DE3726411A1 - Fibre-optic magnetic field sensor - Google Patents

Fibre-optic magnetic field sensor

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DE3726411A1
DE3726411A1 DE19873726411 DE3726411A DE3726411A1 DE 3726411 A1 DE3726411 A1 DE 3726411A1 DE 19873726411 DE19873726411 DE 19873726411 DE 3726411 A DE3726411 A DE 3726411A DE 3726411 A1 DE3726411 A1 DE 3726411A1
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Abstract

The invention relates to a fibre-optic magnetic field sensor, in which a measurement is made of the magnetic field-dependent Faraday rotation of the plane of polarisation of a linearly polarised light beam (10, 11) which is propagated in an optical fibre (7). However, the Faraday rotation caused by the magnetic field has superimposed upon it linear and circular double-refraction properties of the optical fibre (7), which make more difficult the measurement of the Faraday rotation and, moreover, are still subject to environmental influences. According to the invention, an arrangement with heterodyne receiver and reciprocal light path is proposed, which permits measurement of the Faraday rotation without influence from linear double-refraction components of the optical fibre (7) and virtually without influence by circular double-refraction components of the optical fibre (7). Current sensors, magnetic field sensors. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Magnet­ feldsensor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.The invention relates to a fiber optic magnet field sensor according to the preamble of the main claim.

Zur Messung physikalischer Größen, wie z.B. Strom oder Magnet­ feld, sind als Meßwertaufnehmer insbesondere sogenannte faser­ optische Sensoren geeignet, welche die zu messende Größe in ein optisches Signal umwandeln. Die Vorteile faseroptischer Sen­ soren bestehen im wesentlichen darin, daß keine elektrischen Leitungen zur Strom- und Spannungsversorgung des Meßwertauf­ nehmers zur Signalübertragung zwischen einer Auswerteeinheit und Meßwertaufnehmer erforderlich sind. Meßwertaufnehmer und Auswerteeinheit sind somit galvanisch getrennt und können ohne besondere Schutzmaßnahmen beispielsweise in der Hochspannungs­ technik eingesetzt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß faseroptische Sensoren auch bei größeren Übertragungs­ strecken unempfindlich gegen elektromagnetische Störfelder sind.For measuring physical quantities, e.g. Electricity or magnet field, are particularly so-called fibers as transducers optical sensors suitable, which the size to be measured in one convert optical signal. The advantages of fiber optic sen sensors consist essentially in the fact that no electrical Cables for the current and voltage supply of the measured value for signal transmission between an evaluation unit and transducers are required. Transducers and The evaluation unit is thus galvanically isolated and can be used without special protective measures, for example in high voltage technology can be used. Another advantage is that fiber optic sensors even with larger transmission stretch insensitive to electromagnetic interference fields are.

Zur optischen Messung eines Magnetfeldes eignet sich dabei der sogenannte Faraday-Effekt, durch den die Polarisationsrichtung eines linear polarisierten Lichtes, das sich in einem Medium ausbreitet, gedreht wird. Die Drehung dieser Polarisations­ richtung hängt dabei sowohl von den Materialeigenschaften des durchstrahlten Mediums, als auch von der Magnetfeldstärke ent­ lang des Lichtweges ab.The is suitable for optical measurement of a magnetic field So-called Faraday effect, through which the direction of polarization a linearly polarized light that is in a medium spreads, is rotated. The rotation of this polarization direction depends on both the material properties of the irradiated medium, as well as the magnetic field strength along the light path.

In "Bargmann, W.-D., Winterhoff, H., Techn. Messen (1983) 2, Seiten 69-77" ist eine Meßanordnung zur Strommessung offenbart, bei der die Faraday-Drehung der Polarisationsrichtung eines sich in einem Lichtwellenleiter ausbreitenden linear polari­ sierten Lichtstrahls ausgenutzt wird. Zu diesem Zweck ist der Lichtwellenleiter um einen stromführenden Leiter in mehreren Windungen herumgelegt und bildet eine Meßspule. Als Licht­ wellenleiter wird ein Monomode-Lichtwellenleiter verwendet. Ein Ende des Lichtwellenleiters ist über einen ersten Strahlteiler mit einer Lichtquelle, die monochromatisches, linear polarisier­ tes Licht erzeugt, optisch gekoppelt. Als Lichtquellen sind beispielsweise He-Ne-Laser oder GaAlAs-Laser geeignet. Das in den Lichtwellenleiter eingekoppelte Licht breitet sich im Bereich der Meßspule annähernd parallel zum Magnetfeld aus und erfährt durch das Magnetfeld eine Drehung seiner Polarisa­ tionsrichtung. Der Drehwinkel α hängt von der Länge des Licht­ wegs, von der Verdet-Konstante und von der entlang des Licht­ weges wirksamen Komponente des Magnetfeldes ab. Das andere Ende des Lichtwellenleiters ist verspiegelt, so daß das Licht dort reflektiert wird und den Lichtwellenleiter in umgekehrter Richtung durchläuft. Mit Hilfe des ersten Strahlteilers wird das Licht über einen zweiten Strahlteiler zwei gekreuzten Analysatoren zugeführt, denen jeweils ein Lichtempfänger, beispielsweise Fotodioden zugeordnet ist. Die Differenz der mittels der Fotodioden gemessenen Intensitäten stellt ein Maß für den Drehwinkel α dar. Durch die reflexive Meßanordnung werden die unabhängig vom Magnetfeld bestehenden linearen und zirkularen Doppelbrechungseigenschaften der Lichtwellenleiter weitgehend kompensiert, während sich der Drehwinkel α aufgrund der vom Magnetfeld induzierten zirkularen Doppelbrechung ver­ doppelt.In "Bargmann, W.-D., Winterhoff, H., Techn. Messen (1983) 2, pages 69-77" a measuring arrangement for current measurement is disclosed in which the Faraday rotation of the polarization direction of a linearly propagating in an optical waveguide polarized light beam is used. For this purpose, the optical waveguide is laid around a current-carrying conductor in several turns and forms a measuring coil. A single-mode optical fiber is used as the optical waveguide. One end of the optical waveguide is optically coupled via a first beam splitter to a light source that generates monochromatic, linearly polarized light. For example, He-Ne lasers or GaAlAs lasers are suitable as light sources. The light coupled into the optical waveguide spreads in the area of the measuring coil approximately parallel to the magnetic field and experiences a rotation of its polarization direction through the magnetic field. The angle of rotation α depends on the length of the light path, on the Verdet constant and on the component of the magnetic field effective along the light path. The other end of the optical waveguide is mirrored, so that the light is reflected there and passes through the optical waveguide in the opposite direction. With the aid of the first beam splitter, the light is fed via a second beam splitter to two crossed analyzers, each of which is assigned a light receiver, for example photodiodes. The difference between the intensities measured by means of the photodiodes represents a measure of the angle of rotation α . The reflective measuring arrangement largely compensates for the linear and circular birefringence properties of the optical waveguides which are independent of the magnetic field, while the angle of rotation α doubles due to the circular birefringence induced by the magnetic field .

Eine exakte Kompensation der linearen und zirkularen Doppel­ brechungsanteile erfolgt jedoch nicht, da der Lichtweg nicht exakt reziprok ist. Die Reflexion am Spiegel hat für linear polarisiertes Licht einen Phasensprung von π/2 zur Folge. Dies bewirkt, daß das Licht beim Rückweg im Lichtweg nicht den gleichen Ort mit gleicher Phasenlage antrifft. Bei der Auskopplung des Lichtes mit Hilfe der Strahlteiler wird im allgemeinen linear polarisiertes Licht in elliptisch polari­ siertes Licht umgewandelt. Durch die Abweichung von der Rezi­ prozität des Lichtwegs wird an den Analysatoren elliptisch polarisiertes Licht ankommen. Dadurch wird das Meßsignal ver­ fälscht. Weitere Fehlerquellen sind darin zu sehen, daß ver­ bleibende lineare Doppelbrechungsanteile im Lichtwellenleiter temperaturabhängig sowie druck- und biegeempfindlich sind und nicht kompensiert werden können.However, the linear and circular birefringence components are not exactly compensated because the light path is not exactly reciprocal. The reflection at the mirror results in a phase shift of π / 2 for linearly polarized light. This means that the light does not find the same place with the same phase position on the way back in the light path. When the light is decoupled with the aid of the beam splitter, linearly polarized light is generally converted into elliptically polarized light. Due to the deviation from the reciprocity of the light path, elliptically polarized light will arrive at the analyzers. This falsifies the measurement signal. Further sources of error can be seen in the fact that ver remaining linear birefringence components in the optical waveguide are temperature-dependent and sensitive to pressure and bending and cannot be compensated for.

Ein weiterer Nachteil der Anordnung besteht darin, daß die Differenz des Ausgangssignals an den Fotodioden nur für Dreh­ winkel α, die kleiner als ±π/2 sind, eindeutig ist. Außerdem besteht zwischen dem Differenzsignal und dem Drehwinkel α ein nichtlinearer Zusammenhang. Zur Beseitigung dieser Nichtlineari­ tät wird ein aufwendiges Kompensationsverfahren vorgeschlagen, bei dem in Serie zur faseroptischen Meßspule eine weitere faseroptische Spule vorgesehen ist, die um die Leiter einer elektrischen Sekundärspule gelegt ist. Diese Sekundärspule wird von einem Strom durchflossen, der mittels des an den Fotodioden gemessenen Differenzsignals so geregelt werden kann, daß das Differenzsignal am Ausgang der Fotodioden zu Null kompensiert wird. Die zur Kompensation erforderliche Stromstärke im Sekun­ därkreis ist dann der Stromstärke im Primärkreis proportional.Another disadvantage of the arrangement is that the difference of the output signal at the photodiodes is unique only for rotation angle α , which are smaller than ± π / 2. There is also a non-linear relationship between the difference signal and the angle of rotation α . To eliminate this non-linearity, a complex compensation method is proposed, in which a further fiber-optic coil is provided in series with the fiber-optic measuring coil, which is placed around the conductor of an electrical secondary coil. A current flows through this secondary coil, which current can be regulated by means of the difference signal measured at the photodiodes in such a way that the difference signal at the output of the photodiodes is compensated for to zero. The current required for compensation in the secondary circuit is then proportional to the current in the primary circuit.

Es ist weiterhin ein faseroptischer Stromsensor bekannt (Kersey, A.D., Jackson, D.A., Journal of Lightwave Techn., Vol. LT4, No. 6, 1986) mit dem ebenfalls ein Strom mit Hilfe des Faraday-Effektes gemessen wird. Bei diesem Stromsensor wird die Drehung der Polarisationsrichtung des Lichtes durch die Phasen­ verschiebung eines Heterodyn-Signals gemessen. Der Stromsensor enthält eine Lichtquelle, die einen linear polarisierten Lichtstrahl erzeugt, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert. Dazu wird das von einer Laserdiode emittierte Licht in die zwei Arme eines Michelson-Interferometers aufgespalten. Die beiden Interfero­ meterarme enthalten zueinander gekreuzte Polarisator. Die durch diese Polarisatoren erzeugten senkrecht zueinander polarisier­ ten Lichtstrahlen erfahren entsprechend dem optischen Weglän­ genunterschied im Michelson-Interferometer eine Phasen­ differenz. Mittels eines λ/4-Plättchens werden diese zuein­ ander phasenverschobenen und orthogonalen Komponenten zu einem linear polarisiertem Lichtstrahl zusammengesetzt, dessen Polari­ sationsrichtung sowohl vom Gangunterschied des Michelson-Inter­ ferometers als auch von der Frequenz des von der Laserdiode emittierten Lichtes abhängt. Durch Änderung des Injektions­ stroms in der Laserdiode läßt sich die Lichtfrequenz und somit die Polarisationsebene des aus dem λ/4-Plättchens austretenden Lichtes ändern. Der Injektionsstrom in der Laserdiode wird dabei sägezahnförmig geändert, wobei die Amplitude der Strom­ änderung so bemessen ist, daß sich eine Drehung der Polari­ sationsrichtung um 180° ergibt. Die Rotationsfrequenz der Drehung der Polarisationsrichtung beträgt dann beispielsweise die Hälfte der Modulationsfrequenz des Injektionsstromes. Dieser Lichtstrahl wird dann an einem Strahlteiler in einen Referenzstrahl und einen Meßstrahl aufgeteilt. Der Meßstrahl wird dann in eine zu einer Meßspule gewickelten Lichtleitfaser eingekoppelt. Die Intensität des Referenzstrahls und die Intensität des Meßstrahls nach durchlaufender Meßstrecke werden jeweils hinter einem Analysator gemessen. Den Intensitäten der aus den Analysatoren austretenden Lichtstrahlen ist eine Schwingung aufgeprägt, die der Rotationsfrequenz der Drehung des Polarisationsvektors entspricht. Mittels Bandpaß­ filter werden diese Schwingungsanteile sowohl für den Meß­ strahl als auch für den Referenzstrahl gefiltert und einem Phasendetektor zugeleitet. Im Schwingungsanteil des Meßsignals sind neben einer Phasenverschiebung, die durch die vom Magnet­ feld verursachte zirkulare Doppelbrechung induziert ist, auch noch apparativ bedingte Phasenverschiebungen enthalten, die beispielsweise durch die Analysatorstellungen verursacht sind. Außerdem ist dem Meßsignal noch eine Phasenverschiebung aufgeprägt die durch die elastooptisch induzierten zirkularen Doppelbrechungs-Eigenschaften der Faser verursacht ist. Durch entsprechende Stellung der Analysatoren im Meßzweig und im Referenzzweig können diese Anteile bei verschwindendem Magnet­ feld kompensiert werden, so daß am Ausgang des Phasendetektors nur der vom Magnetfeld herkommende Phasenanteil übrig bleibt. Dieser Phasenanteil ist dann proportional dem zu messenden Magnetfeld.A fiber-optic current sensor is also known (Kersey, AD, Jackson, DA, Journal of Lightwave Techn., Vol. LT4, No. 6, 1986) with which a current is also measured using the Faraday effect. In this current sensor, the rotation of the polarization direction of the light is measured by the phase shift of a heterodyne signal. The current sensor contains a light source that generates a linearly polarized light beam whose direction of polarization rotates at a predetermined angular velocity. For this purpose, the light emitted by a laser diode is split into the two arms of a Michelson interferometer. The two interferometer arms contain crossed polarizers. The polarized light rays generated by these polarizers experience a phase difference in accordance with the optical path length difference in the Michelson interferometer. By means of a λ / 4 plate these phase-shifted and orthogonal components are put together to form a linearly polarized light beam, the direction of polarization of which depends both on the path difference of the Michelson interferometer and on the frequency of the light emitted by the laser diode. By changing the injection current in the laser diode, the light frequency and thus the polarization plane of the light emerging from the λ / 4 plate can be changed. The injection current in the laser diode is changed sawtooth, the amplitude of the current change is such that there is a rotation of the polarization direction by 180 °. The rotation frequency of the rotation of the polarization direction is then, for example, half the modulation frequency of the injection current. This light beam is then split into a reference beam and a measuring beam on a beam splitter. The measuring beam is then coupled into an optical fiber wound into a measuring coil. The intensity of the reference beam and the intensity of the measuring beam after passing through the measuring section are measured behind an analyzer. An oscillation is impressed on the intensities of the light beams emerging from the analyzers, which corresponds to the rotation frequency of the rotation of the polarization vector. By means of a bandpass filter, these oscillation components are filtered both for the measuring beam and for the reference beam and fed to a phase detector. In the vibration component of the measurement signal, in addition to a phase shift induced by the circular birefringence caused by the magnetic field, there are also phase shifts caused by the apparatus, which are caused, for example, by the analyzer positions. In addition, a phase shift is impressed on the measurement signal, which is caused by the elasto-optically induced circular birefringence properties of the fiber. By appropriate position of the analyzers in the measuring branch and in the reference branch, these components can be compensated for when the magnetic field disappears, so that only the phase component originating from the magnetic field remains at the output of the phase detector. This phase component is then proportional to the magnetic field to be measured.

Die genannte Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß der durch zirkulare Doppelbrechung hervorgerufene Phasentherm noch tempe­ ratur- und torsionsabhängig ist, so daß dieser Abgleich der Analysatorstellungen bei einer Veränderung der Umgebungsbe­ dingungen stets von neuem durchzuführen ist.However, the arrangement mentioned has the disadvantage that the through circular birefringence-induced phase thermal still tempe is dependent on rature and torsion, so that this comparison of Analyzer positions when the environment changes conditions must always be carried out again.

Aus "Akhavan Leilabady, P., Wayte, A.P., Berwick, M., Jones, J.D.C., Jackson, D.A., Optics Commun. 59 (1986) 3, Seiten 173-176" ist weiterhin ein faseroptischer Stromsensor bekannt, bei dem die faseroptische Meßspule ein Sagnac-Interferometer bildet. Der von einer Lichtquelle, beispielsweise einer LED, erzeugte Lichtstrahl wird mittels eines Faserkopplers in zwei Teilstrahlen zerlegt, die die Meßspule in zueinander entgegen­ gesetzten Richtungen durchlaufen. Nach Durchlaufen der Meßspule werden die Lichtstrahlen mittels des Faserkopplers zusammenge­ führt und das entstehende Interferenzsignal wird gemessen. Mit Hilfe eines piezoelektrischen Phasenmodulators wird diesem Interferenzsignal eine Modulation aufgeprägt. In nachfolgenden folgenden elektronischen Signalverarbeitungsschritten kann aus dem Interferenzsignal ein Signal erzeugt werden, aus dem der Winkel der Faraday-Drehung berechnet wird. Zur Berechnung dieses Winkels ist jedoch außerdem noch die Messung der Intensitäten der links- und rechtszirkularen Polarisations­ anteile des aus dem Interferometer austretenden Lichtes in einer getrennten Meßanordnung erforderlich.From "Akhavan Leilabady, P., Wayte, A.P., Berwick, M., Jones, J.D.C., Jackson, D.A., Optics Commun. 59 (1986) 3, pages 173-176 "a fiber optic current sensor is also known, where the fiber optic measuring coil is a Sagnac interferometer forms. The one from a light source, such as an LED, The light beam generated is split into two using a fiber coupler Partial beams broken down, which the measuring coil opposed to each other go through set directions. After passing through the measuring coil the light beams are combined by means of the fiber coupler leads and the resulting interference signal is measured. With With the help of a piezoelectric phase modulator Interference signal imprinted a modulation. In subsequent following electronic signal processing steps can a signal is generated from the interference signal, from which the Angle of Faraday rotation is calculated. For calculating  this angle is also the measurement of Intensities of the left and right circular polarizations fractions of the light emerging from the interferometer in a separate measuring arrangement is required.

Mit dieser bekannten Vorrichtung kann somit kein elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt werden, das in einer einfachen linearen Beziehung zum Strom bzw. zum Magnetfeld steht.With this known device no electrical can Output signal can be provided in a simple linear relationship to the current or to the magnetic field.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen faser­ optischen Magnetfeldsensor anzugeben, der ohne zusätzliche Kompensations- bzw. Abgleichmaßnahmen weitgehend unempfindlich gegen Umgebungseinflüsse ist und dessen Ausgangssignal ohne in einem linearen Zusammenhang zum Magnetfeld steht.The invention is therefore based on the object of a fiber Optical magnetic field sensor specify that without additional Compensation or adjustment measures largely insensitive is against environmental influences and its output signal without is linearly related to the magnetic field.

Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Durch einen Heterodyn-Empfang ist gewährleistet, daß der durch Abweichung des Lichtweges von der idealen Reziprozität verursachte lineare Doppelbrechungs-Anteil auf die mit Hilfe des Phasendetektors gemessene Phase keinen Einfluß hat. Dies hat den Vorteil, daß der gesamte Meßaufbau unempfindlicher gegenüber Umgebungsein­ flüssen ist, die sich insbesondere auf die Übertragungs­ eigenschaften der langen, elastisch verformten Lichtleitfaser der Meßstrecke auswirken. Durch die wenigstens annähernd ge­ gebene Reziprozität des Lichtweges der Meßstrahlen wird außer­ dem die durch Materialeigenschaften und Torsion der Lichtleit­ fasern hervorgerufene zirkulare Doppelbrechung weitestgehend eliminiert.The above object is achieved according to the invention with the features of the main claim. Through a Heterodyne reception is guaranteed by deviation of the light path caused by the ideal reciprocity Birefringence fraction on the phase detector measured phase has no influence. This has the advantage that the entire measurement setup is less sensitive to the environment flows, which is particularly related to the transmission properties of the long, elastically deformed optical fiber impact on the measuring section. By at least approximately ge Given reciprocity of the light path of the measuring beams is excluded which by the material properties and torsion of the light guide caused circular birefringence as far as possible eliminated.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein Ende der als Meßstrecke dienenden Lichtleitfaser verspiegelt. Dadurch durchläuft der Meßstrahl die Lichtleitfaser nacheinander in entgegengesetzter Richtung. In a particularly preferred embodiment, one end is the reflecting optical fiber serving as a measuring section. Thereby the measuring beam passes through the optical fiber one after the other in opposite direction.  

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der aus der Lichtquelle austretende Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen zerlegt, aus denen Meßstrahlen erzeugt werden, die in die zu­ einander entgegengesetzten Enden der als faseroptische Meß­ strecke dienenden Lichtleitfaser eingekoppelt werden. Durch diese Maßnahme wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung noch­ mals um einen Faktor 2 erhöht.In a further advantageous embodiment, the light beam emerging from the light source in two partial beams disassembled, from which measuring beams are generated, which in the to opposite ends of the as a fiber optic measurement optical fiber serving. By this measure will add to the sensitivity of the device times increased by a factor of 2.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in derenTo further explain the invention, reference is made to the drawing referenced in their

Fig. 1 ein faseroptischer Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. In Fig. 1 is a fiber optic magnetic field sensor according to the invention is illustrated schematically. In

Fig. 2 ist eine vorteilhafte Anordnung dargestellt, bei der als magnetfeldempfindliche faseroptische Meßstrecke eine an einem Ende verspiegelte Lichtleitfaser ver­ wendet wird. Fig. 2 shows an advantageous arrangement in which a mirrored at one end optical fiber is used as a magnetic field sensitive fiber optic measuring section ver.

Fig. 3 zeigt eine weitere besonders empfindliche Ausführungs­ form der Erfindung. Fig. 3 shows another particularly sensitive embodiment of the invention.

Gemäß Fig. 1 enthält ein faseroptischer Magnetfeldsensor eine Lichtquelle 1, die einen linear polarisierten Lichtstrahl 2 emittiert, dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit um die Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 2 rotiert. Eine Lichtquelle mit diesen Eigen­ schaften ist beispielsweise in "Kersey, A.D., Jackson, D.A., Journal of Lightwave Techn. Vol. LT4, No. 6, 1986" und in "Tatam, R.P., Jones J.D.C., Jackson, D.A., Optica Acta 1986, Vol. 33, No. 12, Seiten 1519-1528" näher erläutert. Als Lichtquelle 1 kann auch ein Zeeman-Laser, beispielsweise ein He-Ne-Zeeman-Laser vorgesehen sein, der Licht emittiert, das aus zwei entgegengesetzt zirkular polarisierten Komponenten mit unterschiedlicher Frequenz besteht. Diese Komponenten setzen sich zusammen zu einem linear polarisierten Lichtstrahl, dessen Polarisationsvektor mit der Hälfte der Differenz aus den Frequenzen der zirkularen Komponenten um die Ausbreitungsrich­ tung des Lichtes rotiert. Mit einer optischen Verzweigungsein­ richtung 5 wird der Lichtstrahl 2 in einen Meßstrahl 10 und einen Referenzstrahl 12, der einer Analysatoreinrichtung 22 zugeleitet wird, zerlegt. Der Meßstrahl 10 wird in eine Licht­ leitfaser 7 eingekoppelt, die als faseroptische magnetfeld­ empfindliche Meßstrecke dient und beispielsweise wie in der Figur angedeutet in Windungen um einen stromführenden Leiter 8 angeordnet ist. Die Anzahl der Windungen richtet sich dabei nach der Höhe des zu messenden Stromes I durch den Leiter 8. Die Verlegung des Lichtleiters 7 hängt in erster Linie von der Geometrie des zu messenden Magnetfeldes ab, da mittels des Faraday-Effektes nur die parallel zur Ausbreitungsrichtung liegenden Komponenten des Magnetfeldes gemessen werden können. Die Länge des Lichtleiters 7 ist dabei entsprechend der Empfindlichkeit der gesamten Anordnung für vorgegebene Bereiche der Magnetfeldstärke zu wählen.Referring to FIG. 1, a fiber optic magnetic field sensor includes a light source 1 which emits a linearly polarized light beam 2, whose direction of polarization is rotated with a predetermined angular velocity about the propagation direction of the light beam 2. A light source with these properties is, for example, in "Kersey, AD, Jackson, DA, Journal of Lightwave Techn. Vol. LT4, No. 6, 1986" and in "Tatam, RP, Jones JDC, Jackson, DA, Optica Acta 1986 , Vol. 33, No. 12, pages 1519-1528 "explained in more detail. A Zeeman laser, for example a He-Ne-Zeeman laser, can also be provided as the light source 1 , which emits light that consists of two oppositely circularly polarized components with different frequencies. These components combine to form a linearly polarized light beam, the polarization vector of which rotates with half the difference from the frequencies of the circular components around the direction of propagation of the light. With an optical branching device 5 , the light beam 2 is broken down into a measuring beam 10 and a reference beam 12 , which is fed to an analyzer device 22 . The measuring beam 10 is coupled into an optical fiber 7 , which serves as a fiber-optic magnetic field sensitive measuring section and is arranged, for example, as indicated in the figure, in turns around a current-carrying conductor 8 . The number of turns depends on the amount of current I to be measured through the conductor 8 . The laying of the light guide 7 depends primarily on the geometry of the magnetic field to be measured, since only the components of the magnetic field lying parallel to the direction of propagation can be measured by means of the Faraday effect. The length of the light guide 7 is to be selected in accordance with the sensitivity of the entire arrangement for predetermined areas of the magnetic field strength.

Nach Durchlaufen des Lichtleiters 7 wird der Meßstrahl 10 an einem Spiegel 9 reflektiert und bildet einen Meßstrahl 11, der die Lichtleiterfaser 7 in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch wird ein nahezu reziproker Lichtweg geschaffen, durch den die intrinsischen und durch elastische Deformation der Lichtleitfaser 7 hervorgerufenen zirkularen Doppelbrechungs­ eigenschaften weitgehend kompensiert werden. Mittels einer im Lichtweg zwischen der Verzweigungseinrichtung 5 und einer Lichtleitfaser 6 angeordneten Verzweigungseinrichtung 6 wird der Meßstrahl 11 zu einer Analysatoreinrichtung 21 weiterge­ leitet. Die Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 können auch in einem einzigen Strahlteiler zusammengefaßt sein. In den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 wird mit Analysatoren jeweils eine in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung polarisierte Komponente des Meßstrahls 11 bzw. des Referenzstrahls 12 herausgefiltert. Mittels in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 enthaltenen Lichtempfängern, beispielsweise Fotodioden, werden die Intensitäten dieser Komponenten in elektrische Signale umgewandelt. Diesen elektrischen Signalen ist jeweils eine Schwingung aufgeprägt, die mittels eines ebenfalls in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 jeweils enthaltenen Bandpaß­ filters ausgefiltert wird. Die am Ausgang der Analysatorein­ richtung 21 und 22 anstehenden elektrischen Signale werden einem Phasendetektor 30 zugeführt, dessen Ausgangssignal pro­ portional zur Phasendifferenz Φ zwischen diesen Signalen ist. Neben der durch den Faraday-Effekt bedingten Phasenverschiebung Φ F enthält diese Phasendifferenz Φ auch apparativ bedingte konstante Anteile Φ o und Φ o ′, die beispielsweise durch die Stellung der in den Analysatoreinrichtungen 21 und 22 enthal­ tenen optischen Analysatoren kompensiert werden können.After passing through the light guide 7 , the measuring beam 10 is reflected on a mirror 9 and forms a measuring beam 11 which passes through the optical fiber 7 in the opposite direction. This creates an almost reciprocal light path through which the intrinsic and elastic deformation of the optical fiber 7 caused circular birefringence properties are largely compensated. By means of a branching device 6 arranged in the light path between the branching device 5 and an optical fiber 6 , the measuring beam 11 is passed on to an analyzer device 21 . The branching devices 5 and 6 can also be combined in a single beam splitter. In the analyzer devices 21 and 22 , analyzers each filter out a component of the measuring beam 11 or of the reference beam 12 that is polarized in a predetermined polarization direction. The intensities of these components are converted into electrical signals by means of light receivers, for example photodiodes, contained in the analyzer devices 21 and 22 . A vibration is impressed on each of these electrical signals, which is filtered out by means of a bandpass filter likewise contained in the analyzer devices 21 and 22 . The pending at the output of the analyzer 21 and 22 electrical signals are fed to a phase detector 30 , the output signal is proportional to the phase difference Φ between these signals. In addition to the phase shift Φ F caused by the Faraday effect, this phase difference Φ also contains constant components Φ o and Φ o ', which can be compensated for example by the position of the optical analyzers contained in the analyzer devices 21 and 22 .

Da es sich um kein interferometrisches Verfahren handelt, ist eine hohe zeitliche Kohärenz des Lichtstrahls 2 nicht erfor­ derlich. Somit kann in der Lichtquelle 1 beispielsweise auch eine LED verwendet werden.Since it is not an interferometric method, a high temporal coherence of the light beam 2 is not necessary. Thus, for example, an LED can also be used in the light source 1 .

Gemäß Fig. 2 sind zur Führung der Lichtstrahlen Lichtleitfa­ sern 40 vorgesehen. Die optischen Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 (siehe Fig. 1) sind in einem bidirektionalen Faser­ koppler 41 zusammengefaßt. Die als faseroptische magnetfeld­ empfindliche Meßstrecke dienende Lichtleitfaser 7 ist an einem Ende 72 verspiegelt. Diese Maßnahmen erlauben eine weitgehende Miniaturisierung des Sensoraufbaus bei verringerter Empfind­ lichkeit gegen mechanische Dejustierung des gesamten Aufbaus.According to Fig. 2 of the light beams Lichtleitfa fibers 40 are provided for guidance. The optical branching devices 5 and 6 (see FIG. 1) are combined in a bidirectional fiber coupler 41 . The optical fiber 7 serving as a fiber optic magnetic field sensitive measuring path is mirrored at one end 72 . These measures allow extensive miniaturization of the sensor structure with reduced sensitivity to mechanical misalignment of the entire structure.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform eines faseroptischen Magnetfeldsensors entsprechend Fig. 3 enthält eine Verzwei­ gungseinrichtung 3, die den von der Lichtquelle 1 emittierten Lichtstrahl 2 in zwei Lichtstrahlen 2 a und 2 b zerlegt. Der Lichtstrahl 2 a wird in einer Verzweigungseinrichtung 5 in einen Referenzstrahl 12 und einen Meßstrahl 10 und der Lichtstrahl 26 wird in einer Verzweigungseinrichtung 15 in einen Referenz­ strahl 13 und einen Meßstrahl 11 zerlegt. Die Meßstrahlen 10 und 11 werden in die Enden 70 bzw. 71 der Lichtleitfaser 7 ein­ gekoppelt und durchlaufen die Lichtleitfaser 7 in umgekehrter Richtung. Mittels optischer Verzweigungseinrichtungen 6 bzw. 16 werden die Meßstrahlen 11 bzw. 10 ausgekoppelt. Sowohl die Referenzstrahlen 12 und 13 als auch Meßstrahlen 10 und 11 wer­ den jeweils einer Analysatoreinrichtung 22 bzw. 23 sowie 20 bzw. 21 zugeführt, die wie vorstehend erläutert, elektrische Schwingungssignale erzeugen. Den Analysatoreinrichtungen 22 und 21 ist ein Phasendetektor 30 zugeordnet, dessen Ausgangssignal G 1 proportional zur Summe aus der durch den Faraday-Effekt verursachten Phasenverschiebung Φ F , der durch die Material­ eigenschaften der Lichtleitfaser unabhängig vom Magnetfeld verursachten Phasenverschiebung Φ i und der durch die apparativ bedingte Phasenverschiebung Φ o ist.Another advantageous embodiment of a fiber optic magnetic field sensor according to FIG. 3 contains a branching device 3 , which splits the light beam 2 emitted by the light source 1 into two light beams 2 a and 2 b . The light beam 2 a is split into a branching device 5 into a reference beam 12 and a measuring beam 10 and the light beam 26 is split into a branching device 15 into a reference beam 13 and a measuring beam 11 . The measuring beams 10 and 11 are coupled into the ends 70 and 71 of the optical fiber 7 and pass through the optical fiber 7 in the opposite direction. The measuring beams 11 and 10 are coupled out by means of optical branching devices 6 and 16 , respectively. Both the reference beams 12 and 13 and measuring beams 10 and 11 are each supplied to an analyzer device 22 or 23 and 20 or 21 , which, as explained above, generate electrical vibration signals. The analyzer devices 22 and 21 are assigned a phase detector 30 , the output signal G 1 of which is proportional to the sum of the phase shift Φ F caused by the Faraday effect, the phase shift Φ i caused by the material properties of the optical fiber independently of the magnetic field and the one caused by the apparatus Phase shift Φ o is.

G₁ α Φ F + Φ i + Φ₀. G ₁ α Φ F + Φ i + Φ ₀.

Den Analysatoren 20 und 23 ist ebenfalls ein Phasendetektor 32 zugeordnet, dessen Ausgangssignal die ProportionalitätThe analyzers 20 and 23 are also assigned a phase detector 32 , the output signal of which is proportional

G₂ α Φ F - Φ i - Φ₀′ G ₂ α Φ F - Φ i - Φ ₀ ′

erfüllt, wobei Φ o die apparativ bedingte Phasenverschiebung dieses Meßzweigs ist. Die Ausgangssignale G 1 und G 2 der Phasendetektoren 21 und 31 bzw. 32 werden einem Summierer 33 zugeführt, dessen Ausgangssignal S durch die Beziehungfulfilled, where Φ o is the phase shift of this measuring branch caused by the apparatus. The output signals G 1 and G 2 of the phase detectors 21 and 31 and 32 are fed to a summer 33 , whose output signal S by the relationship

S α 2Φ F + Φ₀ + Φ₀′ S α 2 Φ F + Φ ₀ + Φ ₀ ′

dargestellt wird. Die apparativen Größen Φ o und Φ o ′ können dabei beispielsweise durch eine entsprechende Drehung der in den Analysatoreinrichtungen 20 bis 23 enthaltenen Analysatoren kompensiert werden.is pictured. The apparatus variables Φ o and Φ o 'can be compensated for, for example, by a corresponding rotation of the analyzers contained in the analyzer devices 20 to 23 .

Die Verzweigungseinrichtungen 5 und 6 sowie 15 und 16 können jeweils zu einem einzigen Strahlteiler zusammengefaßt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensoraufbau analog zum Sensoraufbau gemäß Fig. 2.The branching devices 5 and 6 and 15 and 16 can each be combined into a single beam splitter. In a preferred embodiment, the sensor structure is analogous to the sensor structure according to FIG. 2.

Claims (6)

1. Faseroptischer Magnetfeldsensor zur Messung eines Magnet­ feldes mit Hilfe des Faraday-Effektes mit
  • a) einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines linear polari­ sierten Lichtstrahls (2), dessen Polarisationsrichtung mit einer vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit rotiert,
  • b) einer optischen Verzweigungseinrichtung (5 und 6) zur Aufteilung des Lichtstrahls (2) in wenigstens einen Meßstrahl (11) und wenigstens einen Referenzstrahl (12),
  • c) den Meßstrahlen (11) ist jeweils ein Referenzstrahl (12) zugeordnet,
  • d) zur Führung des Meßstrahls (11) ist eine Lichtleitfaser (7) vorgesehen, die zugleich als magnetfeldempfindliche faseroptische Meßstrecke dient,
  • e) dem Meßstrahl (11) und dem Referenzstrahl (12) ist jeweils eine Analysatoreinrichtung (21 bzw. 22) zur Messung der Intensität der Lichtstrahlen in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung zugeordnet und
  • f) der Analysatoreinrichtung (21) eines Meßstrahls (11) und der Analysatoreinrichtung (22) des zugeordneten Referenzstrahls (12) ist ein gemeinsamer Phasendetektor (30) zugeordnet,
1. Fiber optic magnetic field sensor for measuring a magnetic field with the help of the Faraday effect
  • a) a light source ( 1 ) for generating a linearly polarized light beam ( 2 ) whose direction of polarization rotates at a predetermined angular velocity,
  • b) an optical branching device ( 5 and 6 ) for dividing the light beam ( 2 ) into at least one measuring beam ( 11 ) and at least one reference beam ( 12 ),
  • c) the measuring beams ( 11 ) are each assigned a reference beam ( 12 ),
  • d) an optical fiber ( 7 ) is provided for guiding the measuring beam ( 11 ), which also serves as a magnetic field-sensitive fiber-optic measuring section,
  • e) the measuring beam ( 11 ) and the reference beam ( 12 ) are each assigned an analyzer device ( 21 or 22 ) for measuring the intensity of the light beams in a predetermined polarization direction and
  • f) a common phase detector ( 30 ) is assigned to the analyzer device ( 21 ) of a measuring beam ( 11 ) and the analyzer device ( 22 ) of the assigned reference beam ( 12 ),
dadurch gekennzeichnet, daß
  • g) optische Einrichtungen zur Erzeugung von Meßstrahlen (10 und 11) vorgesehen sind, welche die Lichtleitfaser (7) in zueinander entgegengesetzten Richtungen durchlaufen.
 characterized in that
  • g) optical devices for generating measuring beams ( 10 and 11 ) are provided which pass through the optical fiber ( 7 ) in mutually opposite directions.
2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einem Ende der Lichtleitfaser (7) ein Spiegel (9) zugeordnet ist, der den Meßstrahl (10) in die Lichtleitfaser (7) reflektiert. 2. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that one end of the optical fiber ( 7 ) is assigned a mirror ( 9 ) which reflects the measuring beam ( 10 ) into the optical fiber ( 7 ). 3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine optische Verzweigungs­ einrichtung (3) vorgesehen ist, die den Lichtstrahl (2) in zwei Teillichtstrahlen (2 a und 2 b) zerlegt, denen jeweils weitere Verzweigungseinrichtungen (5 bzw. 15) zugeordnet sind, die Meßstrahlen (10, 11) erzeugen, die in die gegenüberliegenden Enden (71 und 72) der Lichtleitfaser (7) eingekoppelt werden.3. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that an optical branching device ( 3 ) is provided, which splits the light beam ( 2 ) into two partial light beams ( 2 a and 2 b ), each of which further branching devices ( 5 and 15 ) are assigned which generate measuring beams ( 10 , 11 ) which are coupled into the opposite ends ( 71 and 72 ) of the optical fiber ( 7 ). 4. Magnetfeldsensor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Verzweigungseinrich­ tungen (5, 6 und 15, 16) bidirektonale optische Faserkoppler (41) vorgesehen sind.4. Magnetic field sensor according to claim 2 or 3, characterized in that bidirectional optical fiber couplers ( 41 ) are provided as branches ( 5 , 6 and 15 , 16 ). 5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) ein Zeeman- Laser vorgesehen ist.5. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that a Zeeman laser is provided as the light source ( 1 ).
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