DE4224190A1

DE4224190A1 - Faseroptischer Stromsensor

Info

Publication number: DE4224190A1
Application number: DE19924224190
Authority: DE
Inventors: Guido Dr Frosio
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1994-01-27
Anticipated expiration: 2012-07-23
Also published as: DE4224190B4; CH686744A5

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen, auf dem Farady-Effekt basierenden faseroptischen Stromsensor zur Messung des in einem elektrischen Stromleiter fließenden Stromes, umfassend

a) eine linear polarisiertes Licht erzeugende Lichtquelle;
b) eine zwei optische Achsen aufweisende polarisationserhaltende Faser
c) einen Faserkoppler
d) einen Lambda/4-Retarder,
e) eine in mehreren Windungen um den Stromleiter geführte Sensorfaser, und

eine Interferenz-Auswerteeinheit,
wobei das Licht von der Lichtquelle über den Faserkoppler derart in die polarisationserhaltende Faser eingekoppelt ist, daß in dieser beide Polarisationsrichtungen gleichstark angeregt sind, und
wobei der Lambda/4-Retarder im Lichtweg zwischen der polarisationserhaltenden Faser und der Sensorfaser angeordnet ist.

Stand der Technik

Ein faseroptischer Stromsensor dieser Art ist aus G. Frosio, K. Hug, R. Dändliker, All-Fiber Sagnac Current Sensor, Opto92, Paris 1992, bekannt. Wichtige Grundlagen bezüglich des verwendeten Meßprinzips sind in S. Ezekiel, H.J. Arditty, Fiber-Optic Rotation Sensors and Realted Technologies, Proceedings. of the First International Conference MIT, Cambridge, Mass. USA, November 9-11, 1981, Springer-Verlag Heidelberg, New York 1982, beschrieben.

Bei dem bekannten Stromsensor durchläuft das Licht eine ge schlossene Faserschleife, welche neben der Sensorspule zwei po larisationserhaltenden Fasern und zwei Lambda/4-Retarder umfaßt. Zur Ankopplung an die geschlossene Faserschleife und zur Aufspaltung des Lichtweges ist ein zusätzlicher, polarisations erhaltender Faserkoppler vorgesehen.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen faseroptischen Stromsensor eingangs genannten Art anzugeben, welcher sich gegenüber dem bekannten u. a. durch einen einfacheren Aufbau auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen faseroptischen Stromsensor mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Der erfindungsgemäße Stromsensor ist demnach dadurch gekenn zeichnet, daß die Sensorfaser an ihrem einen, freien Ende verspiegelt ist und daß das von der Lichtquelle erzeugte Licht eine Kohärenzlänge aufweist, welche kleiner als der optische Wegunterschied zwischen den beiden optischen Achsen in der po larisationserhaltenden Faser ist.

Wie nachfolgend noch eingehender erläutert wird, breiten sich bei dem erfindungsgemäßen Stromsensor die beiden in der polarisationserhaltenden Faser angeregten und nachfolgend im Lambda/4-Retarder zirkular polarisierten Moden in der Sensorfa ser in der gleichen Richtung aus, anstatt in entgegengesetzten Richtungen, wie dies bei dem bekannten Stromsensor der Fall ist. Am freien, verspiegelten Ende der Sensorfaser werden die beiden zirkular polarisierten Moden reflektiert. Dabei wird die rechtszikular polarisierte Mode als linkszirkulare und die linkszirkulare als rechtszirkulare Mode zurückreflektiert. Auf diese Weise ist die für das Meßprinzip notwendige Reziprozität im Lichtweg sichergestellt, so daß der nichtreziproke Faraday- Effekt detektiert werden kann.

Gegenüber dem bekannten Stromsensor benötigt die erfindungsgemäße e Reflexkonfiguration lediglich eine polarisationserhaltende Faser. Insbesondere dann, wenn vermittels der polarisationser haltenden Faser größere Abstände zu überbrücken sind, können die Kosten der gesamten Anordnung durch die Einsparung der Fa ser erheblich reduziert werden. Desweiteren entfällt gegenüber dem bekannten Stromsensor ein Lambda/4-Retarder sowie der dort zur Strahlaufteilung benötigte polarisationserhaltende Faser koppler. Bei gleicher Empfindlichkeit wird nur die halbe Länge für die Sensorfaser benötigt, da der nichtreziproke Faraday-Ef fekt in der Sensorfaser sowohl auf dem Hinweg als auch auf dem Rückweg aufsummiert wird. Bei gleicher Faserlänge wäre der de tektierte Faraday-Effekt im Vergleich mit der bekannten Konfiguration doppelt so groß. Mit einer Reduktion der Sensorfaserlänge ist in vorteilhafter Weise auch eine Reduktion der Störempfindlichkeit verbunden. Schließlich werden auch we niger Spleißverbindungen benötigt.

Kurze Erläuterung der Figuren

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert werden. Es zei gen

Fig. 1 den generellen Aufbau eines faseroptischen Stromsensors nach der vorliegenden Erfindung, wobei nur die Grund elemente dargestellt sind,

Fig. 2 unter a) und b) in zwei Diagrammen E-Vektoren von sich in den Fasern des Stromsensors von Fig. 1 ausbreitenden Lichtwellen bzw. Moden, wobei unter a) die E-Vektoren der hinlaufenden und unter b) die der reflektieren Lichtwellen dargestellt sind, und

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Stromsensor in etwas detail lierterer Ausgestaltung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, 2 einen vorzugsweise polarisationserhaltenden Faserkoppler, 3 eine erste 45°- Spleißverbindung, 4 eine distanzüberbrückende, zwei optische Achsen aufweisende, polarisationserhaltende Faser, 5 eine wei tere 45°-Spleißverbindung, 6 einen Lambda/4-Retarder, 7 eine in mehreren Windungen um einen elektrischen Leiter 8 gewundene Sensorfaser und 9 einen Spiegel bzw. eine Verspiegelung am freien Ende der Sensorfaser 7. Mit 10 ist eine Interferenz-Aus werteeinheit bezeichnet.

Die Lichtquelle 1 ist vorzugsweise ein Laser, welcher linear polarisiertes Licht mit kurzer Kohärenzlänge erzeugt.

Das linear polarisierte Licht von der Lichtquelle 1 wird über den Faserkoppler 2 und die erste 45°-Spleißverbindung 3 derart in die polarisationserhaltende Faser 4 eingekoppelt, daß in dieser zwei zueinander orthogonale Moden entsprechend den bei den optischen Achsen dieser Faser mit möglichst gleicher Ampli tude angeregt werden. Im Diagramm von Fig. 2a) ist der E-Vektor des von der Lichtquelle stammenden linear polarisierten Lichtes in Richtung der y-Achse aufgetragen und mit E₀ bezeichnet, wäh rend die E-Vektoren der beiden zueinander orthogonalen und mit der ursprünglichen Polarisationsrichtung einen Winkel von 45° einschließenden Moden in der polarisationserhaltenden Faser 4 mit E₁ und E₂ bezeichnet sind.

Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieser Moden in der polari sationserhaltenden Faser unterschiedlich ist, akkumulieren sie beim (ersten) Durchlaufen dieser Faser einen gewissen Gangun terschied Delta L. Die Lichtquelle 1 ist nun so ausgewählt, daß die Kohärenzlänge des von ihr erzeugten Lichtes kleiner als dieser Gangunterschied Delta L und vorzugsweise sogar klei ner als 2*Delta L ist. Die beiden Moden sind dann nach dem Durchlaufen der polarisationserhaltenden Faser voneinander un abhängig.

Die E-Vektoren E₁ und E₂ der beiden gegeneinander laufzeitmäßig verschobenen Moden lassen sich, wie dies in Fig. 2a) auch dargestellt ist, ihrerseits jeweils in zwei zueinander orthogo nale Komponenten zerlegen, welche in Fig. 2a) mit E_1.1 und E_1.2 bzw. mit E_2.1 und E_2.2 bezeichnet sind.

Durch den Lambda/4-Retarder 6 wird dann aus den Komponenten E_1.1 und E_1.2 rechtszirkular polarisiertes und aus den Kompo nenten E_2.1 und E_2.2 linkszirkular polarisiertes Licht erzeugt, indem durch den Lambda/4-Retarder 6 beispielsweise die beiden entlang der Y-Achse ausgerichteten Komponenten E_1.1 bzw. E_2.1 um eine viertel Wellenlänge (Lambda/4) gegenüber ihren jeweils zugehörigen, in Richtung der positiven bzw. negativen X-Achse ausgerichteten Komponenten E_1.2 und E_2.2 verzögert werden.

Das derart erzeugte, rechts- bzw. linkszirkular polarisierte Licht durchläuft die Sensorfaser 7, wird an deren Ende reflek tiert und läuft anschließend zum Lambda/4-Retarder 6 wieder zurück. Bei der Reflexion wird durch den dabei auftretenden Phasensprung von einer halben Wellenlänge (/2) das rechtszirku lar polarisierte Licht in linkszirkular polarisiertes und das linkszirkular polarisierte Licht in rechtszirkular polarisier tes verwandelt. Die zuvor durch den Lambda/4-Retarder 6 um Lam bda/4 gegenüber den X-Komponenten E_1·2 und E_2·2 verzögerten Y- Komponenten E_1·1 und E_2·1 laufen diesen jetzt um Lambda/4 vor. Durch erneute Verzögerung der Y-Komponenten beim erneuten Pas sieren des Lambda/4-Retarders werden die X- und Y Komponenten jeweils wieder phasengleich. Sie lassen sich dadurch auch wieder zu zwei zueinander orthognalen, linear polarisierten Mo den zusammensetzen. Die beiden zurücklaufenden Moden sind dabei allerdings gegenüber den hinlaufenden Moden E₁ und E₂ bezüglich ihrer Richtungen gerade vertauscht. Die entsprechenden, vertauschten Verhältnisse sind in Fig. 2b) dargestellt. In Fig. 2b sowie im folgenden sind die zurücklaufenden Wellen bzw. Mo den zur Unterscheidung von den hinlaufenden mit einem Beistrich versehen.

Das Vertauschen der Richtungen der beiden reflektierten Moden E_1′ und E_2′ hat zur Folge, daß die zuvor auf der "schnellen" Achse übertragene Mode beim Zurücklaufen auf der "langsamen" Achse dieser Faser übertragen wird und umgekehrt. Der beim Hin laufen akkumulierte Gangunterschied zwischen den beiden Moden wird dadurch beim Zurücklaufen gerade wieder aufgehoben bzw. rückgängig gemacht. Nach dem erneuten Durchlaufen der polari stionerhaltenden Faser 4 sind die beiden Moden wieder in Phase und können miteinander interferieren. Für Licht, welches wegen nicht-idealer Elemente eine Kopplung von einem Polarisationszu stand in den (orthogonalen) anderen erfahren hat, liegen hingegen nicht diese Verhältnisse vor. Solches Licht kann am Ausgang des Interferometers keine unerwünschten Interferenzen produzieren; sein Weglängenunterschied (2_*Delta L) ist größer als die Kohärenzlänge der Lichtquelle.

Auf die vorbeschriebene Weise ist, wie bereits erwähnt, die Re ziprozität im Lichtweg sichergestellt. Allein dadurch kann der nichtreziproke, außerordentlich kleine Faraday-Effekt über haupt gemessen werden. Der Faraday-Effekt besteht darin, daß das von einem in dem elektrischen Stromleiter 8 fließenden Strom I verursachte Magnetfeld den Brechungsindex für rechts zirkular polarisiertes Licht in der Sensorfaser 7 genau umgekehrt verändert wie den für linkszirkular polarisiertes Licht und zwar jeweils proportional zur Stromstärke. Ein im Stromleiter 8 fließender Strom I wird dadurch eine gewisse Phasenverschiebung bewirken, welche dann eine meßbare Verände rung des durch die Interferenz zwischen den beiden reflektier ten Moden E₁′ und E₂′ erzeugten Interferenzmusters zur Folge hat. Zur Auswertung des Interferenzmusters bzw. seiner Verände rung dient die Interferenz-Auswerteeinheit 10.

Im folgenden wird nun auf Fig. 3 bezug genommen. Die Elemente des darin dargestellten faseroptischen Stromsensors sind, soweit sie mit solchen des in Fig. 1 dargestellten Stromsensors übereinstimmen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie je ne. Zusätzlich ist ein Phasenmodulator 11, ein Polarisator 12 sowie ein Detektor 13 dargestellt. Die Interferenz zwischen den beiden reflektierten Moden findet im Polarisator 12 statt. Die Anforderungen an den Faserkoppler 2 sind deshalb gering (nur Intensitätsübertragung). Der Detektor 13 wertet die durch den Faraday-Effekt bei sich änderndem Strom I verursachten Intensi tätsänderungen des erzeugten Interferenzmusters aus. Der Phasenmodulator, welcher die Zeitverzögerungen moduliert, dient zur Optimierung des Arbeitspunktes (nicht-reziproke Verschie bung des Arbeitspunktes von einem Maximum der Detektor-Aus gangsstromkurve in deren steile Flanke/n). Um den optimalen Faraday-Effekt zu erhalten, muß die Modulationsfrequenz gleich 1/T sein, wobei T die Zeit ist, die das Licht der Lichtquelle 1 für einen vollständigen Durchlauf durch das Interferometer be nötigt.

Der Lambda/4-Retarder 6, der Polaristor 12 sowie der Phasenmo dulator 11 sind vorzugsweise sog. "all-fiber"-Elemente und-die polarisationserhaltende Faser 4 eine sog. "hi-bi"-Faser. Der Lambda/4-Retarder 6 wird dabei gebildet durch eine zwischen zwei steifen Platten eingeklemmte Faserschlaufe und der Phasen modulator 11 durch etwa 10 um einen piezo-keramischen Zylinder (Durchmesser ca. 32 mm) gewickelte Windungen einer polarisati onserhaltenden Faser. Weitere Einzelheiten zu diesen sowie auch den übrigen Elementen können den eingangs erwähnten Literatur stellen (S. Ezekiel et al. bzw. G. Frosio et al.) entnommen werden.

Claims

1. Faseroptischer Stromsensor zur Messung des in einem elektri schen Stromleiter (8) fließenden Stromes (I), umfassend

a) eine linear polarisiertes Licht erzeugende Lichtquelle (1);
b) eine zwei optische Achsen aufweisende polarisationserhalten de Faser (4);
c) einen Faserkoppler (2);
d) einen Lambda/4-Retarder (6);
e) eine in mehreren Windungen um den Stromleiter geführte Sensorfaser (7); und

eine Interferenz-Auswerteeinheit (10, 12, 13);
wobei das Licht von der Lichtquelle (1) über den Faserkoppler (2) derart in die polarisationserhaltende Faser (4) eingekop pelt ist, daß in dieser beide Polarisationsrichtungen gleich stark angeregt sind, und
wobei der Lambda/4-Retarder (6) im Lichtweg zwischen der polarisationserhaltenden Faser (4) und der Sensorfaser (7) an geordnet ist;
dadurch gekennzeichnet, daß

f) die Sensorfaser (7) an ihrem einen, freien Ende verspiegelt ist, und
g) das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht eine Kohärenz länge aufweist, welche kleiner als der optische Wegunterschied zwischen den beiden optischen Achsen in der polarisationserhal tenden Faser (4) ist.

2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Lichtquelle (1) erzeugte Licht eine Kohärenzlänge aufweist, welche kleiner als der doppelte optische Wegunter schied zwischen den beiden optischen Achsen in der polarisati onserhaltenden Faser (4) ist.

3. Stromsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen dem Faserkoppler (2) und der Sensor faser (7) ein nichtreziproker Phasenmodulator (11) zur Optimie rung des Arbeitspunktes angeordnet ist.

4. Stromsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkoppler (2) polarisationserhal tend ist.

5. Stromsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg zwischen dem Faserkoppler (2) und der polarisationser haltenden Faser (4) ein Polarisator (12) angeordnet ist und daß die Interferenz-Auswerteeinheit einen auf Lichtintensität empfindlichen Detektor (13) umfaßt.