JP2004503751A - 光ファイバ電流センサ - Google Patents
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Abstract
反射干渉計(1,10)を有する光学電流センサが、その光ファイバ(2)内に、進行する互いに直交する2つの偏光波に対して偏波面を保持する第1光ファイバ分岐部(20)を有し、逆行する互いに直交する2つの偏光波に対して偏波面を保持する第2光ファイバ分岐部(20′)を有する。この場合、これらの2つの光ファイバ分岐部(20,20′)は、センサ側の結合器(8)によって互いに接続されている。第1分岐部(20)は、光源(4)に接続されていて、第2分岐部(20′)は、検出器(5)に接続されている。位相をシフトさせる手段(7)が、これらの光ファイバ分岐部(20,20′)のうちの少なくとも1つに作用接続されている。これによって、波の位相差を擬似静的に制御することができる。その結果、このような電流センサで一般に使用される位相変調器と信号プロセッサに対する要求よりも低い要求が、この位相をシフトさせる手段に課され得る。
Description
【0001】
技術分野
本発明は、請求項1の上位概念に記載の反射干渉計による光ファイバ電流センサ、請求項9の上位概念に記載のこの電流センサの動作点を設定する方法及び請求項13の上位概念に記載のこの電流センサを用いて電流を測定する方法に関する。
【0002】
従来の技術
このような種類の光ファイバ電流センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 42 24 190号明細書及びG.Frosio等“Reciprocal reflection interferometer for a fiber−optic Faraday current sensor”,Applied Optics, Vol.33,No.25,第 6111−6122頁(1994)から公知である。この光ファイバ電流センサは、磁気光学的に作動するコイル状に巻かれたセンサ光ファイバを有する。このセンサ光ファイバは、1本の電流導線を包囲する。このセンサ光ファイバは、一方の端部では光を反射し、他方の端部では位相遅延素子を介して偏波面保存光ファイバに接続されている。光をこの偏波面保存光ファイバ経由でセンサ光ファイバ内に入射させたり又は出射させたりすることができる。この場合、この偏波面保存光ファイバは、互いに直交する直線偏光波を伝播させる。これらの直線偏光波は、センサコイル中に入射する前に光ファイバ位相遅れ素子によって2つの円偏光波に変換される。この場合、これらの2つの円偏光波は、互いに反対方向に回転する。これらの2つの円偏光波は、センサコイルの通過後にこのセンサコイルの端部で反射する。この場合、これらの円偏光波は、その偏光方向が入れ替わってセンサコイルを通じて逆行する。
【0003】
電流が電流導線を流れると、電流磁場が両円偏光波間に位相差を生じさせる。この効果は、磁気光学的効果又はファラデー効果と呼ばれる。これらの円偏光波は、センサコイルを2回通過することによって位相差ΔΦS = 4VNIを積算する。この場合、Vは、光ファイバのヴェルデ定数である。Nは、センサコイルの光ファイバの巻数である。Iは、電流導体を流れる電流である。
【0004】
円偏光波は、センサコイルからの出射時に位相遅れ素子中で直交する直線偏光波に再び変えられ、偏波面保存光ファイバを経由して検出システムに送られる。これらの逆行する直交波の偏光方向は、前進する直交波の偏光方向に対して入れ替わっている。反射した2つの直線偏光波が、偏波面保存光ファイバにつながっている偏光子内で干渉することによって、電流によって引き起こされた位相シフトを検出することができる。
【0005】
利用可能な干渉信号を得るためには、干渉計の有効な動作点を余弦干渉関数の線形領域内に持っていく必要がある。このことは、位相変調器を有する変調ユニットによって実施される。この位相変調器は、偏波面保存光ファイバ内の複屈折及び両直交偏光波の位相差を変化させる。進行する直交偏光波も逆行する直交偏光波もこの同じ位相変調器を通過するので、干渉するこれらの両直交偏光波の位相差を非相関に変調させるために、この位相変調器はこれらの直交偏光波の循環時間に合わせられて周波数で振動する必要がある。変調ユニットなしでは、これらの干渉する2つの直交偏光波の位相差は零に等しい。
【0006】
変調周波数は、理想的には干渉計内の光の循環時間の2倍の逆数に一致する。変調周波数は、一般的には 100kHz と数 MHzとの間にあり、特にセンサ光ファイバに対する光ファイバ接続部分、すなわち偏波面保存光ファイバの長さによって決定される。
電流誘導された位相シフトを適切な復調によって測定することができる。この復調技術は、光ファイバージャイロスコープに対して利用されている。そしてこの復調技術は、例えばR. A. Bergh 等“An Overview of fiber−optic gyroscopes”,J. Lightwave Technol. 2,91’107 (1984) 中に記されている。この場合、主にオープンループとクローズドループとに区別される。
【0007】
光ファイバ電流センサが実際に使用可能であるためには、この光ファイバ電流センサは長期間の良好な安定性を必要とする。例えば圧電変調器を有するような簡単な変調ユニットでは、その振幅が、例えば温度の変動に起因して残念ながらドリフトする。それ故に従来の技術では、比較的高価で可能な限り安定な変調ユニットが使用される。この変調ユニットは、光学変調器又は振幅の変動を校正する手段を内蔵する。このような手段を付加的な制御回路によって一定に保持するため、このような手段は、例えば位相変調器の振幅を測定する測定手段である。しかしながらこれらの手段は、センサの構成を複雑にし、同時にコストを上げる。
【0008】
本発明の説明
本発明の課題は、変調ユニット、特に変調ユニットの評価電子機器に高度な要求をすることなしに反射構造の光ファイバ電流センサを提供することにある。
この課題は、請求項1の特徴を有する光ファイバ電流センサ、請求項9の特徴を有するこのような電流センサの動作点を調整する方法、及び請求項13の特徴を有するこのような電流センサによって電流を測定する方法によって解決される。
【0009】
本発明の電流センサでは、進行する波と逆行する波とが2つの分離された光ファイバセグメント内の区間の一部上で伝播する。この場合、位相をシフトさせる手段が、少なくとも1つのこの光ファイバセグメントに作用接続されている。公知の位相変調器が、このような手段として適している。これらの2つのセグメントのために、進行する波と逆行する波とが、この変調器によって1回だけ影響を受ける。したがって、擬似静的作動する変調器によって動作点を直角位相点( Q点;Quadraturpunkt) にシフトすること、さらに電流誘導ではなくて、同時に進行する波の位相差の、例えば温度変化によって引き起こされた変動を校正することが可能である。このためには、狭い周波数帯、例えば約5Hzによる変調器で十分である。
【0010】
さらに本発明の電流センサの利点は、偏波面保存光ファイバの長さをもはや変調周波数に合わせる必要がなくて、任意に選択可能である点である。下限が、偏波面保存光ファイバに対して事実上もはや存在しない。これによって、コストが節減され得る。
本発明の方法の変形では、温度及び別の影響によって誘導された位相シフトが擬似静的に(quasi−statische) 校正されるだけではなくて、動的な変調も使用される。この変調は、測定すべき交流電流に対応する周波数によって実施される。このことは、同じ変調器によって実施することができるか又は第2の変調器によって実施することができる。この第2の場合では、この第2の変調器が、特に別の光ファイバ分岐部内に配置されている。
【0011】
その他の好適な実施形は、従属請求項中に記載されている。
以下に、本発明を添付した図面中に示されている好適な実施の形態に基づいて詳しく説明する。
発明の詳細な説明
図1は、反射干渉計を有する本発明の光ファイバ電流センサを示す。センサ光ファイバ1が、1本の電流導線Lの周りにコイル状に巻かれている。このセンサ光ファイバ1は、特に円いコア横断面を有し、特に石英ガラスから作られている。センサ光ファイバ1の一方の端部が、光ファイバ線2に接続されている。第2の端部は、反射器10を有する。一般に、反射器10は、センサ光ファイバの他方の端部の反射面によって形成されている。光ファイバ2の少なくとも1部が、複屈折性であり、同時に偏波面保存的に形成されている。特にこの光ファイバ線は、複屈折を起こすために楕円の横断面を有する。しかしながら、応力誘導される複屈折性の光ファイバを使用することも可能である。光ファイバ線2は、位相遅れ素子2を介してセンサ光ファイバ1に接続される。この場合、特にλ/4位相遅れファイバセグメントが、このために使用されている。
【0012】
さらに、光源4が存在する。この光源4の光が、光ファイバによって伝送される。特に小さいコヒーレント長の光源、特に大出力発光ダイオード,レーザ閾値の下で作動するレーザダイオード,LED又は広い帯域の光ファイバ光源が、光源として適している。光ファイバ電流センサは、検出器5を使用する。この検出器5は、センサ光ファイバを通じて伝播して干渉する光を検出する。この検出器5は、検出器信号導線50を介して信号プロセッサ6に接続されている。この信号プロセッサ6は、センサ信号をセンサ信号導線60を介して図示しなかった評価電子機器に伝送する。
【0013】
本発明では、光ファイバ線2が、偏波面を保存する2つの分岐部20,20′を有する。特に楕円のコアを有する光ファイバセグメントが、光ファイバ分岐部として適している。これらの光ファイバ分岐部20,20′は、少なくともほぼ同一の光学的長さを有する。すなわち、これらの光ファイバ分岐部29,20′は、光源4のコヒーレント長の範囲内で等しい。したがって、異なる光ファイバ分岐部内で伝播する2つのモード又は波を積算する光路長の差が等しい。2つの光ファイバ分岐部は、並列に接続されていて、それらのセンサ側の端部の領域内で偏波面保存結合器8に互いに接続されている。ここで示された好適な実施の形態では、結合器8は、楕円のコアを有する光ファイバ結合器である。この場合、結合器8の軸線が光ファイバ分岐部20,20′の軸線に平行にあるように、この結合器8の軸線が配置されている。その他の種類の結合器を使用することも可能である。進行する(分岐部20)波と逆行する(分岐部20′)波との直線偏光の方向が光りファイバの軸線に対して逆に入れ替えられているように、2つの光ファイバ分岐部20,20′が特に結合器に接続されている。第1分岐部20内でコアの長軸線に対して平行に振動する光波が、第2分岐部20′内では短軸線に対して平行に振動して反転する。
【0014】
第1光ファイバ分岐部、すなわち供給分岐部20は、その他方の端部で光源4に作用接続されている。第2光ファイバ分岐部、すなわち検出分岐部20′は、検出器5に作用接続されている。
供給分岐部20は、光源4に対する途中で偏光子21に接続されている。特に、偏光子の偏光方向が分岐部20の主軸線に対して 45 °より下にあるように、偏光子21は指向されている。この例では、中継点21′を介して供給分岐部20に接続されている光ファイバ偏光子21が使用されている。しかしながら、その他の偏光子を使用することも可能である。
【0015】
光ファイバ20は、特に長さがlのデコヒーレント素子22をさらに有する。このデコヒーレント素子22は、供給分岐部20内で拡散して進行する波の中に光路差を生成する。この光路差は、光源4のコヒーレント長よりも長い。これによって、モード結合による有害な効果が、以下で説明する位相をシフトさせる手段7,7′内で阻止される。変調器が分岐部20′内に存在する場合、この変調器は、特に少なくとも長さlの区間だけ光ファイバの端部つまり検出器5前方に配置されている。
【0016】
2つの光ファイバ分岐部20,20′のうちの少なくとも1つが、位相シフトユニット(移相器)に作用接続されている。この位相シフトユニットは、実際は公知の位相変調ユニットに相当し、主に上述した信号プロセッサ6と変調信号導線61を介してこの信号プロセッサ6に接続されている少なくとも1つの位相変調器7,7′とから構成される。この少なくとも1つの位相変調器7,7′は、ここではしかしながら位相差を変調するために公知の方法で使用されるのではなくて、擬似静的に位相をシフトさせる手段として使用される。特に圧電変調器が、位相変調器7として使用されている。この場合、それぞれの光ファイバ分岐部20,20′の一部が、変調器7の圧電体の周りに巻かれている。しかしながら、その他の変調器、特に光ファイバ内の光電効果に基づく集積光学変調器を使用することも可能である。
【0017】
最も簡単な実施形では、2つの光ファイバ分岐部20,20′のうちの1つだけが位相変調器7に作用接続されている。この場合、光ファイバ分岐部の選択は任意である。しかしながらここで示された実施の形態では、各光ファイバ分岐部20,20′は、位相変調器7,7′に作用接続されている。これらの2つの位相変調器7,7′は、特に同一の信号プロセッサに接続されている。
図1中には、本発明の電流センサ内で進行する波と逆行する波との偏光が細い矢印で示されている。さらに、太い矢印が、これらの波の拡散方向を示す。光源によって放射される進行する光波が、偏光子21内で直線に偏光され、45°の中継点(Spleiss) を経由して互いに直交する2つの偏光として偏波面を保存する光ファイバ2内に、ここでは供給分岐部20内に入射する。これらの2つの偏光は、以下では直交する直線偏光波とも呼ぶ。光ファイバ2のデコヒーレント素子22は、コヒーレントを損なう影響を波に与え、伝播する2つの直交偏光の中に光路差を生成する。この光路差は、光路4のコヒーレント長よりも非常に長い。デコヒーレント素子21は、それに応じて選択する必要がある。この場合、光路差ΔLとΔnG 2つの偏光が認めるグループインデックス(Gruppenindex)とによって、ΔL=lΔnG を満たさなければならない。
【0018】
進行する波の直交偏光が、第1変調器7の入射領域を通過し、結合器8及び光ファイバ2の偏波面を保存するもう1つの光ファイバセグメント23経由で位相遅延素子3に到達する。ここでは、図1中に示したように、直交偏光波が、2つの左回りの偏光波と右回りの偏光波とに変化する。これらの円い波は、センサ光ファイバ1を通過し、コイルの端部10で反射され、このときにその偏光状況を入れ替え、コイルを逆行し、そしてλ/4遅延器内で直交する直線偏光波に再び変えられる。この時点で、これらの直交する直線偏光波の偏光は、進行する方向に相当する波の偏光に対して垂直になっている。分岐部20,20′が少なくともほぼ同一の光学長さを有する場合、進行する波と逆行する波との全位相差は、検出器側の光ファイバの端部で電流導体Sが通電しないときは零に等しく、通電するときは零でない。逆行する波は、結合器8を経由して検出器の分岐部20′に到達し、検出器5内で干渉し、これによって存在する干渉信号が検出される。
【0019】
直交偏光の位相差は、ほぼ静的な位相制御によって本発明にしたがって制御される。そして、適切な動作点が設定される。このような擬似静的位相制御(quasi−stationaere Phasenkontrolle) は、D.A.Jackson 等“Elimination of drift in a single−mode optical fiber Interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber”, Applied Optics, vol. 19, No.17,1980 から公知である。ここでは、擬似静的位相制御が、Mach−Zehnder干渉計で使用される。この場合、動作点が直角位相点Qで選択される。すなわち、ΔΘ=ΔΘ1 +ΔΘ2 が、π/2+mπに等しく選択される。この場合、mは整数である。動作点の設定は、図2中に示されている。この場合、ΔΘは、組合わせた位相差である。この位相差は、電流センサを通じて伝播した波を別々の2つの光ファイバ分岐部内で積算したものである。この場合、ΔΘ1 及びΔΘ2 は、2つの分岐部内の位相差である。これらの光ファイバ分岐部が同一の光学長さを有する場合、無通電状態でかつ反転された偏光のために、ΔΘ1 は、−ΔΘ2 に等しい。
【0020】
本発明の光ファイバ電流センサでは、進行する波及び/又は逆行する波の直交する偏光の位相を制御することができる。
動作点の設定,位相差の制御及び信号の検出は、進行する波と逆行する波とを2つの分離された光ファイバ分岐部20,20′に分割することによって本発明にしたがって実施される。
【0021】
以下に、この目的のために使用される検出器5及び変調ユニットを図3に基づいて詳しく説明する。逆行する直交直線偏光波が、検出器の分岐部20′を通じて検出器5内に到達する。この検出器5は、特に偏光を感知しないビームスプリッタ51を有する。このビームスプリッタ51は、光を特に1:1の比で分割する。その結果生じる2対の直交波の各々が、検光子として作用する偏光子52内で干渉し、その結果生じる光I+ ,I− が、それぞれのフォトダイオード53で検出される。これらの検光子52は、検出器の分岐部20′の光ファイバ軸線に対して±45°の角度で、すなわちこれらの検光子52の固有の伝送方向が互いに垂直にあるように指向されている。検出されたフォトダイオード信号I+ ,I− に対しては、
【0022】
I±=I0 (1±Kcos (ΔΦ+ΔΘ))
が成立する。この場合、I0 は、直角位相点の光強度であり、Kは、干渉縞の鮮明度である。
信号プロセッサ6の減算素子62内では、これらの2つのフォトダイオードの信号の差が形成され、直角位相制御部64に入力される。差が無通電状態でかつ外部の影響のないときに零に等しいように、この直角位相制御部64は、位相変調器を制御する。この場合、直角位相点Qが得られる。この制御は、擬似静的に実施される。すなわち、この制御は、直角位相点に常に制御される。この場合、電圧値が、動作点の場合によっては起こりうるドリフト時に又は外部の影響によって誘導される緩やかな位相のシフト時に適合される。これに対しては、僅かな周波数帯域幅、例えば5Hzの直角位相制御部64で十分である。
【0023】
本発明の方法の好適な変形では、電流導体S内で測定すべき交流電流によって引き起こされる別の位相変調も付加的に校正される。このためには、より広い帯域幅、例えば 100Hzの直角位相制御部が必要である。この直角位相制御部は、差の中の周期的な変動も校正する。この校正は、動的でクローズドループな制御である。この場合、直角位相制御部によって生成され、変調器7,7′で生じる電圧が、センサの出力信号として同時に使用される。
単一の変調器を擬似静的な制御に対しても動的な制御に対しても使用されることが可能である。好適な実施形では、しかしながら2つの変調器7,7′が存在する。この場合、一方の変調器が擬似静的な制御に対して使用され、他方の変調器が動的な制御に対して使用される。
【0024】
電流誘導された位相変調器が校正されない場合は、電流導体Lを流れる電流を測定するための信号プロセッサが、加算素子63及び除算素子65をさらに有する。通電状態では、信号I+ ,Iー の得られる差が、一定な光強度のときに電流に比例する。2つの信号の和が、光強度に比例する。除算素子65内で差を和で除算することによって、
S=(I+ −I− )/(I+ +I− )=K sin(ΔΦ)≒KΔΦ
が、検出信号60として得られる。これは、光強度I0 に依存しないが、電流Iに比例する。
【0025】
図4中には、本発明の電流センサつまりこの電流センサの変調ユニットのもう1つの実施形が示されている。ここでは、少なくともほぼ同一な3つのビームスプリッタ51,51′,51″が存在する。したがって、逆行する波の各々が、これらのビームスプリッタ内で反射し、透過する。この配置には、両波がビームスプリッタの老化過程,温度変動及びその他の外部の影響によって引き起こされる特性として同一の変化を受けるという利点がある。
【0026】
本発明の電流センサでは、変調器及びこの変調器の変調ユニットの安定性に依存しない検出信号を得ることができる。この場合、上述した例のさらなる変形も可能である。すなわち、コイル状のセンサ光ファイバの代わりに、内蔵された光学素子をコイル状の光学センサとして使用することもできる。コイルは、光ファイバの構成でも内蔵された光学的な構成でもただ1本の巻線から形成され得る。さらに、偏光を感知しないビームスプリッタ及び2つの検光子の代わりに、偏向させるビームスプリッタを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の光ファイバ電流センサを示す。
【図2】
擬似静的位相制御中の動作点のグラフを示す。
【図3】
検出器及び本発明の第1の実施形の電流センサの変調ユニットを示す。
【図4】
本発明の第2の実施形の電流センサの検出器を示す。
【符号の説明】
L 電流導線
1 センサ光ファイバ
10 反射器
2 光ファイバ線
20 第1分岐部
20′ 第2分岐部
21 偏光子(ポラライザ)
22 遅延ループ
23 偏波面保存光ファイバ素子
3 位相遅れ素子
4 光源
5 検出器
50 検出器信号導線
51 ビームスプリッタ
52 検光子(アナライザ)
53 フォトダイオード
6 信号プロセッサ
60 センサ信号導線
61 変調信号導線
62 減算素子
63 加算素子
64 直角位相制御部
65 除算素子
7 位相変調器
7′ 位相変調器
8 結合器
技術分野
本発明は、請求項1の上位概念に記載の反射干渉計による光ファイバ電流センサ、請求項9の上位概念に記載のこの電流センサの動作点を設定する方法及び請求項13の上位概念に記載のこの電流センサを用いて電流を測定する方法に関する。
【0002】
従来の技術
このような種類の光ファイバ電流センサは、ドイツ連邦共和国特許出願公開第 42 24 190号明細書及びG.Frosio等“Reciprocal reflection interferometer for a fiber−optic Faraday current sensor”,Applied Optics, Vol.33,No.25,第 6111−6122頁(1994)から公知である。この光ファイバ電流センサは、磁気光学的に作動するコイル状に巻かれたセンサ光ファイバを有する。このセンサ光ファイバは、1本の電流導線を包囲する。このセンサ光ファイバは、一方の端部では光を反射し、他方の端部では位相遅延素子を介して偏波面保存光ファイバに接続されている。光をこの偏波面保存光ファイバ経由でセンサ光ファイバ内に入射させたり又は出射させたりすることができる。この場合、この偏波面保存光ファイバは、互いに直交する直線偏光波を伝播させる。これらの直線偏光波は、センサコイル中に入射する前に光ファイバ位相遅れ素子によって2つの円偏光波に変換される。この場合、これらの2つの円偏光波は、互いに反対方向に回転する。これらの2つの円偏光波は、センサコイルの通過後にこのセンサコイルの端部で反射する。この場合、これらの円偏光波は、その偏光方向が入れ替わってセンサコイルを通じて逆行する。
【0003】
電流が電流導線を流れると、電流磁場が両円偏光波間に位相差を生じさせる。この効果は、磁気光学的効果又はファラデー効果と呼ばれる。これらの円偏光波は、センサコイルを2回通過することによって位相差ΔΦS = 4VNIを積算する。この場合、Vは、光ファイバのヴェルデ定数である。Nは、センサコイルの光ファイバの巻数である。Iは、電流導体を流れる電流である。
【0004】
円偏光波は、センサコイルからの出射時に位相遅れ素子中で直交する直線偏光波に再び変えられ、偏波面保存光ファイバを経由して検出システムに送られる。これらの逆行する直交波の偏光方向は、前進する直交波の偏光方向に対して入れ替わっている。反射した2つの直線偏光波が、偏波面保存光ファイバにつながっている偏光子内で干渉することによって、電流によって引き起こされた位相シフトを検出することができる。
【0005】
利用可能な干渉信号を得るためには、干渉計の有効な動作点を余弦干渉関数の線形領域内に持っていく必要がある。このことは、位相変調器を有する変調ユニットによって実施される。この位相変調器は、偏波面保存光ファイバ内の複屈折及び両直交偏光波の位相差を変化させる。進行する直交偏光波も逆行する直交偏光波もこの同じ位相変調器を通過するので、干渉するこれらの両直交偏光波の位相差を非相関に変調させるために、この位相変調器はこれらの直交偏光波の循環時間に合わせられて周波数で振動する必要がある。変調ユニットなしでは、これらの干渉する2つの直交偏光波の位相差は零に等しい。
【0006】
変調周波数は、理想的には干渉計内の光の循環時間の2倍の逆数に一致する。変調周波数は、一般的には 100kHz と数 MHzとの間にあり、特にセンサ光ファイバに対する光ファイバ接続部分、すなわち偏波面保存光ファイバの長さによって決定される。
電流誘導された位相シフトを適切な復調によって測定することができる。この復調技術は、光ファイバージャイロスコープに対して利用されている。そしてこの復調技術は、例えばR. A. Bergh 等“An Overview of fiber−optic gyroscopes”,J. Lightwave Technol. 2,91’107 (1984) 中に記されている。この場合、主にオープンループとクローズドループとに区別される。
【0007】
光ファイバ電流センサが実際に使用可能であるためには、この光ファイバ電流センサは長期間の良好な安定性を必要とする。例えば圧電変調器を有するような簡単な変調ユニットでは、その振幅が、例えば温度の変動に起因して残念ながらドリフトする。それ故に従来の技術では、比較的高価で可能な限り安定な変調ユニットが使用される。この変調ユニットは、光学変調器又は振幅の変動を校正する手段を内蔵する。このような手段を付加的な制御回路によって一定に保持するため、このような手段は、例えば位相変調器の振幅を測定する測定手段である。しかしながらこれらの手段は、センサの構成を複雑にし、同時にコストを上げる。
【0008】
本発明の説明
本発明の課題は、変調ユニット、特に変調ユニットの評価電子機器に高度な要求をすることなしに反射構造の光ファイバ電流センサを提供することにある。
この課題は、請求項1の特徴を有する光ファイバ電流センサ、請求項9の特徴を有するこのような電流センサの動作点を調整する方法、及び請求項13の特徴を有するこのような電流センサによって電流を測定する方法によって解決される。
【0009】
本発明の電流センサでは、進行する波と逆行する波とが2つの分離された光ファイバセグメント内の区間の一部上で伝播する。この場合、位相をシフトさせる手段が、少なくとも1つのこの光ファイバセグメントに作用接続されている。公知の位相変調器が、このような手段として適している。これらの2つのセグメントのために、進行する波と逆行する波とが、この変調器によって1回だけ影響を受ける。したがって、擬似静的作動する変調器によって動作点を直角位相点( Q点;Quadraturpunkt) にシフトすること、さらに電流誘導ではなくて、同時に進行する波の位相差の、例えば温度変化によって引き起こされた変動を校正することが可能である。このためには、狭い周波数帯、例えば約5Hzによる変調器で十分である。
【0010】
さらに本発明の電流センサの利点は、偏波面保存光ファイバの長さをもはや変調周波数に合わせる必要がなくて、任意に選択可能である点である。下限が、偏波面保存光ファイバに対して事実上もはや存在しない。これによって、コストが節減され得る。
本発明の方法の変形では、温度及び別の影響によって誘導された位相シフトが擬似静的に(quasi−statische) 校正されるだけではなくて、動的な変調も使用される。この変調は、測定すべき交流電流に対応する周波数によって実施される。このことは、同じ変調器によって実施することができるか又は第2の変調器によって実施することができる。この第2の場合では、この第2の変調器が、特に別の光ファイバ分岐部内に配置されている。
【0011】
その他の好適な実施形は、従属請求項中に記載されている。
以下に、本発明を添付した図面中に示されている好適な実施の形態に基づいて詳しく説明する。
発明の詳細な説明
図1は、反射干渉計を有する本発明の光ファイバ電流センサを示す。センサ光ファイバ1が、1本の電流導線Lの周りにコイル状に巻かれている。このセンサ光ファイバ1は、特に円いコア横断面を有し、特に石英ガラスから作られている。センサ光ファイバ1の一方の端部が、光ファイバ線2に接続されている。第2の端部は、反射器10を有する。一般に、反射器10は、センサ光ファイバの他方の端部の反射面によって形成されている。光ファイバ2の少なくとも1部が、複屈折性であり、同時に偏波面保存的に形成されている。特にこの光ファイバ線は、複屈折を起こすために楕円の横断面を有する。しかしながら、応力誘導される複屈折性の光ファイバを使用することも可能である。光ファイバ線2は、位相遅れ素子2を介してセンサ光ファイバ1に接続される。この場合、特にλ/4位相遅れファイバセグメントが、このために使用されている。
【0012】
さらに、光源4が存在する。この光源4の光が、光ファイバによって伝送される。特に小さいコヒーレント長の光源、特に大出力発光ダイオード,レーザ閾値の下で作動するレーザダイオード,LED又は広い帯域の光ファイバ光源が、光源として適している。光ファイバ電流センサは、検出器5を使用する。この検出器5は、センサ光ファイバを通じて伝播して干渉する光を検出する。この検出器5は、検出器信号導線50を介して信号プロセッサ6に接続されている。この信号プロセッサ6は、センサ信号をセンサ信号導線60を介して図示しなかった評価電子機器に伝送する。
【0013】
本発明では、光ファイバ線2が、偏波面を保存する2つの分岐部20,20′を有する。特に楕円のコアを有する光ファイバセグメントが、光ファイバ分岐部として適している。これらの光ファイバ分岐部20,20′は、少なくともほぼ同一の光学的長さを有する。すなわち、これらの光ファイバ分岐部29,20′は、光源4のコヒーレント長の範囲内で等しい。したがって、異なる光ファイバ分岐部内で伝播する2つのモード又は波を積算する光路長の差が等しい。2つの光ファイバ分岐部は、並列に接続されていて、それらのセンサ側の端部の領域内で偏波面保存結合器8に互いに接続されている。ここで示された好適な実施の形態では、結合器8は、楕円のコアを有する光ファイバ結合器である。この場合、結合器8の軸線が光ファイバ分岐部20,20′の軸線に平行にあるように、この結合器8の軸線が配置されている。その他の種類の結合器を使用することも可能である。進行する(分岐部20)波と逆行する(分岐部20′)波との直線偏光の方向が光りファイバの軸線に対して逆に入れ替えられているように、2つの光ファイバ分岐部20,20′が特に結合器に接続されている。第1分岐部20内でコアの長軸線に対して平行に振動する光波が、第2分岐部20′内では短軸線に対して平行に振動して反転する。
【0014】
第1光ファイバ分岐部、すなわち供給分岐部20は、その他方の端部で光源4に作用接続されている。第2光ファイバ分岐部、すなわち検出分岐部20′は、検出器5に作用接続されている。
供給分岐部20は、光源4に対する途中で偏光子21に接続されている。特に、偏光子の偏光方向が分岐部20の主軸線に対して 45 °より下にあるように、偏光子21は指向されている。この例では、中継点21′を介して供給分岐部20に接続されている光ファイバ偏光子21が使用されている。しかしながら、その他の偏光子を使用することも可能である。
【0015】
光ファイバ20は、特に長さがlのデコヒーレント素子22をさらに有する。このデコヒーレント素子22は、供給分岐部20内で拡散して進行する波の中に光路差を生成する。この光路差は、光源4のコヒーレント長よりも長い。これによって、モード結合による有害な効果が、以下で説明する位相をシフトさせる手段7,7′内で阻止される。変調器が分岐部20′内に存在する場合、この変調器は、特に少なくとも長さlの区間だけ光ファイバの端部つまり検出器5前方に配置されている。
【0016】
2つの光ファイバ分岐部20,20′のうちの少なくとも1つが、位相シフトユニット(移相器)に作用接続されている。この位相シフトユニットは、実際は公知の位相変調ユニットに相当し、主に上述した信号プロセッサ6と変調信号導線61を介してこの信号プロセッサ6に接続されている少なくとも1つの位相変調器7,7′とから構成される。この少なくとも1つの位相変調器7,7′は、ここではしかしながら位相差を変調するために公知の方法で使用されるのではなくて、擬似静的に位相をシフトさせる手段として使用される。特に圧電変調器が、位相変調器7として使用されている。この場合、それぞれの光ファイバ分岐部20,20′の一部が、変調器7の圧電体の周りに巻かれている。しかしながら、その他の変調器、特に光ファイバ内の光電効果に基づく集積光学変調器を使用することも可能である。
【0017】
最も簡単な実施形では、2つの光ファイバ分岐部20,20′のうちの1つだけが位相変調器7に作用接続されている。この場合、光ファイバ分岐部の選択は任意である。しかしながらここで示された実施の形態では、各光ファイバ分岐部20,20′は、位相変調器7,7′に作用接続されている。これらの2つの位相変調器7,7′は、特に同一の信号プロセッサに接続されている。
図1中には、本発明の電流センサ内で進行する波と逆行する波との偏光が細い矢印で示されている。さらに、太い矢印が、これらの波の拡散方向を示す。光源によって放射される進行する光波が、偏光子21内で直線に偏光され、45°の中継点(Spleiss) を経由して互いに直交する2つの偏光として偏波面を保存する光ファイバ2内に、ここでは供給分岐部20内に入射する。これらの2つの偏光は、以下では直交する直線偏光波とも呼ぶ。光ファイバ2のデコヒーレント素子22は、コヒーレントを損なう影響を波に与え、伝播する2つの直交偏光の中に光路差を生成する。この光路差は、光路4のコヒーレント長よりも非常に長い。デコヒーレント素子21は、それに応じて選択する必要がある。この場合、光路差ΔLとΔnG 2つの偏光が認めるグループインデックス(Gruppenindex)とによって、ΔL=lΔnG を満たさなければならない。
【0018】
進行する波の直交偏光が、第1変調器7の入射領域を通過し、結合器8及び光ファイバ2の偏波面を保存するもう1つの光ファイバセグメント23経由で位相遅延素子3に到達する。ここでは、図1中に示したように、直交偏光波が、2つの左回りの偏光波と右回りの偏光波とに変化する。これらの円い波は、センサ光ファイバ1を通過し、コイルの端部10で反射され、このときにその偏光状況を入れ替え、コイルを逆行し、そしてλ/4遅延器内で直交する直線偏光波に再び変えられる。この時点で、これらの直交する直線偏光波の偏光は、進行する方向に相当する波の偏光に対して垂直になっている。分岐部20,20′が少なくともほぼ同一の光学長さを有する場合、進行する波と逆行する波との全位相差は、検出器側の光ファイバの端部で電流導体Sが通電しないときは零に等しく、通電するときは零でない。逆行する波は、結合器8を経由して検出器の分岐部20′に到達し、検出器5内で干渉し、これによって存在する干渉信号が検出される。
【0019】
直交偏光の位相差は、ほぼ静的な位相制御によって本発明にしたがって制御される。そして、適切な動作点が設定される。このような擬似静的位相制御(quasi−stationaere Phasenkontrolle) は、D.A.Jackson 等“Elimination of drift in a single−mode optical fiber Interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber”, Applied Optics, vol. 19, No.17,1980 から公知である。ここでは、擬似静的位相制御が、Mach−Zehnder干渉計で使用される。この場合、動作点が直角位相点Qで選択される。すなわち、ΔΘ=ΔΘ1 +ΔΘ2 が、π/2+mπに等しく選択される。この場合、mは整数である。動作点の設定は、図2中に示されている。この場合、ΔΘは、組合わせた位相差である。この位相差は、電流センサを通じて伝播した波を別々の2つの光ファイバ分岐部内で積算したものである。この場合、ΔΘ1 及びΔΘ2 は、2つの分岐部内の位相差である。これらの光ファイバ分岐部が同一の光学長さを有する場合、無通電状態でかつ反転された偏光のために、ΔΘ1 は、−ΔΘ2 に等しい。
【0020】
本発明の光ファイバ電流センサでは、進行する波及び/又は逆行する波の直交する偏光の位相を制御することができる。
動作点の設定,位相差の制御及び信号の検出は、進行する波と逆行する波とを2つの分離された光ファイバ分岐部20,20′に分割することによって本発明にしたがって実施される。
【0021】
以下に、この目的のために使用される検出器5及び変調ユニットを図3に基づいて詳しく説明する。逆行する直交直線偏光波が、検出器の分岐部20′を通じて検出器5内に到達する。この検出器5は、特に偏光を感知しないビームスプリッタ51を有する。このビームスプリッタ51は、光を特に1:1の比で分割する。その結果生じる2対の直交波の各々が、検光子として作用する偏光子52内で干渉し、その結果生じる光I+ ,I− が、それぞれのフォトダイオード53で検出される。これらの検光子52は、検出器の分岐部20′の光ファイバ軸線に対して±45°の角度で、すなわちこれらの検光子52の固有の伝送方向が互いに垂直にあるように指向されている。検出されたフォトダイオード信号I+ ,I− に対しては、
【0022】
I±=I0 (1±Kcos (ΔΦ+ΔΘ))
が成立する。この場合、I0 は、直角位相点の光強度であり、Kは、干渉縞の鮮明度である。
信号プロセッサ6の減算素子62内では、これらの2つのフォトダイオードの信号の差が形成され、直角位相制御部64に入力される。差が無通電状態でかつ外部の影響のないときに零に等しいように、この直角位相制御部64は、位相変調器を制御する。この場合、直角位相点Qが得られる。この制御は、擬似静的に実施される。すなわち、この制御は、直角位相点に常に制御される。この場合、電圧値が、動作点の場合によっては起こりうるドリフト時に又は外部の影響によって誘導される緩やかな位相のシフト時に適合される。これに対しては、僅かな周波数帯域幅、例えば5Hzの直角位相制御部64で十分である。
【0023】
本発明の方法の好適な変形では、電流導体S内で測定すべき交流電流によって引き起こされる別の位相変調も付加的に校正される。このためには、より広い帯域幅、例えば 100Hzの直角位相制御部が必要である。この直角位相制御部は、差の中の周期的な変動も校正する。この校正は、動的でクローズドループな制御である。この場合、直角位相制御部によって生成され、変調器7,7′で生じる電圧が、センサの出力信号として同時に使用される。
単一の変調器を擬似静的な制御に対しても動的な制御に対しても使用されることが可能である。好適な実施形では、しかしながら2つの変調器7,7′が存在する。この場合、一方の変調器が擬似静的な制御に対して使用され、他方の変調器が動的な制御に対して使用される。
【0024】
電流誘導された位相変調器が校正されない場合は、電流導体Lを流れる電流を測定するための信号プロセッサが、加算素子63及び除算素子65をさらに有する。通電状態では、信号I+ ,Iー の得られる差が、一定な光強度のときに電流に比例する。2つの信号の和が、光強度に比例する。除算素子65内で差を和で除算することによって、
S=(I+ −I− )/(I+ +I− )=K sin(ΔΦ)≒KΔΦ
が、検出信号60として得られる。これは、光強度I0 に依存しないが、電流Iに比例する。
【0025】
図4中には、本発明の電流センサつまりこの電流センサの変調ユニットのもう1つの実施形が示されている。ここでは、少なくともほぼ同一な3つのビームスプリッタ51,51′,51″が存在する。したがって、逆行する波の各々が、これらのビームスプリッタ内で反射し、透過する。この配置には、両波がビームスプリッタの老化過程,温度変動及びその他の外部の影響によって引き起こされる特性として同一の変化を受けるという利点がある。
【0026】
本発明の電流センサでは、変調器及びこの変調器の変調ユニットの安定性に依存しない検出信号を得ることができる。この場合、上述した例のさらなる変形も可能である。すなわち、コイル状のセンサ光ファイバの代わりに、内蔵された光学素子をコイル状の光学センサとして使用することもできる。コイルは、光ファイバの構成でも内蔵された光学的な構成でもただ1本の巻線から形成され得る。さらに、偏光を感知しないビームスプリッタ及び2つの検光子の代わりに、偏向させるビームスプリッタを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の光ファイバ電流センサを示す。
【図2】
擬似静的位相制御中の動作点のグラフを示す。
【図3】
検出器及び本発明の第1の実施形の電流センサの変調ユニットを示す。
【図4】
本発明の第2の実施形の電流センサの検出器を示す。
【符号の説明】
L 電流導線
1 センサ光ファイバ
10 反射器
2 光ファイバ線
20 第1分岐部
20′ 第2分岐部
21 偏光子(ポラライザ)
22 遅延ループ
23 偏波面保存光ファイバ素子
3 位相遅れ素子
4 光源
5 検出器
50 検出器信号導線
51 ビームスプリッタ
52 検光子(アナライザ)
53 フォトダイオード
6 信号プロセッサ
60 センサ信号導線
61 変調信号導線
62 減算素子
63 加算素子
64 直角位相制御部
65 除算素子
7 位相変調器
7′ 位相変調器
8 結合器
Claims (13)
- 反射干渉計と、光ファイバ内で伝播する互いに直交する2つの偏光波の位相差の位相をシフトさせる少なくとも1つの手段(7,7′)と、検出器(5)とを有し、反射干渉計は、光ファイバ(2)及びコイル状の光学センサ(1)を有し、この場合、センサ(1)は、その一方の端部で光ファイバ(2)に接続されていて、その他方の端部で反射器(10)を有する光学電流センサにおいて、
光ファイバ(2)は、進行する互いに直交する2つの偏光波に対して偏波面を保持する第1光ファイバ分岐部(20)を有し、逆行する互いに直交する2つの偏光波に対して偏波面を保持する第2光ファイバ分岐部(20′)を有し、この場合、2つの光ファイバ分岐部(20,20′)は、センサ側の結合器(8)を介して互いに接続されていて、この場合、第1光ファイバ分岐部(20)は、光源(4)に接続されていて、第2光ファイバ分岐部(20′)は、検出器(5)に接続されていること、及び、
位相をシフトさせる少なくとも1つの手段(7)は、これらの2つの光ファイバ分岐部(20,20′)のうちの一方に作用接続されていることを特徴とする光学電流センサ。 - 両分岐部内で伝播する光波が光ファイバ軸線に対して逆に入れ替えられているように、2つの光ファイバ分岐部(20,20′)の光ファイバ軸線が、結合器(8)によって互いに接続されていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 2つの光ファイバ分岐部(20,20′)は、少なくともほぼ同一の長さを有することを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 位相をシフトさせる少なくとも1つの手段(7)及び検出器(5)は、信号プロセッサ(6)に接続されていて、この信号プロセッサ(6)は、擬似静的な位相シフトを直角位相制御して校正する手段(62,64)を有することを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 位相をシフトさせる少なくとも1つの手段(7)及び検出器(5)は、信号プロセッサ(6)に接続されていて、この信号プロセッサ(6)は、測定すべき交流電流によって誘導された位相のずれを校正する手段(62,64)を有することを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 位相をシフトさせる2つの手段(7,7′)が存在し、この場合、各々は、他方の光ファイバ分岐部(20,20′)に割当てられていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 位相をシフトさせる両手段(7,7′)は、同一の信号プロセッサ(6)に接続されていることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の電流センサ。
- 検出器(5)は、3つのビームスプリッタ(51,51′,51″)を有し、逆行する波の各々がビームスプリッタによって反射して透過するように、これらのビームスプリッタが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。
- 反射干渉計によって光学電流センサ内で動作点を設定する請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法にあって、この場合、電流センサは、2つの光ファイバ分岐部(20,20′)を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、2つの光ファイバ分岐部(20)のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部内で伝播すること、及び、これらの伝播する波の位相シフトが、少なくとも1つの光ファイバ分岐部(20,20′)内で制御されることを特徴とする方法。
- 動作点は、直角位相点に擬似静的に設定されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 動作点は、直角位相点に設定され、測定すべき電流によって引き起こされる位相シフトが、周期的に校正されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 逆行する互いに直交する直線偏光波の対が、2つの波の対に分割され、その結果生じた各々の波の対が、検光子内で干渉し、この場合、検光子の通過方向が、90°より下に対向して存在すること、2つの得られた干渉信号が検出されること、及び、干渉信号の差が形成されること、及び、この差が零に制御されることを特徴とする請求項10又は11に記載の方法。
- 反射構造を有する光学電流センサによって電流を測定する請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法にあって、この場合、電流センサは、2つの光ファイバ分岐部(20,20′)を有する方法において、進行する互いに直交する直線偏光波が、2つの光ファイバ分岐部(20)のうちの一方の分岐部内で伝播し、逆行する互いに直交する直線偏光波が、他方の光ファイバ分岐部(20′)内で伝播すること、これらの伝播する波の位相差が制御されること、逆行する互いに直交する直線偏光波の対が、2つの波の対に分割され、その結果生じた各々の波の対が、検光子内で干渉し、この場合、検光子の通過方向が、90°より下に対向して存在すること、2つの得られた干渉信号が検出されること、これらの干渉信号の和と差が作られること、及び、この差が、この和によって除算されて、測定すべき電流に少なくともほぼ比例する信号を得ることを特徴とする方法。
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