ES2634507T3 - Bobina de detección de fibra óptica y sensor de corriente o de campo magnético - Google Patents
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Abstract
Cabeza de sensor de fibra óptica (2) para un sensor óptico de corriente o de campo magnético (1), que comprende una fibra óptica, que contiene una fibra de sensor (3) activa de manera magneto-óptica conectada de manera óptica con al menos un elemento (4; 5) de definición de polarización, siendo flexible la cabeza de sensor (2) en la zona de la fibra de sensor (3), pudiendo disponerse la fibra de sensor (3) alrededor de un conductor (L) que conduce la corriente que va a medirse o en un campo magnético que va a medirse en forma de una bobina (8), estando definido a través de la bobina (8) un plano de bobina (A) con una normal de superficie (Ns), presentando el al menos un elemento (4; 5) de definición de polarización un eje marcado (f), y estando presente un medio de ajuste (10) para el ajuste de un ángulo que puede predeterminarse entre el eje marcado (f) y la normal de superficie (Ns) o para el ajuste de ángulos que pueden predeterminarse ß,ß' entre los ejes marcados (f) y la normal de superficie (Ns), incluyendo además el medio de ajuste (10) un cuerpo de soporte (11), en el que está fijado el al menos un elemento de definición de polarización (4; 5), caracterizada por que la fibra de sensor (3) es una fibra no tratada térmicamente a al menos la temperatura de reblandecimiento del material de fibra de sensor, la fibra de sensor (3) está liberada de su envoltura de fibra, la fibra de sensor (3) está montada en un capilar (6), el capilar (6) incluye un medio para reducir la fricción (7) y el cuerpo de soporte (11) es un cuerpo de soporte que puede deformarse de manera flexible (11).
Description
fibra de sensor 3 que está dispuesta en forma de una bobina 8 con una espira alrededor de un conductor L. El otro extremo de la fibra de sensor 3 está azogada o provista de un espejo 24. La fibra de sensor 3 tiene de manera ventajosa una birrefringencia nominal muy baja. Tiene una constante de Verdet, de modo que a través del efecto Faraday puede alcanzarse un desplazamiento de fase no recíproco de ondas de luz que se ensanchan en la fibra de
5 sensor 3.
Las fibras ópticas 3, 4, 5 están fijadas a un cuerpo de soporte 11 que sirve como medio de ajuste 10. Como cuerpo de soporte 11 sirve una tira de plástico reforzado con vidrio.
Mediante la bobina 8 que de manera ventajosa presenta un número entero de vueltas está definido un plano de bobina A que tiene una normal de superficie NS. La bobina 8 puede presentar también varias vueltas. En particular puede presentar varias vueltas (también un número no entero) en forma a modo de espiral o a modo de espira helicoidal. Puede definirse de manera continua un plano de bobina A.
15 El elemento de retardo de propagación de fase 4, que en este caso hace de un elemento de definición de polarización 4, presenta un eje principal rápido f y un eje principal lento s como dos ejes marcados. El ángulo formado por la normal de superficie NS y el eje rápido f está designado en este caso como ángulo β.
El elemento de retardo de propagación de fase 4 está fijado en la tira de plástico 11 de modo que su posición y orientación angular con respecto a la zona correspondiente de la tira de plástico 11 está fijada. Mediante la geometría de la sección transversal del cuerpo de soporte 11 está predeterminada la dirección radial a lo largo de la cual la tira de plástico 11 preferiblemente (porque con esfuerzo relativamente bajo) puede flexionarse, de modo que está establecida la posición relativa del plano de bobina A con respecto al eje rápido f. Por ello el ángulo β está predeterminado. Es también concebible producir el cuerpo de soporte a partir de materiales no isotrópicos o de
25 combinaciones de material, de modo que más bien mediante el material como mediante la geometría de sección transversal se da la dirección de flexión preferida.
Adicionalmente en el cuerpo de soporte están previstas dos marcaciones 9a,9b más en forma de dos taladros en cada caso. Por medio de estos taladros 9a, 9b los dos extremos de la fibra de sensor pueden disponerse de manera definida de manera muy cercana uno de otro, de modo que se origina una bobina 8 cerrada casi perfectamente con un número entero de vueltas. En la figura 1 con el fin de una representación más clara están representados los dos extremos de fibra de sensor distanciados el uno del otro.
Durante la fabricación de la cabeza de sensor 2 puede calibrarse un sensor compuesto por la cabeza de sensor 2 y
35 un módulo optoelectrónico, pudiendo predeterminarse un ángulo β. Después la cabeza de sensor 2 puede disponerse de otro modo, por ejemplo puede enrollarse de manera más ceñida para fines de transporte y disponerse en un lugar de empleo del sensor de la misma manera o de otra diferente a como durante calibración. No obstante el ángulo β se selecciona mediante el medio de ajuste 10 de nuevo exactamente con el mismo tamaño que durante la calibración, de modo que no es necesaria una nueva calibración del sensor en el lugar de empleo para alcanzar una gran exactitud de medición. En este sentido mediante el medio de ajuste 10 se posibilita un ajuste reproducible del ángulo β.
La figura 2 muestra esquemáticamente la definición del ángulo β en el caso de una fibra con sección transversal de núcleo elíptica. Esta fibra puede ser una fibra de alimentación 5 o un elemento de retardo de propagación de fase 4
45 de fibra óptica. Alrededor del núcleo de fibra 28, que define la posición de los ejes principales s,f está dispuesto revestimiento exterior de fibra 27. La fibra presenta otra envoltura de fibra 29 que rodea el revestimiento exterior de fibra 27.
En el caso la fibra de sensor 3 de manera ventajosa no está presente una envoltura de fibra 29 de este tipo.
La ventaja de una fijación de la orientación de azimut del elemento de definición de polarización 4 con respecto al plano de bobina A resulta de las siguientes reflexiones:
En el caso de un sensor interferométrico reflectivo el desplazamiento de fase ΔφR inducido mediante una
55 corriente 1 que va a medirse en la fibra de sensor 3 entre ondas de luz que se propagan en la fibra de sensor 3 de manera polarizada en círculos a la izquierda y a la derecha asciende a:
En este caso ϕF es el desplazamiento de fase de Faraday V·N·I -con constante de Verdet V de la fibra de sensor, N el número de vueltas de la bobina e I la corriente. En este caso se toma elemento λ/4 como elemento de retardo de propagación de fase 4, formando los ejes principales de la birrefringencia del elemento de propagación de retardo de fases 4 un ángulo de 45° con los ejes principales de la birrefringencia de la fibra de alimentación 5. La ecuación anterior se aplica solamente entonces exactamente cuando la fibra de sensor 3 no presenta ningún tipo de
birrefringencia. Pero también en el caso de fibras 3 de birrefringencia muy baja nominalmente se presenta una birrefringencia baja.
En la práctica las siguientes contribuciones contribuyen a una birrefringencia sin desvanecimiento: 5
- (1)
- birrefringencia inducida por flexión
- (2)
- birrefringencia intrínseca por tensión interna en la fibra y mediante una forma que no es perfectamente rotacionalmente simétrica del núcleo de fibra de la fibra de sensor 3
- (3)
- tensión en empalmes de fibra, por ejemplo entre el elemento λ/4 4 y la fibra de sensor 3.
- (4)
- birrefringencia al no ser la fibra de sensor 3 en el estado no tensado exactamente lineal, sino que presenta una curvatura previa por lo cual una rotación de la fibra 3 dispuesta en forma de bobina alrededor del propio eje lleva a variaciones de birrefringencia.
En el caso de una variación del ángulo β los ejes varían para las contribuciones (2) y (3) alrededor del mismo
15 ángulo. Sin embargo los ejes principales de la birrefringencia para la contribución (1) permanecen siempre en paralelo o perpendicular a la dirección de flexión. Por ello la birrefringencia global varía, cuando el ángulo β, es decir la orientación acimutal de la fibra 3a varía.
La contribución (4) la mayoría de las veces es más pequeña que las otras contribuciones o también cero. De su naturaleza se deduce que esta contribución (4) depende igualmente del ángulo β.
Considerando la birrefringencia presente, de una descripción de la propagación de la luz con ayuda de matrices de como valor más exacto para el desplazamiento de fase ΔφR inducido por una corriente I que va a medirse en la fibra de sensor 3 entre ondas de luz que se propagan en la fibra de sensor 3 de manera polarizada en círculos a la
25 izquierda y a la derecha resulta (sensor interferométrico reflectivo):
En este caso δ es el desplazamiento de fase de birrefringencia total en la fibra de sensor 3. Considerando los términos individuales y dependencias β de las contribuciones (1) a (4) resulta
con las siguientes abreviaturas:
35 δb: desplazamiento de fase de birrefringencia debido la contribución (1), es decir inducido por flexión; δ0: desplazamiento de fase de birrefringencia debido a las contribuciones (2) y (3), es decir mediante birrefringencia intrínseca y birrefringencia en empalmes; δ1: desplazamiento de fase de birrefringencia debido a la contribución (4).
Se aplican reflexiones análogas para el caso de la configuración Sagnac y para el caso de sensores polarimétricos.
La figura 3 muestra una representación de una dependencia calculada de una señal normalizada SN del ángulo β, de nuevo para un sensor interferométrico reflectivo. La fibra de alimentación que mantiene la polarización 5, que se
45 considera en este caso como el elemento de definición de polarización 5, presenta un eje principal rápido y uno lento como dos ejes marcados. El ángulo formado por la normal de superficie Ns y el eje rápido está designado en este caso para los cálculos de las figuras 3 y 4 como el ángulo β. Para estos cálculos se supuso además que la fibra de sensor esencialmente está dispuesta en el plano de bobina. La señal normalizada está definida como
Para δ0 = 2,2°, y δ1 = 0° y los valores 0°, 1,1° y 2,2° para δb se representa SN en la figura 3. SN varía en el intervalo hasta ±1 o ±2 por mil. El valor δb = 1,1° se corresponde con la birrefringencia inducida por flexión en el caso de una 55 fibra de cuarzo extendida originalmente de manera lineal que está bobinada con respecto a una bobina con un bobinado y un diámetro de bobina de 1 m en el caso de un diámetro de fibra de 80 µm. En el cálculo de la figura 3 se supuso que el elemento de retardo de propagación de fase 4 es un elemento λ/4 perfecto, es decir genera un retardo de propagación de fase exactamente de 90°. Para alcanzar una compensación de temperatura intrínseca puede
utilizase un elemento de retardo de propagación de fase 4 que genera un ángulo de retardo de propagación de fase 90°+ε que se desvía de esto. Pueden extraerse más detalles sobre la compensación de temperatura de la solicitud de patente europea EP 1115000 o del documento de divulgación internacional WO 03/071290 A1. En el caso una compensación de temperatura de este tipo también el ángulo entre los ejes principales de la fibra de alimentación y
5 del elemento de propagación de retardo de fases puede estar seleccionado de manera ventajosa desviándose de 45º.
Considerando un ángulo ε sin desvanecimiento en el caso de δ0 = 0°, y δ1 = 0° y para los valores 0°, 0,666° y 1,332° para δb, es decir para el caso de que se presente exclusivamente birrefringencia inducida por flexión, resultan los
10 valores representados en la figura 4 para la señal normalizada SN en función del ángulo β. Las líneas continuas son valores calculados, los círculos y cuadrados son valores determinados experimentalmente. Se contempló el caso ε = 13°. En el caso de δb = 0,666° se examinó una fibra con 80 µm de diámetro con un radio de bobina de 0,821 m. Tal como puede desprenderse de la figura 4 las oscilaciones de varios porcentajes puede ser la consecuencia de una no consideración del ángulo β.
15 Las siguientes ecuaciones que están derivadas igualmente mediante el formalismo de Jones se basan en las curvas calculadas en la figura 4:
y
25 La figura 5 muestra esquemáticamente un corte a través de una cabeza de sensor de acuerdo con la invención en la zona de la fibra de sensor 3. La fibra de sensor 3, liberada de su envoltura de fibra está montada en un capilar que además incluye otro medio para reducir la fricción 7, por ejemplo aceite de silicona. Mediante el medio para reducir la fricción 7 se minimizan fuerzas de fricción entre la fibra de sensor 3 y el capilar 6.
30 El capilar 6 está dispuesto en una ranura que se extiende a lo largo de un eje longitudinal de la tira de plástico 11 que hace las veces de cuerpo de soporte 11. El capilar 6 está fijado mediante silicona 26 en la ranura. La fijación puede estar prevista a lo largo de toda la fibra de sensor 3 o en puntos discretos. Mediante la fijación puede impedirse un giro del capilar 6 en la ranura.
35 Para minimizar la tensión mecánica en el capilar 6 y la fibra de sensor 3 en la flexión del cuerpo de soporte 11 el capilar 6 está dispuesto en el plano neutral 12 del cuerpo de soporte 11. Por ello queda garantizado que la fibra de sensor 3 esté dispuesta cerca del plano neutral 12 del cuerpo de soporte 11. Con ventaja el capilar 6 puede presentar otra funda de capilar. Por ello se evitan microfisuras que aparecen con la flexión frecuente de la cabeza de
40 sensor en la superficie del capilar. Tales microfisuras pueden llevar a la rotura del capilar.
En el caso de que la fibra de sensor 3 esté dispuesta sin un capilar en la tira 11 de plástico reforzado con vidrio de manera ventajosa la misma fibra de sensor se dispone en el plano neutral 12 del cuerpo de soporte 11.
45 Al estar extendida la fibra de sensor 3 a lo largo del medio de ajustes 10 puede predeterminarse la forma de la bobina mediante el medio de ajuste 10. Por ello a su vez pueden reducirse a un mínimo las variaciones de la birrefringencia inducida por flexión al abrir y cerrar de nuevo la bobina. Compárese también más arriba la contribución (1).
Es también posible prever un medio de ajuste 10 que presente por ejemplo dos piezas parciales que estén dispuestas cerca de los extremos de la fibra de sensor 3 puedan orientarse la una hacia la otra, por ejemplo mediante un dispositivo de inserción o de apriete mientras que la pieza central de la fibra de sensor 3 no sigue ninguna forma predeterminada mediante el medio de ajuste 10. Una tercera pieza parcial del medio de ajustes sirve
5 en este caso para predeterminar el plano de bobina con respecto a las otras dos piezas parciales. Por ejemplo la tercera pieza parcial podría ser una carcasa que predetermine el plano de bobina, pero que no limite la forma de las vueltas dentro del plano de bobina esencialmente.
Es también posible que una tercera pieza parcial de este tipo sea una carcasa que predetermina la forma de la bobina dentro de un plano de bobina predeterminado mediante una tira de plástico 11 como elemento de soporte.
En tales casos, cuando por lo tanto han de preverse formas de bobina variables la contribución (4) de la birrefringencia inducida por flexión pueden variar ampliamente entre la calibración y el montaje de la cabeza de sensor en el lugar de empleo. Cuando por lo tanto han de preverse formas de bobina variables con gran ventaja en
15 el caso de una configuración descrita en relación con la figura 4 se selecciona un ángulo β de β = 0° ± n×90°, siendo n un número entero positivo o cero. Tal como puede deducirse de la figura 4, entonces la influencia de la birrefringencia inducida por flexión sobre la señal de medición y la calibración es mínima.
Cuando se conoce sin embargo la forma de la bobina y en la calibración es la misma que en el lugar de empleo, por ejemplo porque se emplea un cuerpo de soporte con fijación completa del capilar 6 o de la fibra de sensor 3, puede seleccionarse con gran ventaja en el caso de una configuración descrita en relación con la figura 4 un ángulo β de β = 45° ± n×90° para reducir a un mínimo la influencia de fijaciones imperfectas del ángulo β. Tal como puede deducirse de la figura 4 la influencia de β sobre la señal normalizada SN es mínima cuando se selecciona β = 45°± n×90°.
25 Tal como puede deducirse de la figura 3 para el caso de que el elemento de retardo de propagación de fase no tenga ningún ángulo de retardo de propagación de fase que se desvíe de un elemento de retardo de propagación de fase ideal (es decir ε = 0°) debe calcularse el ángulo β (o β y β') óptimo para la aplicación pretendida.
Para fijar el ángulo β o bien el elemento de retardo de propagación de fase y/o la fibra de alimentación pueden estar fijados directamente en el cuerpo de soporte 11, o el elemento de retardo de propagación de fase y/o la fibra de alimentación están fijados en el capilar 6 que a su vez (por ejemplo mediante la silicona 26) está fijado en el cuerpo de soporte 11. Con ventaja una parte de la al menos una fibra de alimentación puede estar dispuesta dentro del capilar 6.
35 Mediante la forma de la sección transversal del cuerpo de soporte 11 está predeterminada una dirección de flexión preferida R (dirección radial) del cuerpo de soporte 11. La dirección opuesta a la dirección R es igualmente una dirección de flexión preferida del cuerpo de soporte 11. Otras direcciones están caracterizadas por que es necesaria una fuerza notablemente mayor para flexionar el cuerpo de soporte a lo largo de dicha dirección (hacia el mismo radio).
La sección transversal del cuerpo de soporte 11 puede ascender a por ejemplo 10 mm × 2.5 mm. Son concebibles de manera ventajosa otras secciones transversales no rotacionalmente simétricas por ejemplo elípticas.
45 En lugar de materiales epóxidos para el cuerpo de soporte puede utilizarse un gran número de materiales adicionales como entre otros también metales no ferromagnéticos. En el caso de metales debe observarse que la fibra de sensor no se roda radialmente por completo de metal dado que sino las corrientes de Foucault apantallarían el campo magnético que va a medirse. Esto es especialmente importante cuando han de medirse corrientes continuas o corrientes con parte continua o campos alternos magnéticos.
En el cuerpo de soporte 11 están previstos dos taladros 9a que se encuentran cerca de un extremo de la fibra de sensor 3. En el extremo no representado de la fibra de sensor 3 ha de preverse entonces al menos una marcación adicional, por ejemplo igualmente taladros o pasadores adecuados que simplifique la disposición de la fibra de sensor 3 con respecto a una bobina con un número entero de vueltas, estando dispuestos los extremos de fibra de
55 sensor cerca el uno del otro. Como marcaciones pueden emplearse también otra marcaciones, preferiblemente ópticas o mecánicas. Los segmentos correspondientes del cuerpo de soporte 11 pueden solaparse los unos sobre los otros o estar dispuestos los unos al lado de los otros y estar sujetos (fijados unos en otros) mediante atornillado o por medio de grapas o un dispositivo de sujeción similar. Los taladros 9a pueden servir también para la fijación del cuerpo de soporte 11 a una carcasa. La forma de la bobina puede estar predeterminada también mediante una carcasa externa en lugar de mediante el medio de ajuste. El medio de ajuste define la orientación angular y no necesariamente también la forma de la bobina. Cuando la o las vueltas de bobina están seleccionadas circulares la influencia de birrefringencia inducida por flexión es mínima.
La figura 6 muestra esquemáticamente una posible estructura de un sensor interferométrico 1 en la configuración de 65 Sagnac. Dos fibras de alimentaciónn5 unen la cabeza de sensor 2 con un módulo optoelectrónico 13, que sirve para
V constante de Verdet del material de fibra de sensor
β,β' ángulo δ desplazamiento de fase 5 δb, δ0, δ1 desplazamientos de fase ΔφR desplazamiento de fase inducido por corriente
ε ángulo
10 ϕF desplazamiento de fase de Faraday V·N·I
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