CN1224501A - 带有弯曲双折射补偿的光纤电流传感器 - Google Patents

带有弯曲双折射补偿的光纤电流传感器 Download PDF

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Abstract

用于法拉第效应电流传感器的光纤部件具有由呈正方形或矩形结构的管状支持物(12)支持的传感光纤,其中将四个角中的三个角设计成具有净零弯曲感应双折射的弯曲。通过设置具有大约90°有效角度的两个环形成弯曲,所述两个环位于正交平面内,从而第一环中双折射的快轴与第二环中双折射的慢轴平行,而且第一环中双折射的慢轴与第二环中双折射的快轴平行。通过这种方法,由第二环中积累的延迟性抵销第一环中积累的延迟性。如果环基本上是相同的,那么延迟性的抵销是很安全的,从而弯曲呈现可忽略的弯曲感应双折射。

Description

带有弯曲双折射补偿的光纤电流传感器
发明背景
本发明一般涉及法拉第效应、光纤电流传感器(fiber optic current-sensor)，特别是，涉及补偿弯曲感应变化(bend-induced variation)的经改进的传感器和制造这种传感器的方法。
现有技术描述
在现有技术中已知敏感于磁场的光纤，而且例如，还将它普遍地用作供电设施的光电流变换器(optical current transducer)(OCT’s)，典型的OCT使用形成包绕导电体线圈的单模光纤。响应于作为磁光法拉第效应(也称为法拉第旋转或孔脱(Kundt)效应)的结果流过导体的任何电流的变化，横穿光纤线圈的任何光的偏振发生移位。法拉第效应是当光沿着所施加的磁场方向通过物质时，线性偏振光束的偏振发生旋转，而且还是法拉第双折射的结果。在美国专利第5,051,577号(已转让给Minnesota Mining and Manufacturing Co.(3M--本发明的受让人))中进一步讨论了场敏(field-sensitive)光纤。
许多现有技术的参考文献认识到OCT’s的响应可能随着温度的变化而大幅变化，对于可在温度变化较大(诸如，-40℃至+80℃)的环境中使用的高精度OCT’s是不可接受的。已设计多种技术来使温度变化的不良影响减至最小。最基本的技术是根据经验数据(即，在实际测量期间用温度计确定温度)补偿输出，并允许后处理电路相应地调节输出。在美国专利第5,382,901号中揭示了这种技术更复杂的变化。一种不同的方法是通过在其制造期间使传感光纤(sensing fiber)的双折射减至最小(诸如，通过使它退火)，使温度相依性减至最小。还可利用传感光纤的特种材料将Verdet常数变化所引起的起伏减至最小，正如在“在几种反磁性玻璃中Verdet常数的温度相依性”(Joumal ofApplied Optics,Vol.30,No.10,pp.1176-1178(1991年4月1日)中所揭示的那样。
还可由弯曲感应双折射引起温度灵敏度。例如，沿着设置在载流导体周围的两个或多个笔直部分排列单根传感光纤，在笔直部分的两端形成光纤环，就会出现这种状况。虽然随着温度的变化笔直部分的双折射变化很小，但是光纤环可能还是很敏感的。在“在法拉第旋转光纤电流传感器中的双折射元件之间的几何分离”(Optics Letter,Vol.16,No.9,pp.687-689(1991年5月1日)中所述的传感头，通过选择环的半径和圈数使弯曲感应双折射是2π的倍数，将这种效应减至最小。在所有角的环是共面的。在所述的传感头中，已把单个传感光纤形成为四个笔直部分，一般在导体的周围形成正方形。虽然这种结构减小了弯曲感应双折射，但是它仍然不适于温度很高的许多领域应用，而且它还具有OCT’s的共有缺陷，即，把传感器安装在“环状”电缆上(即，不能穿过传感器的现存电缆)。通过在线圈环或正方形传感光纤的侧面之间提供足够的空间，可以将传感器线圈以及正方形传感器构成允许安装在环状电缆上，但是这又增加了传感器的尺寸，而且影响了它的精确度。
在美国专利第4,615,582号中描述了类似的补偿方案，但是仅仅采用180°转角(180°turn)，而且没有解决温度相依性。转角180°不能形成零净双折射的闭环或者通路(对传感电流是必需的，而对磁场不是必需的)，而是用于传感在整个测量部分中是单向的磁场。此外，在笔直部分中光的法拉第旋转导致没有完全消除双折射，因为这种方案依赖于建立具有特定已知的双折射(即，迟延180度)的波片，但是随着温度变化它是不稳定的。’582号专利没有提出电流传感器，而是提出一种把特定法拉第旋转量引入光信号的装置。
在“用于高度计的温度不敏感光纤线圈传感器”(Journal of Applied Optics,Vol.29,No.7,pp.975-978(1990年3月1日))中描述了另一种补偿方案。在这篇论文中描述了断裂后被扔掉的偏振保持光纤的运用。由于其固有的高线性双折射，所以偏振保持光纤不能被用作电流传感器，而且在制造传感器期间，如果需要接合光纤，那么将发生其它问题。因此，理想的是设计一种具有改进的温度相依性的光纤电流传感器，无需退火或接合传感光纤，而且无需用特殊材料、特殊光学元件或者特殊处理的光纤制造。如果可以利用笔直部分光纤使弯曲感应双折射最小，而且补偿在这种笔直部分的拐角处产生的弯曲感应双折射，那么它的优点将更明显。
发明概述
本发明提供一种用于法拉第效应传感器的光纤部件，它包括：具有第一和第二端及中间传感部分的光纤；和用于使所述光纤的所述传感部分保持在基本上闭合的通道中的装置，其中把所述传感部分形成为一般限定具有四个角的矩形的四个笔直部分，至少一个所述角具有大约90°有效角度的转角或弯曲，构成的所述转角用以补偿弯曲感应双折射。特别是，所述转角包括如此构成的第一和第二90°环，从而由所述第二环中积累的延迟性抵销所述第一环中积累的延迟性。在一个实施例中，第一和第二环都是四分之一转角环，而在另一个实施例中它们都是四分之三转角环。第一和第二环位于正交平面内，第一环中双折射的快轴与第二环中双折射的慢轴平行，而且第一环中双折射的慢轴与第二环中双折射的快轴平行。如果环基本上是相同的，那么延迟性的抵销是很完全的，从而弯曲呈现可忽略的弯曲感应双折射。最好是，矩形四个角中的三个角具有这样的结构，即由管状支持物支撑传感光纤。由支持物形成的通道，以及传感光纤的闭合通道最好是正方形。在管状支持物中可设置铰链以在支持物两个相邻笔直部分之间允许枢轴运动，从而可将传感器部件设置在现有载流导体周围。在另一个实施例中，把管状部件形成为基本上闭合的通路，它限定两个矩形，一个矩形在另一个矩形内。
附图说明
参照附图，将更好地理解本发明。
图1是根据本发明制造的法拉第效应传感器的光纤部件的透视图；
图2是图1的管状支持物一个角的详细示图，示出位于正交平面内弯曲处的两个环部分；
图3是图1的管状支持物输入端的侧视图，其中另一个管围绕输入偏振光纤，而接合保护器附在两个管上；
图4是具有由管状支持物限定的两个重叠正方形的光纤部件的另一个实施例；
图5是类似于图2但是示出具有四分之三转角环的详细示图；和
图6A和6B分别是可被用于支持具有图5的四分之三转角环的光纤的心轴的俯视图和侧视图。
较佳实施例的详细描述
现在参照附图，特别是图1，示出根据本发明制造的用于法拉第效应传感器的光纤部件的一个实施例10。一般，光纤部件10包括包含传感光纤(图1中未示出)的管状支持物12、接合到传感光纤第一端的输入光纤14和接合到传感光纤第二端输出光纤16。使管状支持物12定型，以形成基本上闭合的通路，即，由于需要把传感光纤的输入和输出端连到不同的输入和输出光纤，所以不能完全闭合通路，但是就它能够有效地围绕载流导体而言，该通路基本上是闭合的，从而磁场基本上与根据安培定律(Ampere’s Law)通过传感器的电流成正比。于是，传感器一般只响应于通过通路或环限定的管状支持物12的电流，而且传感器基本上不对环外的电流作出响应。支持物12的整个形状是矩形，而且最好是正方形，有四个笔直部分18、20、22和24。显而易见，这里所揭示的发明原理是，如果由管状支持物12所限定的角是直角，那么它具有最大的优势，但是如果角不完全是90°，那么仍能获得实质上的优势，所以应理解，形状一般可以是矩形，但不完全是矩形。
虽然在现有技术中已知有正方形的法拉第传感器，但是它们在传感光纤的弯角处呈现弯曲感应双折射，有害地影响它的温度灵敏度。上述传感头(Optics Letter,1991年5月1日)通过使弯曲感应双折射是2π的倍数将这种效应减至最小，但并没有消除双折射。相反，本发明在传感光纤中提供的弯曲，通过在弯曲处设置两个不同的环部分，从而由第二环中积累的延迟性抵销第一环中积累的延迟性，呈现出可忽略的弯曲感应双折射。这在图2中示出，其中详细示出了管状支持物12的一个角。所示的角是笔直部分20和22相遇的地方，但是在图1的其它两个弯角处采用相同(或相反)的几何结构(geometry)。支持物12的这个角具有两个环26和28，其中环26源于(stemming form)笔直部分20，而环28源于笔直部分22。在弯曲的中心部分接合两个环26和28。在该实施例中，与每个环相关的曲线都是圆形的，分别由与环26和28相关的虚线30和32表示。由两个环所限定的各个平面(即，两个虚线圆圈的平面)一般是正交的。通过这种方法，第一环中双折射的快轴(fast axis)与第二环中双折射的慢轴(slow axis)平行(而且第一环中双折射的慢轴与第二环中双折射的快轴平行)。在单个弯曲处这样组合两个环的净效应是补偿或抵销弯曲感应双折射。
即使没有完全消除净双折射，这种补偿效应也可能是有利的；然而，通过设置基本上相同的两个环，可以有效地完全抵销迟延，从而弯曲显示出可忽略的弯曲感应双折射(当光的方向改变时，光的偏振状态不从线性变成椭圆的)。对于传感器的温度相依性主要由于线性双折射引起的情况，弯曲感应双折射是可以忽略的。在笔直部分18、20、22、24中不存在弯曲感应双折射。虽然所示的环的曲率是圈的曲率，但是适于设置在给定弯曲处的两个环的其它曲线(椭圆等)基本上具有相同的形状。至于所示的实施例，每个环的半径应是相等的。
虽然只有在由图1的管状支持物12形成的正方形中的三个角以这里所述的方式弯曲，但是第四个角也可以这样弯曲，例如，允许输出光纤沿着与输入光纤相同的方向(与其平行)从部件中退出。
图3示出把传感光纤34附接于输入光纤14的一种方法。首先，用一滴环氧36在管状支持物12内固定传感光纤34，传感光纤34的末端只稍稍伸出管状支持物12的端部。在传感光纤34和输入光纤14之间诸如通过融接形成接头(splice)38。围绕输入光纤14的另一个管件40设置在接头38附近(在制造接头之前可以把输入光纤14插入管件40中)。管40的外径大约等于管状支持物12的外径。另一滴环氧42把输入光纤14固定到管40。内径稍大于管40和管状支持物12的外径的接头保护器44滑过管状支持物12和管40的端部，并用附加的环氧46固定。
用相同的方法把输出光纤16附接到传感光纤34的另一端上。换句话说，传感光纤最好长于管状支持物的通道，传感光纤34的一端退出(exit)管状支持物12的第一端，而传感光纤34的另一端退出管状支持物14的第二端。然而，也可以采用长度短于管状部件通道的传感光纤。例如，可以把传感光纤接合到输入光纤，然后插入管状支持物，直至传感光纤的另一端退出管状支持物的输出端。然后，把输出光纤接合到传感光纤，并重新插入传感光纤，从而由管状支持物的各个端部围绕接头，这样就不需要接头保护器44了。
如果每一端都使用接头保护器，那么可以通过把加固条48附接到两个保护器作进一步固定(如图1所示)，还使管状支持物12具有更强的结构完整性。把加固条48附接到每个接头保护器的中心部分，而且一般与每个接头保护器正交。
在较佳实施例中，管状支持物12是内径为1mm、外径为3mm的玻璃(耐热玻璃)管，接头保护器44是内径为3mm、外径为5mm的玻璃(耐热玻璃)，而加固条48是外径为2mm的玻璃(耐热玻璃)。由于所有支撑元件都具有相同的膨胀系数(最好接近于光纤(玻璃)的膨胀系数)，所以通过将相同的材料用于管状支持物12，接头保护器44和加固条48还减小了温度灵敏性。通过加热并使它相对心轴或模具变形，可将管状支持物12制成具有合适的形状。可以在三个弯角中的任一弯角处形成铰链50，以允许在不能通过管状支持物12的闭合通道的现有导体周围设置部件。
从3M Specialty Optical Fibers in West Haven,Connecticut，可售得本发明所用到的较佳光纤类。输入光纤14是以零件号FS-PZ-4611/200SA(工作波长为850nm)售得的偏振(PZ)光纤。输出光纤16是以零件号FS-PM-4611/200SA(工作波长820nm)售得的偏振保持(PM)光纤。传感光纤34是以零件号FS-SM-4622(工作波长780nm)售得的旋转不退火的单模光纤，对于温度循环具有双丙烯酸盐涂层。这个涂层与PM光纤上的相同，是一种软硅树脂内涂层和较硬丙烯酸盐外涂层。内涂层具有低Tg，它在整个温度范围内都保持凝胶状，因而不挤压可能在笔直部分中感应双折射的光纤。此外，光纤在每米5至40次之间旋转(旋转拍长大约为2.5-20cm，导致笔直拍长大约为100+米的光纤)，减小传感器笔直部分中的线性双折射。把输出光纤附接到传感光纤，从而输出光纤的双折射轴相对于来自没有施加电流的传感光纤偏振光平面成45℃。粘合光纤用的适当的胶是购自Norland Products of New Brunswick,New Jersey的UV固化环氧(curedepoxy)NOA # 72。适于把接头保护器44粘到管40和把加固条48粘到接头保护器44的胶可从Electronic Materials of Danbury,CT，以零件号XP 1060-930-45-1A售得。
不对传感光纤退火而使弯曲感应双折射引起的光纤部件10的温度灵敏度最小，退火步骤将使部件制造复杂化。例如，退火需要高于耐热玻璃的高质量玻璃，而且还使传感光纤上的双丙烯酸盐涂层蒸发。然而，肯定可以将退火的光纤用于传感光纤34，但是作为在部件10拐角处净零双折射的结果，应用不退火的光纤可以获得满意的结果。本发明的双折射补偿方案的另一个优点在于它的波长独立性。
部件10的尺寸可根据被监测的导体的尺寸或形状而改变。下面的近似尺寸作为示例。管状支持物12形成边长为10cm的正方形(包括在一个角处形成正方形部分的接头保护器44的部分)。环26和28的半径为2cm。传感光纤34的长度为54cm(传感光纤的每一端伸出管状支持物12达2cm)。管40长4cm，接头保护器44长5cm，加固条48长5cm。
打算将光纤部件10与整个法拉第传感系统的各种传统元件一起使用。虽然那些元件超出本发明的范围，但是下面的元件是典型的：与输入光纤14耦合的光源(诸如，从Point Source Ltd. of Winchester,England，以零件号LDS-Pz-3-K-780-0.5-TE售得的激光二极管光学组件(optical package)；或者作为替代，由EG&G Optoelectronics of Vaudrreuil,Canada制造的超级发光二极管)；和与输出光纤16耦合的检测器(诸如，来自Graseby Optronics of Orlando,Florida的硅光电检测器，型号260)。偏振器或偏振光束分束器与PM输出光纤16的轴对准。还可用PZ光纤来代替PM输出光纤。
图4示出用于法拉第效应电流传感器的光纤部件的另一种管状支持物52，它与管状支持物12相类似，只是用两个正方形(一个在另一个的内部)有效地形成管状支持物52，以提高传感器的灵敏度。类似地，还可以形成多于两个的正方形。可以把多个铰链设置在这样的多个正方形传感器内以允许把部件设置在现有的导体周围。
在图1、2和4中，每个环部分26和28分别弯曲90°总角度，而且环是四分之一转角环(所以，术语“环”并不意味着需要360°或更多角度的满绕法(fullwinding))。熟悉该技术领域的人员应理解，如果其它类型的环也具有大约90°的有效角度，那么是等效的。例如，图5示出具有两个圆形的、四分之三转角环54和56的光纤弯曲。这些环也具有90°的有效角，而且在正交的平面内形成。当然，通过简单地把一个或多个满转角加到图2或图5的几何结构上，那么可以形成更大的环。换句话说，两个圆形环可以具有由等式T=[(n×2)-1]/4给出的相同匝数T，其中n是1或更大的整数值。
可以在心轴或框58上方便地形成图5的绕组(如图6A和6B所示)，框58由以正方形方式组装的四个部件或杆构成，其中两个平行的杆叠置在其它两个杆上。在沿着杆的适当位置上可以形成环状槽，以在图5的几何结构中引导传感光纤。示范框58具有外径为1英寸(2.54cm)的杆，其中每个杆大约伸出角交叉点1英寸(2.54cm)。
本发明可与其它技术相结合，以改进法拉第电流传感器的精确度。在美国专利申请第08/539,059号中所揭示的方法，通过选择传感光纤的较佳传感轴来补偿Verdet常数的变化作进一步改进。本发明还可用于为美国专利申请第08/561,810号的差分电流传感器提供两个部件。
虽然参照特定实施例已描述本发明，但是并不意味着该说明书局限于此。对于熟悉本技术领域的人员而言，参照本发明的描述，所示实施例的各种变化以及本发明的其它实施例是显而易见的。因此，可以进行这些变更而不偏离由所附权利要求书所限定的本发明的构思和范围。

Claims (22)

1．一种用于法拉第效应传感器的光纤部件，其特征在于，所述部件包括：
具有第一和第二端及中间传感部分的光纤；和
用于使所述光纤的所述传感部分保持在基本上闭合的通道中的装置，其中把所述传感部分形成为一般限定具有四个角的矩形的四个笔直部分，至少一个所述角具有大约90°有效角度的所述传感部分的转角，构成所述转角以补偿弯曲感应双折射。
2．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，所述角中的三个角具有大约90°有效角度的所述传感部分的弯曲，构成每个所述弯曲以补偿弯曲感应双折射。
3．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，所述四个笔直部分一般还限定正方形。
4．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，所述光纤的所述第一和第二端在一个所述角处互相叠置。
5．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，所述弯曲包括如此构成的第一和第二90°环，从而由所述第二环中积累的延迟性抵销所述第一环中积累的延迟性。
6．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，所述保持装置包括铰链装置，它允许在所述光纤的所述传感部分的两个相邻笔直部分之间的枢轴运动。
7．如权利要求1所述的光纤部件，其特征在于，对所述弯曲感应双折射的补偿独立于在所述光纤中运行的光的波长。
8．如权利要求5所述的光纤部件，其特征在于，所述第一和第二环都是四分之一转角环。
9．如权利要求5所述的光纤部件，其特征在于，所述第一和第二环都是四分之三转角环。
10．如权利要求5所述的光纤部件，其特征在于：
所述第一和第二环都具有双折射的快轴和慢轴；
所述第一环中双折射的所述快轴与所述第二环中双折射的所述慢轴平行；和
所述第一环中双折射的所述慢轴与所述第二环中双折射的所述快轴平行。
11．如权利要求5所述的光纤部件，其特征在于，所述第一和第二环位于正交平面内。
12．如权利要求5所述的光纤部件，其特征在于，所述延迟性的所述补偿很完全，从而所述弯曲呈现可忽略的弯曲感应双折射。
13．一种法拉第效应电流传感器，其特征在于，包括：
具有第一和第二端的管状部件，形成具有四个笔直部分的基本上闭合的通道，其中所述四个笔直部分一般限定一个矩形，具有连接所述笔直部分的四个角，至少一个所述角具有大约90°有效角度的转角，所述转角包括第一和第二90°环部分，所述第一和第二环部分位于正交平面内，而且形状基本上相同；和
插入所述管状部件的传感光纤，从而所述光纤的第一端退出所述管状部件的所述第一端，所述光纤的第二端退出所述管状部件的所述第二端。
14．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，所述第一和第二环部分都是四分之一转角环。
15．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，所述四个笔直部分一般还限定正方形。
16．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，所述光纤的所述第一和第二端在一个所述角处互相叠置。
17．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，所述管状部件在一个所述角处被装上铰链，以允许在相邻的所述笔直部分对之间的枢轴运动。
18．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，还包括：
接合到所述光纤的所述第一端的输入偏振光纤；
接合到所述光纤的所述第二端的输出偏振保持光纤；
围绕所述输入偏振光纤部分的第一管件；
围绕所述输出偏振保持光纤部分的第二管件；
围绕所述光纤的所述第一端的第一接头保护器，所述第一接头保护器的第一端附接到所述管状部件的所述第一端，第二端附接到所述第一管件；
围绕所述光纤的所述第二端的第二接头保护器，所述第二接收保护器的第一端附接到所述管状部件的所述第二端，第二端附接到所述第二管状；和
附接到所述第一和第二接头保护器的加固部件。
19．如权利要求13所述的法拉第效应电流传感器，其特征在于，还包括：
接合到所述光纤的所述第一端的输入偏振光纤；
接合到所述光纤的所述第二端的输出偏振光纤；
围绕所述输入偏振光纤部分的第一管件；
围绕所述输出偏振保持光纤部分的第二管件；
围绕所述光纤的所述第一端的第一接头保护器，所述第一接头保护器的第一端附接到所述管状部件的所述第一端，第二端附接到所述第一管件；
围绕所述光纤的所述第二端的第二接头保护器，所述第二接头保护器的第一端附接到所述管状部件的所述第二端，第二端附接到所述第二管件；和
附接到所述第一和第二接头保护器的加固部件。
20．一种制造法拉第效应电流传感器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
把具有第一和第二端的管状部件形成为具有四个笔直部分的基本上闭合的通道，其中所述四个笔直部分一般限定具有连接所述笔直部分的四个角的矩形，至少一个所述角具有大约90°有效角度的转角，所述转角包括第一和第二90°环部分，所述第一和第二环部分位于正交平面内而且形状相同；
把传感光纤插入所述管状部件；和
把所述光纤固定在所述管状部件中，从而所述光纤的第一端退出所述管状部件的所述第一端，而所述光纤的第二端退出所述管状部件的所述第二端。
21．如权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：
把偏振光纤接合到所述光纤的所述第一端；
把所述第一管件设置在所述偏振光纤部分周围；
把第一接头保护器附接到所述管状部件的所述第一端和所述第一管件的一端，从而所述第一接头保护器围绕在所述偏振光纤和所述光纤的所述第一端之间的接头；
把偏振保持光纤接合到所述光纤的所述第二端；
把所述第二管件设置在所述偏振保持光纤部分周围；和
把第二接头保护器附接到所述管状部件的所述第二端和所述第二管件的一端，从而所述第二接头保护器围绕在所述偏振光纤和所述光纤的所述第二端之间的接头。
22．如权利要求20所述的方法，其特征在于，把所述管状部件形成为限定两个矩形的所述基本上闭合的通路，其中一个矩形位于另一个矩形内。
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