CN1182401C - 萨格拉斯干涉仪型电流传感器 - Google Patents

Abstract

消偏振镜11插入在光分支单元2与偏振滤光器3之间；消偏振镜12和偏振滤光器14插入在光相位调制器5与四分一波片16之间，以及消偏振镜13和偏振滤光器15插入在光分支单元4的另一分支端与四分一波片17之间。光分支元件2和光相位调制器5是由单模光纤形成的，并且单模光纤用于光学器件之间的连接，由此提供总体上廉价的装置。

Description

萨格拉斯干涉仪型电流传感器

                        技术领域

本发明涉及利用萨格拉斯(Sagnac)干涉仪型电流传感器，包括设置在由电流产生的磁场内的光纤线圈，并且顺时针和逆时针光线通过该光纤线圈传播，产生法拉第(Faraday)效应，从而使它们的偏振平面以相反的方向旋转，在它们之间产生相位差，通过检测相位差可以确定电流。

                         背景技术

测量在通过输电与配电领域使用的传输线的电流一般使用包括铁芯和其上缠绕线圈的互感器。由于互感器代表纯电测量仪器，因而要求互感器满足电噪声阻抗和介电强度要求，并且取决于所安装的位置，必须考虑外部轮廓和尺寸。

包括光纤线圈的萨格拉斯干涉仪是为在电流传感器中使用而正在研究和开发的，它不受电噪声影响，并且它不要求确保介电强度。包括光纤线圈的萨格拉斯干涉仪已经用于检测光纤陀螺(gyro)应用中运动物体的旋转。除了检测旋转以外，萨格拉斯干涉仪对由电流产生的磁场呈现反应，并且可以利用这样的反应来确定电流。特别是，当在包括透明材料的光纤线圈上施加磁场时，法拉第效应引起偏振平面的旋转，并且偏振平面的旋转角度是与磁场强度和光线在磁场中经过的距离成比例。由于偏振平面的旋转，在通过光纤线圈的右旋和左旋光线之间产生相位差。检测相位差可以确定产生该磁场的电流强度。现在将参考图1描述萨格拉斯干涉仪型电流传感器的一个传统实例。

在图1中，从光源1中发射出的光通过光学定向耦合器或第一光分支单元(optical branch unit)2，并且进一步通过第一偏振滤光器3到达第二光分支单元4，在其中被分为右旋光和左旋光，并照射在电流检测线圈6上。左旋光在相位调制器5中受到调制，该光通过四分一波片16照射在线圈6的一端，经过线圈6行进，从其作为左旋光发射，照射在第二四分一波片17上，并且接着连续通过第二光分支单元4和第一偏振滤光器3，照射在第一光分支单元2上，在其中光被分支到光接收器7并由其接收。另一方面，来自第二光分支单元4的右旋光通过第二四分一波片17，照射在电流检测线圈6上，经过线圈6行进，从其作为右旋光顺时针发射，照射在第一四分一波片16上，在其中，它的光相位在相位调制器5中得到调制。相位调制过的右旋光连续地通过第二光分支单元4和第一偏振滤光器3，照射在第一光分支单元2上，在其中光被分支到光接收器7并由其接收。应该理解，第一四分一波片16和第二四分一波片17把从偏振滤光器3入射的线偏振光转换成所发射的圆偏振光，并且也把圆偏振入射光转换成线偏振发射光。应该注意到，调制输入是从振荡电路9输入相位调制器5，以执行右旋和左旋光线的光相位调制。

当把电线10靠近受磁场作用的电流检测线圈6时，因而该线圈的直径方向是在电线10的延长线上，在通过线圈6后，在右旋光和左旋光之间产生相位差，并且从该线圈发射出的右旋光和左旋光在第二光分支单元4经受合成干涉，结果光接收器7接收相位已调制的光，它具有随相位差而变化的光强度。干涉光的强度变化具有与来自振荡电路9的调制信号的频率相符的频率，并且具有与右旋光和左旋光之间的相位差对应的相位。当到达光接收器7时，该相位调制光被转换为具有随光强度而幅度变化的电信号。由光电转换器获得的电信号被输入到同步检测器8。从振荡电路9供给相位检测器5的调制信号被输入到同步检测器8作为参考信号，由此执行对输入到光接收器7并由此输出的信号的同步检测。该同步检测输出对应于相位差，而相位差与施加到该电流检测线圈6的磁场成比例。(关于相位调制的细节，参见序号为99/351883和01/21363的公开的日本专利申请)。

如上所述，通过使圆偏振光照射在该线圈的相反端和作为右旋光和左旋光从中通过传播，并且通过使两束光之间具有相位差的光互相干涉，使得获得的相干光具有可用于确定电流强度的变化光强度，萨格拉斯干涉仪型电流传感器可确定产生施加在电流检测线圈6的磁场的电流的强度。

为了把萨格拉斯干涉仪当作电流传感器来操作，有必要把圆偏振光如上所述入射到电流检测线圈6上。为满足这个要求，在图1所示的传统实例中，以粗线表示的光纤或光纤部件是由维持偏振的光纤构成的。具体地说，除了形成电流检测线圈6的光纤以外，从光源1延伸到第一光分支单元2并具有一米量级长度的光纤、从第一光分支单元2延伸到第一偏振滤光器3并具有一米量级长度的光纤、从第一偏振滤光器3延伸到第二光分支单元4并具有一米量级长度的光纤、以及从第二光分支单元4延伸到相位调制器5并具有一米量级长度的光纤每个都是由维持偏振的光纤构成的。假定构成电流检测线圈6的光纤的总长度是10米，从第二光分支单元4延伸到第一四分一波片16的光纤以及从第二光分支单元4延伸到第二四分一波片17的光纤每个具有选择为大约50米长，每个这样长度的光纤是由维持偏振的光纤构成的。在所示传统实例中，第一光分支单元2、第一偏振滤光器3以及第二光分支单元4如图所示也是由维持偏振的光纤构成的。

应该理解，把来自光源的光线的固有轴线与连接到第一光分支单元2的维持偏振的光纤的固有轴线校准为一条直线需要大量的时间，并且相应地，这种电流传感器相当地昂贵。另外，维持偏振的光纤远比与不维持偏振面的单模光纤便宜。因此，图1所示的传统萨格拉斯干涉仪型电流传感器是昂贵的。

图2所示的萨格拉斯干涉仪型电流传感器包括附加在图1所示传统实例上的长度调节的光纤线圈。

在萨格拉斯干涉仪中，检测线圈包括单模光纤线圈。当它用作电流检测线圈6时，设计具有总长度10米量级的光纤对检测电流的目的足够了。为了获得在检测由光接收器7获取的、作为光电转换结果的电信号时的良好灵敏度，通常在萨格拉斯干涉仪的检测线圈6的一端插入相位调制器5，以便某种意义上(in an a.c.sense)根据前述右旋光和左旋光提供光相位调制。当检测线圈6具有10米量级的光纤长度时，在左旋和右旋光之间不能获得足够的传播时间差，因而对于得到的相干光难以获得足够的调制幅度。为了克服这个问题，把长度调节光纤线圈60串联到检测线圈6的一端，使得从第二光分支单元4的一个分支端到它的包括检测线圈6和长度调节光纤线圈60的另一端形成百米量级长度的光纤。假定检测线圈6的光纤长度等于10米，选择长度调节光纤线圈60具有90米量级的长度。因为调制频率相对于相位调制器的最佳激励频率的误差与造成偏移变化的尖峰信号脉宽成比例，所以一般选择包括长度调节光纤线圈60的检测线圈的长度L与调制频率f的乘积使得满足下列等式：

f·L＝c/2n

其中c表示光速，和n表示光纤的折射系数。

把c＝3×10⁸米/秒和n＝1.45代入式中，结果如下：

f·L＝100米·兆赫兹

在图2所示的萨格拉斯干涉仪型电流传感器中，除了电流检测线圈6是由单模光纤构成的以外，光学器件以及连接光学器件的光纤都是由粗线指示的维持偏振的光纤构成的，并且长达90米的长度调节光纤线圈60也是由维持偏振的光纤构成的。这些解释了整个萨格拉斯干涉仪型电流传感器价格昂贵的原因。

本发明的目的是提供克服了因使用维持偏振的光纤而引起的所述问题的一种萨格拉斯干涉仪型电流传感器。

                           发明内容

本发明以萨格拉斯干涉仪型电流传感器作为前提，其中所发射的光线通过光学定向耦合器照射在第一偏振滤光器上，该滤光器发射出具有指定偏振面的线偏振光，该线偏振光接着在第二光分支单元中分成两束光，一束经过光相位调制器和第一四分一波片，同时另一束经过第二四分一波片，由此作为左旋光和右旋光的两束光都照射在电流检测线圈的相对两端。

本发明的第一个方面，是所提供的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：光源；光接收器；光分支单元，用于将来自光源的光分为两束；连接装置，用于将所述光源和光检测器连接到所述光分支单元；光相位调制器，连接在光分支单元的一个分支端；第一消偏振镜，连接到光相位调制器；第一偏振滤光器，连接到第一消偏振镜；第一四分一波片，连接到第一偏振滤光器；第二消偏振镜，连接到光分支单元的另一个分支端；第二偏振滤光器，连接到第二消偏振镜；第二四分一波片，连接到第二偏振滤光器；电流检测线圈，其一端连接到第一四分一波片，其另一端连接到第二四分一波片，来自第二四分一波片和第一四分一波片的左旋光和右旋光照射在其上，该左旋光和右旋光相互干涉，所形成的干涉光投射到光接收器上。

本发明的第二个方面，是提供一种萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：光源；光学定向耦合器，来自光源的光照射在其上；第一消偏振镜，来自光学定向耦合器的光照射在其上，用于发出非偏振光；第一偏振滤光器，来自第一消偏振镜的光照射在其上，用于发出指定线偏振光；光分支单元，用于将从第一偏振滤光器发出的光分为两束；光相位调制器，连接在光分支单元的一个分支端；电流检测线圈，来自光分支单元的另一分支端的光和来自光相位调制器的光作为左旋光和右旋光照射在其上；第一四分一波片，插入在光相位调制器和电流检测线圈之间；第二四分一波片，插入在光分支单元的另一分支端和电流检测线圈之间；第二消偏振镜和第二偏振滤光器，串联在光相位调制器和第一四分一波片之间；第三消偏振镜和第三偏振滤光器，串联在光分支单元的另一分支端和第二四分一波片之间，第二消偏振镜连接在光相位调制器一侧，并且第三消偏振镜连接在光分支单元一侧；光接收器，连接到光学定向耦合器。

本发明的第三个方面，是所提供的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：光源；光接收器；光分支单元，将光源发出的光分为两束；光相位调制器，连接在光分支单元的一个分支端；第一四分一波片，连接到光相位调制器；第二四分一波片，连接到光分支单元的另一个分支端；电流检测线圈，其一端连接到第一四分一波片，其另一端连接到第二四分一波片，来自第二四分一波片和第一四分一波片的左旋光和右旋光照射在其上，该左旋光和右旋光相互干涉，所形成的干涉光投射到光接收器上；第一长度调节光纤线圈，串联在第一光路中，所述第一光路在光分支单元的一分支端和第一四分一波片之间；第二长度调节光纤线圈，串联在第二光路中，所述第二光路在所述光分支单元的另一分支端和第二四分一波片之间，其中电流检测线圈的中心轴与第一和第二长度调节光纤线圈的中心轴准直于共同的直线上，电流检测线圈和两个长度调节光纤线圈满足下列不等式：

|R_c×L_c+R₁×L₁-R₂×L₂|＜5

这里R_c：电流检测线圈的平均半径；L_c：电流检测线圈的光纤长度；R₁：第一长度调节光纤线圈71的平均半径；L₁：第一长度调节光纤线圈71的光纤长度；R₂：第二长度调节光纤线圈72的平均半径；L₂：第二长度调节光纤线圈72的光纤长度。

优选地，第一长度调节光纤线圈串联在第二光分支单元的一个分支和第一四分一波片之间，以及第二长度调节光纤线圈串联在第二光分支单元的另一分支端和第二四分一波片之间，两个长度调节光纤线圈彼此以相反方向绕制，并且使它们的中心轴校准于共同的直线上。

更优选地，第一和第二长度调节光纤线圈以及检测线圈的中心轴充分地校准于共同的直线上并且通过萨格拉斯效应光的相位发生变化，这三个线圈上的光的相位变化彼此抵消。

优选地，使光学定向耦合器和第二光分支单元之间分开，接着通过第一光连接器-一条延伸光纤-第二光连接器22将它们连接在一起。另外，在第二光分支单元与第一和第二四分一波片的每一波片之间可以形成一个间距，通过第一光连接器-两条延伸光纤-第二光连接器22能够将它们很好地连接起来。

                        附图说明

图1是传统实例的示意图；

图2是包括长度调节光纤线圈的另一个传统实例的图解；

图3是本发明实施例的示意图；

图4是表示消偏振镜的示意图；

图5是本发明另一个实施例的示意图；

图6是包括长度调节光纤线圈的本发明的实施例的示意图；

图7是发明的被分为多个框图的实施例的示意图；

图8是发明的被分为多个框图的另一个实施例的示意图。

                       具体实施方式

将参照图3所示的实施例描述实现本发明的模式。

在图3中与在图1所示的那些对应部分由前面使用过的相同的参考数字指定。在这个实施例中，连接光学器件的光纤是由单模光纤构成的，并且使用消偏振镜接收入射光并将其转换为非偏振光发射出去。

从光源1发射的光，通过用作光学定向耦合器的第一光分支单元2，照射在第一消偏振镜11上，并且由其传送的光被转换为在正交模(mode)之间具有相等的光量的非偏振光。从第一消偏振镜11发射的非偏振光照射在第一偏振滤光器3上，在其中，有选择地发射具有指定偏振面的线偏振光。该线偏振光照射在第二光分支单元4上，在其中光被分为左旋光和右旋光。被分支的左旋光在相位调制器5中受到调制，并且该相位调制的左旋光照射在第二消偏振镜12上并被转换为非偏振光，并且接着照射在第二偏振滤光器14上，在其中光被转换为具有指定偏振面的线偏振光。从第二偏振滤光器14发射出的线偏振光通过第一四分一波片16被转换为圆偏振光，该圆偏振光照射在由单模光纤构成的电流检测线圈6的一端，继续逆时针行进通过线圈6，从它的另一端发射出去。接着，该圆偏振光顺序地通过第二四分一波片17和第三偏振滤光器15被转换为具有指定偏振面的线偏振光。接着该线偏振光通过第三消偏振镜13被转换为非偏振光并照射在第二光分支单元4上。通过第二光分支单元4的光线顺序地通过第一偏振滤光器3和第一消偏振镜11被转换为非偏振光，接着照射在第一光分支单元2上，并被光接收器7接收。

另一方面，由第二光分支单元4分支的右旋光照射在第三消偏振镜13上被转换为非偏振光，该非偏振光接着照射在第三偏振滤光器15上被转换为具有指定偏振面的线偏振光。这个线偏振光通过第二四分一波片17被转换为圆偏振光，该圆偏振光接着照射在电流检测线圈6上，继续顺时针行进通过线圈6发射出去。接着，所发射的光顺序地通过第一四分一波片16和第二偏振滤光器14被转换为具有指定偏振面的线偏振光，接着该线偏振光通过第二消偏振镜12被转换为非偏振光，接着该非偏振光照射在相位调制器5上受到光相位调制。经过光相位调制的右旋光顺序地通过第二光分支单元4、第一偏振滤光器3和第一消偏振镜11被转换为非偏振光，该非偏振光接着通过第一光分支单元2被光接收器7接收。

参见图3，当将由电流产生的磁场施加到电流检测线圈6时，在磁场的影响下，由于法拉第效应，在右旋光和左旋光之间产生相位差，在右旋光和左旋光照射该电流检测线圈6之前，通过第二偏振滤光器14和第一四分一波片16的组合或第三偏振滤光器15和第二四分一波片17的组合，已被转换为圆偏振光。如果假定法拉第效应正向性地作用于右旋光，则随之法拉第效应负向性地作用于左旋光。按这种方式，法拉第效应在右旋光和左旋光之间产生相位差。在通过电流检测线圈6后，左旋光和右旋光在第二光分支单元4内经受合成干涉(synthesizing interference)，结果，具有光强度随两束光之间的相位差而变化的相位调制光被光接收器7接收。一旦到达光接收器7，该相干的、相位调制光被转换为具有幅度与其光强度变化相关的电信号。在同步检测器8中使用自振荡电路9馈送的信号作为参考信号，对从光接收器7来的电信号进行同步检测，由此提供检测输出信号，该信号取决于与施加在电流检测线圈6的磁场成比例的相位差。

现在将研究消偏振镜和非偏振光。

非偏振光指满足这些要求的光：在正交模之间的光量相等，并且正交模式之间的光不相干。满足这些要求的光由通过消偏振镜的通路获得。例如，如图4所示，消偏振镜包括长度是L1的维持偏振的光纤21和长度是L2的维持偏振的光纤22，它们的一个端面胶合在一起。选择L1和L2的长度比率是1∶2，并且把维持偏振的光纤21和22熔接在一起，使得它们的固有轴线x，y互相偏移45°。以此方式构成的消偏振镜被称为Lyot(立奥)消偏振镜，它具有长度单位L_u，一般选择该值，使得当光沿维持偏振的光纤的一对固有轴线x，y传播时，在正交分量之间的群延迟时间差(group dalay time difference)等于或大于光的相干时间(详见Journal of Lightwave Technology(光波技术)，Vol.LT1，No.1，March 1983第71-74页)。

维持偏振的光纤的L1和L2长度之间的比率意在提供在立奥消偏振镜中的正交分量之间的群延迟时间差的比率。接着假定发生在第一消偏振镜11、第二消偏振镜12以及第三消偏振镜13中的正交分量之间的群延迟时间差大于光的相干时间，并且例如，发生在第一消偏振镜11、第二消偏振镜12以及第三消偏振镜13中的正交分量之间的群延迟时间差比率为1∶2∶4。假定每个维持偏振的光纤具有相等的差拍(beat)长度。在单个消偏振镜的固有轴x，y之间的群延迟时间差是等于或大于光的相干时间的，并且该被转换为非偏振光的光在沿单模光纤传播时可能具有已旋转的偏振面，结果当对应固有轴y的分量在例如第一消偏振镜中被延迟时，同样的分量作为x分量可以入射在下一个消偏振镜上。在这样的实例中，已经通过下一个消偏振镜的光可能具有正交分量之间的群延迟时间差，该群延迟时间差可能等于或小于光的相干时间，因而不能满足非偏振光的要求。如果选择下一个消偏振镜的群延迟时间差两倍于第一消偏振镜的群延迟时间差，能够确保即使在这样的实例中，在通过下一个消偏振镜的通路上，正交分量之间的群延迟时间差是等于或大于光的相干时间的，由此确保非偏振光。

从图1的装置中显而易见，发生在消偏振镜11、12以及13中的群延迟时间差的比率也可以选择为4∶1∶2，唯一的要求是：选择比该比率1∶2∶4大的差值，而不考虑顺序。

选择对应第一消偏振镜11或消偏振镜的单位长度是20厘米(比率1)。普通的维持偏振的光纤具有2毫米量级的差拍长度，并且假定所使用的光的相干时间在1.6×10^-13秒量级，在通过20厘米长的维持偏振的光纤传播期间，正交分量之间的群延迟时间差将是2.7×10^-13秒，它等于或大于该相干时间。注意，这表示在光纤陀螺中常用的超荧光二极管光源的相干时间。

选择对应作为第二消偏振镜12使用的消偏振镜的单位长度是40厘米(比率2)，以及选择对应作为第三消偏振镜13使用的消偏振镜的单位长度是80厘米(比率4)。

当作出这样的选择时，第一消偏振镜11、第二消偏振镜12以及第三消偏振镜13能够由维持偏振的光纤构成，同时保持正交分量之间的群延迟时间差大于光的相干时间，该群延迟时间差是由通过维持偏振的光纤的通路引起的，并且当第一、第二和第三偏振镜11、12以及13的正交分量之间的群延迟时间差的比率是1∶2∶4或1∶4∶2或更大时，左旋和右旋光都可以通过光路传播，同时保持非偏振化并且能够被合成以抑制由偏振分量引起的零点飘移形成的误差。

在图3所示的实施例中，连接在两个光学器件之间的光纤都是由上述的单模光纤构成的，并且相应地，在通过单模光纤传播时，偏振面可能发生微小的变化，这就不能确维持偏振的振面的保持。

但是，通过用廉价的单模光纤构成连接在光源1和第一光分支单元2之间的光纤、和用廉价的单模光纤构成第一光分支单元2，以便能传输在传播和分支期间不能确保保持偏振面的光，使得在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间连接的第一消偏振镜可获得非偏振光，该非偏振光可以照射在第一偏振滤光器3上以提供恰当的线偏振光。当从第一偏振滤光器3发出的线偏振光通过单模光纤传播时(该单模光纤是从第二光分支单元4到第二消偏振镜12和第三消偏振镜13延伸的增加长度)，偏振面可能改变，但是如果偏振面改变了，则在电流检测线圈6相对端的第二消偏振镜12和第二偏振滤光器14的组合以及第三消偏振镜13和第三偏振滤光器15的组合的装置使该偏振光能复原为具有指定偏振面的线偏振光，接着使其通过四分一波片16和17，作为所要求的圆偏振光照射在电流检测线圈6上。

以类似的方式，通过第二四分一波片17和第三偏振滤光器15的组合、或第一四分一波片16和第二偏振滤光器14的组合，行进已通过和从电流检测线圈6发出的左旋和右旋光被转换为具有指定偏振面的线偏振光，同时保持由通过电流检测线圈6的通路引起的相位差。这些线偏振光分别通过第三消偏振镜13和第二消偏振镜12被转换为非偏振光，同时保持它们之间的相位差，并且接着通过单模光纤，在第二光分支单元4中经受合成干涉，由此产生具有强度随相位差变化的相干光。通过第一偏振滤光器3，该相干光被转换为具有指定偏振面的线偏振光，接着通过第一消偏振镜11被转换为非偏振光，同时保持强度变化，并且该相干的非偏振光通过包括单模光纤的第一光分支单元2，照射在光接收器7上，在其中它被转换为幅度随光强度变化的电信号，并且该电信号在检测电流8中受到同步检测。

如上所述可以看出，可以提供整体上廉价的萨格拉斯干涉仪型电流传感器同时确保其恰当地工作。通过在连接在光学器件之间的每个光路上使用廉价的单模光纤；在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间提供第一消偏振镜11；以及在电流检测线圈6的每一端提供消偏振镜、偏振滤光器以及四分一波片的组合，可确保可能已经发生的偏振面的任何变化可以返回到指定偏振面。

在图5所示的一个实施例中，连接在光源1和第一光分支单元2之间的光纤是由廉价的单模光纤构成的，第一光分支单元2是由廉价的单模光纤构成的，以及第一消偏振镜11连接在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间。但是，不是如图3所示的实施例中那样，提供第二消偏振镜12和第二偏振滤光器14的组合或第三消偏振镜13和第三偏振滤光器15的组合，而是位于从第二光分支单元4到第一四分一波片16和第二四分一波片17的路径上的每个光学器件和光纤都是由如图1所示的传统实例中的维持偏振的光纤构成的。在这个实施例中，不确保光从光源1到第一消偏振镜11保持偏振面，但是在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间连接第一消偏振镜11能确保获得非偏振光，并且使该非偏振光照射在第一偏振滤光器3上，并且接着由维持偏振的光纤作为合适的线偏振光继续照射在第一四分一波片16和第二四分一波片17上。

在这个实施例中，可以使用诸如发射非偏振光的发光二极管(LED)的光源，由此可以方便地省去在来自光源的固有光轴和维持偏振的光纤的固有光轴之间校准的麻烦。

另外，在图3所示的实施例中，可以去掉第一消偏振镜11，并且可以使用诸如发射非偏振光的发光二极管(LED)的光源作为光源1。在这个实例中，恰当的操作也能保证省去光源1和光纤之间的校准，以及光纤可以使用单模光纤，由此提供一个廉价的装置。可以把第二消偏振镜12和第三消偏振镜13的正交分量之间群延迟时间对它们之一选择为1和对另一个选择为2或更大。

在图3和5所示的实施例中，也可以使用如图2所示的长度调节光纤线圈。在这个实例中，在前者使用单模光纤，同时在后者使用维持偏振的光纤以提供长度调节光纤线圈。

当使用该长度调节光纤线圈时，如图6所示的装置也将使用。在图6中，与图3所示的那些部件的对应部件由前面使用过的相同的参考数字指定。从第二光分支单元4的一个分支端和第一四分一波片16之间延伸的光纤路径被称为第一光路，同时从第二光分支单元4的另一个分支端和第二四分一波片17之间延伸的光纤路径被称为第二光路。

在这个实施例中，逆时针长度调节光纤线圈71串联在第一光路上，以及顺时针长度调节光纤线圈72串联在第二光路上。换句话说，长度调节线圈分配在两个光路之间，并且逆时针长度调节光纤线圈71和顺时针长度调节光纤线圈72都是由单模光纤构成的，并且是作为光纤线圈提供的。由于各自光纤线圈的旋转，在通过长度调节光纤线圈71和72传播的光的相位上产生变化，这些长度调节光纤线圈71和72形成萨格拉斯效应。需要提供一种防止在这些长度调节光纤线圈71和72中发生萨格拉斯效应的装置，以免影响由于施加在电流检测线圈6上的磁场而通过法拉第效应产生的左和右旋光之间的相位差。相应地，逆时针长度调节光纤线圈71和顺时针长度调节光纤线圈72以相反的方向绕制，并且安排光纤线圈71和72以使它们的中心轴充分地准直在同一条直线上。利用这个装置，由逆时针长度调节光纤线圈71引起的萨格拉斯效应和由顺时针长度调节光纤线圈72引起的萨格拉斯效应彼此相互抵消。利用如图1所示的传统电流传感器，如果电流检测线圈6围绕其中心轴旋转，则在由于萨格拉斯效应引起的左和右旋光之间产生相位差，它表示在电流检测中的误差。

相应地，在图6所示的实施例中，通过提供一种装置使得在三个线圈之间由于萨格拉斯效应引起的相位差总体上减小，可以达到预期的目的，该三个线圈是电流检测线圈6、逆时针长度调节光纤线圈71和顺时针长度调节光纤线圈72。最后，安排线圈6、71和72使得它们的中心轴充分地互相准直，并且通过满足以下要求可以减小由于线圈6、光纤线圈71和光纤线圈72的旋转引起的萨格拉斯效应产生的总相位差：

|R_c×L_c+R₁×L₁-R₂×L₂|＜5

其中R_c是电流检测线圈的平均半径(例如，0.5米)，L_c是电流检测线圈的光纤长度(例如，10米)，R₁是逆时针长度调节光纤线圈71的平均半径(例如，0.035米＝35毫米)，L₁是逆时针长度调节光纤线圈71的光纤长度(例如，57米)，R₂是顺时针长度调节光纤线圈72的平均半径(例如，0.035米＝35毫米)，L₂是顺时针长度调节光纤线圈72的光纤长度(例如，200米)。

当使用圆括号中所指示的特定值时，光纤的总长度将是267米，这是光纤陀螺的常用长度，光纤陀螺是种典型的萨格拉斯干涉仪。当选择上述不等式右边的值为5时，由萨格拉斯效应而发生的相位差将降低到在如图1所示的现有技术中所发生的相位差的一半或更少。

另外，在图6所示的实施例中，与光源的波长相比，希望在上述第一和第二光路中使用的每个单模光纤的截止波长可以向较长一侧偏移100纳米或更多。这些可以如下列所述发生。

光源1：使用波长范围0.83微米的半导体光源，这种光源被普遍用作光盘唱机的光源。

光纤：使用波长1.3微米的单模光纤。这种光纤的截止波长在1.2微米的量级。并且经常用于光通信中。

因为与光源的波长相比，这种光纤的截止波长向较长一侧偏移100纳米或更多，所以通常传播较高波模(mode)。但是，如图所示，逆时针长度调节光纤线圈71连接在第一光路中，同时顺时针长度调节光纤线圈72连接在第二光路中，并且这两者如上所述构成较小直径的线圈。相应地，这些线圈的弯曲效应有助于该较高波模易于泄漏防止进一步的传播。选择光纤线圈71和72的直径以便能使较高波模泄漏。换句话说，光源1和光纤可以使用普遍使用的廉价产品。

将易于看到，在图6中所示的实施例作为电流传感器，通过提供第一消偏振镜11、第二消偏振镜12与第二偏振滤光器14的组合以及第三消偏振镜13与第三偏振滤光器15的组合，甚至使用单模光纤，能够以如图3所示的实施例类似的方式满意地操作。

应认识到，要求如上所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器这样配置，使得当检测由流经电线的电流产生的磁场时，包括电流检测线圈6的整个电流传感器靠近电线来配置，并且这经常造成它的安装和维护上的不便和困难。相应地，选择一种装置，其中萨格拉斯干涉仪型电流传感器被机械上分为多部件组成该传感器的光学器件，并且通过光学连接器和光纤将这些分立的部件连接起来。被分为多部件光学器件的萨格拉斯干涉仪型电流传感器的实施例如图7所示，在其中与在图3所示的那些相对应的部分由前面使用过的参考字符指定。

在这个实施例中，使第一光分支单元2和第二光分支单元4之间分开，以提供光源部件B和电流检测线圈部件C，这两个部件通过使用第一光连接器21、第二光连接器22以及延伸光纤20连接起来，该延伸光纤20连接在第一光连接器21和第二光连接器22之间。该延伸光纤20包括单模光纤，并且第一光连接器21和第二光连接器22包括用于连接单模光纤的光连接器。当使在图7中的第一光分支单元2和第一消偏振镜11之间分开时，也可替代地使在第一偏振滤光器3和第二光分支单元4之间分开。

通过使用以光连接器和光纤在第一光分支单元2和第二光分支单元4之间连接的装置，该电流传感器可被划分为光源部件B和电流检测线圈部件C。将光源部件B可以安装在高压铁塔附近的地面上，同时只有电流检测线圈部件C可以单独的安装在高压电线附近。与在高压电线附近提供电流传感器相比较，这减少了与安装和维护有关的各种要求。

能够进行如上所述的分开和分割是使用在光纤器件之间连接的单模光纤优点。具体地说，在第一光连接器21和第二光连接器22之间连接的延伸光纤20是由单模光纤构成的，并且第一光连接器21和第二光连接器22可以作为用于连接单模光纤的光连接器。在连接光学器件的光纤是维持偏振的光纤的情况下，相应的光连接器当然需要是用于连接维持偏振的光纤的光连接器。但是，应该认识到用于连接维持偏振的光纤的光连接器比用于连接单模光纤的光连接器要昂贵得多。在本实施例中，使用廉价的用于连接单模光纤的光连接器连接各部件。

图8示出一实施例，其中使第二光分支单元4和第一四分一波片16以及第二四分一波片17之间分开，以便将该电流传感器分为光源部件B和电流检测线圈部件C，这两个部件通过使用第一光连接器21、第二光连接器22以及两个延伸光纤20连接起来，该两个延伸光纤20连接在第一光连接器21和第二光连接器22之间。在这个实施例中，电流检测线圈部件C的结构与前面的实施例相比可以进一步简化，由此能减轻与安装和维护有关的各种要求。第一光连接器21和第二光连接器22中的每一个都可以使用双芯连接器，以通过一对延伸光纤20简化部件B和C之间的连接。在图7和图8中示出的其中电流传感器被划分成部件并连接在一起的装置，也可以应用到图5和图6中示出的实施例上。在前面的描述中，电流是开环测量的，但是当在闭环光纤陀螺中，也可以闭环测量，并且本发明也可应用到这样的实例中。现在将简要描述一个这样的装置。在位于第二光分支单元4和第一四分一波片16以及第二四分一波片17之间的每个光纤路径上插入第二光相位调制器，以根据来自检测电路8的输出实现光相位调制，使得左和右旋光之间的相位差减少。当该相位差基本上等于0时获得的、来自第二光相位调制器的调制信号的幅度与所检测的电流相关。

如上所述，根据本发明，使用萨格拉斯干涉仪检测在磁场影响下、在电流检测线圈中产生的左和右旋光之间的相位差。通过在电流检测线圈的每一端配置偏振滤光器和四分一波片的组合，在磁场的影响下产生的非交互相位差通过以圆偏振光传播左和右旋光得以扩大，由此优化了对磁场或电流的灵敏度。能够快速识别比在光纤陀螺中的性能大4个量级的测量范围。使用偏振滤光器和消偏振镜的组合至少简化了与光源的耦合，并且根据装置的方式，可使用廉价的单模光纤作为各种光学器件以及其间的连接部分，由此以低成本提供了萨格拉斯干涉仪型电流传感器。特别是，在萨格拉斯干涉仪型电流传感器中，如果一个长度调节光纤线圈串联在第二光分支单元的一个分支端与第一四分一波片之间的第一光路上、并且另一个长度调节光纤线圈串联在第二光分支单元的另一分支端与第二四分一波片之间的第二光路上，则当为此目的使用与具有大大增加的90米量级的长度的长度调节光纤线圈一样多廉价的单模光纤时，在所需成本上的减少是显著的。

如果使用廉价的单模光纤构成每个连接光学器件的光路，同时在电流检测线圈6的每一端提供消偏振镜、偏振滤光器以及四分一波片的组合，则能够提供整体上廉价的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，通过使偏振面的任何偏移能返回到指定偏振面，该传感器能够恰当地操作。

在使用廉价的单模光纤连接光源1和第一光分支单元2的实施例中，使用廉价的单模光纤确定第一光分支单元2，并且第一消偏振镜11连接在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间，不能确保从光源1到第一消偏振镜11，光的偏振面能够保持，但是在第一光分支单元2和第一偏振滤光器3之间连接第一消偏振镜11可获得非偏振光，并且可以使该非偏振光照射在第一偏振滤光器3上，以通过合适的线偏振光，该线偏振光可以照射在第一四分一波片16和第二四分一波片17上。

当逆时针长度调节光纤线圈71和顺时针长度调节光纤线圈72以彼此相反的方向绕制时，由各自线圈引起的萨格拉斯效应能够彼此抵消。

如前所述，电流检测线圈6、逆时针长度调节光纤线圈71和顺时针长度调节光纤线圈72具有相关于由萨格拉斯效应引起的相位差的相互关系，但是当要求|R_c×L_c+R₁×L₁-R₂×L₂|＜5满足时，能够减少由萨格拉斯效应引起的相位差，该萨格拉斯效应是由电流检测线圈、在第一光路上的线圈以及在第二光路上的线圈的各自旋转引起的。

假定R_c等于0.5米、L_c等于10米、R₁等于35毫米、L₁等于57米、R₂等于35毫米和L₂等于200米，该光纤的总长度等于267米，这是光纤陀螺的常用长度，光纤陀螺是种典型的萨格拉斯干涉仪。当选择上述不等式右边的值为5时，由萨格拉斯效应而产生的相位差将大大降低。

与光源的波长相比，通过选择这种光纤的截止波长向较长一侧偏移100纳米或更多，则通常传播较高波模。但是，当逆时针长度调节光纤线圈71连接在第一光路中、并且顺时针长度调节光纤线圈72连接在第二光路中时，这些线圈的弯曲效应促使该较高波模易于泄漏以防止进一步传播，同时允许使用廉价的产品。

另外，如果使第一光分支单元2和第二光分支单元4之间分开，同时使用光连接器和光纤在其间连接，该电流传感器可分为光源部件B和电流检测线圈部件C，能将光源部件B安装在高压铁塔附近的地面上，并且电流检测线圈部件C只能安装在高压电线附近，与在高压电线附近安装整个电流传感器相比，这减轻了与安装和维护有关的各种困难。能够进行上述划分是使用单模光纤在光学器件之间连接的一个效果。在使第二光分支单元4和第一四分一波片16及第二四分一波片17之间分开的情况下，将电流传感器分为光源部件B和电流检测线圈部件C，这两个部件通过使用第一光连接器21、第二光连接器22以及延伸光纤20连接起来，该延伸光纤20连接在第一光连接器21和第二光连接器22之间，该电流检测线圈部件C的配置与前面的实施例相比可以进一步简化，由此减轻了与安装和维护有关的各种困难。

Claims (14)

1.一种萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：

光源(1)；

光接收器(7)；

光分支单元(4)，用于将来自光源的光分为两束；

光相位调制器(5)，连接在光分支单元的一个分支端；

第一消偏振镜(12)，连接到光相位调制器；

第一偏振滤光器(14)，连接到第一消偏振镜；

第一四分一波片(16)，连接到第一偏振滤光器；

第二消偏振镜(13)，连接到光分支单元的另一个分支端；

第二偏振滤光器(15)，连接到第二消偏振镜；

第二四分一波片(17)，连接到第二偏振滤光器；

电流检测线圈(6)，其一端连接到第一四分一波片，其另一端连接到第二四分一波片，来自第二四分一波片和第一四分一波片的左旋光和右旋光照射在其上，该左旋光和右旋光相互干涉，所形成的干涉光投射到光接收器。

2.根据权利要求1所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，其中第一消偏振镜和第二消偏振镜是由维持偏振的光纤构成的，每个消偏振镜具有其本身的、所发生的光的正交分量之间的群延迟时间差，在各个消偏振镜的各个群延迟时间差的比率等于1∶2。

3.根据权利要求1或2所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括第一光连接器(21)、第二光连接器(22)以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的延伸光纤(20)，它们被插入在光学定向耦合器(2)和光分支单元(4)之间的光路中。

4.根据权利要求1或2所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括：

第一光连接器、第二光连接器以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的第一延伸光纤，它们被插入在第一光路中，所述第一光路在光分支单元和第一四分一波片之间；

第三光连接器、第四光连接器以及连接在第三光连接器与第四光连接器之间的第二延伸光纤，它们被插入在第二光路中，所述第二光路在光分支单元和第二四分一波片之间。

5.一种萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：

光源(1)；

光学定向耦合器(2)，来自光源的光照射在其上；

第一消偏振镜(11)，来自光学定向耦合器的光照射在其上，用于发出非偏振光，

第一偏振滤光器(3)，来自第一消偏振镜的光照射在其上，用于发出指定线偏振光；

光分支单元(4)，用于将从第一偏振滤光器发出的光分为两束；

光相位调制器(5)，连接在光分支单元的一个分支端；

电流检测线圈(6)，来自光分支单元的另一分支端的光和来自光相位调制器的光作为左旋光和右旋光照射在其上；

第一四分一波片(16)，插入在光相位调制器和电流检测线圈之间；

第二四分一波片(17)，插入在光分支单元的另一分支端和电流检测线圈之间；

第二消偏振镜(12)和第二偏振滤光器(14)，串联在光相位调制器和第一四分一波片之间；

第三消偏振镜(13)和第三偏振滤光器(15)，串联在光分支单元的另一分支端和第二四分一波片之间，第二消偏振镜连接在光相位调制器一侧，并且第三消偏振镜连接在光分支单元一侧，

光接收器(7)，连接到光学定向耦合器。

6.根据权利要求5所述的电流传感器，其中第一消偏振镜、第二消偏振镜和第三消偏振镜是由维持偏振的光纤构成的，每个消偏振镜具有其本身的、所发生的光的正交分量之间的群延迟时间差，在各个消偏振镜的各个群延迟时间差的比率等于1∶2∶4，与第一、第二和第三消偏振镜的顺序无关。

7.根据权利要求5所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，其中构成第一光路和第二光路的至少一个的光纤是由单模光纤构成的，所述第一光路在所述光分支单元的一分支端和第一四分一波片之间，所述第二光路在所述光分支单元的另一分支端和第二四分一波片之间，所述单模光纤的截止波长比光源波长至少长100纳米。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括第一光连接器、第二光连接器以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的延伸光纤，它们被插入在光学定向耦合器和光分支单元之间的光路中。

9.根据权利要求5至7中任一项所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括：

第一光连接器、第二光连接器以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的第一延伸光纤，它们被插入在第一光路中，所述第一光路在光分支单元和第一四分一波片之间；

第三光连接器、第四光连接器以及连接在第三光连接器与第四光连接器之间的第二延伸光纤，它们被插入在第二光路中，所述第二光路在光分支单元和第二四分一波片之间。

10.一种萨格拉斯干涉仪型电流传感器，包括：

光源(1)；

光接收器(7)；

光分支单元(4)，将光源发出的光分为两束；

光相位调制器(5)，连接在光分支单元的一个分支端；

第一四分一波片(16)，连接到光相位调制器；

第二四分一波片(17)，连接到光分支单元的另一个分支端；

电流检测线圈(6)，其一端连接到第一四分一波片，其另一端连接到第二四分一波片，来自第二四分一波片和第一四分一波片的左旋光和右旋光照射在其上，该左旋光和右旋光相互干涉，所形成的干涉光投射到光接收器；

第一长度调节光纤线圈(71)，串联在第一光路中，所述第一光路在光分支单元的一分支端和第一四分一波片(16)之间；

第二长度调节光纤线圈(72)，串联在第二光路中，所述第二光路在所述光分支单元的另一分支端和第二四分一波片(17)之间，其中电流检测线圈的中心轴与第一和第二长度调节光纤线圈的中心轴准直于共同的直线上，电流检测线圈和两个长度调节光纤线圈满足下列不等式：

      |R_c×L_c+R₁×L₁-R₂×L₂|＜5

这里R_c：电流检测线圈的平均半径

L_c：电流检测线圈的光纤长度

R₁：第一长度调节光纤线圈的平均半径

L₁：第一长度调节光纤线圈的光纤长度

R₂：第二长度调节光纤线圈的平均半径

L₂：第二长度调节光纤线圈的光纤长度。

11.按照权利要求10的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括：

第一消偏振镜；

第一偏振滤光器，串联到第一消偏振镜，第一消偏振镜和第一偏振滤光器的串联电路被插入所述第一光路中，以使第一消偏振镜连接到第一长度调节光纤线圈，并且第一偏振滤光器连接到第一四分一波片；

第二消偏振镜；

第二偏振滤光器，串联到第二消偏振镜，第二消偏振镜和第二偏振滤光器的串联电路被插入所述第二光路中，以使第二消偏振镜连接到第二长度调节光纤线圈，并且第二偏振滤光器连接到第二四分一波片。

12.按照权利要求10的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，其中还包括：

光学定向耦合器(2)，来自光源的光照射在其上，

第一消偏振镜(11)，来自光学定向耦合器的光照射在其上，并且它发出非偏振光，

第一偏振滤光器(3)，来自第一消偏振镜的光照射在其上，并且它发出指定的线偏振光至所述光分支单元。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括第一光连接器(21)、第二光连接器(22)以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的延伸光纤(20)，它们被插入在光学定向耦合器(2)和光分支单元(4)之间的光路中。

14.根据权利要求10-12中任一项所述的萨格拉斯干涉仪型电流传感器，还包括：

第一光连接器、第二光连接器以及连接在第一光连接器与第二光连接器之间的第一延伸光纤，它们被插入在第一光路中，所述第一光路在光分支单元和第一四分一波片之间；

第三光连接器、第四光连接器以及连接在第三光连接器与第四光连接器之间的第二延伸光纤，它们被插入在第二光路中，所述第二光路在光分支单元和第二四分一波片之间。

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