DE19608946A1

DE19608946A1 - Magnetooptischer Stromsensor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE19608946A1
Application number: DE1996108946
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Hoffmann; Reinhard Dipl Ing Seyer; Hannes Dr Albrecht
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1996-03-08
Filing date: 1996-03-08
Publication date: 1997-09-18
Also published as: DE19654909A1

Description

Die Erfindung betrifft einen magnetooptischen Stromsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.

Magnetooptische Sensoren werden zur Messung von elektrischen Strömen, insbesondere in Hochspannungsschaltanlagen, eingesetzt. Das Magnetfeld, daß durch den Stromfluß in einem Leiter hervorgerufen wird, führt zu einer Drehung der Polarisationsebene von Licht in einem magnetooptischen Sensor. Die Stärke der Drehung ist proportional zur Stromstärke.

Es sind magnetooptische Sensoren bekannt, die aus Lichtleitfasern gebildet sind. Diese Sensoren sind meist so ausgeführt, daß eine Lichtleitfaser als Spule um einen Stromleiter gewunden ist. Intrinsische und induzierte Doppelbrechungseffekte verfälschen die Polarisationszustände des Lichts, die daher nicht verzerrungsfrei übertragen werden können. Das führt zur Verfälschung der Strommessung des Sensors.

Es ist bekannt, den Einfluß der Doppelbrechungseffekte in den Fasern durch Einsatz speziell präparierter Fasern zu verringern. Bekannt ist die Verwendung tordierter Fasern mit niedriger intrinsischer Doppelbrechung (Twisted LoBi Fibre), wobei eine sogen. Single-Mode-Faser um ihre Längsachse tordiert wird. Zur Aufrechterhaltung der Torsion wird die Faser anschließend mechanisch gestützt, z. B. durch Aufwickeln als Spule. Diese Anordnung ist jedoch äußerst störanfällig gegenüber Temperatureinflüssen und Vibrationen.

Bekannt ist auch eine Anordnung, bei der eine hochdoppelbrechende Faser verwendet wird, die bereits beim Ziehprozeß hoch tordiert wurde, wodurch man eine eingefrorene Torsion der Faser erhält. Diese sogen. Spun Fibre weist eine verbesserte Vibrationsempfindlichkeit auf, die Temperaturempfindlichkeit ist jedoch sehr groß.

Eine dritte Anordnung verwendet eine niedrigdoppelbrechende Faser, die zu einer Spule gewunden wird, bei der die induzierte Doppelbrechung anschließend durch eine thermische Behandlung der Spule ausgeheilt wird (Annealed Fibre). Die Temperaturempfindlichkeit ist verbessert, jedoch ist die Vibrationsempfindlichkeit groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetooptischen Sensor anzugeben, der die Signalübertragung verbessert und störunempfindlicher macht, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterführende und vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung geht davon aus, daß eine Lichtleitfaser konfektioniert, in vorgegebener Weise tordiert und anschließend zu einer Spule mit vorgegebener Wicklungsvorschrift gewickelt wird. Die Wicklungsvorschrift führt zur Kompensation der in der Faser induzierten Doppelbrechung. Bevorzugt wird die Spule um einen elastischen Träger gewickelt, wodurch die Temperatur- und Vibrationsempfindlichkeit weiter reduziert wird.

Besonders vorteilhaft ist, daß die Sensorspule sehr kompakt ist. Beim Einsatz der Sensorspule in Hochspannungsschaltanlagen ist besonders günstig, unmittelbar an die kompakte, auf Hochspannung liegende Spule ein polarisationsanalysierendes Element anzuschließen und so die Signale als Intensitätssignal durch gewöhnliche Lichtleitfasern auf Erdpotential zu übertragen und dort auszuwerten.

Die Sensorspule eignet sich sowohl für Gleichspannungsmessungen als auch für Wechselspannungsmessungen.

Das Herstellungsverfahren der Semorspule ist für alle magnetooptischen Fasern geeignet. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Verwendung von niedrigdoppelbrechenden Single-Mode-Fasern.

Im folgenden ist die Erfindung erläutert und anhand von Abbildungen näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 den Aufbau einer üblichen Stromsensoranordnung,

Fig. 2 die Abhängigkeit des Polarisationsdrehwinkels in einer gestreckten, tordierten Faser von der Torsion im Faserendenbereich,

Fig. 3 die Abhängigkeit des Polarisationsdrehwinkels von der Doppelbrechung,

Fig. 4 die Abhängigkeit des Polarisationsdrehwinkels von der Doppelbrechung mit Licht, das eine Restelliptizität aufweist.

In Fig. 1 ist ein üblicher Stromsensor mit Steuer- und Auswerteeinheit 1 dargestellt. Das Sendelicht, z. B. von einem Laser, wird mit einer polarisationserhaltenden Faser mit hoher Doppelbrechung zum Sensorkopf geführt und dort mit einem Kollimator 2 in einen Parallelstrahl gewandelt, der zunächst durch den Polarisator 3 tritt. Der Polarisator 3 fixiert eindeutig die Polarisationsrichtung des Sendelichts, das danach über einen nichtpolarisierenden Strahlteiler 4 dem Koppelkollimator 3 zugeführt wird. Das Licht durchläuft die Sensorspule 6, die den Stromieiter 8 umgibt, zunächst in einer Richtung, wird am Ende der Sensorfaser durch den Reflexkopf 7 reflektiert und durchläuft ein zweites Mal in entgegengesetzter Richtung die Semorspule 6. Das wieder ausgekoppelte Licht wird mit dem nichtpolarisierenden Strahlteiler 4 dem Polarisationsanalysator 9 zugeführt und von dort in üblicher Weise weitergeführt und verarbeitet.

Die Erfindung geht davon aus, daß Lichtleitfasern für den optischen Einsatz als Sensorspule zu konfektionieren sind. Die Faserenden werden dazu in röhrchenförmige Halterungen, sogen. Ferrulen, geklebt und an den Stirnflächen geschliffen und poliert. Dabei wird in den Faserenden jeweils eine lineare Doppelbrechung Γ induziert, die relativ zum Ferrulenkörper fest fixiert und durch eine anschließende Torsion der Faser im allgemeinen nicht zu kompensieren ist. Die Konfektionierung dient gleichzeitig der mechanischen Stützung der Torsion. Im einzelnen kann Γ auch von der intrinsischen Doppelbrechung der verwendeten Faser herrühren oder durch eine anderweitige mechanische Stützung der Torsion an den Faserenden induziert sein.

Die Sensorspule kann sowohl mit einem reflektierenden Ende ausgestattet sein als auch in Transmission betrieben werden.

Die lineare Doppelbrechung läßt sich ausdrücken als Γ = (2π/λ)·(n_s-n_f)·L_f·λ ist die Wellenlänge des Sendelichts, L_f die Ferrulenlänge, n_s und n_f sind die Halbachsen der Brechungsindex-Ellipse der Faser im Ferrulenbereich. Polarisiertes Licht wird in Abhängigkeit des Winkels Ψ zwischen der Polarisationsrichtung und einer Halbachse der Brechungsindex-Ellipse, z. B. n_s, beim Durchgang durch die Ferrulenlänge sowohl hinsichtlich der Polarisationsrichtung als auch hinsichtlich der Elliptizität verändert. Wird Sendelicht in in die Sensorfaser eingekoppelt, ergibt sich eine Abhängigkeit des Drehwinkels der Polarisation 2Φ des wieder ausgekoppelten Lichtes von der Umdrehungszahl N der Faser auch bei hohen Umdrehungszahlen.

Die Abhängigkeit des Polarisationsdrehwinkels 2Φ von der Torsion der Faser ist in Fig. 2 dargestellt. Eine 11 m lange Faser wurde in gestreckter Lage durch Drehung des Reflexkopfes 7 tordiert. Eine Umdrehungszahl von N = 165 entspricht einer Torsionsrate von τ = 15 m^-1. Die Faser ist noch nicht gekrümmt, sondern lediglich tordiert. Die Torsion induziert in der Faser eine zirkulare Doppelbrechung.

Es wird ein periodisches Verhalten des Polarisationsdrehwinkels 2Φ beobachtet, wobei die Periodizität nicht bezüglich der Umdrehungszahl selbst, sondern bezüglich eines Winkels ϕ = (2n+1)·π/2, wobei n eine ganze Zahl ist. ϕ hängt mit dem totalen Drehwinkel der Faser und der Orientierung des Sendelichts zu den Halbachsen der Brechungsindex-Ellipse in den Ferrulenbereichen zusammen. Die Analyse ergibt Ψ₂-Ψ₁-α = ϕ.

Ψ₂ ist der totale Drehwinkel des eingangsfernen Faserendes bezogen auf den Fasereingang, in Fig. 1 des Reflektorkopfes 7, mit Ψ₂ = 2π·N, wobei Ψ₂ zwischen einer der Halbachsen der Brechungsindex-Ellipse im Ferrulenbereich und der Polarisationsrichtung des eingestrahlten Lichtes gemessen wird. α stellt den totalen Drehwinkel der Polarisationsrichtung des Sendelichtes in Transmission dar, d. h. beim einfachen Durchlaufen der Faser, der durch die induzierte zirkulare Doppelbrechung hervorgerufen wird, und Ψ₁ ist der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des in die Faser eingestrahlten Lichtes und einer der beiden Halbachsen der Brechungsindex-Ellipse der Faser im Bereich der Einkoppelferrule.

Für α gilt α = π·g·N, wobei der Parameter g, der die elastooptischen Effekte in der Faser beschreibt, empfindlich von auf die Faser ausgeübten Zugkräften abhängig ist. Er wird üblicherweise mit g=0,13 . . . 0,16 angegeben. Im gezeigten Beispiel ergibt sich ein g-Wert von 0,145.

Die Einkopplerferrule mit der dort induzierten Doppelbrechung Γ₁ ist z. B. im Koppelkollimator 5 fixiert. Zwischen der Polarisationsrichtung des Sendelichts und den Halbachsen n_s und n_f der Brechungsindex-Ellipse ist ein Winkel von Ψ₁ =45° eingestellt. Der Polarisationswinkel des polarisierenden Strahlteilerwürfels 9 ist relativ zur Polarisationsrichtung des Sendelichts ebenfalls auf 45° eingestellt. Als Wert für die Doppelbrechungsparameter Γ₁ und Γ₂ in den beiden Ferrulen ergibt sich Γ = Γ₁ = Γ₂ = 4°.

In Fig. 3 ist die Abhängigkeit des Polarisationsdrehwinkels von der Stärke der Doppelbrechung dargestellt. Ist die induzierte Doppelbrechung Γ geringer, so ist die Amplitude des Polarisationsdrehwinkels 2Φ weniger ausgeprägt. Fig. 3 zeigt einen Vergleich von Meßdaten einer Anordnung mit einer Doppelbrechung von 4° und 2°. Als Meßlicht wurde sehr gut linear polarisiertes Licht ohne Restelliptizität eingesetzt.

Aus den Messungen ist ersichtlich, daß es bevorzugte Torsionsstellungen ϕ₀ gibt, bei denen der Einfluß der in den konfektionierten Faserenden induzierten linearen Doppelbrechung auf den Polarisationsdrehwinkel des in die Faser eingekoppelten Lichtes verschwindet. Diese bevorzugte Torsionsstellung ist bei ϕ₀ = (2n+1)·π/2. Hier ist der Einfluß der in den Ferrulen induzierten Doppelbrechung Γ₁ und Γ₂ am geringsten. Sind die beiden Werte unterschiedlich, ist darüber hinaus für Wechselstrommessungen vorzugsweise Γ₁ < Γ₂ und für Gleichstrommessungen Γ₁ < Γ₂ vorteilhaft.

Beim Aufwickeln der Faser zur Sensorspule ist nun darauf zu achten, daß die bevorzugte Torsionsstellung ϕ₀, etwa bedingt durch Zugkräfte, nicht verlassen wird. Vorzugsweise wird die Spule daher auf einen elastischen Träger, z. B. eine Schaumstofflage, gewickelt.

Eine Spule aus einer niedrigdoppelbrechenden Single-Mode-Faser mit einer Torsionsrate τ = 15 m^-1 mit 15 Windungen und einem Durchmesser von 220 mm wurde gefertigt. Bei einer Sendelichtwellenlänge von 790 nm wurde für einen Strom von 1 kA ein Polarisationsdrehwinkel von 2Φ = 10,37° abgeschätzt, der mit dem Meßwert sehr gut übereinstimmt.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren für die Sensorspule kompensiert die durch Konfektionierung und Biegung induzierte lineare Doppelbrechung. Der beobachtete Polarisationsdrehwinkel wird allein durch den Strom und nicht durch Doppelbrechungseffekte der Faser verursacht.

Vorteilhaft ist, daß die Faserspule zusammen mit dem Polarisationsmeßkopf sehr kompakt als Sensorkopf ausgebildet werden kann, so daß etwaige Temperatur- oder Vibrationseinflüsse die Messung nur noch geringfügig beeinflussen können. Diese Anordnung ist vor allem in Hochspannungsschaltanlagen günstig.

Auch wenn beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Stromsensors kein ideal linear polarisiertes Licht zur Messung zur Verfügung steht, sondern mit Licht gearbeitet werden muß, das noch eine Restelliptizität θ aufweist, kann das erfindungsgemäße Verfahren erfolgreich angewendet werden. Es zeigt sich, daß, obwohl der Elliptizitätswinkel θ des wieder aus der Semorspule ausgekoppelten Lichtes an sich eine Funktion des Stromes ist, die θ-Änderungen um die bevorzugte Torsionsstellung ϕ₀ am geringsten sind, wenn zusätzlich die Position Ψ₁ = 45° gewählt wird. Eine Restelliptizität im Sendelicht wirkt sich bei Ψ₁ = 45° vorwiegend auf Gleichstrommessungen aus, wobei vorzugsweise ein Verhältnis Γ₁ < Γ₂ zu wählen ist.

Liegt eine Restelliptizität im Sendelicht vor, dann nimmt insbesondere für Γ = Γ₁ = Γ₂ die Position Ψ₁ = 0° eine ausgezeichnete Stellung ein. Die Fig. 4 zeigt für eine Restelliptizität von θ = 1,5° und Ψ₁ = 0° nach dem oben beschriebenen Verfahren aufgenommenen Kurven, wobei für den Laufindex n=306 gilt. Gezeigt ist der Vergleich der Kurven für Γ = 4° und Γ = 2°.

Mit großen Doppelbrechungs-Parametern ΓF₁ und Γ₂ der Faserenden nimmt der Einfluß dieser Werte auf die Polarisationsdrehung zu, so daß geringfügige Abweichungen von der bevorzugten Torsionsstellung ϕ₀ = (2n+1)·π/2 zu größeren Fehlern führen. Das erfindungsgemaße Verfahren wird bevorzugt für Γ-Werte unterhalb von 45°, insbesondere für Werte kleiner als 30° eingesetzt werden. Dabei ist es nicht wesentlich, ob die Γ-Parameter der Faserenden gleich oder unterschiedlich sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für andere magnetooptische Fasern einsetzbar. Wird statt der wicklungsgestützten Spule eine mechanisch gestützte, doppeltordierte Faser verwendet, ist zu beachten, daß die Torsionsrate i.A. höher liegt, z. B. < 70m^-1, als bei einer niedrigdoppelbrechenden Single-Mode Faser. Im wesentlichen nimmt der Einfluß des elastooptischen g-Parameters und damit der Einfluß von etwaigen Zugspannungen zu. Dies gilt auch für die Verwendung einer Spun-Fibre oder einer Annealed-Fibre.

Es gibt zwei besonders günstige Verfahrensweisen für die Einstellung der bevorzugten Torsionsstellungen, die hier anhand eines Reflexions-Aufbaues beschrieben sind.

Eine erste Möglichkeit besteht dann, die Faser in gestreckter Lage auf einen ersten Wert τ₁ zu tordieren, bei dem die durch Biegung zur Spule induzierte lineare Doppelbrechung kompensiert wird. In dieser Position werden Messungen mit hochauflösender Torsion vorgenommen, analog zu den Fig. 2 bis 4. Anhand dieser Meßkurven wird dann die Einstellung von Ψ₁ durch Drehen der Ferrule im Koppelkollimator 5 auf die gewünschte Position gebracht, mit Ψ₁ = 45° oder Ψ = 0°.

Anschließend erfolgt das genaue Positionieren des Reflexkopfes 7 auf einen ϕ₀-Wert. Danach wird die Faser zur Spule gewickelt. Zuletzt erfolgt gegebenenfalls eine Korrektur der Position des Reflexkopfes 7, um die bei der Spulenwicklung induzierte Änderung von α zu kompensieren.

Eine zweite Möglichkeit besteht darin, zunächst die Γ-Parameter der beiden Faserenden in Transmission zu bestimmen. Dazu wird die gestreckte Faser ohne Reflexkopf 7 auf einen ersten Wert τ₁ tordiert. Dann wird die Elliptizität des aus der Faser austretenden Lichtes in Abhängigkeit von der Umdrehungszahl N gemessen. Aus dieser Kurve wird der Γ-Wert der jeweiligen Faserenden bestimmt. Kennt man beide Werte Γ₁ und Γ₂, so kann man von vornherein die bevorzugten Faserenden auswählen für den Gleichspannungs- oder den Wechselspannungsbetrieb mit Γ₁ < Γ₂ bzw. Γ₁ < Γ₂. Anschließend erfolgt die Einstellung der Parameter Ψ₁ und ϕ₀ wie oben beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Faserspulen aus Lichtleitfasern, bei dem die tordierte Faser zu einer Spule gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserenden der gestreckten Faser in eine vorgegebene Winkelstellung zueinander gebracht werden und die Lichtleitfaser unter Beibehaltung der Winkelstellung der Faserenden zu einer Spule gewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der Faserenden zueinander so eingestellt wird, daß die Beziehung Ψ₂-Ψ₁-α = (2n+1)π/2 gilt, wobei Ψ₂ der totale Drehwinkel der Faser am dem Fasereingang gegenüberliegenden Ende gemessen ist, Ψ₁ der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des in die Faser eingestrahlten Lichtes und einer der Halbachsen der Brechungsindex-Ellipse, α der totale Drehwinkel der Polarisationsrichtung des in die Faser eingekoppelten Lichtes in Transmission und n eine ganze positive Zahl ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lichtleitfaser induzierte Doppelbrechung nach einer Torsion der gestreckten Faser gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2-3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Faserenden induzierte Doppelbrechung vor der Torsion der gestreckten Faser gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß bei elliptisch polarisiertem Sendelicht an der Eingangsseite der Faser der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des Lichts und einer Halbachse der Brechungs index-Ellipse 0° eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß bei linear polarisiertem Sendelicht an der Eingangsseite der Faser der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung des Lichts und einer Halbachse der Brechungsindex-Ellipse 45° eingestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die tordierte Faser auf einen elastischen Untergrund gewickelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine niedrigdoppelbrechende Faser verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermisch vorbehandelte Faser verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine hochdoppelbrechende Faser verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß eine doppeltordierte Faser verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende mit der geringeren induzierten Doppelbrechung als Eingang für das in die Faser eingestrahlte Licht vorgesehen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserende mit der größeren induzierten Doppelbrechung als Eingang für das in die Faser eingestrahlte Licht vorgesehen ist.

14. Vorrichtung zum Messen eines Stromes mit einem magnetooptischen Stromsensor, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine lichtzuführende Lichtleitfaser, und eine gemäß den Ansprüchen 1 bis 13 hergestellte Faserspule (6) und mindestens ein lichtpolarisationsanalysierendes Element (9) aufweist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) mit vorgegebener Winkelstellung der Faserenden gebildet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der Faserenden so gewählt ist, daß die in den Faserenden der Spule (6) induzierte Doppelbrechung weitgehend kompensiert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 14-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der Faserenden so gewählt ist, daß die in der Faser die durch Biegung zur Spule induzierte Doppelbrechung weitgehend kompensiert ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14-17, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) und das polarisationsanalysierende Element (9) auf gleichem elektrischen Potential sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 14-18, dadurch gekennzeichnet, daß das polarisationsanalysierende Element (9) ein Polfilter und/oder ein polarisierender Strahlteiler und/oder ein Strahlteiler mit nachgeschalteten Polarisator ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14-19, dadurch gekennzeichnet, daß Licht über eine polarisationserhaltende Faser zur Faserspule (6) geführt ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 14-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) mit einem reflektierenden Ende ausgestattet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 14-21, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) mit zwei transmittierenden Enden ausgestattet ist.

23. Verfahren zur Messung von elektrischen Strömen mittels einer Faserspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) gemäß den Ansprüchen 1-13 hergestellt wird.

24. Magnetooptische Faserspule zur Messung von elektrischen Strömen, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserspule (6) gemäß den Ansprüchen 1-13 hergestellt ist.