CN1098785A - 用于光纤电流测量设备传感头 - Google Patents

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Abstract

一种用于光纤电流测量设备的传感头。它表现 为扭转的低重折率LB光纤(14)，它围绕电流导体导 向并用于传导偏振光。使用LB光纤14，检测偏振 光的法拉第旋转，该旋转由被测电流J的磁场H产 生。LB光纤14在它的两端分别与两个偏振保持光 导体HB纤维(6，7)之一相连，其中之一6提供偏振 光。两个HB光纤6，7固定在两个连接位置(19，20) 附近，吸收由LB光纤(14)扭转产生的扭力。该传感 夹的特点为测量精度极高。

Description

本发明的出发点是根据权利要求1前序部分的用于光纤电流测量设备的传感头。
本发明涉及例如，从由K.Bohnert和R.Stierlin的出版物：光纤传感器，Bulletin SEV/VSE 82（1991）1，21-29页显见的先有技术。在图6中，该出版物描述了带有偏振测定的光纤电流传感器的基本示意图，这种电流传感器有一个传感头，它围绕一个载流导体，并带有低重折率传感器光纤（LB光纤）。该LB光纤以线圈的形式缠绕在电流导体上。线性偏振光通过偏振保持光纤（HB光纤）从光源传导至LB光纤。在LB光纤中，偏振光在导体电流的磁场影响下进行法拉第旋转，由法拉第旋转改变的并包含导体电流值信息的偏振光通过另一个（偏振保持）HB光纤传导至检测和计算装置，在那里确定导体电流值。
这种传感器的精度基本上由重折率确定，该重折率由例如LB光纤在线圈绕组段的弯曲度（bending）引入，为了大大减小该重折率的影响，LB光纤还围绕光纤轴被机械扭弯。由于这种情况下的扭应力的结果，产生了可控环形重折率（circalar birefringence），它根据扭曲程度和重折率可很大，该重折率由加在线圈绕组上的弯曲应力引起并且很难检测。
因此，如权项1所规定的本发明的一个目的是提供一种用于光纤电流测量设备的新型传感头，虽然该传感头有简单和坚固的结构，但是它的特点是有很高的测量精度。
根据本发明的传感头的特点是有简单和坚固的结构并且在很困难的使用条件下也能给出高精度测量值。这是因为一方面它的光学有源部件实际上都使用光纤工艺构成。但另一方面，这也是由于作为电流传感器的低重折率LB光纤的实际上无作用力的结果。该光纤实际上与偏振保持HB光纤联接并只通过该HB光纤固定在接头位置附近。
执行法拉第旋转的偏振光以非常简单而有效的方式耦合到作为法拉第旋转体的LB光纤中，并同时将窜改法拉第旋转的所不希望的机械力通过将不受机械和热应力影响的HB光纤固定而排除在LB光纤之外。
以下参考附图详细说明本发明的最佳实施例和本发明的其他优点。
附图以简要的形式示出本发明的一个实施例，更具体地说，该图沿电流导体方向示出了根据本发明的传感头的示图，该传感头位于光纤电流测量设备内，该设备基本上仅以基本示意图的形式示出。
现参考附图，在唯一的图1中，用1标识光纤电流测量设备的传感头。电流导体2被引导穿过传感头1。流过电流导体2并穿过附图平面的电流J产生磁场H，其方向是箭头指示的方向。该光纤电流测量设备示出除传感头1以外还有一个最好由二极管激光器组成的光源3，偏振器4和检测和计算部件5。一个光导（未和标号指出）将光源3的光传导至偏振器4，在那里产生线性偏振光。该偏振光由偏振保持光纤6（最好包含石英，并还称为HB光纤）传导至传感头1，在那里，由于磁场H，所提供的光进行法拉第旋转。从传感头射出的偏振光通过另一个偏振保持光纤（最好还包含石英、HB光纤7）传导至检测和计算部件5。如光纤6和7的HB光纤固有地表现为高度重折率，并且在它们的偏振光学特性在较宽范围内（-40℃-80℃）不受干扰的情况下可在较大机械力作用下生效。HB光纤还在偏振光传播方向上表现为两个相互正交的轴，其中光的线性偏振不受影响。
检测和计算部件5包括带有例如Wollaston棱镜9和两个光敏检测器10，11的偏振计8;装置12，用于确定承接法拉第旋转的信号S并因此确定在传感头1中被测的电流值;和装置13，用于确定被测电流J的值。
传感头1包括作为电流传感器的光纤，它以线圈形缠绕电流导体2并表现为低重折率和最好还包括石英，称之为LB的光纤14。LB光纤14围绕它的光纤轴扭转并导入毛细管15，毛细管15以线圈形式缠绕并最好也包含石英玻璃。毛细管15典型地有0.2至0.5mm的直径并弹性安装在刚性线圈载体16上。该弹性安装最好如此进行，使毛细管15埋入位于线圈载体16上的弹性体，例如硅酮橡胶内。两个偏振保持HB光纤6、7分别插入毛细管15相对的两端，并通过毛细管15的粘性连接头17、18分别固定在两个插入开口区。该粘性连接头17，18最好由弹性体制成，例如特别是硅酮。
光纤6和14或相应的14和7在它们相互面对的端头永久和牢固地相连接。在这种情况下，连接位置19和20由熔接形成。这两个连接位置19和20在毛细管15内配置成尽可能相互靠近以避免附加场敏感度。粘性连接头17和18位于连接位置的附近。
代替光导和偏振器4，在光源3和HB光纤6的入口之间可通过熔化连接产生偏振光的光纤。这样光纤电流测量设备的传感头基本上只含有光纤元件并因此可以简单和紧凑的方式构造。
在对电流导体2中传导的电流J进行测量的过程中，线性偏振光从偏振器4或代替偏振器4设置的光纤传导至HB光纤6。由于它的偏振保持特性，HB光纤6保证偏振光不受干扰地传导入LB光纤14，尽管粘性连接头17在光纤6中产生了机械应力。
LB光纤14以基本上无作用的方式固定在两个连接位置19和20上。由它的扭转产生的扭应力通过两个连接位置19和20、两个HB光纤6、7和两个粘性连接头17，18传送到毛细管15。由于LB光纤14包含与毛细管15相同的热膨胀系数的材料，故温度变化不会在LB光纤14中产生压或拉应力。LB光纤14的偏振光学特性基本不变。这是一个特殊的优点，因为LB光纤一般在它的偏振光学特性方面对此反应灵敏，即便在较小的机械力的作用下也是如此。另外，由线圈载体16和毛细管15之间不同的材料膨胀率由于温度变化产生的机械力被毛细管15吸收而并不影响LB光纤14。在这种情况下，由于毛细管15埋入弹性体，温度变化时在线圈载体16和毛细管15之间产生的力变为均匀的而避免了不希望的应力峰值。
脉冲地穿过LB先纤14的偏振光的偏振面在流过电流导体2的电流J的磁场H的影响下进行与电流强度相关的法拉第旋转。LB光纤14的扭转设计成如此进行，使得在无电流条件下光的偏振方向在连接位置20与HB光纤7的两个相互正交的轴呈45°。因此，在连接位置20，包含法拉第旋转信息的线性偏振光被分为两个相互正交的分量。这两个分量被传入偏振计8，在Wollaston棱镜中被相互分开并在两个光学检测器10和11中作为信号S1和S2被记录。由于光的偏振面的法拉第旋转，结果两个相互正交的分量的强度和从光学检测器10和11发出的信号S1和S2的值发生改变。偏振面位置与温度相关的分量由两个信号S1和S2的比测得，而传感头的温度也从该比率确定。信号S由信号S1和S2确定。最后装置13从信号S确定被测电流的值，该值考虑到温度的影响。
使用根据上述实施例设计的传感头1，在-20℃和80℃的温度范围内可达到近似0.2%的电流测量精度。
附图中标号为：
1.传感头
2.电流导体
3.光源
4.偏振器
5.检测和计算部件
6，7.HB光纤
8.偏振计
9.Wollaston棱镜
10，11.光检测器
12.确定法拉第旋转的装置
13.确定电流值的装置
14.LB光纤
15.毛细管
16.线圈载体
17，18.粘性连接头
19，20.连接位置
显然，从上述教导出发可能对本发明作出各种发型和变化。因此不说自明本发明可应用于在所际权利要求书范围内，而除本文具体描述的范围外的场合。

Claims (10)

1、一种用于光纤电流测量设备传感头(1)带有扭转的低重折率光纤(14)，该传感头围绕电流导体(2)导向并用于传导偏振光，用于检测由被测电流(J)的磁场(H)引起的偏振光的旋转，其中低重折率光纤(14)各在它的两端与两个偏振保持光导纤维(6、7)之一相连接，其中之一(6)提供偏振光，其中两个偏振保持光纤(6，7)分别在两个连接位置(19，20)附近保证吸收由低和折率光纤(14)扭转产生的扭力。
2、如权利要求1的传感头，其特征在于低重折率光纤（14）被导入以线圈形式缠绕的毛细管（15）内。
3、如权利要求2的传感头，其特征在于毛细管（15）由与低重折率光纤（14）在热膨胀系数方面类似的材料制成。
4、如权利要求3的传感头，其特征在于低重折率光纤（14）和毛细管（15）主要包含石英。
5、如权利要求2至4之一的传感头，其特征在于毛细管（15）弹性安装在刚性线圈载体（16）上。
6、如权利要求5的传感头，其特征在于毛细管（15）被埋入位于线圈载体（16）上的弹性体中，
7、如权利要求2至6之一的传感头，其特征在于两个偏振保持光纤（6，7）在相对两端被分别插入毛细管（15），并通过粘性连接件（17，18）固定在毛细管（15）各自的插入开口区。
8、如权利要求7的传感头，其特征在于粘性连接件（17，18）包括如最好是硅酮一类的弹性体。
9、如权利要求1至8之一的传感头，其特征在于提供偏振光的偏振保持光纤（6）在它远离低重折率光纤（14）的一端与产生偏振光的光纤相连。
10、如权利要求1至9之一的传感头，其特征在于连接位置（19，20）由熔接形成。
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