KR20160102023A

KR20160102023A - 광 센서

Info

Publication number: KR20160102023A
Application number: KR1020167019703A
Authority: KR
Inventors: 클라우스 보네르트; 안드레아스 프랑크; 게오르크 뮐러; 린 양
Original assignee: 에이비비 테크놀로지 아게
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2016-08-26
Also published as: KR102159420B1; AU2013407826B2; EP3084450A1; US20160305984A1; WO2015090448A1; AU2013407826A1; ES2654679T3; DK3084450T3; EP3084450B1; CN106030317B; CN106030317A; US9983236B2

Abstract

센서 (10) 의 감지 엘리먼트 (131, 134) 내에서 비소멸 피측정량 필드의 존재시 상이한 속도들을 갖는 광파들의 두 개의 세트들을 생성하는 것에 기초하여 광 센서들 (10) 의 정확도를 증가시키는 방법이 설명된다. 정의된 정적 바이어스 위상 변이가 광파들의 두 개의 세트들 간에 도입된다. 센서 (10) 는 정적 바이어스 광 위상 편이들과 피측정량-유도 광 위상 편이들을 포함하는 총 광 위상 변이를 적어도 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 에서 역위상 광 파워 변화들로 변환시킨다. 그 방법은 광 소스 (111) 의 불균일한 세기 또는 출력 및 검출기 채널들에서의 상이한 손실 또는 이득의 영향들을 감소시키기 위해 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 에서의 광 파워 변화들의 전기 검출기 신호들로의 변환 후에 광 파워 변화들을 정규화하는 단계들을 포함한다. 이러한 광 센서들 및 신규한 센서들을 온도 안정화시키기 위한 추가의 방법들, 센서들 및 장치가 또한 제시된다.

Description

광 센서{OPTICAL SENSOR}

본 개시물은, 고전압 또는 고전류 애플리케이션들에서 통상 사용되는 바와 같이, 예컨대 측정될 전류의 자기장에 노출될 감지 섬유를 포함하는 광섬유 전류 센서 (fiber optic current sensor, FOCS) 또는 자기장 센서와 같이 피측정량 필드 (measurand field) 의 존재시 자신을 통과하는 광파들의 위상 변이 (phase shift) 를 초래하는 감지 엘리먼트를 갖는 광 센서에 관한 것이다.

광섬유 전류 센서들은 도전체 둘레에 코일화된 광섬유에서의 자기-광학 패러데이 효과에 의존한다. 전류유도 자기장은 인가된 자기장에 비례하는 원형 복굴절을 광섬유에서 발생시킨다. 바람직한 배열체가 감지 섬유에 커플링된 광이 섬유 코일에서 왕복 (round trip) 을 수행하도록 그 감지 섬유의 원단 (far end) 에 반사체를 채용한다. 보통, 참고문헌 [1]에서 설명되는 바와 같이, 감지 섬유에 슬라이싱되고 사분의 일 파장 지연기 (quarter-wave retarder, QWR) 로서 역할을 하는 광섬유 위상 지연기에 의해 두 개의 직교 선형 편광된 광파들로부터 생성되는 좌원 및 우원 편광된 광파들이 감지 섬유 속에 주입된다. 섬유 코일을 통한 왕복 후 두 개의 원형 파들은 그 섬유에서의 원형 복굴절의 결과로서 인가된 전류에 비례하는 상대 위상 지연을 축적한다. 이 위상 지연은 도전체 둘레의 섬유 권선들의 수, 인가된 전류, 및 섬유의 베르데 상수 (Verdet constant) V(T, λ) 에 비례하며: 베르데 상수는 재료, 온도, 및 파장 의존적이다.

대안으로서 센서는 양쪽의 감지 섬유 말단들에 있는 사분의 일 파장 지연기들 (QWR들) 과 감지 섬유에서 반대 전파하는 동일한 센스 (sense) 의 원형 편광의 광파들을 이용한 사냑 (Sagnac) 형 간섭계로서 설계될 수도 있다 (참고문헌 [1] 참조).

포켈스 효과 (Pockels effect) (선형 전기 광학 효과) [21] 에 또는 압전 재료에 커플링된 광섬유의 사용 [16, 7] 에 기초하는 전압 또는 전기장 센서들이 추가로 알려져 있다. 이들 센서들에서, 전기장 또는 힘 또는 재료의 굴절 계수에서의 비등방성 변화에 의해 유도된 복굴절은 전압들 또는 전기장 세기를 측정하기 위해 광 센서에서 사용된다.

고 성능 전류 센서들은 광 위상 변이를 측정하기 위하여 섬유 자이로스코프들에서 또한 적용되는 비가역적 (non-reciprocal) 위상 변조에 기초한 간섭 기법을 종종 사용하는데, 예컨대 참고문헌 [2] 를 참조한다. 통합된 광 위상 변조기들 또는 압전 변조기들이 채용된다. 그 기법은, 특히 폐-루프 (closed-loop) 검출과 조합하여, 높은 정확도, 양호한 스케일 팩터 안정성, 및 큰 범위의 자기-광 위상 변이에 걸친 선형 응답을 제공한다. 한편 그 기법은 비교적 복잡하며 (sophisticated) 종종 편광 유지 (polarization-maintaining, PM) 섬유 컴포넌트들및 정교한 신호 프로세싱을 필요로 한다. 더구나, 통합된 광학적 변조기들은 비교적 값비싼 컴포넌트들이다.

대조적으로 더 간단한 검출 체제들은, 자기-광 위상 변이를 투과된 광 파워의 변화로 변환시키는 파장판들 및 편광기들과 같은 패시브 광 컴포넌트들을 채용한다 (예를 들어 참고문헌 [3]에 기재되어 있음). 센서 출력을, 예컨대, 광 소스 파워의 변동 (variation) 들과는 독립적이게 하기 위하여, 이러한 센서들은 종종 적어도 두 개의 검출 채널들로 동작한다. 두 개의 채널들에서의 광 파워는 측정될 전류에 응답하여 반대 위상 (역위상) 으로 변한다. 원칙적으로, 두 개의 신호들의 차이를 그들의 합으로 나눈 것은 전류에 비례하고 소스 파워에 독립적이다. 그러나, 두 개의 채널들에서의 비대칭성들, 이를테면 상이한 광손실들, 스트레스의 영향들, 그리고 그것들의 시간 및 온도에 대한 변동이, 이 유형의 센서들의 달성 가능한 정확도를 제한한다. 센서 정확도가 고전압 변전소 (substation) 들에서의 보호 기능들에 충분할 수도 있지만 (IEC 정확도 클래스 5P는 정격 전류 (rated current) 에서 ±1% 이내의 정확도를 요구한다), 그 정확도는 통상 전기 계량을 위해 불충분하며; IEC 계량 클래스 0.2는 예를 들어 정격 전류에서 0.2% 이내로 정확도를 요구한다 (참고문헌 [4]).

그러므로 본 발명의 목적은, 위의 종류의 광 센서들, 이를테면 자기장 센서들 또는 광섬유 전류 센서 (FOCS), 및 심지어 광파들 간의 상대 위상 변이를 검출하기 위해 능동적으로 위상 변조시키는 컴포넌트들 대신 패시브 광 컴포넌트들을 사용하는 경우에도 이러한 센서들의 정확도를 증가시키는 관련된 방법들을 제공하는 것이다.

본 발명의 제 1 양태에 따르면 광 센서의 감지 엘리먼트 내의 비소멸 피측정량 필드의 존재시 상이한 속도들을 갖는 광파들의 두 개의 세트들을 생성시키는 것에 기초하여 그리고 광파들의 두 개의 세트들 사이에 정의된 정적 바이어스 위상 변이를 도입하여 광 센서의 정확도를 증가시키는 방법이 제공되며, 그 센서는 적어도 두 개의 검출기 채널들에서 정적 바이어스 광 위상 변이 및 상기 피측정량 필드에 의해 유도된 광 위상 변이를 포함하는 총 광 위상 변이를 반대 부호들(역위상)의 광 파워 변화들로 변환시키며, 그 방법은 검출기 채널들에서의 불균일한 세기 및 상이한 손실 또는 이득의 영향들을 감소시키기 위해 두 개의 검출기 채널들에서 전기 검출기 신호들로의 변환 후에 광 파워 변화들을 정규화하는 단계를 포함한다

광파들의 두 개의 세트들은 통상 직교 선형 편광된 광파들 또는 좌원 및 우원 편광된 광파들이다. 바람직하게는, 양쪽 세트들 간의 위상 변이는 두 개의 검출기 채널들에서 반대 부호들 (즉 역위상임) 을 갖는 광 파워의 변화들로 변환된다.

광파들의 두 개의 세트들 간의 정적 바이어스 광 위상 변이의 도입으로 인해, 적용되는 검출은 패시브 검출이고 따라서 액티브 광 위상 변조를 요구하지 않는다. 정적 바이어스 광 위상 변이는 통상 약 (2n + 1) x 90°, 특히 (2n + 1) x 90° ± 20° 또는 (2n + 1) x 90 ± 5°이며, n은 임의의 정수이다. 정적 바이어스 광 위상 변이는, 예컨대, 적어도 하나의 사분의 일 파장 지연기 또는 패러데이 회전자 (Faraday rotator) 를 사용함으로써 도입될 수 있다.

전류 또는 자기장 측정을 위해 감지 엘리먼트는 광섬유 엘리먼트, 벌크 자기-광 재료 (이를테면 이트륨 철 가넷 (Yttrium iron garnet) 결정 또는 용융 실리카 유리 (fused silica glass)), 또는 자왜 (magnetostrictive) 엘리먼트에 부착된 광섬유 또는 벌크 광 재료일 수 있다. 전압 또는 전기장 측정을 위해 감지 엘리먼트는 전기 광학 결정 [21], 결정질 전기 광학 섬유 [19], 분극 섬유 (poled fiber) [20], 또는 압전 재료에 부착된 섬유 [7]일 수 있다.

광 파워 변화들의 정규화는 정규화된 검출기 신호들을 산출하기 위해 검출 채널들의 전기 검출기 신호들로부터의 스펙트럼 성분들을 필터링하는 것과, 스펙트럼 성분들 또는 그 스펙트럼 성분들로부터 도출된 적어도 하나의 정규화 팩터와 적어도 하나의 검출기 신호를 결합하는 것으로부터 도출된다.

스펙트럼 성분들은 검출기 신호들 중 적어도 하나의 검출기 신호의 필터링된 AC 성분들 및/또는 과도 성분들 그리고/또는 검출기 신호들 중 적어도 하나의 검출기 신호의 (저역) 필터링된 성분들 또는 DC 성분들일 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 DC, AC, 또는 과도 피측정량 필드들을 위해 사용될 수 있다. 스펙트럼 성분들은 잡음 저감을 위해 시간 평균될 수도 있다.

AC 스펙트럼 성분들은 바람직하게는, 표준 전력 그리드 주파수들에 대해 45 Hz 내지 65 Hz의 범위와 같은, 피측정량 필드의 공칭 주파수 주위 범위 내에 있다. AC 및 과도 스펙트럼 성분들의 진폭들이 임계값 아래로 떨어지면, 그 성분들은 디폴트 값들에 의해 또는 저역 필터링된 신호 성분들에 의해 대체될 수 있다.

AC 또는 과도 필드들이 측정되는 경우, 정규화 후의 결합된 센서 신호는 바람직하게는 고역통과 필터링된다.

위에서 설명된 바와 같은 제 1 양태와 또는 아래에서 설명되는 바와 같은 제 3 양태와 조합될 수도 있거나 또는 조합되지 않을 수도 있는 본 발명의 제 2 양태에 따르면, AC 또는 과도 필드 측정을 위해, 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 (패시브) 광 엘리먼트들의 온도가 센서 신호의 낮은 주파수 또는 DC 성분들로부터 도출된다. DC 또는 낮은 주파수 성분들은 정적 바이어스 광 위상 변이에 의존한다. 그 바이어스 위상 변이는 위상 변이를 도입하는 광 컴포넌트들의 온도가 변화함에 따라 변할 수 있고 따라서 그 컴포넌트의 온도를 나타낼 수 있다. 다르게 말하면, 신호의 DC 또는 낮은 주파수 성분은 정적 바이어스 광 위상 변이가 도입되는 로케이션, 이를테면 이 목적을 위해 사용될 수 있는 적합한 통합된 편광 분리기 모듈에서의 온도의 측정의 역할을 할 수 있다.

이러한 온도의 지식으로 AC 또는 과도 센서 신호는 그에 따라 보정될 수 있다. 이 온도 보상은 다른 온도 보상들과, 특히 감지 엘리먼트 자체의 온도 보상과 조합하여 적용될 수 있다.

위의 양태들과 요구되는 단계들은 센서의 신호 프로세싱 유닛의 부분으로서 구현되고 그 신호 프로세싱 유닛에 의해 실행될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같은 양태들과 조합될 수도 있거나 또는 조합되지 않을 수도 있는 본 발명의 제 3 양태에 따르면, 센서는 적어도, 광 소스과 적어도 하나의 광 검출기, 바람직하게는 적어도 두 개의 광 검출기들; 및 광에 대한 순방향 채널을 감지 엘리먼트에게 제공하는 하나의 채널과 광에 대한 복귀 (return) 검출기 채널들을 검출기들에게 제공하는 하나 또는 두 개의 채널들을 갖는 적어도 두 개의, 바람직하게는 적어도 세 개의 광 투과 채널들; 및 비소멸 피측정량 필드의 존재시 상기 감지 엘리먼트 내에 상이한 속도들을 갖는 광파들의 두 개의 상이한 세트들 간의 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하고 적어도 두 개의 검출기 채널들에서 정적 바이어스 광 위상 변이와 피측정량 필드에 의해 유도된 광 위상 변이를 포함하는 총 광 위상 변이를 반대 부호들 (역위상) 의 광 파워 변화들로 변환하기 위한 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들; 및 편광 유지 (PM) 섬유가 감지 엘리먼트에 적어도 하나의 지연기 또는 패러데이 회전자 엘리먼트를 통해 간접적으로 또는 직접적으로 접속되어 있는 PM 섬유를 포함하며; 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들의 적어도 부분들은 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들에게 제어된 온도 환경을 제공하는 온도 안정화 유닛과 열 접촉한다. 이러한 유닛은 예를 들어 적어도 하나의 자기조절 가열 저항체 (self-regulated heating resistor), 특히 적어도 하나의 자기조절 가열 저항체 포일을 포함할 수 있다.

본 발명의 이 양태의 바람직한 실시형태에서, 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들의 적어도 부분들은 접지 전위에 있고 PM 섬유는 접지 전위로부터 감지 엘리먼트의 전위로의 광학적 연결을 제공하며, 후자인 감지 엘리먼트의 전위는 접지 전위와는 상이하고 통상 중간 전압 또는 고전압이다. 이러한 경우 절연체 컬럼, 특히 절연 재료로 가장 잘 채워지는 중공 절연체 컬럼을 통해 PM 섬유를 안내하는 것이 유익하다.

정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하기 위한 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들과 총 광 위상 변이를 변환하는 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들은, 광 소스/검출기 측의 적어도 두 개 또는 세 개의 포트들과 감지 엘리먼트 측의 하나의 포트를 가지며 감지 엘리먼트 측의 포트가 PM 섬유에 접속되어 있는 통합된 편광 분리기 모듈에서 가장 잘 결합된다.

본 발명의 다른 양태들에서처럼, 센서는 AC 또는 DC 필드들, 특히 자기장들, 전류, 전기장들, 전압, 또는 역장 (force field) 들을 측정하도록 적응될 수 있다.

본 발명의 위의 및 다른 양태들은 본 발명의 추가의 유익한 실시형태들 및 애플리케이션들과 함께 다음의 설명 및 도면들에서 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 광파들의 두 개의 상이한 세트들 간에 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하고 정적 바이어스 광 위상 변이 및 피측정량 필드에 의해 유도된 광 위상 변이를 포함하는 총 광 위상 변이를 반대 부호들의 광 파워 변화들로 변환하기 위한 패시브 엘리먼트들을 갖는 광섬유 전류 센서의 컴포넌트들의 개략도이며;
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 추가의 양태에 따른 신호 프로세싱 단계들의 예들을 도시하며;
도 3은 신호의 DC 부분들을 이용하는 도 2a 내지 도 2c의 예들의 변형예를 도시하며;
도 4는 본 발명의 추가의 양태에 따른 신호 프로세싱 단계들의 일 예를 도시하며;
도 5는 고-전압 환경에서의 사용을 위한 센서의 추가의 엘리먼트들을 도시하며;
도 6a와 도 6b는 본 발명의 일 양태에 따른 일 예에 의해 달성되는 온도에 대한 센서 신호 안정성의 개량을 예시하며;
도 7a와 도 7b는 본 발명의 예들의 가능한 애플리케이션들을 위한 추가의 센서 구성들을 도시하며; 그리고
도 8은 전압 감지의 분야에서의 본 발명의 예들의 가능한 애플리케이션들을 위한 추가의 센서 구성을 도시한다.

도 1에서는 정적 바이어스 광 위상 변이를 신호 검출 체제로서 사용하는 광학적 전류 센서의 구성의 예가 도시되어 있다. 도 1의 알려진 엘리먼트들의 추가의 세부사항들 및 가능한 수정들에 대해 [3] 이 참조될 수 있다.

아래에서 더 설명되는 바와 같이, 바이어스 위상 변이를 도입하기 위한 패시브 엘리먼트들을 갖는 이러한 센서들은 아래에서 설명될 본 발명의 다양한 정확도 증가 양태들, 이를테면 원시 신호들의 정규화 및 필터링을 포함하는 신호 프로세싱과 부가적인 온도 보상 수단으로부터 이익을 얻을 수 있다.

도 1의 예에서, 센서 (10) 는, 예를 들어 광대역 광 소스 (111), 예컨대, 초발광 (superluminescent) 다이오드, 두 개의 광 검출기들 (12-1, 12-2), 및 전력 공급부와 다른 전자 컴포넌트들 (도시되지 않음) 을 갖는 신호 프로세싱 유닛 (113) 을 수용하는 광전자기기 (opto-electronics) 모듈 (11) 을 구비한다. 광전자기기 모듈 (11) 과 감지 엘리먼트 (131) 를 갖는 센서 헤드 (13) 간의 임의의 연결은 순수하게 광학적이고 단일모드 섬유들 (101) 및 단일모드 섬유 커넥터들 (102) 에 의해 보여진 예에서 이루어진다는 것은 주목할만하다. 추가적으로, 광전자기기 모듈 (11) 외부의 광학적 경로에서의 엘리먼트들은 패시브 광 컴포넌트들이고 그래서 전기적 활성화를 필요로하지 않는다.

광 소스 (111) 으로부터의 광은, 예를 들어 섬유 리오 (Lyot) 편광소거기 (depolarizer) (미도시) 에서 편광소거된다. 광전자기기 모듈 (11) 과 센서 헤드 (13) 간의 (광학적) 연결은 세 개의 단일모드 광 섬유들 (101) (SMF1, SMF2, SMF3) 을 통해 이루어지는데, 그 단일모드 광 섬유들은, 도시된 예에서 자신에게 부착된 편광기들 및 지연기들 (141, 144, 145) 과 함께 모듈을 형성하는 통합된 광학적 1x3 분리기/결합기 (140) (SC) 에 기초하는 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 의 세 개의 소스측 포트들에 연결된다. 이러한 편광기들 중 제 1 편광기는 편광기 (141) (P1) 이고, 이 편광기 (141) (P1) 는 소스측 면 상의 SC 광 소스 채널으로도 지칭되는 제 1 포트에서 SC (140) 의 입구에서의 광을 편광시킨다. 바람직하게는, 편광 방향은 SC 평면의 법선에 대해 45°이다. SC (140) 내의 도파로들은 투과된 광의 편광 상태를 바꾸지 않기 위하여 낮은 복굴절을 갖는다.

대향 SC 면 (코일측 면으로도 지칭됨) 에서 광은 편광 유지 (PM) 섬유 피그테일 (pigtail) (132) 속으로 커플링된다. PM 섬유 (132) 의 주축들은 평행하고 SC 평면에 대해 수직하며, 즉 편광기 P1 (141) 의 편광 방향에 대해 45°이다. 결과적으로 PM 섬유 (132) 의 직교 편광-모드들 양쪽 모두는 동일한 진폭으로 여기된다.

광이 감지 섬유 (131) 에 들어가기 전에 광섬유 사분의 일 파장 지연기 (133) 가 직교 선형 편광된 광파들을 좌원 및 우원 편광된 파들로 변환시킨다. 감지 섬유는 도전체 (15) 둘레에 정수 개의 섬유 루프들로 코일을 형성한다. 광은 그 섬유 (131) 의 원단에서 반사체 (135) 에 의해 반사된 다음 코일을 재차 통과한다. 반사 시 두 개의 광파들의 편광 상태들은 스왑되며, 즉 좌원 광은 우원 광이 되고 반대의 경우도 마찬가지로 된다.

지연기 (133) 는 반사된 원형 파들을 다시 직교 선형 파들로 변환시킨다. 복귀하는 선형 파들의 편광 방향들은 순방향 전파 파들에 비교하여 또한 스왑된다. 복귀하는 직교 파들은 패러데이 효과의 결과로서 자기-광 위상 변이 Δφ 를 갖는다 (아래의 수식 [3] 을 또한 참조). SC (140) 는 직교 광파들을 두 개의 광 검출 채널들 (142, 143) 로 분리한다. 소스측 면에 있는 사분의 일 파장 지연기 판 (QWR) (144) 은 이 예에서 검출 채널들 (142, 143) 양쪽 모두의 직교 파들 간의 90° 차동 위상 지연인 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 엘리먼트로서 사용된다. QWR (144) 의 주축들은 PM 섬유 피그테일 (132) 의 축들에 평행하게 그리고 편광기 P1 (141) 에 대해 45°로 정렬된다.

검출기 채널들 (142, 143) 중 제 1 검출기 채널의 직교 파들은 편광기 P1 (141) (이것은 이 예에서 광 소스 채널 및 제 1 검출기 채널 (142) 에 공통임) 에서 간섭한다. 제 2 검출기 채널 (143) 의 직교 파들은 제 2 편광기 P2 (145) 에서 간섭한다. P2 (145) 의 편광 방향은 P1 (141) 의 편광 방향에 대해 90°를 이룬다. 단일모드 섬유들 (101) 중 두 개의 단일모드 섬유들 (SMF 2 및 SMF 3) 이 광을 광 검출기들 (12-1 및 12-2) 로 안내한다.

바람직하게는 광 검출기들에 대한 경로에서 편광 의존성 손실들을 피하기 위하여 편광기들 (141, 145) 후의 두 개의 검출기 채널들에서는 위의 리오-형 섬유와 같은 편광소거기들 (미도시) 이 있다. 이러한 손실은 섬유들의 기계적 교란 (perturbation) 들에 대해 더 높은 민감도를 일으킬 수 있다. 단일모드 섬유들 (SMF 2 및 SMF 3) 대신 두 개의 다중모드 섬유들이 사용될 수도 있다. 더 큰 코어 사이즈 (예를 들어 SMF의 9 ㎛ 코어 대신 62.5 ㎛) 로 인해 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 도파로들로부터 섬유들 (101) 속으로의 커플링 손실들이 감소된다.

편광기들 (141, 145) 은 광을 편광시키기 위해 배향된 금속 (예컨대 은 입자들) 을 포함하는 박형 유리 소판 (platelet) 들일 수 있다. 그 소판들의 전형적인 두께가 예를 들어 30 ㎛이다. 그 작은 두께의 결과로서 그 섬유와 분리기/결합기 간의 커플링 손실들이 작게 유지될 수 있다.

지연기 소판 QWR (144) 과는 동일한 두께를 갖는 스페이서 유리 소판 (146) 이, 통합된 광 모듈 (14) 내의 편광기 P1 (141) 및 편광기 P2 (145) 의 조립을 용이하게 하기 위하여 사용된다. 스페이서 (146) 는 유리로 이루어질 수도 있거나 또는 자신의 주축들 중 하나가 편광기 P1 (141) 의 편광 방향과 정렬되어서, 인액티브로 남아 있고 투과된 광의 편광에 영향을 주지 않는 다른 QWR 소판일 수 있다. 스페이서 (146) 는 또한, 편광기 P1 (141) 와는 동일한 배향을 갖는 제 2 편광기 소판일 수 있는데, 이는 편광 정도를 더욱 향상시킨다.

바람직하게는, QWR (144) 은 낮은 차수를 갖고 따라서 작은 두께 (통상 몇 십 마이크로미터) 를 갖는다. 이는 다시 광학적 커플링 손실들을 제한하는데 도움이 된다.

소스 광 및 제 1 검출기 채널 (142) 을 위한 공통 편광기 P1 (141) 의 사용은 통합된 광 모듈 (14) 의 조립을 또한 용이하게 하는데, 도파로들이 그것의 소스측 면에서 수 100 ㎛만큼 통상 분리되기 때문이다.

분리기/결합기 SC (140) 의 법선에 대해 45°를 이루는 P1 (141) 의 배향 및 따라서 분리기/결합기 법선에 평행한 PM 섬유 (132) 축 배향은 (예컨대, SC (140) 법선에 대해 0°또는 90°를 이루는 P1의 정렬 및 따라서 SC (140) 법선에 대해 45°를 이루는 섬유 축들의 정렬보다) 바람직한데, PM 섬유를 SC에 부착한 결과로 생기는 잠재적 섬유 스트레스가 SC 평면에 평행 또는 직교하는 축들을 따르는 경향이 있기 때문이다. 그러면 편광 교차 커플링을 교란시키 것이 최소화된다.

통합된 광 모듈 (14) 은 바람직하게는 센서 헤드 조립체 (13) 의 부분이다. 그것은 아래에서 추가로 설명되는 바와 같이 온도 안정화될 수 있다. 도 1의 구성의 중요한 장점이, 광전자기기 모듈 (11) 이 표준 단일모드 섬유들 (또는 다중모드 섬유들) 과 표준 섬유 커넥터들 (102) 에 의해 센서 헤드 (13) 와 연결될 수 있다는 것이다. 따라서, 이 연결을 위한 편광 유지 섬유의 더욱 어려운 사용이 회피될 수 있다. 이는, 광전자기기 모듈 (11) 및 센서 헤드 (13) 로부터의 거리가 비교적 길고 섬유 케이블의 양쪽 말단들 상에 커넥터들 (102) 이 희망되면 (예를 들어 센서 헤드 (13) 가 고전압 변전소의 뜰에 있고 광전자기기 모듈 (11) 이 그 사이에 수 100 m 에 이르기 까지의 거리를 갖는 변전소 제어실 내 광 소스 (111) 을 포함하는 경우) 특히 유익하다.

그 반면, 케이블 길이들 증가시 편광 유지 링크의 편광 소광비 (polarization extinction ratio, PER) 의 감소는 가능한 케이블 길이를 제한한다. 더욱이, PM 섬유 커넥터들은 온도 의존 방식으로 PER (polarization extinction ratio) 을 감소시키는 경향이 있고 따라서 센서 스케일 팩터의 안정성을 감소시킬 수 있다. 또한, PM 섬유 및 PM 섬유 커넥터들의 비용은 표준 단일모드 또는 다중모드 섬유들 및 대응하는 커넥터들의 비용보다 실질적으로 더 높다.

변하는 환경들 하에서 정확성을 달성하기 위해, 위의 도 1에서 또는 아래에서 더 (도 5 내지 도 8) 설명되는 유형의 센서 구성들은, 다음에서 설명될 바와 같이, 둘 이상의 검출 채널들 간의 비대칭성들을 보상하기 위해 적응되는 신호 프로세싱 방법을 사용하여 가장 잘 동작된다. 이 신호 프로세싱 방법은 둘 이상의 검출 채널들을 갖는 그리고 패시브 광 엘리먼트에 의해 도입된 바와 같은 정적 바이어스 광 위상 변이를 갖는 다양한 광 센서들에 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

예를 들어 참조로서 위의 도 1의 구성을 사용하고 이상적인 컴포넌트들 (컴포넌트들의 완전한 각도 정렬, 두 개의 직교 편광 모드들 간에 교차 커플링 없음, 두 개의 검출 채널들에서의 비대칭적 광손실 없음, 선형 복굴절이 없는 감지 섬유) 을 가정하면, 자기-광 위상 변이 Δφ 의 함수로서의 두 개의 검출기 신호들은 다음에 의해 주어진다

(1) S₁= (S₀/2) (1 + sinΔφ)

(2) S₂= (S₀/2) (1 - sinΔφ) 단

(3) Δφ = 4NVI.

여기서, N, V, I는 각각 섬유 코일의 권선 수, 섬유의 베르데 상수 (1310 nm에서 ~1 μrad/A), 및 전류이다. S₀는 광 소스 파워에 비례한다.

그 두 개의 신호들의 차이를 그들의 합으로 나누면 광 소스 파워에 독립적인 다음의 신호 (S) 가 얻어진다:

(4) S = (S₁ - S₂) / (S₁ + S₂) 또는

(5) S = sinΔφ.

Δφ≪1 (이는 종종 실제의 경우임) 에 대해 S는 Δφ에 따라 선형적으로 변한다

(6) S = Δφ.

실제 센서에서 두 개의 검출 채널들에서의 광 파워 손실은, 예컨대 분리기로부터 섬유들 (SMF2 및 SMF3) 로의 상이한 커플링 손실의 결과로서 또는 섬유 커넥터들에서의 상이한 손실로 인해 상이할 수도 있다. 더욱이, 두 개의 채널들의 간섭 무늬 (interference fringe) 가시성은 편광기들 (P1 및 P2) 의 상대적 정렬에서의 허용오차들의 결과로서 상이할 수도 있다. 간섭하는 광파들 간의 위상 차이는 두 개의 검출기 채널들에서의 사분의 일 파장 지연기의 온도 의존성으로 인해 정확히 90°가 아닐 수도 있다. 예컨대 두 개의 채널들에서의 온도 의존성 스트레스로 인해, 잔여 복굴절이, 추가의 위상 오프셋들을 도입할 수도 있다. 이들 조건들 하에서 각각 채널 1과 채널 2에서의 신호들 (S₁, S₂) 은 다음으로서 주어진다

(7) S₁= (S₀₁/2) [1 + K₁ sin (Δφ+ α(T) + η(T))] 및

(8) S₂= (S₀₂/2) [1 - K₂ sin (Δφ+ α(T) + κ(T))].

여기서, K₁ 및 K₂는 각각 채널 1 및 채널 2에서의 간섭 무늬 콘트라스트를 나타낸다 (K₁과 K₂는 이상적인 조건들 하에서의 1 (unity) 과 동일하고 그렇지 않으면 1 보다 더 작다). α(T) 항은 QWR (144) 의 지연 (retardation) 의 90°로부터의 편차와 그것의 온도에 따른 변동을 기술한다. η(T) 항과 κ(T) 항은 각각 채널 1 및 채널 2에서 편광 분리기 모듈 (14) 에서의 다른 복굴절로 인한 위상 오프셋들을 기술한다.

그렇게 도입된 파라미터를 사용하여, 검출기 채널 1 및 검출기 채널 2 간의 차동 광손실들을 보상하는 방법의 일 예가 다음에서 설명된다.

상이한 검출기 채널들에서의 상이한 광손실은 보통 위에서 언급된 교란들 중 가장 심한 것이다. 다음의 고려사항들에 대해 K₁ = K₂ = K이라고 가정된다. 단순화를 위해 K = 1이라고 추가로 가정된다 (그러나, 다음의 고려사항들은 K < 1에 대해 또한 유효하다). 측정될 전류는 교류 전류 (AC) 또는 과도 전류 (예컨대 전류 펄스) 라는 것이 추가로 가정된다. 전류 펄스들의 측정은 예를 들어, 조명의 검출, 플라즈마 물리학 등에서 DC 차단기들에서의 올바른 전류 커뮤테이션 (commutation) 의 모니터링 (세부사항에 대해 참고문헌 [5]를 참조) 에 관심이 있다. 다음에서, AC, 과도 및 DC 방법들로서 각각 지칭될 수 있는 세 개의 상이한 방법들의 예들이 차동 채널 손실을 설명하기 위해 기술된다.

다음의 예들 (도 2a 내지 도 2c) 중 제 1 예에서, 보상 방법은 AC 신호 콘텐츠의 프로세싱된 부분 또는 표현을 사용한다. 이 방법은 50 Hz 또는 60 Hz 라인 전류들과 같은 주기적 AC 전류들을 갖는 애플리케이션들에 일반적으로 바람직하다. 동일한 신호 레벨들로 두 개의 채널들을 정규화하기 위해 AC 콘텐츠들의 진폭들이 (역위상인 것 외에는) 두 개의 채널들에서 동일해야 한다는 지식이 이용된다.

바람직한 배열체에서는, 특정한 주파수 범위에서, 예컨대 50/60 Hz AC 전류들의 경우에 45 Hz와 65 Hz 사이에서, 최대 AC 진폭들 (S_01,ac및 S_02,ac) 은 고속 푸리에 변환 (FFT) 에 의하여 결정되는데, 도 2a를 참조한다. 50 Hz 라인 전류의 경우, FFT는 50 Hz 전류의 진폭을 결정할 것이다. 후속 저역 필터들 (LPF) 은 필터 차단 주파수에 의해 결정된 시간 간격에 걸쳐 더 나은 안정성을 위해 FFT 출력을 평균화하는 역할을 한다. 일련의 FFT 및 LPF에 대한 대안으로서, 진폭들 (S_01,ac및 S_02,ac) 에 대한 측정값이 도 2b에 도시된 바와 같은 일련의 고역 필터 (HPF1), 정류기 (R), 및 저역 필터에 의해 결정될 수도 있다. 고역 필터들은 DC 신호 콘텐츠들을 차단한다. 정류기들 출력들은 그러면 진폭들 (S_01,ac및 S_02,ac) 에 비례하고 저역 필터들이 다시 그 신호들을 시간 평균화하는 역할을 한다.

신호 (S₂) 는 그 다음에 제 1 제산기 (/) 에 의해 생성된 바와 같은 두 개의 필터링된 AC 신호들의 진폭 비 A = S_01,ac/S_02,ac에 의해 곱셈기 (X) 에서 곱해진다. (대안으로, 신호 (S₂) 는 변경되지 않을 수도 있고 신호 (S₁) 는 진폭 비 (S_02,ac/S_01,ac) 으로, 즉 A의 역수 (inverse) 로 곱해진다). 곱셈 후, 신호들 (S₁ 및 S₂) 은 동일한 진폭을 가지며, 즉 동일 전력 손실로 정규화된다. 나타낸 바와 같이 감산기 (-), 가산기 (+) 및 제 2 제산기 (/) 에서 정규화된 신호들 (S₁ 및 S₂) 을 결합함으로써 획득되는 수식 (4) 로부터의 신호 (S) 는 이제 다음과 같이 주어진다

(9) S = (S₁ - S₂ A) / (S₁ + S₂A) 단

(10) A = S_01,ac/ S_02,ac.

그런고로, 신호 (S) 는 다음의 이상적인 센서의 신호에 해당한다:

[11] S = sinΔφ.

도 2c는 도 2a에 의해 예시된 방법의 변형예를 도시한다. 여기서, 신호 (S₁) 는 곱셈기 (X) 에서 진폭 (S_02,ac) 과 곱해지고 신호 (S₂) 는 제 2 곱셈기 (X) 에서 진폭 (S_01,ac) 과 곱해진다. 그 결과 신호들 (S₁및S₂) 은 동일한 전력 손실로 다시 정규화된다. 도 2a 및 도 2b에 의해 예시된 바와 같은 방법들보다 뛰어난 장점은 정규화가 임의의 신호 분할 (signal division) 을 요구하지 않고 그래서 더 작은 신호 프로세싱 능력을 요구한다는 점에서 알 수 있다.

위의 수식 (9) 내지 수식 (11) 에서 위상 오프셋들 (η 및 κ) 은 무시할 수 있는 것으로 가정된다. 또한 α(90°로부터의 QWR 지연기의 편차) 의 특정 값은 α≪1인 한에는 복구된 위상 변이에 영향을 미치지 않는다는 것에 주의해야 한다.

AC 또는 과도 전류의 경우 제 2 제산기 (/) 후의 측정 신호 (S) 는, 도 2a 내지 도 2c에서 파선으로 도시된 필터들 (HPF, HPF2) 에 의해 나타내어진 바와 같이, 유익하게 고역 필터링될 수 있다.

차단 주파수는 시스템이 모든 원하는 AC 및 과도 콘텐츠를 검출할 수 있도록 충분히 작게 선택된다. 50 Hz 또는 60 Hz 전류의 경우 차단 주파수는 예를 들어 0.001 Hz와 10 Hz 사이의 범위에서 선택될 수도 있다. 낮은 차단 주파수 (예컨대 0.001 Hz) 로, 특정한 결함들의 경우에 발생할 수도 있는, 전류에서의 과도 dc를 검출하는 것이 가능하다. 도 2b에서의 HPF1 차단 주파수는 HPF2 차단 주파수와는 동일할 수도 있거나 또는 그 두 개의 주파수들은 상이할 수도 있으며, 예컨대 HPF1의 차단 주파수는 HPF2의 차단 주파수보다는 정격 AC 주파수에 더 가까울 수도 있다. LPF 차단 주파수 (또는 동등하게는 비 A가 평균화되는 시간 스팬 (time span)) 은 한편으로는 신호 잡음으로 인한 A의 랜덤 요동들 (fluctuations) 이 작게 유지되도록, 그리고 다른 한편으로는 예컨대 온도 변동들 또는 섬유 움직임의 결과로서의 광 파워 변동들에 대한 응답이 충분히 빠르도록 최상으로 선택된다. 적절한 평균화 시간이 1 s와 100 s (초) 사이의 범위에 있을 수도 있다. 바람직한 값이 1 s 내지 20 s의 범위에 있다.

도 2b에서의 고역 필터들 (HPF1) 대신, 정격 전류 주파수를 중심으로 하는 대역 통과 필터들이 사용될 수 있다.

위에서 설명된 바와 같은 AC 신호 콘텐츠들을 통한 정규화의 장점들은 다음과 같이 요약될 수 있다:

그 방법은 또한 DC 오프셋을 갖는 AC 전류들에 대해 작동한다.

온도에 따른 QWR (144) 의 변화들 (α-변화) 은 정규화에 영향을 미치지 않는다.

편광 분리기 모듈의 다른 복굴절로 인한 위상 오프셋 η(T) 및 위상 오프셋 κ(T) 는, (그것들이 충분히 작다면, 바람직하게는 < ~5°라면) 정규화에 영향을 미치지 않는다.

도 2a 내지 도 2c에서의 체제들의 다양한 변형예들이 가능하다. 예를 들어 도 2a의 방법에서 가산기 (+) 의 두 개의 입력 신호들은 가산기의 출력에서 잡음을 낮추기 위하여 저역 필터링될 수 있다.

어떤 변형으로 위에서 설명된 바와 같은 보상 방법들은 또한, 과도 전류들, 이를테면 전류 펄스들의 경우에 적용될 수 있다. 비 A는 그 다음에 두 개의 고역 필터들 (HPF1) (도 2b) 의 순간 (디지털 또는 아날로그) 출력들을 제산기 (/) 에서 나눔으로써 결정된다. HPF1 차단 주파수는 예상되는 전류 상승 및 하강 시간들에 적응된다. 바람직하게는, 신호 잡음으로 인한 잘못된 정규화를 피하기 위하여 전류가 설정된 임계값을 초과하는 한에서만 정규화가 액티브된다. 그 임계값 미만에서, A의 미리설정된 디폴트 값 또는 A의 마지막 유효 값이 사용될 수도 있다.

도 3에서 상이한 검출기 채널들 간의 비대칭성을 보상하는 DC 기반 방법이 설명되어 있다.

여기서, DC 신호 콘텐츠들 (S_1,dc및 S_2,dc) 은 차동 광손실에 관해 신호들을 정규화하는데 사용된다. 이 방법은 랜덤 시간들에서 발생할 수도 있는 전류 펄스들과 같은 과도 전류들의 경우에 바람직하며, 즉 그 방법은 AC 신호 부분이 정규화에 이용 가능하지 않은 경우 사용될 수도 있다. 정규화를 왜곡시키게 되는, dc가 두 개의 신호들에서 역위상 오프셋들을 도입할 때 흐르는 상당한 규모의 연속하는 DC 전류가 또한 없다는 것이 조건이다. 무시할 수 없는 위상 오프셋들인 α(T), η(T), 및 κ(T) 가 절차의 정확도에 영향을 미칠 것이다. 그 오프셋들의 합이 독립적인 측정에 의해 결정된다면, 그 오프셋들은 신호들 (S₁, S₂) 중 하나와 적절한 보정 팩터를 곱함으로써 고려될 수 있다.

도 2a 내지 도 2c에서 신호들의 차이를 그들의 합으로 나누는 것 (이는, 언급된 바와 같이, 나눗셈이 상당한 신호 프로세서 전력을 요구한다는 단점을 가짐) 에 대한 대안으로서, 가산기 (+) 후의 합 신호를 폐 루프 피드백 회로에서의 제어된 증폭기에 의하여 일정한 레벨로 유지하는 것이 또한 가능하다. 감산기 (-) 후의 차이 신호는 그 다음에 인수 (1/b(t)) 에 의해 곱해지고, 여기서 b(t) 는 합 신호를 일정한 레벨로 유지시키는 증폭 계수 (이는 시간 및 온도의 경과에 따라 변할 수도 있음) 이다.

위의 방법들 중 임의의 방법이 온도 보상 수단과 조합하여 가장 잘 구현된다. 이러한 온도 보상은 온도 제어 환경을 통해 그리고/또는 적어도 하나의 검출기 신호로부터의 온도의 추출을 통해 달성될 수 있는데, 그것의 예들은 아래에서 더 설명된다.

대안으로 또는 추가하여, 선형 복굴절이 없는 또는 낮은 복굴절을 갖는 섬유 코일들에 대해 참고문헌 [3]에서 설명된 바와 같은 방법이 사용될 수 있다. 여기서, 도 1의 예에서 도시된 바와 같이 감지 섬유 (131) 의 시작부분에서 섬유 지연기 (133) 와 같은 지연기의 온도 의존성은 패러데이 효과의 온도 의존성을 보상하기 위해 채용된다. 그러면 신호는 수식 (6) 대신 다음에 의해 주어진다

(12) S = [cos ε(T)] Δφ.

각도 ε은 기준 온도, 예컨대 실내 온도에서의 완벽한 π/2-지연으로부터의 지연기 (133) 의 적절하게 선택된 편차이다. Δφ = 4NVI 항에서 T와 함께 베르데 상수 (V) 에서의 증가를 대체로 균형을 맞추는 방식으로 온도를 증가시 cos ε(T) 항은 감소한다.

무시할 수 없는 선형 복굴절을 갖는 감지 섬유의 경우들에서의 그 방법의 변형예들은 예를 들어 참고문헌 [1]에 따른 간섭형 전류 센서들의 경우에 대한 참고문헌 [6]에서 설명되어 있다.

그러나, 신호의 온도 유발 변이들을 보상하기 위해 디튜닝된 (detuned) 지연기를 사용하는 위의 방법들 중 하나 또는 조합을 적용하는 것 외에, 그 방법은 AC 측정들의 경우에, 패시브 엘리먼트들, 이를테면 위의 통합된 광 모듈 (14) 의 온도를 결정하는 추가의 방법을 포함하는 것으로 연장될 수 있다. 이 방법은 AC 또는 과도 피측정량을 위한 많은 상이한 광 센서들에 적용될 수 있고 따라서 본 발명의 독립적인 양태로 간주될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 본 발명을 사용할 수 있는 광 센서들의 추가의 실시형태들이 아래에서 더 설명된다.

AC 또는 과도 전류들의 경우, QWR (144) 의 온도는, 바람직하게는, 위의 도 2a를 참조할 때 이미 설명된 엘리먼트들을 또한 포함하는 도 4에 도시된 바와 같은 AC 신호 콘텐츠들에 의하여 검출기 신호들의 정규화 후에, 저역 필터링된 센서 출력으로부터 추출될 수 있다. 센서 신호 (S) 는 다음에 의해 주어진다

(13) S = K sin (Δφ_ac + α(T)),

여기서 Δφ_ac는 AC 전류에 의해 생성된 자기-광 위상 변이이다. η(T) 항과 κ(T) 항은 충분히 작은 것으로 가정되고 간섭무늬 콘트라스트 (K) 는 두 개의 채널들에 대해 동일한 것으로 가정된다. DC 신호 콘텐츠는 다음으로서 저역 필터링 (도 4에서의 LPF2) 에 의해 획득된다

(14) S_dc = K sin (α(T))

90°로부터의 지연기의 편차가 통상 작으므로, 수식 (14) 는 대략 다음으로서 주어진다

(15) S_dc = K α(T)

이를 위한 요건은 잠재적 dc 전류들로부터의 위상 변이들이 LPF2 신호 평균화 시간에 대해 α에 비하여 더 작다는 것을 내포하는 것일 수 있다.

통합된 광 모듈과 감지 엘리먼트가 공통 하우징 내에 있거나 또는 동일한 또는 유사한 환경적 상황에 노출된다면, S_dc는 또한 센서 헤드 (13) 온도에 대한 측정값으로서 역할을 할 수 있고 온도에 따른 센서 헤드 스케일 팩터의 임의의 (남아있는) 변동을 보상하는데 사용될 수 있다.

통합된 광 모듈 (14) 의 사분의 일 파장 지연기 QWR (144) 은 보통 석영-소판이다. 영차 소판의 경우 지연은 1310 ㎚의 파장에서 100 ℃의 온도 범위에 걸쳐 약 0.5°씩 변한다. 온도 측정을 위해 더 높은 차수의 지연기를 사용하는 것이 유익할 수 있는데, 온도에 따른 α의 변동은 지연기 두께에 비례하여 증가하기 때문이다. 이상적으로, 변동은 η(T) 항과 κ(T) 항으로부터의 임의의 잠재적 기여분보다 상당히 더 커야 한다. 무시할 수 없는 η(T) 항 및 κ(T) 항으로도, 신호가 변화하는 온도와 함께 단조롭게 변하고 그 온도의 측면에서 적절히 교정되는 한, 그 온도는 LPF2의 출력으로부터 여전히 결정될 수 있다.

사인파 신호 대 위상 변이 특성들 때문에, 수식 (13) 에 의해 나타내어진 바와 같은 센서 신호의 선형화가 신호 프로세싱에 포함될 수 있다. 더욱이, 90°로부터의 바이어스 위상 변이의 편차들, 특히 α에 대한 온도의 영향은, 이 선형화에 대해 영점 보정으로서 고려될 수 있다. 특히, AC 또는 과도 전류들의 경우, S_dc로부터 취출된 바와 같은 α(T) (수식 (14) 및 (15) 참조) 는 (수식 (13) 에 따라) 신호 S 로부터의 AC 위상 변이 Δφ_ac 의 결정에 포함될 수 있다.

예컨대 HVDC 송신 시스템들에서 또는 전기-화학적 프로세스들 (예를 들어 알루미늄의 전해 채취 (electro-winning)) 에서 AC 전류를 정류함으로써 생성되는 DC 콘텐츠는 종종, AC 라인 주파수의 고조파들을 여전히 포함한다. 그러므로, 위 (도 2a 내지 도 2c) 에서 설명된 바와 같이 AC 신호 콘텐츠들을 통한 검출 채널들에서의 상이한 손실의 보상은 이러한 DC 콘텐츠를 측정하기 위해 또한 적용될 수도 있다. 이 목적을 위해 도 2a 내지 도 2c의 신호 프로세싱 체제들 중 하나의 신호 프로세싱 체제가 최종적인 고역 필터 (HPF 2) 없이 다시 사용된다. 센서 출력 (S) 은 다음에 의해 주어진다:

(16) S = K (Δφ + α(T) + η(T) + κ(T))

여기서, DC 및 AC 콘텐츠들 양쪽 모두를 포함하는 (자기-광) 위상 변이 (Δφ) 가 1보다 훨씬 더 작고 간섭 콘트라스트 K 는 두 개의 채널들에 대해 동일하다고 다시 가정된다. 그러면 DC 측정에서의 불확도는 위상 항들 (α(T), η(T), 및 κ(T)) 에 의해 주로 주어진다. 아래에서 설명되는 바와 같은 온도 안정화된 통합된 광 모듈로, 위상 항들은 안정하게 유지될 수 있다. 그것들의 합뿐만 아니라 콘트라스트 K 는 교정에 의해 결정될 수 있다.

편광 분리기 모듈 (14) 내에서, 특히 지연기에서 원치않는 복굴절을 야기할 수 있는, 예컨대 접착제들로부터의, 잔류 온도 의존성 스트레스는 센서 정확도의 제한으로서 남아있을 수 있다. 이러한 스트레스는 간섭하는 광파들 간의 편광 교차 커플링을 통한 콘트라스트 항들 K₁ 및 K₂ 뿐만 아니라 위의 수식 (7, 8) 에서 언급된 바와 같은 위상 항들 η(T) 및 κ(T) 에 영향을 미칠 수도 있다.

고전압 변전소에서의 센서 애플리케이션들은 보호를 위한 <±1% 및 계랑을 위한 <±0.2% 내의 정확도를 종종 요구한다. 위의 측정들이 보호 정확도에 대해 보통 충분하지만, 그것들은 확장된 온도 범위에 걸친 계량 정확도에 대해 충분하지 않을 수도 있다. 고전압 변전소에서 주위 온도들은 예컨대 -40 ℃와 55 ℃ 사이에서 변할 수도 있다. 하지만, 예컨대 전류에 의한 가열로 인해, 센서는 또한 한층 더 심각한 온도들 또는 온도 차이들에 직면할 수도 있다.

도 5의 예는 도 1에 따른 센서의 배열체를 도시하고, 온도 변화에 따른 스케일 팩터 안정성에 대한 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 의 영향들은 본질적으로 제거된다. 예시적인 구성에서 센서 헤드 (13) 는 자립형 전기 절연체 (17) 의 고전위 측에 위치되며, 즉 절연체 (17) 와 센서 헤드 (13) 는 기존의 계측기 전류 변압기와 동등한 자립형 디바이스를 나타낸다. 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 은 절연체 (17) 의 접지 전위 측에 위치되고 편광 유지 섬유 링크 (132) 에 의해 섬유 코일 (131) 에 연결된다. 링크 (132) 는 절연체 (17) 의 중공을 통해 이어진다. 그 배열체는 절연체 (17) 와 그래서 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 의 로케이션과 센서 (131) 의 광-전기 모듈 (11) 간에 단일모드 (또는 다중모드) 섬유 링크들의 장점을 유지한다. PM 섬유 링크 (132) 는 접지에서부터 고전압 전위까지의 거리를 통해서만 연장된다.

통합된 광 모듈 (14) 이 코일 (131) 로부터 분리되어 있고 접지 전위에 위치되어 있어 그 통합된 광 모듈의 온도는 고전압 영향들에 대한 보호 없이 안정화될 수 있다. 바람직하게는, 통합된 광 모듈 (14) 의 온도는 최고 동작 온도에 해당하는 또는 최고 동작 온도 근처인 온도에서 유지된다. 예를 들어, 최대 동작 온도 (최대 주위 온도) 가 65 ℃이면, 통합된 광 모듈 (14) 은 65 ℃와 -40 ℃ 사이의 주위 온도들에서 65 ℃와 45 ℃의 범위로 유지될 수 있다. 그러므로, 온도 제어는 가열에 대한 준비만을 요구하고 냉각에 대한 준비를 요구하지 않는다.

통합된 광 모듈 (14) 은 도시된 바와 같은 단열 패키지 또는 하우징 (18) 내에 배치될 수도 있다. 가장 간단한 경우 온도는 자기조절 가열 포일 저항체 (181) 에 의해 안정화된다. 저항체 재료는 강한 양의 열 계수 (thermal coefficient) 를 갖고 "열 다이오드 (thermal diode)"로서 역할을 한다. 결과적으로, 주어진 전압 (예를 들어 24 V) 에서의 열 파워 (heat power) 는 낮은 온도들에서 높으며, 온도가 증가함에 따라 점차 감소하고, 설계가능 임계값, 예컨대 65 ℃에서 영에 접근한다. 조정형 (regulating) 전자 회로가 이러한 구현예에서 필요하지 않다. 대안으로, 온도는 전자기기에 의해 제어되는 전류를 갖는 하나 또는 여러 가열 저항체들 (미도시) 에 의하여 안정화될 수도 있다.

추가의 예시적인 배열체에서 통합된 광 모듈 (14) 의 온도는 임의적 (arbitrary) 일정 온도, 예컨대 25 ℃를 유지할 수 있는 열전 냉각기/가열기에 의하여 제어될 수 있다.

절연체 (17) 는 중공 섬유 강화 에폭시 튜브로 이루어진 중공 절연체이다. 그 외표면 상의 실리콘 셰드 (shed) 들은, 예컨대 빗물 또는 먼지에 의한 오염의 경우에, 섬락 (flash-over) 을 방지하기 위해 고전압 및 접지 간에 충분한 연면 거리 (creepage distance) 를 제공한다. PM 섬유 (132) 는 예를 들어 섬유를 포함하는 내부 겔 충전 튜브를 포함하는 섬유 케이블에 의해 보호된다. 겔 충전은 과도한 섬유 스트레스를 방지하고 따라서, 예컨대 차동 열 팽창으로 인한, 두 개의 직교 편광 모드들 간의 원치 않는 편광 교차 커플링을 방지한다.

절연체 보어 (bore) 는 충분한 유전 강도를 제공하는 연성 절연 재료 (172), 예컨대 실리콘으로 채워진다. 실리콘은 충분한 압축성을 갖고 실리콘의 임의의 열 팽창을 수용하는 충전제 재료를 포함한다. 충전제는 예를 들어, 연성 재료로 또는 미세 유체 기포 (bubble) 들 또는 가스 기포들로 이루어진 미크론 사이즈의 비드 (bead) 들로 이루어질 수 있다. 기포들은 육플루오린화 황 (SF₆) 가스 또는 대안적인 유전성 절연 유체 혼합물들 또는 유기불소 화합물을 포함하는 가스 혼합물들을 포함할 수도 있으며, 그런 유기불소 화합물은 풀루오로-에테르, 옥시란, 플루오로아민, 플루오로케톤, 플루오로올레핀, 그리고 그것들의 혼합물들 및/또는 분해 생성물들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 유전성 절연 매질은 유기불소 화합물과는 상이한 배경 가스 (background gas) 를 더 포함할 수 있고 실시형태들에서, 공기, N₂, O₂, CO₂, 영족 기체 (noble gas), H₂; NO₂, NO, N₂O; 플루오로카본들과 특히 퍼플루오로카본들, 이를테면 CF₄; CF₃I, SF₆; 및 그 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

대안으로, 절연체 (17) 는 폴리우레탄 거품 (foam) 으로 충전될 수 있거나 및/또는 질소 (N₂) 또는 육플루오린화 황 (SF₆) 또는 유기불소 화합물을 포함하는 대안의 유전성 절연 가스 혼합물들과 같은 절연 가스를 포함할 수 있으며, 그러한 유기불소 화합물은 플루오로-에테르, 옥시란, 플루오로아민, 플루오로케톤, 플루오로올레핀 그리고 그것들의 혼합물들 및/또는 분해 생성물들로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 유전성 절연 가스는 유기불소 화합물과는 상이한 배경 가스를 더 포함할 수 있고 실시형태들에서, 공기, N₂, O₂, CO₂, 영족 기체, H₂; NO₂, NO, N₂O; 플루오로카본들과 특히 퍼플루오로카본들, 이를테면 CF₄; CF₃I, SF₆; 및 그 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그 가스는 그것의 유전 강도를 향상시키기 위해 대기압에 또는 상승된 압력에 있을 수 있다.

다른 예에서 절연체는 예를 들어 참고문헌 [8]에서 개시된 바와 같이 절연체 막대의 외표면을 따르는 나선 경로를 따라 모세관 내부에서 이어지는 PM 섬유를 갖는 섬유 강화 에폭시의 고체 내부 막대 (solid inner rod) 를 포함할 수 있다.

통합된 광 모듈 (14) 을 포함하는 온도 안정화된 하우징 (18) 은 예를 들어 절연체 플랜지 (171) 에 부착되는 외부 하우징 (182) 내에 도시된 바와 같이 장착될 수 있다. 외부 하우징 (182) 은 통합된 광 모듈 (14) 의 섬유 리드들을 보호하고 그 외부 하우징에는 센서 광-전자 모듈 (11) 및 HV 절연체 (17) 간에 섬유 케이블 (101) 을 위한 섬유 커넥터들 (102) 이 갖추어진다. 더욱이, 외부 하우징 (182) 은 통합된 광 모듈 (14) 의 햇볕 차폐 (sun-shield) 및 기계적 보호물로서 역할을 한다. 커넥터 실드 (103) 가 커넥터들 (102) 을 보호하고 섬유 케이블 (101) 의 스트레인 릴리프 (strain relief) (104) 에 대한 준비물 (provision) 들을 갖는다.

도 5에서 섬유 코일 하우징 또는 센서 헤드 (13) 는 전력선 케이블들 (15) 을 위한 단자 판들 (151) 간에 수평으로 장착된다. 절연층 (152) 은 전류가 섬유 코일 (131) 외부로 흐르는 것을 방지한다. 대안의 배열체 (미도시) 에서, 섬유 코일은 절연체의 상단의 수직 포지션으로 장착될 수 있으며 전류는 코일을 수평 방향으로 지나간다.

자립형 절연체 (17) 상에 섬유 코일 하우징 또는 센서 헤드 (13) 를 장착하는 대신 하우징은 또한 고전압 회로 차단기 (breaker) 의 단자에 부착될 수 있다. 이 경우 접지에 대한 편광 유지 섬유 링크는 연면 거리를 향상시키기 위해 셰드들이 갖추어진 플렉시블 고전압 섬유 케이블로서 설계될 수도 있다. 온도 제어 분리기는 그 다음에 차단기 구동 큐비클 (drive cubicle) 내에 또는 근처의 별도의 인클로저 (enclosure) 내에 장착될 수 있다.

다른 대안으로서 섬유 코일 하우징 또는 센서 헤드 (13) 는 또한, 예를 들어 참고문헌 [9]에서 설명된 바와 같이, 회로 차단기 지원 절연체 상의 회로 차단기 내부에 장착될 수 있다. 여기서 PM 섬유 링크는 그 지지 절연체 (support insulator) 의 (위에서 개시된 바와 같은 임의의 유전성 절연 매질을 갖는) 가스 볼륨을 통해 접지까지 이어지고 기밀 섬유 피드 스루 (feed-through) 를 통해 지지 절연체를 떠난다. 온도 제어 모듈 (14) 은 다시 차단기 구동 큐비클 내에 또는 근처의 별도의 인클로저 내에 장착될 수 있다. 고전압 회로 차단기들 내에 섬유 코일 하우징 또는 센서 헤드 (13) 를 장착하는 추가의 대안들이 참고문헌 [10]에서 개시되어 있다.

다른 추가의 애플리케이션들에서, 가스 절연 고전압 스위치기어 (gas-insulated high voltage switchgear, GIS) (예를 들어 추가의 세부사항들에 대해 참고문헌 [11]을 참조), 발전기 회로 차단기들 (예를 들어 추가의 세부사항들에 대해 참고문헌 [12]를 참조), 또는 HVDC 변환소 (converter station) 의 부싱 (예를 들어 추가의 세부사항들에 대해 참고문헌 [13]을 참조) 에 대해 앞서 개시된 것들과는 동등한 센서 배열체들로 전류가 접지 전위에 대해 측정될 수도 있다. 이러한 애플리케이션들에서, 본 발명의 위의 예들에 따른 섬유 코일 (131) 및 온도 제어 통합된 광 모듈 (14) 양쪽 모두는 접지 전위 상에 장착될 수 있다. 두 개의 컴포넌트들 간의 PM 섬유 링크의 특정 고전압 절연이 이러한 애플리케이션들에서 필요하지 않다.

섬유 코일 (131) 및 통합된 광 모듈 (14) 이 분리되고 후자의 온도가 안정화되는 영향이 도 6a 및 도 6b의 비교에서 도시되는데, 그 도면들은 섬유 코일 (131) 및 모듈 (14) 양쪽 모두가 동일한 온도에 노출되는 경우 (도 6a) 및 모듈 (14) 이 본원에서 제안된 방법들에 따라 온도 안정화되는 경우 (도 6b) 에 대한 스케일 팩터 변동 대 센서 헤드 온도를 도시한다. 덧붙여서, 섬유 코일 (131) 은 (수식 (12) 를 참조하는 경우 상세히 설명되는 바와 같은) 섬유 지연기 (133) 에 의하여 온도 보상된다. -40 ℃와 85 ℃ 사이의 남아있는 스케일 팩터 변동은 약 0.5%에서부터 ±0.1%로 감소되고 따라서 계량을 위한 공통 요건들 (±0.2%) 을 충족시킨다.

언급된 바와 같이, 정규화 및 온도 안정화를 위한 위에서 설명된 방법들 중 임의의 방법이, 도 1 및 도 5에 관련하여 설명된 센서와 유사하거나 또는 상이할 수 있는 상이한 유형들의 광 센서들에 적용될 수 있다. 두 개의 검출기 채널들 간에 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하기 위한 패시브 엘리먼트를 갖는 다른 가능한 광 센서 구성의 예들이 다음에서 설명된다. 제시된 예들은 단지 대표적인 것이고 위의 방법들의 적용은 그것들에 한정되지 않는다는 것에 주의해야 한다.

도 7a에서 주어진 광섬유 전류 센서의 예에서, 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 엘리먼트는 패러데이 회전자, 특히, 감지 섬유 (131) 의 말단에 위치된 패러데이 회전 거울 (144') 이다. 패러데이 회전자 β(T)의 일반적으로 온도 의존성의 단일 패스 회전 각도는 90° + α(T) = 4β(T) 를 통해 수식 (7), (8) 에서 α(T) 양에 관련되며, 즉 최적의 민감도는 기준 온도 (T₀), 예컨대 실온에서의 β(T₀) 를 ±22.5°로 설정함으로써 달성된다. 두 개의 출력 채널들 (142, 143) 에서 위상 변이를 반대 위상의 광 파워 변화들로 변환하는 것은 편광 빔 분리기 (16) 에 의해 달성된다. 편광 빔 분리기 (16) 에서의 스트레스 및 오정렬은 수식 (7) 및 (8) 에서의 양들인 K₁(T), K₂(T) 이 1 에서 벗어나는 것과, 수식 (7) 및 (8) 에서의 η(T) 및 κ(T) 양들이 영으로부터 벗어나는 것을 낳을 수 있다.

도 7a에 도시된 센서가 동작될 수 있는 방법에 관한 두 개의 옵션들이 있다. 제 1 옵션에서 두 개의 직교 선형 편광 상태들은 PM 섬유 (132) 를 통해 감지 섬유 (131) 로 전송되고 섬유 지연기 (133) 에 의하여 섬유 감지 섬유 (131) 에 대한 입구에서 좌원 및 우원 광파들로 변환된다. 제 2 옵션에서, 편광 분리기에서 생성되는 단지 하나의 선형 편광 상태만이, PM 섬유 (132) 를 통해 그리고 더 나아가 (원형 편광으로의 변환 없이) 감지 섬유 (131) 속으로 전송된다. 전류 신호는, 도 1의 이전의 센서 실시형태에서와 동일한 방식으로 검출된 광 파워들로부터 취출될 수 있으며, 감지 섬유 (131) 로부터의 광이 빔 분리기 (16) 를 통과하는 경우에 생성되는 두 개의 신호들에 의해 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 이 형성된다. 본 발명에서 설명된 바와 같은 엘리먼트들 (16 및 144') 의 온도 안정화는 센서 신호의 온도 안정성을 개선시킨다.

패시브 광 엘리먼트들을 갖고 또한 수식 (7) 에 따른 센서 특성을 가지는 광섬유 전류 센서의 제 3 예가 다음에서 설명된다.

이 투과형 센서 구성은 도 7b에서 개략적으로 묘사된다. 선형 편광기 (141) 는 감지 섬유 (131) 속으로 주입되는 선형 편광된 광을 생성한다 (이 예에서 PM 섬유 피그테일 (132-1) 의 주축은 편광기 배향과 평행하다). 감지 섬유 (131) 에서의 자기-광 위상 변이는 편광의 회전으로서 명백해진다. 패시브 엘리먼트 (144) 를 통한 위상 바이어싱은 여기서, 제 1 선형 편광기 (141) 의 축에 대해 ±45°를 이루는 편광 빔 분리기 (16) 의 배향에 의해 달성되고 (편광 빔 분리기 (16) 의 PM 섬유 피그테일 (132-2) 의 축들은 또한, 제 1 편광기 (141) 의 축에 대하여 ±45°로 배향된다) 제 1 선형 편광기 (141) 는 또한 들어오는 광을 두 개의 직교 선형 편광 상태들로 분리한다. 두 개의 채널들 (142, 143) 에서의 검출된 광 파워는 다시 수식 (7) 및 수식 (8) 에 의해 설명되며 Δφ 는 감지 코일 (131) 이 한번만 통과되므로 이전의 예들에 비하여 2배만큼 더 작다. 선형 편광기 (141), 편광 빔, 또는 그것들의 상대 각도 배향의 불완전으로 인해 수식 (7) 및 (8) 에서의 K₁(T), K₂(T) 양들은 1로부터 벗어날 수 있고 α(T), η(T) 및 κ(T) 양들은 0으로부터 벗어날 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같은 엘리먼트 (16) 의 온도 안정화는 센서 신호의 온도 안정성을 개선시킨다.

이미 언급된 바와 같이, 본 발명의 정확도 향상들의 응용은 도 1, 도 5 및 도 7a와 도7b의 예들에서 설명된 바와 같은 광섬유 전류 센서들로 제한되지 않는데, 본 발명의 다양한 양태들이 광 위상 변이의 측정에 의존하는 다른 센서들에 또한 적용될 수도 있기 때문이다.

추가의 예시를 위해, 도 8은 위의 방법들이 적용될 수 있는 광학적 전압 센서를 묘사한다.

가령, 액티브 위상 변조를 채용하는 대응하는 구성의 일반 배열체 및 컴포넌트들은 예를 들면 참고문헌 [16] 에서 더 상세히 설명된다 (또한 참고문헌 [17, 18] 을 참조). 검출 시스템은, 위의 도 1을 참조할 때 이미 설명된 바와 같이, 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 을 채용하는 광섬유 전류 센서의 제 1 예와 대단히 동일한 컴포넌트들을 포함한다. 그러나, 감지 코일 (131) (섬유 지연기, 감지 섬유, 섬유 팁 반사체 (fiber tip reflector)) 은 원단에서는 반사체 (135) 에 의해, 그리고 근단에서는 45°패러데이 회전자 (133') 에 의해 종단되는 전기 광학 엘리먼트 (134) 에 의해 대체된다. 반사체 (135) 는, 예컨대, 거울, 반사 코팅, 반사 프리즘, 또는 코너 큐브 반사체를 사용하여 구현될 수 있다.

도 8에서 도시된 바와 같이, 측정될 전압은 전기 광학 엘리먼트 (134) 의 길이에 걸쳐 인가된다. 전기 광학 엘리먼트 (134) 는 막대 형 전기 광학 Bi3Ge4O12 (BGO) 결정 (134) 일 수 있다. 벌크 전기 광학 결정 대신, 전기 광학 섬유 (134), 이를테면 참고문헌 [19]에서 설명된 바와 같은 결정질 섬유 (134) 또는 참고문헌 [20]에서 설명된 바와 같은 전기적으로 분극된 섬유 (134) 가 사용될 수도 있다. 전기 광학 엘리먼트의 근단에 있는 패러데이 편광 회전자 (133') 는 PM 섬유 (132) 로부터 나오는 두 개의 직교 광파들을 그것들이 전기 광학 결정에 들어가기 전에 45°만큼 회전시킨다. 회전자 (133') 뒤의 편광 방향들은 결정 (134) 의 전기 광학 축들과 일치한다. 그 광은 결정 (134) 의 원단에서 반사체 (135) 에 의하여 반사된다. 두 개의 직교 광파들은 인가된 전압에 비례하는 결정 (134) 에서의 차동 전기 광학 위상 변이를 겪는다. 패러데이 회전자 (133') 는 총 왕복 편광 회전이 90°에 해당하도록 복귀하는 광파들을 또 다시 45°만큼 회전시킨다. (PM 섬유 (132) 에서의 직교 편광 상태들의 왕복 그룹 지연이 영이 되고 두 개의 파들이 편광기들 (141, 145) 에서 간섭하는 경우 그 두 개의 파들이 다시 코히어런트되도록 편광 회전이 필요하다.)

전기 광학 위상 변이는 도 1의 광섬유 전류 센서의 자기-광 위상 변이와 유사하게 추출된다. 두 개의 광 검출기 채널들 (142, 143) 에서의 광 파워 측정으로부터 신호를 취출하기 위해, 추가의 세부사항들 및 위의 예들에서 이미 논의된 바와 같은 본 발명의 정확도 향상 양태들이 광섬유 전류 센서들의 경우에서처럼 적용될 수 있다. 특히, 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 의 온도 안정화는 광섬유 전류 센서들의 경우와 유사하게 신호 안정성을 증가시킨다. 덧붙여, 도 8에서 예시된 바와 같은 전기 광학 감지 엘리먼트 (134) 대신, 참고문헌 16에서 설명된 바와 같은 전압 감지 엘리먼트의 다른 설계들이 또한 사용될 수도 있다.

본 발명의 다양한 양태들은 석영과 같은 재료들에서의 압전 효과에 기초하여 광학적 전압 센서에 유사하게 적용될 수 있다. 석영 엘리먼트(들)는 인가된 전압이 있는 데서 부착된 PM 감지 섬유를 변형 (strain) 시키고 그 결과로서 감지 섬유의 직교 편광 상태들 간에 전압의존성 위상 변이를 다시 도입한다 (추가의 세부사항들을 위해 참고문헌 [16, 7]을 참조). PM 감지 섬유는 또한 유사한 방식으로 스트레인들 또는 다른 근원의 힘들에 대한 센서로서 작용할 수도 있다.

본 발명의 현재의 바람직한 실시형태들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명은 그것으로 제한되는 것이 아니라, 이와 다르게 다음의 청구항들의 범위 내에서 다양하게 구체화 및 실시될 수도 있다는 것이 이해된다.

특히, 위에서 설명된 예들에 대한 유익한 변형들은 다음과 같다:

바람직하게는, 분리기/결합기 (140) 의 도파로들은 무시해도 될 정도의 복굴절을 초래하는 전기장 지원 이온 교환에 의해 생성된다.

바람직하게는, 분리기/결합기 (140) 의 말단 면들은 배면 반사들을 최소화하기 위하여 (예컨대 광의 전파 방향에 대해 8°를 이루게) 각도 연마 (angle-polish) 된다.

통합된 광 모듈 (14) 의 사분의 일 파장 지연기 OWR (144) 의 빠른 축 및 느린 축은 PM 섬유의 빠른 축 및 느린 축에 대해 (평행 또는 직교 정렬 대신) 45°로 배향될 수도 있다. 다음으로 지연기 후의 광은 간섭하는 광파들의 차동 위상이 변화한다면, 회전하는 편광으로 항상 선형적으로 편광된다. 위에서 논의된 바와 같은 검출기 신호들은, 두 개의 검출기 채널들에서의 편광기들이 각각 PM 섬유의 빠른 축 및 느린 축에 대해 평행하게 정렬된다면, 즉 위에서 논의된 구성들에 대해 45°만큼 회전된다면, 변화하지 않고 유지된다. 덧붙여, 이 경우 두 개의 편광 방향들이 이제 45°만큼 상이하므로, 편광기 P1 (141) 은 소스 광 및 제 1 검출기 채널 (142) 에 대해 더 이상 공통이 될 수 없다.

분리기/결합기 (140) 대신, 벌크-광 분리기가 사분의 일 파장 지연기 (144) 와 그것에 부착된 편광기들 (141,145) 과 함께 사용될 수도 있다.

섬유 코일 하우징 (13), 편광 유지 섬유 케이블 (132), 및 광 모듈 하우징 (181) 은 중복 목적을 위해 둘 이상의 섬유 코일들, 섬유들, 및 분리기들을 각각 포함할 수도 있다.

공통 광 소스 (111) 이 여러 센서 헤드들 (13) (대체로 n 개의 헤드들) 을 위해 사용될 수도 있다. 3-위상 센서 시스템을 위한 공통 소스 (111) 가 특히 관심 있다. 소스 광은 그 다음에 1xn 섬유 커플러 또는 통합된 광 1xn 분리기에 의해 개개의 센서들의 헤드들 (13) 로 분리된다.

도 2, 도 3 및 도 4에 예시된 바와 같은 신호 프로세싱 체제들은 완전히 디지털 회로들로서, 아날로그 회로들로서, 또는 혼합된 아날로그/디지털 회로들로서 구현될 수 있다.

AC 또는 과도 피측정량 필드의 온도 안정화를 위해, 통합된 광 모듈에서 온도에 대한 측정값을 도출하는데 단지 하나의 검출 채널을 사용하는 것이 가능하다.

설명된 편광 분리기 모듈의 지연기 (144) 및 스페이서 (146) 는 위상 바이어스가 감지 엘리먼트 (131) 전에 도입되도록 또한 교환될 수 있다는 것에 주의해야 한다.

본 발명에 따른 광 자기장 센서들 또는 전류 센서들에 대하여, 감지 엘리먼트는, 특수 저 복굴절 섬유들, 플린트 (flint) 유리 섬유들, 또는 스펀 (spun) 고 복굴절 섬유들, 벌크 자기-광 재료들, 이를테면 이트륨 철 가넷 결정들 또는 용융 실리카 유리 블록들, 또는 광섬유들, 도파로들, 또는 자왜 엘리먼트에 부착된 벌크 광 재료들 또는 그것들의 조합들을 포함하는, 광섬유들 또는 도파로들을 포함할 수 있다.

광 바이어스 위상 변이를 도입하는 엘리먼트의 온도 안정화의 경우, 원칙적으로 하나의 검출 채널은 AC 또는 과도 전류 측정들에 이미 충분할 수도 있다. 센서 신호는 그러면 DC 신호 성분에 의해 AC 또는 과도 검출기 신호 성분을 나눔으로써 결정된다.

참고문헌들

10: 센서
11: 광전자기기 모듈
111: 광 소스
12-1, 12-2: 검출기들
113: 신호 프로세싱 유닛
13: 센서 헤드
131: 감지 엘리먼트
101: 광섬유(들)
102: 섬유 커넥터들
14: 통합된 편광 분리기 모듈
140: 1x3 분리기/결합기
141: 편광기
132: PM 섬유
133: 사분의 일 파장 (섬유) 지연기
133': 패러데이 회전자
135: 반사체
142, 143: 광 검출 채널들
144: 사분의 일 파장 지연기 판 (QWR)
144': 패러데이 회전 거울
145: 편광기
146: 스페이서
FFT: 고속 푸리에 변환 유닛
LFP (n): 저역 필터 (n)
HFP (n): 고역 필터 (n)
+: 가산기
-: 감산기
/: 제산기
R: 정류기
A: 진폭 비
16: 편광 빔 분리기
134: 전기 광학 엘리먼트
15: 도체
151: 단자 판들
152: 절연층
17: 전기 절연체
171: 절연체 플랜지(들)
172: 절연층
18: 단열 하우징
181: 가열 포일 저항체
182: 외부 하우징
103: 커넥터 실드
104: 스트레인 릴리프

Claims

감지 엘리먼트 (131, 134) 에서의 피측정량 필드에 의해 유도된 광파들의 두 개의 세트들 간의 광 위상 변이를 검출하는 방법으로서,
- 광 소스 (111) 으로부터 상기 감지 엘리먼트 (131, 134) 를 통해, 비소멸 피측정량 필드의 존재시 상기 감지 엘리먼트 (131, 134) 내에서 상이한 속도들을 갖는 상기 광파들의 두 개의 세트들을 통과시키는 단계;
- 상기 광파들의 두 개의 세트들 간에 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 단계;
- 상기 정적 바이어스 광 위상 변이와 상기 피측정량 필드에 의해 유도된 상기 광 위상 변이를 포함하는 총 광 위상 변이를 적어도 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 에서 반대 부호들 (역위상) 의 광 파워 변화들로 변환하는 단계;
- 상기 적어도 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 에서의 광 파워를 전기 검출기 신호들로 변환하는 단계;
- 상기 피측정량 필드의 부재시 동일한 광 평균 출력에 대응하는 정규화된 검출기 신호들을 산출하기 위해 상기 적어도 두 개의 검출 채널들 (142, 143) 의 전기 검출기 신호들로부터 스펙트럼 성분들을 필터링하고 상기 스펙트럼 성분들 또는 그것들로부터 도출된 정규화 파라미터와 적어도 하나의 검출기 신호를 결합하는 단계;
- 총 광 위상 변이에는 의존적이지만 상기 광 소스의 세기와 상기 적어도 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 에서의 상이한 손실 또는 상이한 이득에는 본질적으로 독립적인 센서 신호를 산출하기 위해 상기 정규화된 검출기 신호들을 포함하는 상기 적어도 두 개의 검출 채널들의 검출기 신호들을 결합하는 단계를 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 광파들의 두 개의 세트들은 두 개의 상이한 편광 상태들, 특히 두 개의 직교 선형 편광 상태들 또는 좌원 및 우원 편광된 상태들을 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 정적 바이어스 광 위상 변이는 약 (2n + 1) x 90°이며, 특히 (2n + 1) x 90° ± 20° 이내 또는 (2n + 1) x 90 ± 5° 이내이며, n은 임의의 정수인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 정적 바이어스 광 위상 변이는 적어도 하나의 사분의 일 파장 지연기 (144) 또는 패러데이 회전자 (144') 를 사용하여 도입되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 엘리먼트는 전류 또는 자기장 감지 엘리먼트 (131) 또는 전압 또는 전기장 감지 엘리먼트 (134) 인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 전류 감지 엘리먼트 (131) 는 도전체 (15) 둘레에 루프화된 광섬유 (131) 인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 전기장 또는 전압 감지 엘리먼트 (134) 는 전기 광학 결정 (134) 또는 결정질 또는 분극 (poled) 전기 광학 섬유 (134) 인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 편광 엘리먼트들 (141, 145, 16) 이 반대 부호들 (역위상) 을 갖는 광 파워 변화들을 생성하기 위해 사용되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터링된 스펙트럼 성분들은 검출기 신호들의 AC 또는 과도 콘텐츠인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 필터링된 AC 스펙트럼 성분들은 시간 평균화되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 10 항에 있어서,
고속 푸리에 변환 (FFT) 과 저역 필터 (LPF, LPF1) 가 시간 평균된 AC 스펙트럼 성분들을 필터링하는데 사용되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
일련의 고역 필터 (HPF1), 정류기 (R), 및 저역 필터 (LPF) 가 시간 평균된 AC 스펙트럼 성분들을 필터링하는데 사용되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터링된 스펙트럼 성분들은 피측정량 필드의 공칭 주파수 주위의 범위에, 특히 45 Hz 내지 65 Hz의 범위에 있는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 필터링된 스펙트럼 성분들에 대한 진폭 임계값이 설정되고, 상기 임계값 또는 상기 임계값으로부터 도출된 정규화 파라미터 미만의 필터링된 스펙트럼 성분들은 디폴트 값들에 의해 또는 저역 필터링된 신호 성분들에 의해 대체되는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 잇어서,
상기 필터링된 스펙트럼 성분들은 검출기 신호들의 저역 필터링을 통해 도출되는 검출된 신호들의 DC 또는 서서히 변하는 콘텐츠인, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결합하는 단계 후에 상기 신호에 고역통과 필터 (HPF, HPF2) 를 적용하는 단계를 더 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 엘리먼트의 및/또는 추가의 패시브 컴포넌트들 (14, 16, 141, 144, 144', 145) 의 온도 의존성을 보상하는 단계를 더 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
특히 정적 광 바이어스 위상 변이를 고려하는 것에 의한, 센서 신호 특성들의 선형화를 더 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
특히, 상기 센서 신호로부터 상기 정적 바이어스 위상 변이를 나타내는 추가 신호를 도출하는 단계를 더 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 19 항에 있어서,
상기 정적 광 위상 바이어스를 나타내는 신호를 도출하는 단계는, 상기 센서 신호를 총 위상 변이 채널 및 정적 바이어스 위상 변이 채널로 분리하는 단계와 상기 정적 바이어스 위상 변이 채널에 저역 필터 (LPF2) 를 적용하는 단계를 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
상기 정적 바이어스 위상 변이는, 상기 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 컴포넌트들 (14, 144, 144') 의 및/또는 감지 엘리먼트 (131, 134) 의 온도를 나타내는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 21 항에 있어서,
통합된 편광 분리기 모듈 (14) 에 의해 및/또는 상기 감지 엘리먼트 (131, 134) 에 의해 유발된 상기 센서 신호의 온도 의존성을 보상하기 위해 상기 정적 바이어스 위상 변이를 사용하는 단계를 더 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
제 19 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 엘리먼트 (131) 에 커플링된 지연기 (133) 에 의해 제공된 추가의 온도 보상을 포함하는, 광 위상 변이를 검출하는 방법.
둘 이상의 검출기들 (12-1, 12-2) 에 의해 측정되는 신호들의 각각을 위한 입력들과 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 필터들 (FFT, HPF, LPF, LPF1, LPF2, HPF1, HPF2) 및 추가의 컴포넌트들 (R, X, /, +, -) 을 갖는, 신호 프로세싱 유닛.
특히 제 24 항의 신호 프로세싱 유닛을 포함하는 광섬유 전류 또는 자기 또는 전압 또는 전기장 센서 (10) 로서,
적어도 광 소스 (111) 과 적어도 하나 또는 두 개의 광 검출기(들) (12-1, 12-2),
감지 엘리먼트 (131, 134) 에게 광에 대한 순방향 채널을 제공하는 하나의 채널과 검출기(들) (12-1, 12-2) 에게 광에 대한 복귀 검출기 채널(들)을 제공하는 하나 또는 두 개의 채널(들) (142, 143) 을 갖는 적어도 두 개 또는 세 개의 광 투과 채널들,
비소멸 피측정량 필드의 존재시 상기 감지 엘리먼트 (131, 134) 내에서 상이한 속도들을 갖는 광파들의 두 개의 상이한 세트들 간의 정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하고, 상기 정적 바이어스 광 위상 변이와 피측정량 필드에 의해 유도된 광 위상 변이를 포함하는 총 광 위상 변이를 두 개의 검출기 채널들 (142, 143) 의 경우에 반대 부호들 (역위상) 의 광 파워의 변화들로 변환하는 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (14, 16, 141, 144, 144', 145), 및
상기 감지 엘리먼트 (131, 134) 에 적어도 하나의 지연기 (133) 또는 패러데이 회전자 엘리먼트를 통해 간접적으로 또는 직접적으로 연결되는 편광 유지 (PM) 섬유 (132) 를 포함하며,
상기 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (14, 16, 141, 144, 144', 145) 중 적어도 부분들은 상기 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (14, 16, 141, 144, 144', 145) 에 제어된 온도 환경을 제공하는 온도 안정화 유닛 (181) 과는 열 접촉하는, 센서.
제 25 항에 있어서,
하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (14, 16, 141, 144, 145) 은 접지 전위에 있고,
상기 PM 섬유 (132) 는 접지 전위로부터 상기 접지 전위와는 상이한 감지 엘리먼트 (131, 134) 의 전위로의 광학적 연결을 제공하는, 센서.
제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
정적 바이어스 광 위상 변이를 도입하는 상기 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (144) 과 총 광 위상 변이를 변환하는 상기 하나 이상의 패시브 광 엘리먼트들 (141, 145) 은, 광 소스/검출기 측의 적어도 세 개의 포트들과 상기 감지 엘리먼트 측의 하나의 포트를 갖는 통합된 편광 분리기 모듈 (14) 에서 결합되며, 상기 감지 엘리먼트 측의 상기 포트는 상기 PM 섬유 (132) 에 연결되는, 센서.
제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 PM 섬유 (132) 는 절연체 컬럼, 특히 중공 절연체 컬럼 (17) 내부를 통과하는, 센서.
제 28 항에 있어서,
상기 절연체 컬럼 (17) 은 상기 PM 섬유 (132) 를 둘러싸는 절연 유체 또는 겔로 채워진 중공 절연체이며,
상기 절연 유체 또는 겔은 옵션으로 실리콘 또는 압축가능 충전제 재료를 갖는 실리콘, 또는 가스를 포함하며, 옵션으로 질소 또는 육플루오린화 황 (SF₆) 을 포함하며;
또는 상기 절연 유체 또는 겔은 유전성 절연 유체 혼합물 또는 유기불소 화합물을 포함하는 가스 혼합물을 포함하며, 그러한 유기불소 화합물은, 플루오로-에테르, 옥시란, 플루오로아민, 플루오로케톤, 플루오로올레핀, 및 그것들의 혼합물들 및/또는 분해 생성물들로 이루어진 그룹으로부터 선택되며, 특히 더구나 상기 절연 유체 또는 겔은 상기 유기불소 화합물과는 상이한 배경 가스 또는 운반 가스를 포함하고 공기, N₂, O₂, CO₂, 영족 기체, H₂; NO₂, NO, N₂O; 플루오로카본들과 특히 퍼플루오로카본들, 이를테면 CF₄; CF₃I, SF₆; 및 그것들의 혼합물들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 센서.
제 25 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 온도 안정화 유닛 (181) 은 적어도 하나의 자기조절 가열 저항체, 특히 적어도 하나의 자기조절 가열 저항체 포일을 포함하는, 센서.
제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
감지 엘리먼트는 도체 (15) 둘레에 루프화되고 작동 중에 상기 도체에서 전류의 자기장에 노출되는 감지 섬유 (131) 를 포함하는, 센서.
제 25 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서,
DC 전류를 측정하기 위한 센서인, 센서.
제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 감지 엘리먼트는 전기-광학 결정 (134) 또는 전기 광학 섬유 (134) 또는 압전 재료에 부착된 광섬유를 포함하는, 센서.