WO2002004963A1 - Faseroptischer stromsensor - Google Patents

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WO2002004963A1
WO2002004963A1 PCT/CH2001/000415 CH0100415W WO0204963A1 WO 2002004963 A1 WO2002004963 A1 WO 2002004963A1 CH 0100415 W CH0100415 W CH 0100415W WO 0204963 A1 WO0204963 A1 WO 0204963A1
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WO
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fiber
current sensor
waves
phase
branch
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PCT/CH2001/000415
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Inventor
Klaus Bohnert
Original Assignee
Abb Research Ltd
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Publication date
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Priority to US10/332,504 priority patent/US7075286B2/en
Priority to EP01942947A priority patent/EP1299736A1/de
Priority to AU2001265738A priority patent/AU2001265738A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/247—Details of the circuitry or construction of devices covered by G01R15/241 - G01R15/246

Definitions

  • the invention relates to a fiber optic current sensor with a reflection interferometer according to the preamble of patent claim 1, a method for setting an operating point in such a current sensor according to the preamble of patent claim 9 and a method for current measurement by means of such a current sensor according to the preamble of patent claim 13.
  • a generic fiber optic current sensor is described in DE-A-4,224,190 and G. Frosio et al., "Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Applied Optics, Vol. 33, No. 25, page 6111 -6122 (1994), which has a coil-shaped, magneto-optically active sensor fiber which surrounds a current conductor, is mirrored at one end, and at the other end it is connected via a phase delay element to a polarization-maintaining optical feed fiber, via which yourself Lets light into or out of the sensor fiber.
  • the feed fiber propagates optical waves that are orthogonally linearly polarized to one another.
  • these are converted into two circularly polarized waves before entering the sensor coil, the two circularly polarized waves having an opposite direction of rotation. After passing through the sensor coil, the two circular waves are reflected at the end of the coil, whereby they run back through the coil with the polarity sense reversed.
  • the circular waves are converted back into orthogonal linearly polarized waves when they exit the coil in the phase retarder and are guided to a detection system via the feed fiber.
  • the directions of polarization of the returning orthogonal waves are reversed compared to the forward-running waves.
  • the phase shift caused by the current can be detected by causing the two reflected linearly polarized waves to interfere in a polarizer connected to the feed fiber.
  • Interference function This is done by means of a modulation unit with a phase modulator, which birefringence in the supply tion fiber and thus a differential phase of the two waves changed. Since both forward and reverse waves pass through the same phase modulator, it must oscillate at a frequency adapted to the round trip time of the waves in order to non-reciprocally modulate the differential phase of the two interfering waves. Without the modulation unit, the phase difference between the two interfering waves would be zero.
  • the modulation frequency ideally corresponds to the inverse value of twice the circulation time of the light in the interferometer.
  • the frequency of the modulation is typically in the range between 100 kHz and a few MHz and is determined, among other things, by the length of the fiber connection to the sensor fiber, that is to say the feed fiber.
  • the current-induced phase shift can be determined by suitable demodulation.
  • the demodulation techniques are the same which are used for fiber-optic gyroscopes and which are described, for example, in RA Bergh et al, "An Overview of fiber-optic gyroscopes", J. Lightwave Technol. 2, 91'107 (1984) essentially between open-loop and closed-loop configurations.
  • forward and backward waves propagate on part of their route in two separate fiber segments, with at least one of these fiber segments being operatively connected to a means for phase shifting.
  • the known phase modulators are suitable as such means. Thanks to the two segments, a back and forth wave was only influenced once by the same modulator. It is thus possible to use a quasi-static modulator to set the operating point in the
  • Another advantage of the current sensor according to the invention is that the length of the polarization-maintaining fiber no longer has to be adapted to the modulation frequency, but can be selected arbitrarily. There is practically no lower limit for the length of the feed fiber, which in turn can save costs.
  • FIG. 1 shows a fiber optic current sensor according to the invention
  • FIG. 2 shows a graphic representation of an operating point setting in a quasi-static phase control
  • FIG. 3 shows a detector and a modulation unit of the current sensor according to the invention in accordance with a first embodiment of the invention
  • Figure 4 shows a detector of the current sensor according to the invention according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a fiber optic current sensor according to the invention with a reflection interferometer.
  • a sensor fiber 1 is wound in a coil shape around a current conductor L. It preferably has a round core cross section and is preferably made of quartz glass.
  • a first end of the sensor fiber 1 is connected to a fiber optic feed line 2.
  • a second end is provided with a reflector 10.
  • the reflector 10 is formed by mirroring the second fiber end.
  • the feed line 2 is at least partially birefringent and thus polarization-maintaining. It preferably has an elliptical core cross section to produce the birefringence. However, the use of a stress-induced birefringent fiber is possible.
  • the connection of the feed line 2 to the sensor fiber 1 takes place via a phase delay element 3, a ⁇ / 4 phase delay fiber segment preferably being used for this.
  • a light source 4 the light of which is transmitted through the fibers.
  • Particularly suitable as the light source are those with a small coherence length, in particular a superluminescent diode, a laser diode operated below the laser threshold, an LED or a broadband fiber light source.
  • the sensor has a detector 5, which detects light propagated by the sensor fiber and brought to interference. This detector 5 is connected via detector signal lines 50 to a signal processor 6 which transmits the sensor signal via a sensor signal line 60 to evaluation electronics (not shown).
  • the feed line 2 has two polarization-maintaining fiber branches 20, 20 '.
  • Fiber segments with an elliptical core are particularly suitable as fiber branches 20, 20 '.
  • the fiber branches 20, 20 ' have at least approximately the same optical length, that is to say they are the same within the coherence length of the light source 4.
  • the optical path differences, which accumulate two modes or waves propagating in different fiber branches, are thus identical.
  • the two fiber branches are connected in parallel and connected to one another in the region of their sensor-side ends via a polarization-maintaining coupler 8.
  • the coupler 8 is a fiber coupler with an elliptical core, its axes being arranged such that they lie parallel to the axes of the fiber branches 20, 20 '.
  • the two fiber branches 20, 20 ' are preferably connected to the coupler in such a way that the directions of the linear polarizations of the forward (branch 20) and the returning (branch 20') waves are mutually interchanged with respect to the fiber axes.
  • An optical wave which oscillates in the first branch 20 parallel to the long core axis, oscillates in the second branch 20 'parallel to the short axis and vice versa.
  • the first fiber branch, the feed branch 20, is operatively connected to the light source 4 at its other end.
  • the second fiber branch, the detection branch 20 ', is operatively connected to the detector 5.
  • the feed branch 20 is connected to a polarizer 21 in the transition to the light source 4.
  • the polarizer 21 is preferably directed such that its polarization directions lie at 45 ° to the main axes of the fiber branch 20.
  • a fiber polarizer 21 is used, which over a 45 ° - Splice 21 'is connected to the feed branch 20, but the use of other polarizers is possible.
  • the fiber branches 20 also preferably have a decoherence element 22 of length 1.
  • This decoherence element 22 generates a differential optical path difference in the forward-traveling waves propagating in the feed branch 20, which is longer than the coherence length of the light source 4. This prevents disruptive effects due to mode coupling in the means for phase shift 7,7 'described below.
  • a modulator is located in the branch 20 ', it is preferably arranged at least a distance of length 1 in front of the fiber end or the detector 5.
  • At least one of the two fiber branches 20, 20 ' is operatively connected to a phase shift unit.
  • the phase shift unit actually corresponds to the known phase modulation unit and essentially consists of the signal processor 6 described above and at least one phase modulator 7, 7 'connected to it via a modulation signal line 61.
  • the at least one phase modulator 7, 7 ' is not used in the known manner for modulating the phase difference, but rather serves as a means for the quasi-stationary phase shift.
  • a piezo-electric modulator is preferably used as the phase modulator 7, part of the respective fiber branch 20, 20 'being wound around a piezo-electric body of the modulator 7.
  • only one of the two fiber branches is
  • Fiber branch is arbitrary. In the exemplary embodiment shown here, however, each fiber branch 20, 20 'is operatively connected to a phase modulator 7, 7'.
  • a forward-running optical wave which is emitted by the light source 4, is linearly polarized in the polarizer 21 and is coupled via the 45 ° splice as two mutually orthogonal polarizations into the polarization-maintaining feed fiber 2, here in the feed branch 20.
  • the two polarizations are also referred to below as two orthogonal linearly polarized waves.
  • the decoherence element 22 of the feed fiber 2 has a coherence-damaging effect on the wave and generates in the two propagating orthogonal polarizations a differential optical path difference which is significantly longer than the coherence length of the light source 4.
  • the orthogonal polarizations of the forward-running wave pass through the area of influence of the first modulator 7 and pass through the coupler 8 and via a further polarization-maintaining fiber segment 23 of the feed line 2 to the phase delay element 3.
  • the orthogonally polarized waves are converted into two left and right circularly polarized waves, as shown in Figure 1.
  • the circular waves pass through the sensor fiber 1, are reflected at the end of the coil 10, swap their polarization states, run back through the coil and are converted back into orthogonally linearly polarized waves in the ⁇ / 4 retarder, the polarization of which is now perpendicular to the polarization of the corresponding waves Forward direction stands.
  • the total differential phase difference of the leading and returning waves, in the event that the branches 20, 20 'have at least approximately the same optical length, is therefore zero at the fiber end on the detector side in the event that no current flows through the current conductor S and is not equal to zero, when a current flows.
  • the returning waves are passed through the coupler 8 and the detector branch 20 ', brought to interference in the detector 5, and interference signals arising thereby are detected.
  • the differential phase of the orthogonal polarizations is checked by means of a quasi-stationary phase control and thus a suitable operating point is set.
  • a quasi-stationary phase control is known from DA Jackson et al, "Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber", Applied Optics, vol. 19, No. 17, 1980, where they is used in a fiber optic Mach-Zehnder interferometer
  • ⁇ is the combined phase difference that the waves propagated by the current sensor have accumulated in the two separate fiber branches.
  • ⁇ , and ⁇ 2 are the
  • Phase differences in the two branches In the event that the two fiber branches have the same optical length, in the de-energized state and owing to the reverse polarization, ⁇ is equal to - ⁇ 2 .
  • either phases of the orthogonal polarizations of the forward and / or the backward waves can be checked.
  • the setting of the operating point, the control of the phase difference and the signal detection are carried out by dividing the forward and backward waves onto the two separate fiber branches 20, 20 '.
  • the detector 5 used for this and the modulation unit are described in more detail below with reference to FIG. 3.
  • the returning orthogonal, linearly polarized waves pass through the detection branch 20 'into the detector 5.
  • This has a preferably polarization-insensitive beam splitter 51, which splits the light preferably in a ratio of 1: 1.
  • Each of the two resulting pairs of orthogonal waves is brought to interference in a polarizer 52, which acts as an analyzer, and the resulting light I + and I are each detected in a photodiode 53.
  • the analyzers 52 are oriented at an angle of + 45 ° with respect to the fiber axes of the detection branch 20 ', specifically in such a way that their own transmission directions are perpendicular to one another.
  • I ⁇ I 0 (l ⁇ Kcos ( ⁇ + ⁇ ))
  • I 0 is the light intensity in the quadrature point and K is the visibility of the interference fringes.
  • the difference between these two photodiode signals is formed in a subtraction element 62 of the signal processor 6 and fed to a quadrature control 64.
  • This quadrature control 64 regulates the phase modulator (s) in such a way that the difference in the currentless state and without external influences is zero. In this case the quadrature point Q is reached.
  • This regulation is carried out quasi-statically, that is, it is always regulated to the quadrature point, the voltage value in the event of any drift of the operating point or in the case of slow phase changes induced by external influences. shifts is adjusted.
  • a quadrature control 64 with a small frequency bandwidth, for example of 5 Hz, is sufficient for this.
  • the alternating phase modulation which is caused by an alternating current to be measured in the current conductor S, is also additionally compensated.
  • This compensation is a dynamic, closed-loop control.
  • the voltage generated by the " quadrature control and applied to the modulators 7, 7 'simultaneously serves as the output signal of the sensor.
  • the signal processor also has an addition element 63 and a division element 65 for measuring the current flowing through the current conductor L.
  • the difference between the signals I + I obtained at constant light intensity is proportional to the current.
  • the sum of the two signals is proportional to the light intensity.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the current sensor according to the invention, or its modulation unit.
  • the current sensor or its modulation unit.
  • Each of the two reverse waves has thus experienced a reflection and a transmission in the beam splitters.
  • This arrangement has the advantage that both waves have the same variations in the properties of the beam splitters experience which are caused by aging processes, temperature fluctuations and other external influences.
  • a detection signal can be obtained which is independent of the stability of the modulator and its modulation unit.
  • an integrated optical element can also be used as a coil-shaped optical sensor.
  • the coil can consist of a single turn in the fiber optic as well as in the integrated optical design.
  • a polarizing beam splitter can also be used instead of a polarization-insensitive beam splitter and the two analyzers.

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Abstract

Ein optischer Stromsensor mit einem Reflexionsinterferometer (1, 10) weist in seiner faseroptischen Zuleitung (2) einen polarisationserhaltenden ersten Faserzweig (20) für zwei vorwärtslaufende orthogonal polarisierte Wellen und einen polarisationserhaltenden zweiten Faserzweig (20') für zwei rückwärtslaufende orthogonal polarisierte Wellen auf. Dabei sind die zwei Faserzweige (20, 20') über einen sensorseitigen Koppler (8) miteinander verbunden. Der erste Faserzweig (20) ist mit einer Lichtquelle (4) und der zweite Faserzweig (20') mit dem Detektor (5) verbunden. Mit mindestens einem der Faserzweige (20, 20') ist ein Mittel zur Phasenverschiebung (7) wirkverbunden. Dadurch lässt sich eine quasi-statische Kontrolle des Phasenunterschiedes der Wellen erreichen, so dass an die Mittel zur Phasenverschiebung geringere Anforderungen gestellt werden können als an die üblicherweise bei derartigen Stromsensoren verwendeten Phasenmodulatoren und Signalprozessoren.

Description

Faseroptischer Stromsensor
B E S C H R E I B U N G
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf einen faseroptischen Stromsensor mit einem Reflexionsinterferometer gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1, einem Verfahren zur Einstellung eines Arbeitspunktes in einem derartigen Stromsensor gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 9 und einem Verfahren zur Strommessung mittels eines derartigen Stromsensors gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 13.
Stand der Technik
Ein gattungsgemässer faseroptischer Stromsensor ist aus DE-A-4'224'190 und G. Frosio et al., „Reciprocal reflection interferometer for a fiber-optic Faraday current sensor", Applied Optics, Vol. 33, No. 25, Seite 6111-6122 (1994) bekannt. Er weist eine spulenförmig gewickelte, magneto-optisch aktive Sensorfaser auf, welche einen Stromleiter umschliesst. An einem Ende ist die Sensorfaser verspiegelt, am anderen Ende ist sie über ein Phasenverzögerungselement mit einer polarisationserhaltenden optischen Zuleitungsfaser verbunden, über welche sich Licht in die Sensorfaser ein- beziehungsweise auskoppeln lässt. Die Zuleitungsfaser propagiert dabei zueinander orthogonal linear polarisierte optische Wellen. Mit Hilfe eines faseroptischen Phasenverzögerers werden diese vor Eintritt in die Sensorspule in zwei zirkulär polarisierte Wellen umgewandelt, wobei die zwei zirkulär polarisierten Wellen einen zueinander entgegengesetzten Drehsinn aufweisen. Nach Durchlaufen der Sensorspule werden die zwei zirkulären Wellen am Ende der Spule reflektiert, wobei sie mit vertauschtem Polarisationssinn durch die Spule zurücklaufen.
Fliesst nun ein Strom durch den Stromleiter, so bewirkt das magnetische Feld des Stroms eine differentielle Phasenverschiebung zwischen den beiden zirkulären optischen Wellen. Dieser Effekt wird magneto-optischer oder Faraday-Effekt genannt. Durch das zweimalige Durchlaufen der Spule akkumulieren die Wellen eine differentielle Phasenverschiebung von ΔΦs = 4 V N I, wobei V die Verdet- Konstante der Faser, N die Anzahl der Faserwindungen in der Spule und I den Strom durch den Stromleiter bezeichnet.
Die zirkulären Wellen werden beim Austritt aus der Spule im Phasenverzögerer wieder in orthogonale linear polarisierte Wellen verwandelt und über die Zu- leitungsfaser zu einem Detektionssystem geführt. Die Polarisationsrichtungen der zurücklaufenden orthogonalen Wellen sind im Vergleich zu den vorwärtslaufenden Wellen vertauscht. Die durch den Strom verursachte Phasenverschiebung lässt sich detektieren, indem die zwei reflektierten linear polarisierten Wellen in einem an die Zuleitungsfaser anschliessenden Polarisator zur Interferenz gebracht werden.
Um ein nutzbares Interferenzsignal zu erreichen muss der effektive
Arbeitspunkt des Interferometers in einen linearen Bereich einer cos-förmigen
Interferenzfunktion gebracht werden. Dies erfolgt mittels einer Modulations- einheit mit einem Phasenmodulator, welcher die Doppelbrechung in der Zulei- tungsfaser und somit eine differentielle Phase der beiden Wellen verändert. Da sowohl vor- wie auch rückwärtslaufende Wellen denselben Phasenmodulator passieren, muss dieser mit einer an die Umlaufzeit der Wellen angepassten Frequenz schwingen, um die differentielle Phase der beiden interferierenden Wellen nicht-reziprok zu modulieren. Ohne Modulationseinheit wäre der Phasenunterschied der zwei interferierenden Wellen gleich Null.
Die Modulationsfrequenz entspricht idealerweise dem inversen Wert der doppelten Umlaufzeit des Lichts im Interferometer. Die Frequenz der Modula- tion liegt typischerweise im Bereich zwischen 100 kHz und einigen MHz und wird unter anderem durch die Länge der Faserverbindung zur Sensorfaser, das heisst der Zuleitungsfaser, bestimmt.
Durch geeignete Demodulation lässt sich die strominduzierte Phasenver- Schiebung bestimmen. Die Demodulationstechniken sind dieselben, welche für faseroptische Gyroskope benutzt werden und welche beispielsweise in R. A. Bergh et al, „An Overview of fiber-optic gyroscopes", J. Lightwave Technol. 2, 91'107 (1984) beschrieben sind. Man unterscheidet dabei im wesentlichen zwischen open-loop und closed-loop Konfigurationen.
Damit der faseroptische Stromsensor in der Praxis einsatzfähig ist, benötigt er eine gute Langzeitstabilität. Leider weisen einfache Modulationseinheiten, beispielsweise solche mit piezoelektrischen Modulatoren, einen Drift in ihrer Amplitude auf, z.B. infolge von Temperaturänderungen. Im Stand der Technik werden deshalb relativ teure, möglichst stabile Modulationseinheiten verwendet, welche integriert optische Modulatoren oder Mittel zur Kompensation von Amplitudenschwankungen aufweisen. Derartige Mittel sind beispielsweise Messmittel zur Bestimmung der Amplitude der Phasenmodulation, um sie mittels eines zusätzlichen Regelkreises konstant zu halten. Diese Mittel führen jedoch zu einem komplizierten Aufbau des Sensors und erhöhen somit die Kosten.
Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen faseroptischen Stromsensor in einer Reflextionskonfiguration zu schaffen, welcher eine gute Langzeitstabilität auf- weist, ohne zu hohe Anforderungen an die Modulationseinheit, insbesondere an deren Auswerteelektronik zu stellen.
Diese Aufgabe löst ein faseroptischer Stromsensor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1, ein Verfahren zur Einstellung eines Arbeitspunktes in einem derartigen Stromsensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 und ein Verfahren zur Strommessung mittels eines derartigen Stromsensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13.
Im erfmdungsgemässen Stromsensor propagieren vor- und rückwärtslaufende Wellen auf einem Teil ihrer Strecke in zwei getrennten Fasersegmenten, wobei mit mindestens einem dieser Fasersegmente ein Mittel zur Phasenverschiebung wirkverbunden ist. Als derartiges Mittel sind die bekannten Phasenmodulatoren geeignet. Dank der zwei Segmente wurde eine hin- und zurückgelaufene Welle nur einmal von demselben Modulator beeinflusst. Es ist somit möglich, mit einem quasi-statisch betriebenen Modulator den Arbeitspunkt in den
Quadraturpunkt zu schieben und zusätzlich nicht strominduzierte, beispielsweise durch Temperaturänderungen hervorgerufene Schwankungen in der Phasendifferenz zweier gleichlaufender Wellen zu kompensieren. Hierfür reicht ein Modulator mit einem kleinen Frequenzband, beispielsweise von circa 5 Hz, aus. Vorteilhaft am erfindungsgemässen Stromsensor ist ferner, dass die Länge der polarisationserhaltenden Faser nicht mehr an die Modulationsfrequenz ange- passt sein muss, sondern willkürlich wählbar ist. Es gibt praktisch keine untere Grenze mehr für die Länge der Zuleitungsfaser, wodurch wiederum Kosten gespart werden können.
In einer Variante des erfindungsgemässen Verfahrens werden nicht nur tempe- ratur- und durch andere Einflüsse induzierte Phasenverschiebungen quasi-sta- tisch kompensiert, sondern es wird auch eine dynamische Modulation verwendet, welche mit einer dem zu messenden Wechselstrom entsprechenden Frequenz erfolgt. Dies lässt sich mit demselben Modulator durchführen oder mit einem zweiten Modulator. Im zweiten Fall ist der zweite Modulator vorzugsweise im anderen Faserzweig angeordnet.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen faseroptischen Stromsensor gemäss der Erfindung;
Figur 2 eine graphische Darstellung einer Arbeitspunkteinstellung in einer quasi-statischen Phasenkontrolle; Figur 3 einen Detektor und eine Modulationseinheit des erfindungsgemässen Stromsensors gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung und
Figur 4 einen Detektor des erfindungsgemässen Stromsensors gemäss einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemässen faseroptischen Stromsensor mit einem Reflexionsinterferometer. Eine Sensorfaser 1 ist spulenförmig um einen Stromleiter L gewickelt. Sie weist vorzugsweise einen runden Kernquerschnitt auf und ist vorzugsweise aus Quarzglas gefertigt. Ein erstes Ende der Sensorfaser 1 ist mit einer faseroptischen Zuleitung 2 verbunden. Ein zweites Ende ist mit einem Reflektor 10 versehen. Im allgemeinen ist der Reflektor 10 durch eine Verspie- gelung des zweiten Faserendes gebildet. Die Zuleitung 2 ist mindestens abschnittsweise doppelbrechend und damit polarisationserhaltend ausgebildet. Vorzugsweise weist sie zur Erzeugung der Doppelbrechung einen elliptischen Kernquerschnitt auf. Die Verwendung einer stress-induzierten doppelbrechenden Faser ist jedoch möglich. Die Verbindung der Zuleitung 2 mit der Sensorfaser 1 erfolgt über ein Phasenverzögerungselement 3, wobei hierfür vorzugsweise ein λ/4-Phasenverzögerungs-Fasersegment eingesetzt ist.
Ferner ist eine Lichtquelle 4 vorhanden, deren Licht durch die Fasern übermittelt wird. Als Lichtquelle eignen sich insbesondere solche mit einer kleinen Kohärenzlänge, insbesondere eine Superlumineszenzdiode, eine unter der Laserschwelle betriebene Laserdiode, eine LED oder eine breitbandige Faserlichtquelle. Der Sensor verfügt über einen Detektor 5, welcher durch die Sensorfaser propagiertes und zur Interferenz gebrachtes Licht detektiert. Dieser Detektor 5 ist über Detektorsignalleitungen 50 mit einem Signalprozessor 6 verbunden, welcher das Sensorsignal über eine Sensorsignalleitung 60 an eine nicht dargestellte Auswerteelektronik übermittelt.
Erfindungsgemäss weist die Zuleitung 2 zwei polarisationserhaltende Faserzweige 20,20' auf. Als Faserzweige 20,20' eignen sich insbesondere Fasersegmente mit einem elliptischen Kern. Die Faserzweige 20,20' weisen mindestens annähernd dieselbe optische Länge auf, das heisst sie sind innerhalb der Kohärenzlänge der Lichtquelle 4 gleich. Die optischen Wegunterschiede, welche zwei in unterschiedlichen Faserzweigen propagierende Moden oder Wellen akkumulieren, sind somit identisch. Die zwei Faserzweige sind parallel geschaltet und im Bereich ihrer sensorseitigen Enden über einen polarisationserhaltenden Koppler 8 miteinander verbunden. Im hier dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Koppler 8 ein Faserkoppler mit einem ellipti- sehen Kern, wobei seine Achsen so angeordnet sind, dass sie parallel zu den Achsen der Faserzweige 20,20' liegen. Es ist jedoch auch möglich, andere Arten von Kopplern zu verwenden. Die zwei Faserzweige 20,20' sind vorzugsweise so mit dem Koppler verbunden, dass die Richtungen der linearen Polarisationen der vorwärts (Zweig 20) und der zurücklaufenden (Zweig 20') Wellen bezüglich der Faserachsen gegenseitig vertauscht sind. Eine optische Welle, welche im ersten Zweig 20 parallel zur langen Kernachse schwingt, schwingt im zweiten Zweig 20' parallel zur kurzen Achse und umgekehrt.
Der erste Faserzweig, der Zuleitungszweig 20 ist an seinem anderen Ende mit der Lichtquelle 4 wirkverbunden. Der zweite Faserzweig, der Detektionszweig 20', ist mit dem Detektor 5 wirkverbunden.
Der Zuleitungszweig 20 ist im Übergang zur Lichtquelle 4 mit einem Polarisator 21 verbunden. Vorzugsweise ist der Polarisator 21 so gerichtet, dass seine Polarisationsrichtungen unter 45° zu den Hauptachsen des Faserzweig 20 liegen. In diesem Beispiel ist ein Faserpolarisator 21 eingesetzt, welcher über einen 45°- Spleiss 21' mit dem Zuleitungszweig 20 verbunden ist, Die Verwendung anderer Polarisatoren ist jedoch möglich.
Der Faserzweige 20 weist ferner vorzugsweise ein Dekohärenzelement 22 der Länge 1 auf. Dieses Dekohärenzelement 22 erzeugt in den sich im Zuleitungszweig 20 ausbreitenden vorwärtslaufenden Wellen einen differentiellen optische Wegunterschied, welche länger ist als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 4. Dadurch werden störende Effekte infolge von Modenkopplung im nachfolgend beschriebenen Mittel zur Phasenverschiebung 7,7' verhindert. Befindet sich ein Modulator im Zweig 20', so ist er vorzugsweise um mindestens eine Strecke der Länge 1 vor dem Faserende bzw. dem Detektor 5 angeordnet.
Mindestens einer der zwei Faserzweige 20,20' ist mit einer Phasenverschiebungseinheit wirkverbunden. Die Phasenverschiebungseinheit entspricht eigentlich der bekannten Phasenmodulationseinheit und besteht im wesentlichen aus dem oben beschriebenen Signalprozessor 6 sowie mindestens einem mit diesem über eine Modulationssignalleitung 61 verbundenen Phasenmodulator 7,7'. Der mindestens eine Phasenmodulator 7,7' wird hier jedoch nicht in der bekannten Weise zur Modulation der Phasendifferenz eingesetzt, sondern dient als Mittel zur quasi-stationären Phasenverschiebung. Als Phasenmodulator 7 ist vorzugsweise ein piezo-elektrischer Modulator eingesetzt, wobei ein Teil des jeweiligen Faserzweigs 20,20' um einen piezo-elektrischen Körper des Modulators 7 gewickelt ist. Es ist jedoch auch möglich, andere Modulatoren einzusetzen, insbesondere einen integriert-optischen Modulator, welcher auf dem elektro-opti- sehen Effekt in einem Wellenleiter basiert.
In einer einfachsten Ausführungsform ist lediglich einer der zwei Faserzweige
20,20' mit einem Phasenmodulator 7 wirkverbunden, wobei die Auswahl des
Faserzweigs beliebig ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch jeder Faserzweig 20,20' mit einem Phasenmodulator 7,7' wirkverbunden. Die zwei Phasenmodulatoren 7,7' sind vorzugsweise mit demselben Signalprozessor verbunden.
In Figur 1 sind die Polarisationen von im erfindungsgemässen Stromsensor vor- und rückwärts laufenden Wellen mit schmalen Pfeilen dargestellt. Zudem geben breite Pfeile die Ausbreitungsrichtung der Wellen an. Eine vorwärtslaufende optische Welle, welche von der Lichtquelle 4 emittiert wird, wird im Polarisator 21 linear polarisiert und über den 45° Spleiss als zwei zueinander orthogonale Polarisationen, in die polarisationserhaltende Zuleitungsfaser 2, hier in den Zuleitungszweig 20 eingekoppelt. Die zwei Polarisationen werden im folgenden auch als zwei orthogonale linear polarisierte Wellen bezeichnet. Das Dekohärenzelement 22 der Zuleitungsfaser 2 hat eine kohärenzschädigende Wirkung auf die Welle und erzeugt in den zwei propagierenden orthogonalen Polarisationen einen differentiellen optischen Wegunterschied, welcher bedeutend länger als die Kohärenzlänge der Lichtquelle 4 ist. Die Länge 1 des Dekohärenzelementes 21 muss entsprechend gewählt sein, wobei ΔL = 1 ΔnG erfüllt sein sollte, mit ΔL der Wegunterschied und ΔnG dem Gruppenindex- Unterschied, welchen die zwei Polarisationen sehen.
Die orthogonalen Polarisationen der vorwärtslaufenden Welle durchlaufen den Einflussbereich des ersten Modulators 7 und gelangen durch den Koppler 8 und über ein weiteres polarisationserhaltendes Fasersegment 23 der Zuleitung 2 zum Phasenverzögerungselement 3. Hier werden die orthogonal polarisierten Wellen in zwei links- und rechts zirkulär polarisierte Wellen verwandelt, wie in Figur 1 dargestellt ist. Die zirkulären Wellen durchlaufen die Sensorfaser 1, werden am Spulenende 10 reflektiert, vertauschen dabei ihre Polarisationszustände, laufen durch die Spule zurück und werden im λ/4-Verzögerer wieder in orthogonal linear polarisierte Wellen verwandelt, deren Polarisation jetzt senkrecht zur Polarisation der entsprechenden Wellen der Vorwärtsrichtung steht. Der gesamte differentielle Phasenunterschied der vor- und rücklaufenden Wellen ist, für den Fall, dass die Zweige 20,20' mindestens annähernd dieselbe optische Länge aufweisen, am detektorseitigen Faserende somit gleich Null im Falle, dass kein Strom durch den Stromleiter S fliesst und ungleich Null, wenn ein Strom fliesst. Die zurücklaufenden Wellen werden über den Koppler 8 und den Detektorzweig 20' geleitet, im Detektor 5 zur Interferenz gebracht und dadurch entstehende Interferenzsignale detektiert.
Die differentielle Phase der orthogonalen Polarisationen wird erfmdungsgemäss mittels einer quasi-stationären Phasenkontrolle kontrolliert und somit ein geeigneter Arbeitspunkt eingestellt. Eine derartige quasi-stationäre Phasenkontrolle ist aus D. A. Jackson et al, „Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber", Applied Optics, vol. 19, No. 17, 1980, bekannt, wo sie bei einem faseroptischen Mach-Zehnder Interferometer eingesetzt wird. Der Arbeitspunkt wird dabei im
Quadraturpunkt Q gewählt, das heisst dass ΔΘ = ΔΘj + ΔΘ2 gleich * + mπ gewählt wird, wobei m eine ganze Zahl ist. Die Einstellung des Arbeitspunktes ist in Figur 2 dargestellt. ΔΘ ist dabei die kombinierte Phasendifferenz, welche die durch den Stromsensor propagierten Wellen in den zwei separaten Faserzweigen akkumuliert haben. ΔΘ,und ΔΘ2 sind dabei die
Phasendifferenzen in den zwei Zweigen. Im Falle, dass die zwei Faserzweige dieselbe optische Länge aufweisen, ist im stromlosen Zustand und aufgrund der umgekehrten Polarisation ΔΘ, gleich -ΔΘ2.
Im erfindungsgemässen Sensor lassen sich entweder Phasen der orthogonalen Polarisationen der vorwärtslaufenden und/oder der rückwärtslaufenden Wellen kontrollieren. Die Einstellung des Arbeitspunktes, die Kontrolle des Phasenunterschiedes und die Signaldetektion erfolgt erfmdungsgemäss durch die Aufteilung der vor- und rückwärtslaufenden Wellen auf die zwei getrennten Faserzweige 20,20'.
Im folgenden werden der hierfür verwendete Detektor 5 und die Modulationseinheit anhand der Figur 3 näher beschrieben. Die rücklaufenden orthogonalen linear polarisierten Wellen gelangen durch den Detektionszweig 20' in den Detektor 5. Dieser weist einen vorzugsweise polarisations-unsensitiven Strahlteiler 51 auf, welche das Licht vorzugsweise im Verhältnis 1:1 aufteilt. Jedes der zwei resultierenden Paare orthogonaler Wellen wird in einem als Analysator wirkenden Polarisator 52 zur Interferenz gebracht und das resultierende Licht I+ und I in jeweils einer Photodiode 53 detektiert. Die Analysatoren 52 sind gegenüber den Faserachsen des Detektionszweigs 20' in einem Winkel von +45° ausgerichtet, und zwar so, dass ihre eigenen Transmissionsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Für die detektierten Photodiodensignale I+ und I_ gilt
I± = I0(l ± Kcos(ΔΦ + ΔΘ))
wobei I0 die Lichtintensität im Quadraturpunkt und K die Visibilität der Interferenzstreifen ist.
In einem Subtraktionselement 62 des Signalprozessors 6 wird die Differenz dieser zwei Photodiodensignale gebildet und einer Quadraturkontrolle 64 zugeführt. Diese Quadraturkontrolle 64 regelt den beziehungsweise die Phasen- modulatoren so, dass die Differenz im stromlosen Zustand und ohne äussere Einflüsse gleich Null ist. In diesem Fall ist der Quadraturpunkt Q erreicht. Diese Regelung erfolgt quasi-statisch, das heisst, es wird stets auf den Quadraturpunkt geregelt, wobei der Spannungswert bei allfälligem Drift des Arbeitspunktes oder bei langsamen durch externe Einflüsse induzierter Phasenver- schiebungen angepasst wird. Hierfür reicht eine Quadraturkontrolle 64 mit einer geringen Frequenzbandbreite aus, beispielsweise von 5 Hz.
In einer bevorzugten Variante des Verfahrens wird jedoch zusätzlich auch die alternierende Phasenmodulation kompensiert, welche durch einen im Stromleiter S zu messenden Wechselstrom hervorgerufen wird. Hierfür ist eine Quadraturkontrolle mit einer grösseren Bandbreite notwendig, beispielsweise von 100 Hz, die auch die periodischen Schwankungen in der Differenz kompensiert. Diese Kompensation ist eine dynamische, closed-loop Kontrolle. In diesem Fall dient die von der "Quadraturkontrolle erzeugte und an den Modulatoren 7, 7' anliegende Spannung gleichzeitig als Ausgangssignal des Sensors.
Es ist möglich, dass ein einziger Modulator sowohl für die quasi-statische wie auch die dynamische Kontrolle eingesetzt wird. In einer bevorzugten Aus- fährungsform sind jedoch zwei Modulatoren 7,7' vorhanden, wobei einer für die quasi-statische und der andere für die dynamische Kontrolle verwendet wird.
Falls die strom-induzierte Phasenmodulation nicht kompensiert wird, weist der Signalprozessor zur Messung des durch den Stromleiter L fliessenden Stroms ferner ein Additionselement 63 und ein Divisionselement 65 auf. Im stromdurchflossenen Zustand ist die erhaltene Differenz der Signale I+ I bei konstanter Lichtintensität proportional zum Strom. Die Summe der zwei Signale ist proportional zur Lichtintensität. Durch Division der Differenz durch die Summe im Divisionselement 65 wird als Detektionssignal 60
S = (l+ - I_)/(l+ + I_ ) = Ksin(ΔΦ) « KΔΦ erhalten, welches nun unabhängig von der Lichtintensität I0 ist, jedoch proportional zum Strom I ist. In Figur 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen Stromsensors, beziehungsweise seiner Modulationseinheit dargestellt. Hier sind drei mindestens annähernd identische Strahlteiler 51, 51', 51" vorhanden. Jeder der zwei rückwärtslaufenden Wellen hat somit eine Reflexion und eine Transmission in den Strahlteilern erfahren. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass beide Wellen dieselben Variationen in den Eigenschaften der Strahlteiler erfahren, welche durch Alterungsprozesse, Temperaturschwankungen und andere externe Einflüsse verursacht werden.
Dank dem erfindungsgemässen Stromsensor lässt sich ein Detektionssignal erhalten, welches unabhängig von der Stabilität des Modulators und seiner Modulationseinheit ist. Dabei sind weitere Varianten der oben angeführten Beispiele möglich. So lässt sich anstelle einer spulenformigen Sensorfaser auch ein integriert optisches Element als spulenformigen optischen Sensor einsetzen. Die Spule kann in der faseroptischen wie auch in der integriert optischen Ausführung aus einer einzigen Windung bestehen. Ferner lässt sich anstelle eines polarisations-unsensitiven Strahlteilers und den zwei Analysatoren auch ein polarisierender Strahlteiler verwenden.
Bezugszeichenliste
Stromleiter
Sensorfaser 0 Reflektor faseroptische Zuleitung 0 erster Faserzweig 0' zweiter Faserzweig 1 Polarisator 2 Verzögerungsschlaufe 3 weiteres polarisationserhaltendes Fasersegment Phasenverzögerungselement Lichtquelle Detektor 0 Dektorsignalleitung 1 Strahlteiler 2 Analysator 3 Photodiode Signalprozessor 0 Sensorsignalleitung 1 Modulationssignalleitung 2 Subtraktionselement 3 Additionselement 4 Quadraturkontrolle 5 Divisionselement Phasenmodulator ' Phasenmodulator Koppler

Claims

P A T E N T A N S P R U E C H E
1. Optischer Stromsensor mit einem Reflexionsinterferometer, welches eine faseroptische Zuleitung (2) und einen spulenformigen optischen Sensor (1) aufweist, wobei der Sensor (1) an einem ersten Ende mit der Zuleitung (2) verbunden und an einem zweiten Ende mit einem Reflektor (10) versehen ist, mit mindestens einem Mittel zur Phasenverschiebung (7,7') einer differentiellen Phase zweier in der Zuleitung propagierenden zueinander orthogonal polarisierten optischen Wellen und mit einem Detektor (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (2) einen polarisationserhaltenden ersten Faserzweig (20) für zwei vorwärtslaufende zueinander orthogonal polarisierten Wellen und einen polarisationserhaltenden zweiten Faserzweig (20') für zwei rückwärtslaufende zueinander orthogonal polarisierten Wellen aufweist, wobei die zwei Faserzweige (20,20') über einen sensorseitigen Koppler (8) miteinander verbunden sind und wobei der erste Faserzweig (20) mit einer Lichtquelle (4) und der zweite Faserzweig (20') mit dem Detektor (5) verbunden sind, und dass das mindestens eine Mittel zur Phasenverschiebung (7) mit einem dieser zwei Faserzweige (20,20') wirkverbunden ist.
2. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Faserzweige (20,20') mit ihren Faserachsen so über den Koppler (8) miteinander verbunden sind, dass Polarisationsrichtungen von in den beiden Zweigen propagierenden optischen Wellen bezüglich der Faserachsen gegenseitig vertauscht sind.
3. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Faserzweige (20,20') mindestens annähernd dieselbe optische Länge aufweisen.
4. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Phasenverschiebung (7) und der Detektor (5) mit einem Signalprozessor (6) verbunden sind, welcher ein Mittel (62,64) zur Quadraturkontrolle und Kompensation einer quasi-statischen Phasenverschiebung aufweist.
5. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Mittel zur Phasenverschiebung (7) und der Detektor (5) mit einem Signalprozessor (6) verbunden sind, welcher ein Mittel (62,64) zur Kompensation einer von einem zu messenden Wechselstrom induzierten Phasenverschiebung aufweist.
6. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Mittel zur Phasenverschiebung (7,7') vorhanden sind, wobei jedes einem anderen Faserzweig (20,20') zugeordnet ist.
7. Stromsensor nach den Ansprüchen 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Mittel zur Phasenverschiebung (7,7') mit demselben Signalprozessor (6) verbunden sind.
8. Stromsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (5) drei Strahlteiler (51,51',51") aufweist, welche so angeordnet sind, dass jede der rückwärtslaufenden Wellen eine Reflektion und eine Transmission durch die Strahlteiler erfährt.
9. Verfahren zur Einstellung eines Arbeitspunktes in einem optischen Stromsensor mit einem Reflexionsinterferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Stromsensor zwei Faserzweige (20,20') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der zwei Faserzweige (20) vorwärtslaufende zueinander orthogonal linear polarisierte Wellen und im anderen Faserzweig (20') rückwärtslaufende, zueinander orthogonal linear polarisierte Wellen propagieren und dass in mindestens einem Faserzweig (20,20') eine Verschiebung der Phasen der darin propagierenden Wellen geregelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt quasi-statisch auf den Quadraturpunkt eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt auf den Quadraturpunkt eingestellt und periodische, durch den zu messenden Strom hervorgerufene Phasenverschiebungen kompensiert werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das rückwärtslaufende zueinander orthogonal linear polarisierte Wellenpaar in zwei Wellenpaare aufgeteilt wird und jedes resultierende Wellenpaar in einem Analysator zur Interferenzgebracht wird, wobei die Durchlassrichtungen der Analysatoren unter 90° zueinander stehen, dass zwei erhaltene Interferenzsignale detektiert werden, dass eine Differenz der Interferenzsignale gebildet wird und dass die Differenz auf Null geregelt wird.
13. Verfahren zur Strommessung mittels eines optischen Stromsensors mit einer Reflexionskonfϊguration nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Stromsensor zwei Faserzweige (20,20') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der zwei Faserzweige (20) vorwärtslaufende orthogonal linear polarisierte Wellen und im anderen Faserzweig (20') rückwärtslaufende, orthogonal linear polarisierte Wellen propagieren, dass in mindestens einem Faserzweig (20,20') ein Unterschied der Phasen der darin propa- gierenden Wellen geregelt wird, dass das rückwärtslaufende zueinander orthogonal linear polarisierte Wellenpaar in zwei Wellenpaare aufgeteilt wird und jedes resultierende Wellenpaar in einem Analysator zur Interferenz gebracht wird, wobei die Durchlassrichtungen der Analysatoren unter 90° zueinander stehen, dass zwei erhaltene Interferenzsignale detektiert werden, dass eine Summe und eine Differenz der
Interferenzsignale gebildet wird und dass die Differenz durch die Summe dividiert wird, um ein dem zu messenden Strom mindestens annähernd proportionales Signal zu erhalten.
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