KR20120099791A - 파이버 옵틱 전류 센서 - Google Patents

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Abstract

전도체(18)에서 운반되는 전류를 감지하기 위한 파이버-옵틱 전류 센서이다. 이것의 옵티컬 섹션은 광원(1); 각각 두 개의 암이 있는 두 개의 포트(2A, 2B)를 갖는 방향성 커플러(2); 방사 분극자(3); 전류-감지 파이버 루프(11)에 커플링된 파이버 라인(17); 거울(10); 및 광검출기(22)를 포함한다. 상기 커플러(2)의 상기 제1 포트는 상기 광원(1) 및 상기 광검출기(22)에 커플링된다. 이것의 제2 포트는 상기 방사 분극자(3)를 통해 상기 분극 변조기(4)에 커플링된다. 상기 분극 변조기는 주변에 솔레노이드(6)이 감겨있는, 자성-감응 요소(5)를 포함한다. 상기 파이버 루프(11)는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 옵티컬 파이버를 포함한다. 전자 섹션은 상기 솔레노이드(6)를 구동하는 신호 발생기(21); 및 상기 광검출기(22)로부터 옵티컬 신호를 수신하는 신호 처리 유닛을 포함한다.

Description

파이버 옵틱 전류 센서{FIBER OPTIC CURRENT SENSOR}
본 발명은 파이버 옵틱 전류 센서에 연관되고, 파이버 옵틱 전류 센서를 이용하여 전류를 감지하기 위한 기술에 관련된다.
알려진 파이버 옵틱 전류 센서는 패러데이의 효과(Faraday effect)의 원리로 동작한다. 전도체(electric conductor)(와이어)에서 흐르는 전류는 상기 패러데이의 효과를 통하여 전류를 운반하는 와이어(current-carrying wire) 주변에 감겨진 옵틱 파이버에서 전파하는 방사 분극의 플레인(plane of radiation polarization)을 회전시키는 자기장(magnetic field)을 포함한다. 자기장 순환의 이론(theorem of magnetic field circulation)에 따라서, 다음을 얻는다.
Figure pct00001
여기서 I는 전류를 나타내고, H는 자기장을 나타내며, 인테그럴(integral)은 상기 전류를 운반하는 와이어 주변의 폐경로를 따라 이루어진다. 만약 N 턴의 인테그럴 개 수를 갖는 회로로써의 상기 전류를 가지고(with the current as a circuit with an integral number of turns N), 상기 자기장의 길이에 따라 일정한 감도(sensitivity)를 갖는 감응 파이버(sensitive fiber)가 상기 와이어 주변에 감겨져 있다면, 상기 회로의 출력에서 방사 분극의 상기 플레인 회전은 상기 와이어의 상기 전류에 의존하며, 생성된 모든 외부 자기장에 독립적이다.
이러한 외부의 자기장은 이를 테면, 인접한 와이어에 의해 생성된 전류를 포함한다. 상기 분극 플레인(polarization plane)의 회전 각도는 다음과 같다.
Figure pct00002
여기서, V는 이를 테면, 실리카(silica), 석영(quartz), 유리(glass) 또는 폴리머(polymer)가 될 수 있는, 상기 파이버 물질을 위한 베드데 상수(Verdet constant)를 나타낸다.
상기 민감한 옵틱 파이버는 그것의 경로를 따라 상기 자기장의 선형 통합(linear integration)을 수행한다; 상기 인테그럴(integral)은 이러한 경로가 자체에서 닫힐 경우(when this path is closed on itself) 상기 와이어의 상기 전류와 비례한다.
전류의 존재로 인한 상기 방사 분극 플레인의 회전은 감지 파이버 루프에서 선형 분극을 갖는 방사의 도입, 및 상기 파이버 루프에서 벗어난 후에(after it gets out of the fiber loop) 분극의 상태 차후의 분석(subsequent analysis)에 의해 측정된다.
물리적 관점에서 보면, 분극 면의 회전은 동일한 크기만큼 반대 방향으로 분극된 두 개의 원형 방사 요소들 - 이들이 합해져서 선형 분극된 방사를 형성함 - 은, 새로 방향 자기장 내에 위치한 감지 파이버 내에서 서로 다른 전파 속도(propagation velocity)를 가져서, - 민감한 파이버들을 통해 통과한 후에는 - 그것들 사이에 (패러데이) 페이즈 쉬프트가 발견되게 되며, 그 크기는 다음 수학식 3과 같다.
Figure pct00003
전류 감지 응용예에서(In current-sensing applications), 원형 분극의 상태(state of circular polarization)는 측정되는 전류를 나타내고, 상기 민감한 파이버는 상기 원형 분극의 상태를 유지하여야 한다.
파이버 옵틱 전류 센서는 회전 각도
Figure pct00004
또는 동등하게 페이즈 시프트(phase shift)
Figure pct00005
를 측정한다. 전류 측정을 위해 잘 알려져 있는 기구(instrument)는 참고 문헌[1]에서(Laming et al.) 기술되는 실시예인, 상호 반사 옵티컬 간섭계(reciprocal reflective optical interferometer)이다.
이러한 선행 기술 기구는 상기 파이버의 하나의 단에는 분극자(polarizer), 다른 단에는 광 리플렉터(light reflector)(거울)이 연결된 민감한 옵티컬 파이버(optical fiber)로 만들어진 측정 감지 파이버 루프(measurement sensing fiber loop)를 포함한다. 상기 분극자와 상기 감응 회로(sensitive circuit) 사이에는, 빔 스플리터(beam splitter)(방향성 커플러)가 상기 감지 파이버를 통과한 후에(after passing through the sensing fiber), 처음에 앞으로 그리고 나서(first forward and then), 뒤로 상기 거울로부터 반사 후에(after reflection from the mirror, backward), 광 분극 플레인의 회전을 분석하기 위한 상기 장치에 상기 방사가 갈라지도록 설치되어 있다(is installed to branch the radiation to the device).
감응 옵티컬 파이버(Sensitive optical fibers)는 두 가지의 타입으로 분류될 수 있다. 제1 타입은 매우 낮은 선형 복굴절을 갖는 옵티컬 파이버(LB 타입)이며, 제2 타입은 임베디드된 선형 복굴절의(with embedded linear birefringence) 자석으로 민감한 옵티컬 파이버(magnetically sensitive optical fibers)이다(스펀 파이버(spun fiber)). 파이버의 상기 제2 타입은 강하게 빌트-인된(built-in)(임베디드된) 선형 복굴절의 프리폼을 드로잉하고, 이러한 프리폼을 회전하는 것에 의해 획득된다.
본 명세서에서, 프리폼은 예비의 성형(preliminary shaping)을 겪지만, 아직 최종의 형태가 아닌 물질을 의미한다. 참고 문서[1]에서 기술된 것처럼, 상기 전류 센서의 상기 감지 루프는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버를 이용한다(employs a magneto-sensitive fiber with embedded linear birefringence).
참조 문서[2]는 광원(light source), 상기 광원과 커플링된 분극자(polarizer), 상기 분극자와 커플링된 방사 분극의 압전기 또는 전자 옵티컬 변조기(a piezoelectric or electro-optical modulator of radiation polarization coupled with the polarizer), 상기 분극 변조기와 결합되고 방사의 선형 분극을 유지하는 파이버("PM 파이버"), 상기 PM 파이버에 연결된 분극 유지 쿼터 웨이브 플레이트(polarization-maintaining quarter-wave plate), 상기 원형 분극의 상태가 큰 각도로 보존하는(which to a large degree preserves the state of circular polarization) 상기 쿼터 웨이브 플레이트와 결합된 입베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버(스펀 파이버), 상술한 자성-감응 파이버와 커플링된 출력 리플렉터(output reflector), 및 상기 분극자와 커플링된 출력을 갖는 광검출기(photodetector)를 포함하는 파이버 옵틱 전류 센서를 기술한다. 상기 자성-감응 파이버는 전류가 흐르는 상기 와이어 주위에 감지 루프를 형성한다.
상기 미국 특허 제6,188,811호의 도 1A는 선형 전류 센서의 실시예를 도시한다. 광원으로부터의 광은 상기 옵티컬 회로의 나머지 전체에 걸쳐 유지된 두 개의 분극 상태로 동등하게 나누어지는(divides equally) 곳인, 45-각도 스플라이스에(to a 45-degree splice) 커플러와 분극자를 통하여 전파한다.
압전기 복굴절 변조기(piezoelectric birefringence modulator)는 상기 두 개의 분극 상태에 대하여 상기 광의 페이즈를 구별하여 변조한다(differentially modulates the phases of the light). 상기 압전기 복굴절 변조기는 구형파 또는 사인파의 모양을 갖는 전기적, 주기적, 교류 신호(an electrical, periodic, alternating signal)를 제공하는 변조기 신호 발생기에 의해 구동된다.
그리고 상기 광은 지연 라인(delay line)을 통하여 그리고 두 개의 분극의 선형 상태(two linear states of polarization)를 두 개의 분극의 원형 상태(two circular states of polarization)로 변환하는 모드 컨버터(mode converter)를 통하여, 및 최적화된 센서 코일을 통하여 전파한다(propagates). 상기 최적화된 센서 코일은 상기 전류를 운반하는 와이어 주변에 감겨진다(is wound around).
상기 광은 반사 터미네이션을 반사하고, 그것의 방법을 상기 옵티컬 회로를 통하여 리트레이스 하며(The light reflects off a reflective termination and retraces its way through the optical circuit), 마침내 광검출기에 이른다(finally arriving at a photodetector). 오픈 루프 신호 프로세서는 상기 전류를 운반하는 와이어에 흐르는 상기 전류를 나타내는(which is indicative of the current flowing in the current carrying wire) 출력으로 감지된 신호를 변환한다(converts the detected signal to an output).
분극의 원형 상태가 상기 감지 코일 전체에 걸쳐 잘 유지될 경우 상기 센서는 그것의 최대 감도를(its greatest sensitivity) 달성한다. 스펀 복굴절 파이버가 어느 정도는(to some degree) 분극의 원형 상태를 보존할 수 있다는 것은 업계에 잘 알려져 있다.
참고 문서[2]에서 기술된 본 발명에서, 관심은 상기 분극의 원형 상태가 이례적으로 잘 유지되어서(be extraordinarily well maintained), 감지 파이버의 매우 긴 길이(수 백 미터(hundreds of meters))가 사용될 수 있는 것이다. 연속하는 스펀 복굴절 파이버(straight spun birefringent fiber)는 원거리에서 분극의 원형 상태를 홀드하며(does hold a circular state of polarization over a long distance), 전류를 운반하는 와이어 주변에 감겨 있을 경우 행해지기 때문에, 이 특성을 달성하는 것은 상기 파이버가 밴트될 경우(when the fiber is bent) 더 어렵다.
상기 제US 6,188,811호에서 표현된 것처럼, 상기 센서의 높은 감도를 얻기 위해서는, 상기 원형 분극 상태는 상기 감지 회로 전체에 걸쳐 잘 유지되어야 한다. 다이렉트 스펀 파이버(a direct spun fiber)가 수 백 미터의 길이에서(over lengths of hundreds of meters) 원형 분극의 상태를 유지하는 것이 가능하다는 것은 업계에 잘 알려져 있다.
하지만, 대략 20mm 이하의 밴딩 반경으로(with a bend radius of less than about 20 mm), 알려진 파이버의 감도는 빨리 떨어진다(rapidly drops). 자성-감응 파이버의 주어진 길이를 위해, 상기 회로에서 허용 가능한 파이버 턴의 개수(allowable number of fiber turns)의 증가, 및 이런 이유로(hence) 상기 센서의 감도는 제한된다.
제US 6,188,811호에 기술된 상기 파이버-옵틱 센서는 전통의 단일 연속적인 파이버 센서에 내제하는 많은 단점을 극복한다. 하지만, 상기 센서의 정확도에 영향을 미치는 특정 문제가 남아있다.
예를 들어, 매우 정확한 측정을 얻기 위해, 옵티컬 구성 요소들은, 특히 쿼터-웨이브 플레이트(the quarter-wave plate)는 이상적이어야 하며, 온도 변경 및 기계적인 디스터번스(mechanical disturbances)와 같은 외부 영향에 민감하지 않아야 한다.
특정 어플리케이션에서 요구되는 정확한 판독(accurate reading)을 달성하기 위한 이상적이거나 또는 거의 이상적인 쿼터-웨이브 플레이트는 생산하기에 매우 어렵고 비싸다는 것은 잘 알려져 있다(is well established). 알려진 압전기(piezoelectric) 및 전자-옵티컬 변조기(electro-optical modulators) 상기 센서의 정확도를 감소시키는 패러시틱 변조의 잔류 레벨(residual level of parasitic modulation)을 갖는다.
알려진 옵티컬 시스템의 효과적인 변조를 위하여, 상기 지연 라인에서 PM 파이버의 상당한 길이가 요구된다. 관련 문제는 PM 파이버가 비싸다는 것이다.
게다가, 매우 높은 감도의 파이버-옵틱 전류 센서가 필요하다. 이를 테면, 일부 응용에서, 지하 케이블과 같은 높은 정격 전류를 갖는(high rated currents) 라인에서 작은 누설 전류를 제어하도록 요구된다.
마지막으로, 알려진 파이버-옵틱 전류 센서의 문제들 중의 하나는 상기 파이버의 외부 온도 및 기계적인 스트레스 상의(on the external temperature and mechanical stress on the fiber) 상기 파이버 루프의 마그네토-옵티컬 민감도(magneto-optical sensitivity)의 의존성(dependence)이다. 이러한 의존성은 이러한 효과의 전제에서 상기 센서의 정확도를 제한하고, 민감한 회로를 위한 보호 방안의 복합적인 세트를 요구한다.
상기 전류-감지 시스템의 다양한 요소들에서의 환경 조건의 영향과 같은, 하나 또는 그 이상의 위에서 확인된 문제들을 완화하는 것이 본 발명의 목적이다. 이를 테면, 상기 환경 조건은 스트레스(stress) 및/또는 진동(vibration)과 같은, 온도 변동(temperature fluctuations) 및 기계적인 힘(mechanical forces)을 포함할 수 있다.
영향을 받은 요소는 상기 파이버 자체(the fiber itself), 쿼터-웨이브 플레이트(quarter-wave plate), 옵티컬 커플러(optical couplers) 등등과 같은, 상기 파이버 루프의 요소를 포함할 수 있다.
이러한 목적은 첨부된 독립 청구항에 따른 상기 장치들에 의해서 달성된다. 종속항과 상세한 설명 및 도면은 추가적인 특성을 제공하고 및/또는 추가적인 문제를 해결하는 특정한 구체적인 실시예들과 관련된다. 이러한 실시예들은 본 발명을 설명하는 목적을 위해 나타냈으며, 이를 제한하지 않는다. 특히, 온도-관련 불안정의 중요한 소스인(is a significant source of temperature-related instability), 상기 쿼터-웨이브 플레이트는 본 발명의 전형적인 실시예들에서 생략될 수 있다는 것을(can be omitted) 주의할 가치가 있다(it is worth noting).
본 발명의 양상은 전도체(electric conductor)에서 운반되는 전류를 감지하기 위한 파이버-옵틱 전류 센서이고, 상기 파이버-옵틱 전류 센서는 옵티컬 섹션 및 전자 섹션을 포함한다.
상기 옵티컬 섹션은 광원; 제1 포트 및 제2 포트를 갖는 방향성 커플러 - 각각의 포트가 제1 암 및 제2 암을 포함함 -; 제1 포트 및 제2 포트를 갖는 방사 분극자(radiation polarizer); 제1 포트 및 제2 포트를 갖는 분극 변조기(polarization modulator), 제1 단 및 제2 단을 갖는 전류-감지 파이버 루프에 결합된 파이버 라인; 및 광검출기를 포함한다.
상기 방향성 커플러의 상기 제1 포트의 한 암은 상기 광원에 커플링되고, 상기 방향성 커플러의 상기 제1 포트의 다른 암은 상기 광검출기에 커플링된다. 상기 방향성 커플러의 상기 제2 포트의 한 암은 상기 방사 분극자(radiation polarizer)의 제1 포트에 커플링된다.
상기 방사 분극자의 상기 제2 포트는 상기 분극 변조기(polarization modulator)의 상기 제1 포트에 커플링 된다. 상기 분극 변조기는 주변에 솔레노이드가 감겨진 자성-감응 요소를 포함한다(comprises a magneto-sensitive element, around which a solenoid is wound). 상기 전류-감지 파이버 루프는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 옵티컬 파이버로 만들어진다.
마지막으로, 상기 전자 섹션은 상기 솔레노이드를 구동하도록 구성되는 신호 발생기(signal generator); 및 상기 광검출기로부터 옵티컬 신호를 수신하도록 구성되는 신호 처리 유닛(signal processing unit)을 포함한다.
본 발명의 이점은 상기 파이버 옵틱 전류 센서의 증가되는 감도와 정확성을 포함한다(invention include increased sensitivity and precision). 이러한 이점은 온도 및/또는 기계적인 스트레스 또는 진동과 같은 환경적인 조건에 대한 상기 전류-감지 시스템의 요소들의 감소된 감도에 의해서 획득된다(are obtained by virtue of the reduced sensitivity of the elements).
상기 자성-감응 요소는 이를 테면, 변조 전류를 운반하는 상기 솔레노이드에 의해 대체되는 통상적으로 사용되는 영구 자석인 아이솔레이터와 같은(eg an isolator, in which the permanent magnet, which is conventionally used), 변조된 자성 가닛 옵티컬 요소(modified magnetic garnet optical element) 또는 변조기 파이버 세그먼트(modulator fiber segment)를 포함할 수 있다.
참조 문서[2] (US 6,188,811)는 두 개의 선형 분극 상태(linear states of polarization)를 두 개의 원형 분극 상태(circular states of polarization)로 컨버팅하기 위한 모드 컨버터(mode converter) 및 지연 라인(delay line)을 포함하는 상기 파이버 라인을 갖는 파이버-옵틱 전류 센서를 기술한다.
몇몇의 추가적인 이점은 상기 파이버 라인이 제1 암 및 제2 암을 갖는 제1 포트와 제1 암 및 제2 암을 갖는 제2 포트를 가지는 바이파일러 파이버 라인이며; 상기 바이파일러 파이버 라인의 상기 제2 포트의 제1 및 제2 암 각각이 상기 전류-감지 파이버 루프의 상기 제1 단 및 제2 단에 각각 커플링되고; 상기 바이파일러 파이버 라인의 상기 제1 포트의 상기 제2 암이 상기 방사 리플렉터에 커플링되는 실시예들에 의해 달성된다.
이를 테면, 이러한 실시예는 필요하지 않은 모드 컨버터와 상기 지연 라인을 만든다(renders the delay line and mode converter superfluous). 게다가, 이러한 실시예는 상기 변조기 파이버 세그먼트가 상기 바이파일러 라인 및 상기 전류-감지 파이버 루프와 함께 단일 파이버(unitary fiber)로 형성되는, 고 효율 구성이 가능하다.
온도 변동(temperature variations) 및 밴딩이 유발되는 스트레스(bending-induced stress)와 같은, 외부 영향들에 대한 최적 감도 및 최고의 내성(immunity)을 위하여, 임베디드된 선형 복굴절의 상기 자성-감응 옵티컬 파이버(magneto-sensitive optical fiber)는 1 mm부터 10 mm까지의 임베디드된 비트 길이와 1 mm부터 5 mm까지의 스피닝 피치(spinning pitch)를 가져야 한다.
발명의 특정 실시예들은 첨부된 도면과 관련하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 제1 일실시예를 도시한다.
도 2는 임베디드된 선형 복굴절의 다양한 비트 길이 Lb의 값에 대한 피치 속도 Lsp의 함수로 자성-감응 옵티컬 파이버의 정규화된 감도(normalized sensitivity) S를 도시한다.
도 3은 전류 센서의 출력 특성을 도시한다.
도 4는 곡률 반경 R의 함수로 상기 자성-감응 옵티컬 파이버(optical fiber)의 정규화된 감도 S를 도시한다.
도 5는 도 1에서 도시된 상기 실시예의 변형(variation)을 도시한다.
도 6은 변조기 파이버 루프에서 수정된 옵티컬 가닛 요소가 사용되는 분극 변조기를 위한 대안의 수행을 도시한다.
도 1은 본 발명의 제1 일실시예를 도시한다. 도 1에서 도시된 전체적인 레이아웃은 제US 6,188,811호의 도 1A에 도시된 레이아웃과 대체로 유사하며, 공통 요소들에 대한 상세한 설명이 불필요하다.
선행 기술로부터의 출발은 선행 기술에서 사용된 압전기 복굴절 변조기(piezoelectric birefringence modulator)는 주위에 솔레노이드(6)가 감겨있는(around which a solenoid 6 is wound) 변조기 파이버 세그먼트(5)를 포함하는 압전기 복굴절 변조기(4)로 대체된 것으로 볼 수 있다. 변조기 파이버 세그먼트(5)는 멀티-턴 파이버 코일((multi-turn fiber coil)로 도시되며, 다른 구현이 가능하고, 아래에서 자세히 도시된다.
특별히, 도 1은 전도체(18)에서 운반되는 전류를 감지하기 위한(for sensing an electric current carried in an electric conductor) 파이버-옵틱 전류 센서를 도시한다. 상기 파이버-옵틱 전류 센서는 옵티컬 섹션(optical section) 및 전자 섹션을 포함한다. 상기 옵티컬 섹션은 광원(1); 방향성 커플러(2); 방사 분극자(radiation polarizer)(3); 분극 변조기(a polarization modulator)(4); 전류 감지 파이버 루프(current-sensing fiber loop)(11)와 커플링된 파이버 라인(fiber line)(17); 방사 리플렉터(10)(거울과 같은); 및 광검출기(photodetector)(22)를 포함한다.
방향성 커플러(2)의 제1 포트의 한 암(2A1)은 광원(1)과 커플링되고, 방향성 커플러(2)의 제1 포트의 다른 암(2B1)은 광검출기(22)와 커플링된다(is coupled to). 방향성 커플러(2)의 제2 포트의 한 암(2B1)은 상기 방사 분극자의 제1 포트(3A)와 커플링된다.
상기 방사 분극자의 제2 포트(3B)는 분극 변조기(4)의 제1 포트(4A)와 커플링된다. 분극 변조기(4)는 주위에 솔레노이드(6)가 감겨있는(solenoid is wound) 변조 파이버 세그먼트(modulator fiber segment)(5)를 포함한다.
변조 파이버 세그먼트(5)는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 옵티컬 파이버로 만들어 진다(is made of magneto-sensitive optical fiber with an embedded linear birefringence). 변조 파이버 세그먼트(5)와 유사하게, 전류 감지 파이버 루프(11) 또한 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 옵티컬 파이버로 만들어질 수 있다.
도 1에 도시된 상기 파이버 옵틱 전류 센서는 다음과 같이 동작한다. 바람직하게 광대역 광원인(broadband light source), 광원(1)으로부터의 옵티컬 방사(Optical radiation)는 방향성 커플러(2)의 제1 포트(2A)의 제1 암(2A1)으로 도입되고, 제2 포트(2B)의 제1 암(2B1)으로부터 상기 방사는 분극자(3)의 입력(3A)로 전송된다.
방향성 커플러(2)의 다른 암(2B2)에서, 상기 방사는 흡수된다(the radiation is absorbed). 방향성 커플러(2)의 제1 포트(2A)의 제2 암(2A2)은 옵티컬 간섭계로부터 되돌아온 것과 같은 상기 옵티컬 방사를 수신하는 광검출기(22)와 커플링된다(is coupled to the photodetector receiving the optical radiation as it returns from the optical interferometer).
이것의 출력(3B)에서, 분극자(3)는 전기장의 회전의 반대 방향의(with opposite directions of rotation of the electric field) 두 개의 원형으로 분극된 옵티컬 구성 요소들(circularly polarized optical components)의 합으로 나타낼 수 있는, 전기장의 높은 선형 분극(high linear polarization of the electric field)의 옵티컬 방사를 갖는다. 분극자 출력(3B)으로부터의 방사는 분극 변조기(4)의 파이버 루프(5)에 도달한다.
파이버 루프(5)는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버의 하나 또는 그 이상의 패스, 이를 테면 턴을 포함한다(comprises one or more passes, eg turns, of mag-neto-sensitive fiber with embedded linear birefringence). 상기 파이버 루프는 솔레노이드(6)를 패스하고, 상기 솔레노이드의 와이어 턴은 상기 파이버 루프에 내에 놓인 평면을 관통한다(the wire turns of the solenoid penetrate the plane in which the fiber loop is laid).
솔레노이드(6)의 보조 전류(Auxiliary current)는 신호 발생기(signal generator)(21)에 의해 생산된다. 변조기 파이버 루프(5)를 통과하는(passing through) 옵티컬 방사는, 패러데이 효과에 의해 상기 솔레노이드에서 상기 보조 전류에 비례하는 선형 분극의 방위각의 시프트를 얻는다(acquires a shift in the azimuth of linear polarization). 위의 전류는, 이를 테면, 상기 전기장의 상기 방위각의 주기적 변조를 제공하는, 사인 곡선이 될 수 있다(can be sinusoidal).
이러한 변조기 설계는 짧은 베이스를 갖는 상기 간섭계를 위한 변조 모드를 획득하는 것을 허용한다(allows obtaining a modulation mode for the interferometer with a short base). 즉, 변조 모드의 이러한 타입은 지연 라인(아이템15와 같이 도시된)이 필수 요소인(in which the delay line is a mandatory element) 선행 기술에 비해 긴 지연 라인(long delay line)을 필요로 하지 않는다.
이러한 변조 기법은 또한 전류 센서의 정확도를 감소시키는 패러시틱 변조(parasitic modulation)를 제거하거나 또는 감소시킨다(eliminates or reduces). 변조기(4) 후에, 도 1에서 도시된 일실시예의 동작은 선행 기술(참조 문헌2)의 도 1A에서 도시된 것과 대부분 유사하다.
도 1에 도시된 일실시예는 분극 변조기(4)로써 전자기 변조기(electromagnetic modulator)를 이용한다. 따라서, 상기 옵티컬 파이버의 자성-감응 특징은 분극 변조기(4)뿐만 아니라 전류 감지 루프(11)에서 사용된다.
이러한 특징의 이점은, 신호 연속 옵티컬 파이버(a single continuous optical fiber)가 옵티컬 조인트들의 개 수를 감소시키는(which reduces the number of optical joints) 전류 감지 루프(11) 및 분극 변조기(4)를 위해 사용될 수 있다는 점이다.
도 1은, 바이파일러 라인(17)이 선행 기술에서 몇몇의 더 남아있는 문제를 해결하기 위해 이용되는, 본 발명의 일실시예를 도시한다. 도 1에서 도시한 일실시예는, 제1 암(17A1)과 제2암(17A2)을 갖는 제1포트 및 제1 암(17B1)과 제2암(17B2)을 갖는 제2포트를 가지는(having) 파이버 라인(17)이 바이파일러 파이버 라인(a bifilar fiber line)이다.
상기 분극 변조기 제2 포트(4B)는 바이파일러 파이버 라인(bifilar fiber line)(17)의 제1 포트의 제1 암(17A1)과 커플링된다. 바이파일러 파이버 라인(17)의 제2 포트의 제1 및 제2 암(17B1, 17B2)은 전류 감지 파이버 루프(11)의 제1 단 및 제2단과 각각 커플링되고(are respectively coupled to), 바이파일러 파이버 라인(17)의 제1 포트의 제2 암(17A2)은 방사 리플렉터(10)와 커플링된다.
이러한 구성에서, 상기 옵티컬 방사는 바이파일러 파이버 라인(17)의 제1 포트의 제1 암(17A1)에서 수신된다. 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제2 포트의 제1 암(17B1)으로부터, 상기 방사는 측정되는 상기 전류를 운반하는 와이어(18) 주변에 파이버가 감겨있는(fiber is wound around the wire), 감지 파이버 옵틱 루프(11)의 측정의 입력 단에 도달한다(the radiation reaches the input end of measuring sensing fiber optic loop).
이중(double), 또는 바이파일러, 파이버 라인(17)은 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버들의 두 개의 인접한 세그먼트를 포함한다(comprises two adjacent segments of magneto-sensitive fibers with embedded linear birefringence). 상기 옵티컬 방사의 전파 방향은 이러한 두 개의 세그먼트 사이에서 서로 반대이다(is mutually opposite between these two segments). 이러한 일실시예는 분극의 상태에서 외부의 자기장의 영향을 제거한다.
이러한 일실시예는, 이 것의 두 개의 반대가 바이파일러 파이버 라인(17)을 통해 17A1 - 17B1 및 17B2 - 17A2로 패스하는 동안(during its two opposite passes 17A1 - 17B1 and 17B2 - 17A2 through the bifi-lar fiber line) 상기 옵티컬 방사의 분극 유지를 더 보장한다.
와이어(18)에서 상기 전류의 세로 자기장에 배치되는(is located in a longitudinal magnetic field of the current in the wire) 파이버 루프(11)를 통해 상기 옵티컬 방사가 패스하는 것처럼(As the optical radiation passes through the fiber loop), 상기 패러데이 효과는 상기 옵티컬 방사의 상기 분극 구성 요소들(모드들(modes)) 사이에서 페이즈 시프트(phase shift)를 발생시킨다. 상기 분극 구성요소들 사이의 상기 페이즈 시프트는 방사의 전기장 벡터의 방위각의 시프트의 결과이다(results in a shift of the azimuth of the electric field vector of radiation).
상기 방위각 각도의 변화는 와이어(18)에 의해 운반되는 상기 전류에 비례한다. 파이버 루프(11)의 출력 단은 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제2 포트의 제2 암(17B2)과 연결된다(is connected to).
포인트(17B2)에서 루프(11)로부터 바이파일러 파이버 라인(17)까지 되돌아온 후에, 상기 옵티컬 방사는 상기 옵티컬 방사가 상기 옵티컬 방사의 리플렉터(10)에 입력되는(enters the reflector of the optical radiation), 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제1 포트의 제2 암(17A2)에 존재한다(exists from the second arm).
리플렉터(10)는 옵티컬 퀄리티의 거울로(a mirror of optical quality) 구현될 수 있다. 상기 반사된 옵티컬 방사는 바이파일러 파이버 라인(17), 루프(11)를 통과하여(passing through) 반대 방향으로 옵티컬 경로를 되짚어 가며(retraces it optical path in the opposite direction), 그리고 연속적으로 바이파일러 파이버 라인(17), 변조기(4), 분극자(3), 및 커플러(2)를 가로지르고(then traversing), 커플러의 암(2A2)으로부터 상기 방사가 광검출기(22)에 도달한다(from whose arm the radiation reaches the photodetector).
커플러(2)의 출력에서, 와이어(18)에서 상기 전류에 의해 생성된 상기 페이즈 시프트는 와이어(18)에 의해 운반되는 상기 전류에 비례하는 방사 강도로 전송된다(is transferred to a radiation intensity).
광검출기(22)는 상기 변조된 옵티컬 방사의 상기 강도에 비례하는 전기 신호(electrical signal)를 생성한다. 이러한 전기 신호는 이것의 출력이 도면 번호(24)로 표시되는(whose output is denoted by reference numeral 24), 신호 프로세싱 유닛(23)에서 처리된다.
이러한 출력은 와이어(18)로부터 측정된 상기 전류를 나타낸다(is indicative of the current measured from the wire). 신호 프로세싱 유닛(23)의 특정 세부 사항은 간결함을 위해 생략된다. 광검출기(22)로부터의 신호 출력(signal output)이 시간의 값이 와이어(18)에 의해 운반된 상기 전류의 시간의 값에 반영되어 있는(whose temporal value reflects the temporal value of the current carried by the wire), 전기 신호(electric signal)라고 말하기에 충분하다(suffices to say).
일반적으로, 광검출기(22)로부터의 상기 신호 출력은, 캘리브레이션 및/또는 선형화 회로 또는 뉴메리칼 프로세스로 뒤를 잇거나 또는 앞서갈 수 있는(which may be preceded or succeeded by calibration and/or linearization circuits or numerical processes), 아날로그-디지털 변환 회로의 대상이다(is subjected to).
상기 선행 기술과 관련한 출발로, 도 1에서 도시한 상기 일실시예의 핵심 요소(key elements)는 분극 변조기(4)의 구조(construction), 다시 말해 주변에 솔레노이드(6)가 감겨있는 분극 변조기 파이버 루프(5) 및, 선택적으로 바이파일러 파이버 라인(17)을 포함한다.
파이버 루프(5), 상기 바이파일러 파이버 라인 및 측정 파이버 옵틱 루프(the measuring fiber optic loop)(11)는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버로 만들어질 수 있다.
상기 회로의 이러한 부분은 분극자(3)인 공통의 입력/출력을 갖는 상호 옵티컬 간섭계를 형성한다(mutual optical interferometer having a common input/output, which is the polarizer). 모든 이것의 옵티컬 요소들이 위의 분극 유지가 달성되는 파라미터의(with the parameters under which the above polarization maintenance is achieved) 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버로 만들어졌기 때문에, 해당 간섭계에서, 원형 분극의 상태는 대부분 보존된다.
상기 선형 분극된 옵티컬 방사(linearly polarized optical radiation)는 동일한 강도의 왼쪽 및 오른쪽 직교 원형 분극 모드(and right orthogonal circular polarization modes)를 포함한다.
상기 선형 분극된 방사가 분극자(3)로부터 리플렉터(10)로 패스할(passes) 경우, 그것은 상기 분극 모드들 사이의 페이즈 시프트를 얻는다(acquires). 변조기 루프(5) 및 측정 루프(11)에서의 패러데이 효과 때문에, 몇몇의 이러한 페이즈 시프트는 유하다(전류 측정을 고려하는 한 유용하다)(Some of these phase shifts are benign (useful as far as current measurement is concerned), due to the Faraday effect in the modulator loop 5 and measuring loop 11).
다른 한편으로, 상기 파이버에서 일반적인 지연에 의해 발생하는 몇몇의 페이즈 시프트는 바람직하지 않다. 리플렉터(10)로부터 반사 시, 상기 분극 모드는 서로 반대가 되며(become mutually reversed), 이것은 오른쪽 분극은 왼쪽 분극과 그 반대가 되는 것을 의미한다(right-hand polarization becomes left-hand polarization and vice versa).
그러므로, 리플렉터(10)으로부터 분극자(3)까지 반대로 패스하는 동안, 모든 불필요한 페이즈 시프트들은 비가역 패러데이 효과(nonreciprocal Faraday effect)에 의해 발생된 이후 양성 페이즈 시프트가 두 배로 되는 동안, 보상된다(are compensated for, while the benign phase shifts are doubled since they are caused by the nonreciprocal Faraday effect).
상기 양성 위성 시프트는 솔레노이드(6) 및 옵티컬 코일(optical coil)(5)을 통한 신호 발생기(21)로부터의 변조 구성 요소, 및 와이어(18)에서 측정되는 상기 전류에 비례하는 변조 구성 요소를 포함한다. 상기 간섭계에서 나오는 선형 분극된 방사가 솔레노이드(6)와 와이어(18)에서 측정된 상기 전류와 비례하는 다양한 분극의 상태를 갖기 때문에(as the linearly polarized radiation coming out of the interferometer has a state of polarization), 상기 양성 페이즈 시프트는 상기 간섭계의 출력에서 나타난다. 분극자(3)에서 광검출기(22)로 통과한 후에(after passing through the polarizer to the photodetector) 이러한 방위각 변화는 상기 방사 강도의 변화로 변환된다. 광검출기(22)는 신호 프로세싱 유닛(signal processing unit)(23)의 입력에서 옵티컬 방사의 강도에 비례하는 전기 신호(electrical signal)를 생성한다.
따라서 분극자(3) 및 커플러(2)에 의해 수행되는(as implemented by the polarizer and coupler), (측정된 전류에 비례하므로 측정된 전류를 지시하는) 방사 강도의 변화에 대한 페이즈 시프트는 변조된 페이즈 시프트(modulated phase shift)를 측정하는 잘 알려진 방법을 나타낸다.
앞서 언급한 임베디드된 복굴절의 자성-감응 파이버는, 상기 파이버의 전류 감지 능력 즉, 유용한 자성-감도의 값(namely the value of useful magneto-sensitivity)과 열 및 기계적 외부 스트레스로부터 그것에 바람직하지 않은 영향(undesirable effect on it from thermal and mechanical external stresses)을 공동으로 결정하는(jointly determine), 두 개의 주요 파라미터를 특징으로 한다.
이러한 파이버 파라미터들은 피치 속도(pitch speed) Lsp 및 임베디드된 선형 복굴절의 비트 길이 Lb를 포함한다(include the beat length). 이러한 파라미터들은 파이버 제조 단계에서 선택된다.
종래의(전통의) 및 미세 구조(conventional(traditional) and microstructure)와 같은 상기 자성-감응 파이버의 두 가지 기본 설계가 있다. 전통 설계의 자성-감응 파이버는 선형 방사 분극을 유지하는(PM 파이버) 상기 파이버를 생산하기 위해 사용된 그것들과 유사한(similar to those used to produce the fiber) 표준 이방성의 프레퍼레이션(standard anisotropic preparations)으로부터 획득된다. 그것들의 코어와 클래딩(core and cladding)은 일반적으로 도핑되거나 또는 언도핑된 실리카 석영(doped or undoped silica quartz)으로 만들어진다.
본 발명의 일실시예에 따라서, 미세 구조의 파이버에서, 상기 클래딩은 실리카 코어를 둘러싸는 세로의 덕트(longitudinal ducts)로 형성된다. 상기 덕트는 비활성 가스 또는 평범한 공기와 같은 가스로 채워질 수 있다. 상기 미세 구조의 설계는 강한 선형 복굴절(strong linear birefringence), 후자의 약한 온도 변화 특성(weak temperature dependence of the latter), 낮은 밴딩 손실(low bending loss) 기타 등등의 여러 장점을 보장한다.
실험적 및 이론적 조사 결과들(findings)은 그것에서 최적 결과가 획득되는 비트와 피치 속도의 길이(the length of the beat and pitch speed at which the optimal result is obtained)와 같은, 상기 파라미터들의 선택(selection)을 미리 결정한다. 이러한 파이버는 본 특허의 출원의 소유자로부터 이용 가능하다.
외부 영향의 바람직하지 않은 효과를 고려하여 볼 때(Taking into account the undesirable effect of external influences), 상기 루프를 따라 옵티컬 방사 더블-패스를 갖는(with optical radiation double-pass) 분극 평면의 회전의 측정된 각도는 다음과 같다.
Figure pct00006
여기서 S(S≤1)는 일 회전 당 정규화된 관련된 자성-감도(normalized relative magneto-sensitivity per one turn)을 나타낸다. S는 특히, 상기 측정 루프에서 와인딩에 밴딩되는 반경 R에 의해 발생된(caused by radius R bending at winding in the measuring loop) 파이버와 파이버 스트레인(fiber strain)의 파라미터에 의존한다.
참조 문서[3]는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버의 특성 분석이 임베디드된 선형 복굴절의 축의 나선형 구조를 갖는 파이버의 이론적인 모델에 기초가 된 것을(was based on a theoretical model of the fiber with spiral structure of the axis of embedded linear birefringence) 포함한다. 상기 자성-옵티컬 파이버의 감도(sensitivity of the magneto-optical fiber)이 상기 파이버를 따라 진동한다는(oscillates) 것을 보여준 이러한 분석에서 공간 진동(spatial oscillations)의 주기 Losc의 크기(magnitude)가 동일한 섬유 파라미터 Lb 및 Lsp에 의존한다.
파이버 자성-감도에서 외부 스트레인의 영향을 감소시키기 위해(To reduce the influence of external strain on fiber magneto-sensitivity), 이것은 방사 소스의 한정된 파장 범위
Figure pct00007
때문에 발생하는 필요한 공간 간격(required spatial interval) LAX의 값을 초과하지 않는(not exceeding) 주기 Losc의 작은 값을 갖도록 요구된다. 이러한 조건 하에, 상기 감도 진동(sensitivity oscillations)은 나타나지 않고, 파이버 자성-감도는 외부 변형에 아주 조금 취약하다(is the least vulnerable to external deformations).
도 2는 큰 밴딩 반경의 스펀 파이버에 대하여(for a spun fiber with a large bending radius) Lb의 다양한 값에서 추측의 의존(estimated dependence) S(Lsp)를 나타낸다.
본 명세서에서, 큰 밴딩 반경은 밴딩에 의하여 유도된 복굴절은(birefringence induced by bending) 상기 파이버를 위한 임베디드된 복굴절 보다 현저하게 작아야 한다는 것을 의미한다. 도 2로부터, 최대 감도는 Lb의 상대적으로 높은 값과 Lsp의 작은 값으로 달성될 수 있다는 것은 명백하다. 추가적인 제약 조건(constraints)은 특정한 실제(certain real-life) 응용에서 존재할 수 있다.
이를 테면, 바람직하게 실제적인 스펀 파이버를 위한 드로잉 프로세스는 Lsp 값들을 짧게 산출해서는 안되며, 말하자면, 1 내지 2 mm, 심지어는 1mm의 값은 달성하기에 매우 어렵다(For example, the drawing process for the practical spun fiber should preferably not yield Lsp values shorter than, say, 1 to 2 mm, and even a value of 1 mm is very difficult to achieve).
따라서, 하나는 상기 파이버 파라미터를 설계하는 동안 이러한 사실을 고려하여야 하며, 상기 Lsp 값은 합리적인 범위로(in a sensible range) 유지되어야 한다. 또 다른 제약은 상기 전류 센서를 위한 상기 민감한 파이버가 코일링 되어야 하는 명백한 환경(obvious circumstance that the sensitive fibre for the current sensor must be coiled)에 관련되고, 따라서, 한정된 밴딩 반경을 갖는다.
이러한 밴딩은 상기 S 파라미터의 값에 영향을 미친다. 밴딩에 의해 유발된 상기 복굴절(the birefringence induced by bending)이 상기 임베디드된 파이버(fibre) 복굴절보다 높거나 또는 비교되는 경우(is comparable to or higher than), 상기 S 값은 1 보다 현저하게 낮을 수 있다. 이론상으로 및 실험적으로 발명자에 의해 획득된 두 개의 다른 파이버를 위한 상기 S 파라미터 상에 이러한 밴딩 영향의 실시예는 도 4에 도시된다(아래 참조(see below)).
상술한 바와 같이, 적절하게 선택된 파라미터를 갖는 파이버는 파이버 물질(이를 테면, 실리카, 석영)을 위한 궁극적인 값(the ultimate value)에 가까운 높은 자성-감도를 갖고, 상기 전류 센서를 위해 안정적이고 정확한 스케일링 요소를 획득하도록 허용하는 기계적인 효과(mechanical effects) 및 열(thermal)에 매우 저항력이 있다(are highly resistant to).
이론적인 고려 사항(considerations)을 기초로 하고, 실험실 실험에 의해 확인된 것처럼, 발명자는 실용적인 전류 센서 설계를 위한 최적 파라미터의 다음과 같은 범위(range)를 고려한다. 임베디드된 비트 길이(embedded beat length) Lb는 1 mm 내지 10 mm이고, 스피닝 피치(spinning pitch) Lsp는 1 mm로부터 5 mm까지 이다. Lb/Lsp의 특정 비는 특정 코일 설계 및 파라미터(코일 직경, 귄회수(number of turns), 기타 등등)로부터 결정되어야 한다.
도 1에서 도시된 실시예의 작동 실시예는 다음에 기술된다. 광원(1)으로, 20nm의 방사 스펙트럼 폭 및 1.55 μm의 파장에서 30 mW의 파워로(with a power of 30 mW at a wavelength of 1 .55 μm and a radiation spectral width of 20 nm), 에르븀 첨가된 파이버(erbium-doped fiber)로 만들어진 파이버 방사 소스(fiber radiation source)가 사용되었다.
분극 변조기(4), 파이버 라인(17) 및 측정 감지 루프(11)를 위한 파이버로, 마이크로 구조화된 자성-감응 파이버(microstructured magneto-sensitive fiber)는 파라미터 Lb = 5 mm 및 Lsp = 3.5 mm을 갖는 임베디드된 복굴절로 사용되었다.
이러한 모든 요소는 심스(seams)없이 파이버의 단일 피스(single piece)로부터 만들어 진다. 분극 변조기(4)는 외부 반경이 10mm의 길이가 100mm인 원형 프레임에 감겨진 파이버의 10,000 턴을 포함한다(contained 10,000 turns of fiber wound on a circular frame 100 mm long with an outer radius of 10 mm).
솔레노이드(6)는 상기 파이버 프레임의 내부 오프닝을 따라 통과되는(passed along) 직경이 1mm인 구리 와이어의 48 턴(had 48 turns of copper wire)을 갖는다. 40 kHz의 주파수를 갖는 3 A의 교류 전류(alternating current)는 솔레노이드(6)에 적용되었다. 분극 변조기(4)의 이러한 수행은 상기 장치의 전자 부분의 정상 동작을 위해 적당한(as adequate) 1.84 라디안의 변조 진폭을 달성했다. 어떠한 스퓨리어스 신호(spurious signals)도 상기 변조 주파수(modulation frequency)에서 관찰될 수 없다.
바이파일러 라인(17)은 2m의 길이를 갖는다. 측정 루프(11)는 10mm의 외부 반경을 갖는 긴 원형 프레임 30mm에 감아진 파이버의 3000 턴으로 구성된다(consisted of 3000 turns of fiber wound on a circular frame 30 mm long with an outer radius of 10 mm). 전류와 비례하는 페이즈 시프트의 측정을 허용하는 광검출기 출력 신호(24)의 프로세싱을 위한 전자 유닛은 참조 문서[3]에서 기술된 것처럼 구성될 수 있다.
도 3은 전류를 운반하는 와이어(18)에서 흐르는/전류의 함수로(as a function of the current / flowing in the current-carrying wire), 상기 전류 센서의 출력 특성, 또는 다시 말해서, 상기 측정된 전류 lmeas를(실험실 모델에 의해 표시된 것과 같은 분명한 전류(apparent current)) 도시한다.
도 3에서 도시한 것처럼, 테스트된 실험실 모델은 본 발명의 타당성을 보여주는 전류 값의 넓은 범위에서 매우 좋은 선형성을 달성했다. 이러한 작동 실시예는 상대적으로 높은 권회수(high number of turns)를 가지며, 및 낮은 수(lower number)는 덜 중요한 어플리케이션에게(for less critical applications) 적당한 감도를 제공할 수 있다.
게다가, 임베디드된 선형 복굴절의 자성-옵티컬 파이버의 감도에서 기계적 퍼터베이션(mechanical perturbations)의 영향이(파이버 밴딩 스트레인) 측정되었다. 이러한 측정에서, 몇몇의 감지 측정 루프(several sensing measurement loops)가 이용되었다.
상기 측정 루프는 다른 직경의 프레임에 감아진(wound on frames of different diameters), Lb=1mm and Lsp=3.5mm의 특정한 파라미터를 갖는 마이크로 구조화된 파이버로 만들어졌다(were made of a microstructured fiber). 각각의 루프는 상기 전류 센서 모델에서 측정 감지 루프로 테스트되었다(was tested as a measuring sensing loop).
도 4는 밴딩 반경(R)의 함수로 상기 자성-감응 옵티컬 파이버의 정규화된 감도(normalized sensitivity)(S)를 표현한다(여기에서 기술된 상기 마이크로 구조화된 파이버 대하여 직사각형으로 도시된). 비교를 위해, 측정의 제2 셋은 Lb=15mm 및 Lsp=2.5mm의 파라미터를 가지고 전통의 설계의 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 파이버에 대하여 수행되었다.
이러한 측정은 검은 삼각형에 의해 도시된다. 실험의 이러한 셋은 Lb=1mm 및 Lsp=3.5mm의 파라미터를 갖는 파이버가 밴딩 반경의 의존성에 관하여(as regards dependence on bending radius) 최적에 가깝다는 것을 도시한다.
Lb=1mm 및 Lsp=3.5mm의 파라미터를 갖는 마이크로 구조화된 파이버는 2.5mm의 밴딩 반경 때문에 일정한 정규화된 감도를 유지하며, 이는 통상적인 파이버(R≥ 20 mm)의 여덟 배를 넘는 것이다.
그러므로, 파이버의 주어진 길이를 위해, Lb=1mm 및 Lsp=3.5mm의 파라미터를 갖는 상기 마이크로 구조화된 파이버는 종래의 파이버 보다 더 높은 8 번의 권회수로 파이버 루프를 감는다(allows winding the fiber loop with a number of turns eight times).
반면에, 마이크로 구조화된 파이버의 이러한 타입은 종래 파이버의 감도의 대략 70%의 턴 당 정규화된 감도(normalized sensitivity per turn)를 갖는다. 상기 권회수에서 8 배 증가(the eight-fold increase in the number of turns)와 턴 당 감도에서 30% 손실(the 30% loss in sensitivity per turn)을 결합함으로써, 마이크로 구조화된 파이버의 이러한 타입이 센서의 대략 5의 요인에 의해 증가될 수 있는(can be increased by a factor of about five) 감도를 증가 시킬 수 있다는 것이 밝혀진다.
게다가, 마이크로 구조화된 파이버의 사용은 전류 센서의 정확도에서 온도의 영향을 감소시키는 것을 돕는다. 그러므로, 상기 명시된 마이크로 구조화된 파이버는 상기 파이버-옵틱 전류 센서의 감도와 프리시젼(precision)을 증가시키며, 외부 온도 및 기계적인 퍼터베이션(mechanical perturbations)으로 인해 발생하는 전류 측정에 의한 오류를 감소시킨다.
도 5는 도 1에 도시된 실시예의 변형을 도시한다. 도 5에 도시된 것처럼, 상기 신호 프로세싱 유닛(23)은 폐-루프 컨트롤 신호(closed-loop control signal)(25)를 생성한다. 선행 기술과 관련하여 기술된 것처럼(참고 [2]의 도 1B), 이러한 폐-루프 컨트롤은 페이즈 널링 전류(phase nulling current)를 생성한다.
선행 기술에서, 상기 페이즈 널링 전류는 전류를 운반하는 와이어(18)에서 상기 전류에 의해 생산된 실질적으로 동일하고 정 반대의 효과를 생산하는 최적화된 센서 코일(아이템11로 여기에서 도시된다)을 통과한다.
이러한 동작의 방법으로, 감지하는 큰 페이즈 시프트와 연관된 인카운터링 비선형성(encountering non-linearities) 없이 이용될 매우 높은 감도 감지 코일을 고려함으로써(allowing for a very high sensitivity sensing coil), 상기 전류 센서에서 유도된 비가역 페이즈 시프트는 매우 작다(the non-reciprocal phase shift induced in the current sensor is kept very small).
선행 기술에서 기술된 폐-루프 동작을 갖는 나머지 문제는 전류 발생기가 전류를 운반하는 와이어(current-carrying wire)(18)의 부근에서 추가적인 전자기 코일(electromagnetic coil)을 구동시키는 사실에 의해 발생된다.
왜냐하면 상기 전류를 운반하는 와이어는 종종 고전압 라인이기 때문에, 선행 기술에서 기술된 상기 폐-루프 동작은 전기적 절연 요구(electric isolation demands)를 충족하기 어려운 문제를 겪는다. 이러한 나머지 문제는 폐-루프 컨트롤 전류(25)가 멀리 떨어진 곳에 위치할 수 있고, 전류를 운반하는 와이어(18)로부터 적당히 격리된(properly insulated) 전자기 코일을 구동하는 본 발명의 실시예에서 해결된다.
도 5에서 도시된 실시예에서, 폐-루프 컨트롤 전류(25)는 신호 발생기(21)의 변조 전류와 결합되고, 상기 페이즈 널링 효과(the phase-nulling effect)가 달성된다. 대안의 구현에서(별도로 도시되지 않음), 페-루프 컨트롤 전류(25)는 그것의 분극-변조 기능을 위하여(for its polarization-modulation function) 신호 발생기(21)에 의해 이용되는 분리된 솔레노이드(6)으로부터 솔레노이드로 구동한다(25 drives a solenoid separate from the solenoid 6).
도 6은 요소(4')로 여기에 도시된, 상기 분극 변조를 위한 대안의 수행을 도시한다. 참조 번호(4A' 및 4B')는 분극 변조기(4')의 두 개의 포트를 나타낸다. 전체적으로, 분극 변조기(4')는 이전의 실시예들과 관련하여 기술된 분극 변조기(4)와 동일한 기능을 수행한다.
이러한 실시에서, 참조 번호(26)에 의해 나타낸 수정된 자성 가닛 옵티컬 요소(modified magnetic garnet optical element)는 변조기 파이버 루프(5)를 대신해서 사용된다. 옵티컬 아이솔레이터(optical isolator)와 같은 종래의 자성 가닛 옵티컬 요소는 가닛을 통해 전파하는 방사의 분극을 변경하기 위해(to alter) 영구 자석(permanent magnet)을 이용한다. 본 실시예에 따라서, 상기 영구 자석은 이전의 실시예들과 비슷하게, 솔레노이드(6)로 대체된다.
상기 이전 실시예들로부터의 출발은 자성 가닛(26)이 변조기 파이버 루프(5) 대신에 사용되는 것이다. 분극자(3)는 자성 가닛 요소(26)과 방향성 커플러(2) 사이에 설치된다(is installed between).
상기 자성 가닛의 구성에 관하여, 아마(possibly) 갈륨(gallium)과 같은 물질로 도핑된, 테르븀(terbium)(Tb)이 사용될 수 있다.
발명자는 이러한 실시예의 실행 가능성을 0.2 °/Oe.mm의 베르데 상수(Verdet constant)를 갖는 Tb3Ga5015 테르븀 갈륨 가닛 실린더로 증명했다. 상기 실린더의 길이와 직경은 각각 50 mm와 10 mm이다. 솔레노이드(6)는 다섯 개의 레이어에서 50 턴/cm 감는 것으로(by winding 50 turns/cm in five layers) 형성되었고, 상기 와이어의 전체 길이는 대략 20m였다.
3 암페어의 전류에서, 전력 손실(power dissipation)은 4.5 와트(W)였다. 따라서 상기 분극 변조기는 1 .06 μm의 파장에서 1.8 라디안(radians)의 페이즈 변조 성능을 나타내는 것으로 구성되었다(constructed exhibited a phase modulation capability).
특정 실시예들의 상기 설명은 제한적이기 보다는 예시적이다. 이것은 해당 분야에 숙련된 자들에게 전진하는 기술임이 명백하며, 본 발명은 다양한 실시예들에서 구현될 수 있다. 따라서, 보호 범위는 다음의 청구항들에 의해 정의된다.
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Claims (6)

  1. 전도체(electric conductor)(18)에서 운반되는 전류를 감지하는 파이버-광학 전류 센서에 있어서,
    상기 파이버-광학 전류 센서는 광학 섹션 및 전자 섹션을 포함하고,
    상기 광학 섹션은,
    - 광원(1);
    - 제1 포트(2A) 및 제2 포트(2B)를 갖는 방향성 커플러(2) - 각각의 포트는 제1 암(2A1 , 2B1 ) 및 제2 암(2A2, 2B2)을 포함함 -;
    - 제1 포트(3A) 및 제2 포트(3B)를 갖는 방사 분극자(radiation polarizer)(3);
    - 제1 포트(4A, 4A') 및 제2 포트(4B, 4B')를 갖는 분극 변조기(polarization modulator)( 4, 4')
    - 제1 단 및 제2 단을 갖는 전류-감지 파이버 루프(11)에 커플링되는 파이버 라인(15, 17);
    - 방사 리플렉터(10);
    - 광검출기(22);
    를 포함하고,
    - 상기 방향성 커플러(2)의 상기 제1 포트의 한 암(arm)(2B1)은 상기 광원(1)에 커플링되며, 상기 방향성 커플러(2)의 상기 제1 포트의 다른 암(2B1)은 상기 광검출기(22)에 커플링되고;
    - 상기 방향성 커플러(2)의 상기 제2 포트의 한 암(2B1)은 상기 방사 분극자의 상기 제1 포트(3A)에 커플링되고;
    - 상기 방사 분극자의 상기 제2 포트(3B)는 상기 분극 변조기의 상기 제1 포트(4A, 4A')에 커플링되고;
    - 상기 분극 변조기(4, 4')는 솔레노이드(6)가 감겨진 자성-감응 요소(magneto-sensitive element)(5, 26)를 포함하고;
    - 상기 전류-감지 파이버 루프(11)는 임베디드된 선형 복굴절의 자성-감응 광학 파이버(magneto-sensitive optical fiber with an embedded linear birefringence)로 만들어지고,
    상기 전자 섹션은,
    상기 솔레노이드(6)를 구동하도록 구성되는 신호 발생기(21); 및
    상기 광검출기(22)로부터 광학 신호를 수신하도록 구성되는 신호 처리(23) 유닛
    을 포함하는 파이버-광학 전류 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파이버 라인(17)은, 제1 암(17A1)과 제2 암(17A2)이 있는 제1 포트, 및 제1 암(17B1)과 제2 암(17B2)이 있는 제2 포트를 갖는 바이파일러 파이버 라인(bifilar fiber line)이고;
    상기 분극 변조기의 상기 제2 포트(4B)는 상기 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제1 포트의 상기 제1 암(17A1)에 커플링되고;
    상기 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제2 포트의 상기 제1 암 및 제2 암(17B1, 17B2)은 상기 전류-감지 파이버 루프(11)의 상기 제1 단 및 상기 제2 단에 각각 커플링되고;
    상기 바이파일러 파이버 라인(17)의 상기 제1 포트의 상기 제2 암(17A2)은 상기 방사 리플렉터(10)에 커플링되는
    파이버-광학 전류 센서.
  3. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성-감응 요소(5)는 변조기 파이버 세그먼트(modulator fiber segment)를 포함하는 파이버-광학 전류 센서.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 자성-감응 요소(5)는,
    상기 바이파일러 라인(17)과 함께인 단일 파이버(unitary fiber) 및 상기 전류-감지 파이버 루프(11)를 형성하는 변조기 파이버 세그먼트(modulator fiber segment)를 포함하는 파이버-광학 전류 센서.
  5. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자성-감응 요소(5)는 자성 가닛 광학 요소(magnetic garnet optical element)(26)를 포함하는 파이버-광학 전류 센서.
  6. 상기 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임베디드된 선형 복굴절의 상기 자성-감응 광학 파이버는 1mm 내지 10mm의 임베디드된 비트 길이 Lb, 및 1mm 내지 5mm의 스피닝 피치(spinning pitch) Lsp를 갖는 파이버-광학 전류 센서.
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