光并传输到该光纤的另一端口；一个光学电流传感器探头连接在第一光纤的第二端口接收探测光，探头包括通过一个偏振棱镜将探测光分成两束不同偏振态的第一光束和第二光束，一个对外来磁场进行了磁屏蔽的法拉第材料沿着第一起偏输入光束放置；一个没有进行磁屏蔽的第二法拉第材料放置在第一起偏输入光路中用来传感由被测电流产生的磁场；一个反射镜放置在第一输入起偏光束的光路中的第二法拉第材料、第二法拉第材料以及将反射光输分成不同偏振态的第一反射光输和第二反射光输的偏振棱镜后面；一个光纤耦合器放置在第一光纤线路的第二光纤终端，用来将第一反射光束进入第一光纤线路；一个第二光纤连接到光学电流传感器探头中的光纤耦合器用来接收第二反射光束；一个光探测单元，包含一个耦合在第一光纤用来接收第一光纤中至少一部分来自光学传感器探头，携带被测电流信息的第一反射光束的第一光探测器，和一个耦合在第二光纤用来接收第二光纤中至少一部分来自光学传感器探头，携带被测电流信息的第二反射光束的第二光探测器；一个测量模块接收来自第一和第二探测器包含电流信息信号的输出。

一个基于本发明的温度传感器，包括一个产生探测光的光源；一个第一光纤的第一端口用来接收来自光源的探测光，并将接收到的探测光传输到第二端口；一个光学温度传感器探头连接到第一光纤的第二端口，用来接收探测光，传感探头包括一个偏振棱镜用来将探测光分开成两束偏振态不同的第一偏振输入光束和第二偏振输入光束，一个屏蔽了周边磁场干扰的法拉第材料放置在第一输入偏振光束光路中以不同的偏转角来响应法拉第材料温度的变化，法拉第材料后面沿着第一输入光束的光路放置一个光反射器，用来将第一偏振输入光束反射回法拉第材料和偏振棱镜，将反射光形成两束偏振态不同的第一和第二反射光束。一个第一光纤耦合器结合到第一光纤的第二端口使第一反射光束进入第一光纤；一个第二光纤耦合到光学温度传感器探头中的光纤耦合器，用来接收第二反射光束；一个光探测单元包括第一光探测器耦合到第一光纤，用来接收第一光纤中来自光学温度传感器探头携带被测温度信息的第一反射光的至少一部分，还包括第二光探测器耦合到第二光纤，用来接收来自光学传感器探头携带被测温度信息的第二反射光束的至少一部分；一个测量模块接收来自第一和第二光探测器的包含温度信息的探测输出。

电流和温度传感也可采用两个不同波长的探测光。这种基于光传感的电流传感器包括一个处于第一波长、产生第一探测光第一光源；一个第二光源以不同于第一光波长的第二光波长产生第二探测光束，一个光耦合器用来接收和合并第一、第二探测光束形成一个合并了第一和第二波长探测光；一段耦合光纤用来接收来自光耦合器的合并探测光束；一个光学电流传感器探头连接到所述光纤上用来接收合并探测光束。所述探头包括一个输入光起偏器，用来过滤探测光束产生一个偏振输入光束；一个对周边磁场实施磁屏蔽的法拉第旋转器沿着起偏的输入光束光路放置；一个双色滤波器放置在法拉第旋转器之后，用来接收来自法拉第旋转器的光，并设置成传输第一光波长的光和反射第二光波长的光，一个没有对周边磁场屏蔽的法拉第材料放置在双色滤波器的光路中，用来传感在第二光波长的光由温度变化和法拉第材料附近电流磁场引起的偏振偏转，一个光反射镜放置在传感法拉第材料后面，用来反射处于第二光波长的光到传感法拉第材料，再穿过所述双色滤光片、法拉第旋转镜和输入光起偏器沿着第二波长的反射光将光返回到光纤。所述光耦合装置用来将光纤耦合接收来自光学电流传感器探头的反射光，并将接收到反射光分开为处于第一光波长的第一反射光束和处于第二光波长的第二反射光束。所述装置还包括一个用来接收光学测量探头中携带被测电流信息和温度影响的第一反射光束的第一光探测器；和一个第二光探测器，用来接收第二反射光束，该光束携带温度信息；一个测量模块用来接收来自第一和第二探测器的输出，该探测输出包括被测电流信息和补偿温度造成电流测量影响的信息。

图7是基于磁/电流传感器带有温度控制和补偿的一个WDM(波分复用)的一个第一具体实施例。两个处于λ1和λ2波长的低DOP光源通过WDM汇合，然后输入到光学探头。一个允许λ1通过反射λ2的双色向滤光片，插在22.5°永久法拉第旋转器和传感法拉第材料之间。由于λ2反射光只经受22.5°旋光器的影响，温度引起的偏振旋转角θ₁＝α₂(T-T_o)，它可用来监视光学探头的温度。另一方面，同时携带温度和磁场偏振旋转信息的λ1光，偏振旋转角θ＝α₁(T)M+α₂(T-T_o)。PD1和PD2分别用来测量λ1和λ2光的电流。检测器PD3和PD4是可选的，AC磁场测量可以不需要。对于DC磁场测量，它们可用于监视光功率漂移，在数据处理过程中进行补偿。在θ₁和T被包含来自λ2信道测量之后，磁场可以很容易从下面公式得到：

M＝[θ-θ₁(T)]/α₁(T) (7)

α₁和法拉第传感材料的T之间的关系如果θ₁对于探测光在λ1和λ2不同，则可测量出α₂(λ₁)和α₂(λ₂)旋转角，并且这个测量可用于在软件运算中修正θ₁(T)。

图8是第二种加入WDM的基于带有温度补偿和检测的磁场和电流传感器实施例。与图7不同，采用了一个低DOP宽带光源代替了图7中的双光源。此外，在PD前面放置带通滤波器，用来选择对应的PD探测到的光的通过波长单一。

图9是第三种带有WDM的可以进行温度检测和补偿的磁场/电流传感实施例。图9和图8之间唯一的不同是在测量端如何将两个波长信道分开。

图10是第四种带有WDM的可以进行温度检测和补偿的磁场/电流传感实施例。与前面的实施例不同的是如何对不同WDM信道光的分开和检测。

图11是第五个带有WDM的可以进行温度检测和补偿的磁场/电流传感实施例。在这个方案中，一个沃拉斯顿棱镜取代图5中的传感头中的起偏器。此外，用一个WDM将两个波长信道分开，并使之分别进入探测器PD1和PD2.PDm是一个监视光探测器，对于AC磁场传感可以不需要。对于DC磁传感，其可被使用于监视光源的功率漂移和采用软件或硬件反馈控制来补偿功率漂移。

图12是一种采用一段光纤替代图1以及以上实施例中的法拉第传感材料的反射式传感器实施例。这种传感光纤可以是一种低线性双折射光纤，或在某些安装应用的低双折射光纤。在传感光纤末端加一个法拉第旋光镜，用来将光向着光源反射。和图1的方案相比，这种方案的优势在于，传感光纤可以包围电流导体，从而排除外围磁场的影响。

在这个方案中，包围导体的传感光纤用来感测导体中的电流导致的磁场，很容易摆脱其他非被测电流产生的磁场影响。与前面的方案相比，本方案具有对光纤环以外的导体产生磁场不敏感和对光纤围绕导体其他装置干扰不敏感的优势。其他方案对于传感探头和导体之间的距离及方向角敏感，并对其他有电流的非被测导体产生的磁场敏感。理论上讲，传感光纤必须不具有线性双折射，所以叫做低双折射光纤比较好。90°法拉第旋光镜放置在传感光纤环端口，用来弥补传感光纤中的残余线性双折射。

对于给定费尔德常数的光纤材料，传感光纤可以多重缠绕以增加偏振旋转角。

图12是一个基于光纤环传感电流传感器的实施例。这个传感装置包括一个产生探测光的光源；一段传输光纤，其第一端口用来接收来自光源的探测光，并将接收到的探测光传导到光纤地第二端口；一个光学起偏器放置在所述光纤第二端口，用来接收探测光并将所述探测光转换成起偏输入光束；一个法拉第旋转器放置在起偏输入光束光路中，用来产生一个法拉第旋转；一段传感光纤，使之形成一个围绕被测电流的导体的光纤环，用来接收来自法拉第旋转器的探测光，以实现传感所述导体电流产生的磁场；一个法拉第反射器用来接收来自传感光纤的光，并反射所接收的光再进入传感光纤，再穿过法拉第旋转器回到所述传输光纤；一个光探测单元，包括一个光探测器与传输光纤连接，用来接收传输光纤中至少一部分来自光传感器探头携带被测电流信息的反射光；一个测量模块用来接收探测器来自光探测器包含电流信息的输出。

特别地，图13举例说明了一个基于使用一段光纤替代图5带有两个传输光纤方案中的法拉第传感材料反射式磁传感器的实施例。这种基于光纤环的传感器可以包含一个产生探测光的光源；一个第一传输光纤，其第一端口用来接收来自光源的探测光，并将所接受的探测光传输到所述第一传输光纤的第二端口；一个偏振棱镜与第一传输光纤的第二端口连接，一个法拉第旋转器沿着第一起偏输入光束光路放置；一个传感光纤环用来接收来自法拉第旋转器的探测光，并缠绕在被测电流的导体上，用来传感由导体中的电流产生的磁场；一个法拉第旋转镜用来接收来自传感光纤环的光，并反射所收到的光回到传感光纤环中，再穿过法拉第旋转器和偏振棱镜，偏振棱镜将反射光分成偏振态不同的第一和第二反射光束；一个光纤耦合器连接到第一传输光纤的第二端口引导第一反射光束进入第一个传输光纤；一个第二传输光纤连接到所述光学电流传感探头中的光纤耦合器，用来接收第二反射光束；一个光探测单元包括一个第一光探测器连接到第一传输光纤上，用来接收第一传输光纤中携带被测电流信息的第一反射光束的至少一部分，一个第二光探测器连接到第二传输光纤上，用来接收第二传输光纤中携带被测电流信息的第二反射光束的至少一部分。一个测量模块，用来接收来自第一和第二探测器的输出，以获得电流信息。

在光纤环传感系统中，也可以采用两束波长不同的探测光。这种传感器使用一段围绕在被测电流的导体上的传感光纤，还包括一个光源，用来产生包含第一光波长和与第一波长不同的第二波长的探测光；一段传输光纤用来接收来自光源的探测光；一个光学起偏器连接到传输光纤，用来过滤来自传输光纤的探测光，产生一束起偏光束；一个法拉第旋转器用来接收所述起偏光束偏转其偏振方向；一个双色滤波片放置在法拉第旋转镜后面，用来接收来自法拉第旋转镜的光，并配置成透射第一光波长和反射第二光波长；一个传感光纤环放置在双色滤波片透射光的光路中，用来接收透射光，而光纤环缠绕在被测电流的导体上，用来感测电流导体产生的磁场；一个法拉第反射镜用来接收来自传感光纤环的第一光波长的反射光，并将所述反射光反射回传感光纤环，并穿过双色向滤波片、法拉第旋转镜和起偏器，以第一光波长沿着反射光返回到传输光纤。一个第一光探测器用来接收来自传输光纤携带被测电流信息和光纤环位置的温度影响信息的第一波长的反射光；一个第二光探测器用来接收来自传输光纤处于第二光波长携带法拉第旋转器处温度信息的反射光；一个测量模块接收来自第一光探测器和第二光探测器的输出，以获得被测电流信息，并补偿被测电流测量中的温度影响。

图14～图19示例了采用两个波长和一个双色向滤波器的方案。图14阐述了一个采用一段光纤替代图7中法拉第传感材料的反射式磁传感器。图15阐述了一个使用一段光纤替代图8中法拉第传感材料的反射式磁传感器示例。图16阐述了一个使用一段光纤替代图9中法拉第传感材料的反射式磁场传感器示例。图17阐述了一个使用一段光纤代替图10中的法拉第传感材料的反射式磁传感器示例；图18描述了一个使用一段光纤替代图11中法拉第传感材料的反射式磁传感器示例；图19阐述了一种反射式磁场传感器，采用一段光纤替代图11中法拉第传感材料，并使用一个附加的WDM(WDM2)用来分开两个波长信道分别送到PD3和PD4。

图20描述了另外一个反射式磁传感器的实施例，采用一段光纤作为传感媒介的另外一种传感器设计实施例。

在这个传感器设计当中，包括一个产生探测光的光源；一个偏振分束装置用来接收来自光源的探测光，并产生一束第一偏振态的第一偏振光束，和一束不同于第一偏振态的第二偏振光束；一个第一法拉第旋转器用来接收来自第一偏振分束装置的第一偏振光束，产生一个偏振旋转后的第一旋偏输出光束；一个第二偏振分束装置用来接收来自第一法拉第旋转器的输出光束，产生一个只包含第三偏振态的第三偏振光束和一束与第三偏振态不同的第四偏振光束；一个第二法拉第旋转器用来接收来自第二偏振分束装置的第三偏振光束，产生一个第二旋偏输出光束；一段光纤用来接收来自法拉第旋转器的第二旋偏输出光束，这段光纤围绕在被测电流导体上形成一个传感光纤环，用来感测由电流导体产生的磁场；一个法拉第反射镜用来接收来自传感光纤环的光，并反射所接受的光回到传感光纤环，再回到并穿过第二法拉第旋转器到第二偏振分束装置，并被分成处于第三偏振态的光和第四偏振态的光。这个电流传感器设计还包括一个第一光探测器，用来接收和探测来自第二偏振分束装置返回来的所述处于第四偏振态的光；一个第二光探测器用来接收和探测来自第一偏振分束装置的处于第二偏振态的返回光；一个测量模块用来接收来自第一和第二光探测器的探测输出，以获得电流信息。

图20所示是一个特殊的实施例，这里上述第一偏振分束器由PBS1来表示，第一光探测器由PD1来表示，第二偏振分束器由PBS2来表示，第二光探测器表示为PD2。所述第一法拉第旋转器是一个45度法拉第旋转器，第二法拉第旋转器是一个22.5度法拉第旋转器。来自光源的光采用保偏光纤或单模光纤进入光学探头，并通过一个光学起偏器变成一个线偏振光。光的偏振方向对准PBS1的通过光轴并以最小的插入损耗通过PBS1。通过PBS1后，偏振态被旋转45度并与PBS2的通过光轴对齐，从而以最小损耗通过PBS2。光通过PBS2以后，再通过一个22.5度的法拉第旋转器，再通过一个准直器进入传感光纤。在传感光纤的另一端，光被一个法拉第反射镜反射再次通过传感光纤，并第二次穿过所述22.5度法拉第旋转器，从而当被传感的磁场为零的时候，光与进入传感光纤之前相比，偏振方向整个旋转了45度。这部分S光被PBS2反射进入PD1，而P光穿过PBS2。P光进一步被45度法拉第旋转器旋转，从而全部被PBS1反射进入PD2。此外，来自探测器光电流的电压可以用公式(3)和公式(4)所表达，假设点增益被适当校准，偏振旋转角可以用公式(5)得到。

V₁＝V_o(1-sin2θ) (8)

V₂＝V_o(1+cos2θ) (9)

因为偏振旋转角的正弦和余弦是已知，任意大偏转角可以明确获得。因此，我们可以使用长传感光纤以增加探测灵敏度。

在这个专利文件中包含很多细节，这并不意味着仅限于这些细节或者权利要求的内容，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当被认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (16)

1.一个基于光学传感的电流传感器，包括：

一个光源产生探测光；

一段传输光纤，其第一端口接收来自光源的探测光，并将所接收的探测光传输到第二端口；

一个电流传感器探头连接到传输光纤的第二端口，用来接收所述探测光；所述传感器探头包括一个输入起偏器，用来过滤所述探测光产生一束输入偏振光束；一个不受外部磁场影响的第一法拉第材料放置在所述输入偏振光束的光路中；一个会受外部磁场影响的第二法拉第材料也放置在所述输入偏振光束的光路中；一个光学反射镜放置在通过第一和第二法拉第材料的偏振输入光束光路后面，用来反射收到的输入偏振光束回到第一和第二法拉第材料和输入起偏器，并返回传输光纤；

一个包括一个第一光探测器的光学探测单元连接在传输光纤，用来从传输光纤接收来自光学传感器探头携带被测电流信息的光的至少一部分；

一个测量模块用来接收来自第一光探测器的包含电流信息的输出。

2.如权利要求1所述的电流传感器，其中输入起偏器替换为一个偏振分束装置，将光源的输入探测光分束成两束偏振态不同的偏振光，其中一束通过第一和第二法拉第材料后，再被反射镜反射回第一和第二法拉第材料后，再被所述偏振分束装置分束成两束偏振态不同的反射偏振光，其中一束被所述光探测器所接受；所述探测单元还包括一个第二光探测器，用来接收来自偏振分束装置的另外一束反射偏振光；通过计算第二光探测器和第一光探测器的探测差值，计算法拉第材料的光偏转角。

3.如权利要求1所述的电流传感器，其中包括：

所述产生探测光的光源产生的探测光被一个光分束器分成两束光探测光，其中一束进入所述传输光纤后，进入所述电流传感器探头；

所述被光分束器分成两束光中的第二探测光，进入一个第二传输光纤的第一端口；所述第二传输光纤的第二端口与一个光学温度传感探头相连接，所述光学温度传感探头接收第二探测光；所述光学温度传感器探头包括一个温度传感输入光起偏器，用来将探测光起偏成一束输入偏振光束；一个不受外部磁场影响的温度传感法拉第材料放置在输入偏振光束的光路中，并由于法拉第材料的温度变化产生一个法拉第偏转角；一个第二光学反射镜放置在温度传感法拉第材料之后的偏振输入光光路中，用来将接收到的偏振输入光束返回到温度传感法拉第材料和温度传感输入起偏器，回到所述第二传输光纤；

一个第三光探测器连接到第二传输光纤上，用来接收来自光学温度传感器探头、携带被测温度信息的传输光纤中的反射光的至少一部分；

所述测量模块用来接收第三光探测器的输出，以获得温度信息。

所述测量模块还包括运算功能，通过运算将温度传感探头探测到的温度信息用于消除电流传感探头因为温度变化造成的电流测量误差消除。

4.如权利要求3所述的电流传感器，进一步包括：

采用两个光源替代分束器产生的两束探测光。

5.一种基于光学传感的电流传感器，包括：

一个第一光源产生一束第一波长的第一探测光；

一个第二光源产生一束与第一波长不同的第二波长的第二探测光；

一个第一波分复用器用来接收第一探测光和第二探测光并使之合束成一个具有第一波长和第二波长的合束探测光；

一段第一传输光纤用来接收来自第一波分复用器的合束探测光；

一个光学电流传感器探头连接到第一传输光纤，用来接收合束探测光束；所述传感器探头包括一个起偏器，用来将合束探测光束变成一个偏振输入光束；一个用来进行偏振旋转的法拉第旋转器，放置在偏振输入光束的光路中，所述法拉第旋转器进行了对周边磁场的磁屏蔽；一个双色向滤波器放在法拉第旋转器的下游，设置成通过第一光波长而反射第二光波长，用来接收来自法拉第旋转器的光；

一个没有进行磁屏蔽的传感法拉第材料放置在双色滤波器的通过光光路中，用来感测第一光波长由温度变化和电流引起磁场的变化所引起的偏振旋转变化的光；一个光反射镜放置在传感法拉第材料的下游，用来反射第一光波长的光回到传感法拉第材料、双色向滤波器、法拉第旋转器和输入起偏器，并返回到传输光纤；第一波分复用器接收来自电流传感器探头的反射光，并将接收到的光分成处于第一波长的反射光束和处于第二波长的反射光束；

一个第一光探测器用来接收携带被测电流信息和光学电流传感器探头处温度的影响的第一波长的反射光束；

一个第二光探测器用来接收携带温度信息的第二波长的反射光束；

一个测量模块用来接收来自第一和第二光探测器的探测输出，以获得被测电流信息，并补偿温度对电流测量产生的影响。

6.如权利要求5所述的电流传感器，其中采用一个包含第一和第二光波长的宽带光源代替所述第一光源和第二光源；

取消所述波分复用器；

所述第一光探测器前端增加一个只能通过第一波长的滤波器，通过一个第一光耦合器连接到所述第一传输光纤上，用来接收携带被测电流信息和光学电流传感器探头处温度的影响的第一波长的反射光束；

所述第二光探测器前端增加一个只能通过第二波长的滤波器，通过一个第二光耦合器连接到所述第一传输光纤上，用来接收携带光学电流传感器探头处温度信息的第二波长的反射光束。

7.如权利要求6所述的电流传感器，其中：

一个波分复用器连接在第一光耦合器和第一光探测器之间，用来接收来自第一光耦合器的包含第一波长和第二波长的反射光束的一部分，并将第一波长的反射光分开进入到所述第一光探测器当中；

所述第二光探测器连接到所述波分复用器上，接收来自所述波分复用器第二波长的反射光；

权利要求6中所述第一光探测器和第二光探测器均去掉滤波器；

权利要求6中所述第二光耦合器去掉。

8.如权利要求6所述的电流传感器，其中采用一个包含第一和第二光波长的宽带光源代替所述第一光源和第二光源；

一个第二波分复用器接在所述宽带光源上，用来接收来自所述宽带光源的探测光，并分成一个处于第一波长的探测光和处于第二波长的探测光；

一段第一波长传输光纤，连接在第二波分复用器和第一波分复用器之间，用来将来自第二波分复用器的第一波长探测光传输到第一波分复用器中；

一段第而波长传输光纤，连接在第二波分复用器和第一波分复用器之间，用来将来自第二波分复用器的第二波长探测光传输到第一波分复用器中；

所述第一光探测器通过一个光耦合器连接到第一波长传输光纤上，用来接收来自第二第一波分复用器的携带被测电流信息和光学电流传感器探头处温度的影响的第一波长的反射光束；

所述第二光探测器通过另一个光耦合器连接到第二波长传输光纤上，用来接收来自第一波分复用器的携带温度信息的第二波长的反射光束。

9.如权利要求5所述的电流传感器，进一步包括：

一个偏振分束装置替代所述起偏器，用来接收来自第一传输光纤的探测光，并产生两束偏振态不同的偏振光束，其中成为权利要求5所述偏振输入光束；所述偏振分束装置收到来自双色向滤波器反射回来的处于第二波长的反射光束和来自反射镜反射回来的处于第一波长的反射光束后，分束成两束偏振态不同的第一反射偏振光束和第二反射偏振光束；所述第一反射偏振光束进入第一波分复用器；所述第二反射偏振光束，通过一段第二传输光纤，进入一个第三波分复用器；一个第三光探测器连接到第三波分复用器上，用来接收来自所述第三波分复用器中第二反射偏振光束中处于第一波长的光；一个第四光探测器连接到第三波分复用器上，用来接收来自所述第三波分复用器中第二反射偏振光束中处于第二波长的光；

一个测量模块用来接收来自各个探测器的输出，并通过获得的信息消除温度和光源波动影响，获得传感器探头处的电流、温度。

10.如权利要求1或5所述的电流传感器，进一步包括：

所述没有进行磁屏蔽的传感法拉第材料是一段缠绕在被测电流导体上的传感光纤，所述传感光纤第一端口用来接收来自光源穿过传感器探头中其他器件的探测光，所述传感光纤的第二端口连接一个反射镜，用来将收到的穿过传感光纤后携带电流信息的探测光反射回传感光纤的第一端口。

11.如权利要求10所述的电流传感器，其中所述反射镜是一个法拉第旋转镜。

12.如权利要求1或5所述的电流传感器，其中所述产生探测光的光源是低偏振度(DOP)光源，或是高偏振度光源，通过一段偏振轴对齐起偏器光轴的保偏光纤与所述传感探头连接。

13.如权利要求1或5所述的电流传感器，其中：

光探测模块包括一个光源检测探测器直接连接到光源，接收和测量来自光源的探测光的一部分，用于通过运算消除光源输出波动造成的测量误差。

14.如权利要求1或5所述的电流传感器，其中测量模块包括一个放大电路，用来将来自各个探测器的探测输出信号进行放大，一个数模转换电路用来将探测器放大电流输出转换成代表各个探测器的输出的数字信号；一个微处理器用来处理待测电流信息的数字信号。

15.一个基于光传感的电流传感器，包括：

一个产生探测光的光源；

一个第一偏振分束装置，用来接收来自光源的探测光，并产生一束第一偏振态的光，和一束与第一偏振态不同的第二偏振态的光；

一个第一法拉第旋光器用来接收来自偏振分束装置的第一偏振光束，并产生一个旋转偏振后的输出光束；

一个第二偏振分束装置，用来接收来自第一法拉第旋光器的输出光束，并产生一个处于第三偏振态的第三偏振光束，和一束处于与第三偏振态不同的第四偏振态的偏振光束；

一个第二法拉第旋光器，用来接收来自第二偏振分束器的第三偏振光束，以产生一个第二输出光束；

一段围绕在携带被测电流的导体上的传感光纤用来接收来自第二法拉第旋光器的第二输出光，以感测由导体电流产生的磁场；

一个法拉第反射镜，用来接收来自传感光纤的光，并将接收到的光反射回传感光纤、回到第二法拉第旋光器，并通过第二偏振分束装置分成第三偏振态和第四偏振态的光；

来自第二偏振分束装置的第四偏振态反射光束被一个第一光探测器来接收和探测，处于第三偏振态的返回光束通过第一法拉第旋光器达到第一偏振分束装置；

一个第二光探测器用来接收和探测来自第一偏振分束装置的第二偏振态返回光；

一个测量模块用来接收来自第一和第二光探测器的探测输出，以获得电流信息。

16.如权利要求15所述的电流传感器，其中第一法拉第旋光器是一个45°法拉第旋光器，第二法拉第旋光器是一个22.5°法拉第旋光器。