专利名称：光纤电流传感器的制作方法
光纤电流传感器
背景技术：
本发明涉及光纤传感器，具体涉及光纤电流传感器。 光纤电流传感器是基于法拉第效应工作的。在导线中流动的电流 感生磁场，该磁场通过法拉第效应，使在缠绕载流导线的光纤中行进
的光偏振面旋转。法拉第定律可以表述为
I = #HdL (1)
其中I是电流，H是磁场，而积分是在围绕电流的闭合路径上进
行的。如果传感光纤以整数圈缠绕载流导线，并且传感光纤中的每一
点都具有对磁场恒定的灵敏度，则在光纤中传播的光的偏振面的旋转
取决于在导线中输送的电流，并且其对所有外部产生的磁场不敏感，
例如由在附近导线中输送的电流引起的磁场。在磁场存在时，光的偏
振面旋转过的角度AO由下式给出
AO = V J H.dL (2)
其中V是玻璃纤维的维尔德(Verdet)常数。
传感光纤沿其路径对磁场进行线积分，当该路径在其自身上闭合 时，》兹场正比于导线中的电流。因此，A0> = VNI,其中N是缠绕载流 导线的传感光纤的圈数。由于电流的存在而导致的光偏振态的旋转可 通过以下方式测量，即，向传感区中注入具有明确的线偏振态的光， 然后在光>^人传感区出射后分析光的偏振态。可选地，A①表示由在传 感光纤中传播的圆偏振光产生的过量相移。
这种技术涉及同轴光纤电流传感器，如在1997年7月1日授权给 发明人James N. Blake的题为"Fiber Optic Interferometric Circuit and Magnetic Field Sensor"(光纤干涉测量电路和石兹场传感器)的第 5,644,397号美国专利中公开的同轴光纤电流传感器，该专利通过引用 而并入本文。光纤传感器也在1997年12月9日授权给发明人James N. Blake的题为"Fiber Optics Apparatus and Method for Accurate Current
Sensing"(用于精确的电流传感的光纤装置和方法)的第5,696,858号 美国专利以及授权给发明人James N. Blake的题为"Fiber Optics Current Sensor"(光纤电流传感器)的第6,188,811号美国专利中得以
在第'811号专利中公开的光纤电流传感器复制在本文的图1中。 其中，来自光源10的光通过耦合器11和偏振器12传播至45度接头 13,光在接头13处平均分为两个一直保持在光路的其余部分的偏振 态。压电双折射调制器14对所述两个偏振态中的光的相位进行差分调 制。调制器14由调制器信号发生器71驱动，调制器信号发生器71 提供具有方波或正弦波的、电的周期性交替信号。然后光通过延迟线 15、模式转换器16和经优化的传感器线圈17传播，其中模式转换器 16将两个线偏振态转换为两个圆偏振态。经优化的传感器线圈17缠 绕载流导线18。光从反射终端19反射并通过光路顺其路径返回，最 后到达探测器20。开环信号处理器21将探测到的信号转换为输出22, 输出22可表示在载流导线18中流动的电流。第'811号专利也描述了 这样的实施方式，其中法拉第旋转器和模式转换器可用来代替双折射 调制器14以无源地偏置电流传感器。
耦合器11可实施为3dB光耦合装置并将固有的光损耗引入系统。 固有的光损耗是指，在假定理想的装置特性并排除装置本身之外的损 耗(例如可归因于光接头的损耗)时，光纤电流传感器中将会存在的 损^>。例如，在/人光源IO到反射终端19的正向传"J番期间，由光源10 产生的一部分(例如，约一半)光由耦合器11耦合进光纤24中，并 远离探测器20行进(由箭头A表示)。由于这种光能量未在电流传感 测量中使用，所以可将该光能量放空或以其它方式放弃。剩余的光(由 箭头B表示)如上所述地向反射终端19行进，然而，约一半的光损 耗在偏振器12中。当光从反射终端19返回时，其再次经历如同其穿 过偏振器12时的损耗。为了说明的目的，假定调制器14被设计为将 电流传感器偏置到正交点(如下所述)，则在返回路径上与偏振器12 相关的固有光损耗将再次约为穿过偏振器12的光的一半。其余的光再 次耦合进光纤24中，导致一部分光(由箭头C表示)行进至探测器
20而另一部分(由箭头D表示)继续向光源IO传播。因此，考虑到 固有损耗，实际上最初由光源IO产生的光能量中只有约十六分之一返
回至^:测器20。
因此，期望提供这样的光学电流传感器，其中，该传感器的光损 耗降低、部件数量更少并且制造成本更低。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施方式， 一种利用光纤电流传感装置
感测电流的方法包括以下步骤通过使光源光穿过偏振光分束器而使 所述光源光进行偏振；将第一偏置相移引入至从所述偏振光分束器接 收的光的圓偏振分量波；将所述偏振分量波从所述圆偏振分量波转换 为线偏振分量波；使所述线偏振分量波穿过保偏光纤；将所述线偏振 分量波转换回圓偏振分量波；将与电流相关的第二相移引入所述圓偏 振分量波；使所述光沿所述光纤电流传感装置的反向路径返回，从而 将与所述电流相关的第三相移、以及第四偏置相移引入所述圆偏振波； 以及将所述返回的电流通过所述偏振光分束器的单向端口导向至探测 器，以感测所述电 流o
根据本发明的另一示例性实施方式， 一种光纤电流传感器，包括 光源；连接至所述光源的偏振光分束器，其具有互易端口 (reciprocal port)和单向端口；连接至所述偏振光分束器的法拉第旋转器；连接 至所述法拉第旋转器的第一四分之一波片；连接至所述第一四分之一 波片的保偏光纤；连接至所述保偏光纤的第二四分之一波片；连接至 所述第二四分之一波片的传感光纤；以及探测器，其通过所述单向端 口连接至所述偏振光分束器并具有输出。
附图示出了本发明的示例性实施方式，其中 图1示出了传统的光纤电流传感器；
图2示出了根据本发明的示例性实施方式的光纤电流传感器； 图3为强度图，所述强度为进入图1的传统光纤电流传感器的探 测器中的光的相位的函数；
图4为强度图，所述强度为进入根据本发明的示例性实施方式的、 图2的传统光纤电流传感器的探测器中的光的相位的函数；
图5是示出了根据本发明的示例性实施方式的闭环控制电路的方 块图；以及
器感测电流的方法的流程图。
具体实施例方式
以下将参照附图详细描述本发明。在不同的附图中，相同的标号 表示相同或相似的元件。此外，以下的详细描述并非限制本发明。然 而，本发明的范围由权利要求限定。
根据本发明的示例性实施方式，通过使用偏振光分束器将光在正 向传播期间向反射终端导向、并在光返回期间将其向探测器导向，以
减少光纤电流传感器中的光损耗。如将在下文中描述的那样，应用偏 振光分束器的光纤电流传感器也具有其它的优点和益处。
实施例在图2中示出。其中，光源50(例如，超辐射发光二极管 (SLED))发射具有任意偏振态的光，该光耦合进单模(SM)光纤 51中。可选地，光由消偏振器52进行消偏振，以使得从消偏振器52 输出的光的偏振态包含约一半具有第一线偏振态的光，以及其余的具 有与第一线偏振态正交的第二线偏振态的光。
消偏振光行进至偏振光分束器(PBS) 54,并且其通过端口 55进 入偏振光分束器(PBS) 54。偏振光分束器54工作以将消偏振光分束 为两个正交偏振分量。 一个偏振分量(由箭头A表示)从PBS 54内 的分束节点反射回并基本在装置内散射(尽管某些光可能通过端口 55 反射回)，而另一偏振分量(由箭头B表示)通过PBS的端口 57传输。 因此，在正向传播方向上(即从光源50到反射终端56), PBS54作为 偏振器工作，以使得将具有单个线偏振态的光传送至法拉第旋转器 58。
入射在法拉第旋转器58上的线偏振光可看作两个基本相等的圆
偏振分量波，例如右旋圆(RHC)偏振分量波和左旋圓(LRC)偏振 分量波。如将在下文参照图3所详细描述的那样，为了提高探测器对 流过导线59的电流量的灵敏度，法拉第旋转器58工作以在RHC分量 波和LHC分量波之间无源地引入偏置。在本发明的示例性实施方式 中，法拉第旋转器58对RHC和LHC中的一个引入+22.5度的相移， 而对RHC和LHC中的另一个引入-22.5度的相移。然后，偏置的光能 输出到四分之一波片(X/4) 60，四分之一波片60作为模式转换器而工 作，以便将圆偏振光转换为线偏振光。
然后线偏振光经过保偏(PM)光纤61传送到另一个四分之一波 片62,四分之一波片62作为模式转换器而工作，以便将线偏振光转 换回圆偏振光。四分之一波片60、 PM光纤61以及四分之一波片62 被设置为一个机构，以帮助保持光的偏振态(更重要地是偏振分量间 的相对相移)，这是因为4罙测器64工作以纟罙测该相移，并且根据该相 移来确定流过导体59的电流大小。取决于根据本发明的光纤电流传感 器的具体实施方式
，PM光纤61可具有从一或两米到几百米的任何长 度，在该长度上对保持所述分量的偏振态以及相移信息是有用的。因 为线偏振对易于使光的分量波的偏振态纯度退化的磁性和压力影响不 敏感，所以线偏振被用于在这部分系统上传送光。
在圓偏振光从四分之一波片62输出后，其进入传感光纤66，传 感光纤66围绕其电流被监控的导线59。当在整个传感光纤66中圓偏 振态得以很好地保持时，探测器64也达到其最大灵敏度。如在第'811 号专利中所述的那样，扭转双折射光纤可在一定程度上保持圆偏振态。 然而，对于本发明的某些示例性实施方式而言，可期望圆偏振态得以 很好地保持，以便能够使用长度非常长(几百米)的传感光纤。
如在背景技术部分中讨论的那样，根据A①VNI，流过导体59 的电流将会在穿过传感光纤66的光的RHC和LHC偏振分量波之间引 入额外的相移，累计为2VNI。然后光将到达反射终端56(例如镜子)， 在反射终端56处光通过传感光纤66反射回到四分之一波片62。在通 过传感光纤66的反向传播期间，光的RHC和LHC偏振分量波将获得 在它们之间的第二相移2VNI，在两次穿过时总计4VNI。因为RHC和LHC偏振分量波的偏振传感在反射终端入射时发生反向，并且在反 向路径上，光以相反方向经过由穿过导体59的电流产生的磁场，所以 该第二相移将累计至第一相移(而非将其抵消)。
对于通过PM光纤61的返回行程，光将由四分之一波片62转换 回为线偏振光，并且再由四分之一波片60转换为圓偏振光。光将由法 拉第旋转器58再次进行相移，以使得在RHC和LHC偏振分量波之间 引入的累计相移是90度+ 4VNI。从法拉第旋转器58输出的光然后行 进至PBS 54。从法拉第旋转器58输出的光的某些部分(数量取决于 沿正向和反向路径引入的累计相移)将具有这样的偏振态，即，该偏 振态使得光从法拉第旋转器58的路径轴反射并通过PBS 54的端口 65 向探测器64导出(如图2中的箭头C所示)。其余的光将通过PBS54 的端口 55向光源50传回(如图2中的箭头D所示)并且能够根据需 要进行隔离或放空。在上下文中，因为由箭头C表示的光在其返回路 径上通过不同的端口离开PBS 54，而不是通过其沿正向路径进入PBS 54时所通过的端口 (端口 55 )，所以端口 65是PBS 54的"单向端口"。 相反地，由箭头D表示的返回光部分通过互易端口 55离开PBS 54。 本发明的示例性实施方式探测通过偏振光分束器的单向端口返回的光 的强度。
如上所述，探测器64产生强度数据，根据该强度数据来确定通过 反向传播路径返回至纟笨测器64的光的偏振分量波之间的相移。该相移 将与穿过导体59的电流有关，并因此可以用来输出与之相关的电流测 量值。对于例如图1所示的、包括耦合器11和偏振器12的光纤电流 传感器中操作的探测器而言，由探测器测量的光强度遵循、如图3所 示意性示出的基本为正弦的函数。入射到探测器上的光的强度作为相 位的函数100而示出。由于缺乏例如由法拉第旋转器或双折射调制器 引入的偏置，入射在探测器20上的光的相位改变将在零周围的小范围 内波动。如图3所示，光强度在零周围的小相位范围中非常小地变化。 因此，偏置相移引入足够的偏置，从而使返回至探测器的光的相位在 正弦函数正交点周围的范围内移动，其中函数的斜率更陡并且探测器 对相变更每丈感。
现在考虑对于图2中的示例性实施方式的相应的强度函数200, 其在图4中覆盖在函数100上。此外，与图3—样，图4在传感中完 全是示意性的，其不是实际电路测量的结果，而旨在示出相比于图2 中的光纤电流传感器、图1中的光纤电流传感器所经历的光损耗的数 值差的量级。其中，可以看到因为除去光耦合器11和偏振器12而应 用偏振光分束器，所以对于相同的光源，函数200的峰值强度约为函 数100的峰值强度的四倍。这对于根据本发明的示例性实施方式的光 纤电流传感器提供了几个优点。首先，如图4所示，因为在$ = 90度 + 4VNI的可用值的相位范围内，函数200的冻牛率比函数100的相应斜 率更陡，所以探测器64的强度相对于探测器20的强度得到增加。可 选地，如果认为函数100的斜率对于给定的光纤电流传感应用提供足 够的探测器灵敏度，则光源50可实施为产生强度更低的光的光源，例 如更〗更宜的光源。
上述示例性实施方式的多个变体和置换是可以预期的。例如，探
测器64能够以与图1中示出的方式类似的方式连接至开环信号处理
器，该开环信号处理器用于确定与检测到的相移相关的电流。可选地，
如图5所示(其只示出了根据该实施方式的光纤电流传感器的一部
分)，探测器64可连接至驱动电流发生器260的闭环信号处理器250,
电流发生器260产生零相位电流。零相位电流基本将由载流导线59
中的电流产生的单向相移抵消。另 一 变体是法拉第旋转器58和四分之
一波片60可以由双折射调制器和延迟线圈来代替。然而，前述组合的
优点是其为无源器件并且因此不需要电源。光学元件54、 58和60可 作为单个单元封装在一起或者可以分立地实施。此外，如果光纤电流
传感器的法拉第旋转器部分设置在导体59附近，则例如导线环的保护 物可设置在法拉第旋转器58附近，以使法拉第旋转器免于暴露在潜在 的大磁场中。
使用光纤传感器感测电流的相应方法通过图6的流程图示出。其 中，在步骤300中，通过使光穿过PBS而使其线性偏振。在步骤302 中，由例如法拉第旋转器将圓偏振分量波进行偏置以在该分量波之间 引入第一相移。在步骤304中，将圓偏振波转换为线偏振波，使其穿
过保偏光纤(306)，然后在步骤308中将其转换回圆偏振波。在步骤 310中，由于电流流过导线59，因而在圆偏4展波之间引入第二相移。 在步骤312中，光沿反向路径传播，因此在其中引入第三和第四相移 (分别与流过导线59和偏置装置的电流相关)。然后，在步骤314中， 光返回至PBS,在PBS处，所述光通过PBS的单向端口而被导向至採: 测器。可选地，可在步骤300之前对光进行消偏振。
如上所述，本发明的示例性实施方式可应用双折射调制器替代法 拉第旋转器以提供期望的偏置。在这种实施方式中，因为双折射调制 器对线偏振光进行操作，所以四分之一波片60可以省略。
上述的示例性实施方式旨在所有方面说明本发明，而非限制。因 此，本发明能够在详细的实施中进行多种改变，本领域的技术人员可 从包含在本文中的描述得到该改变。所有的这些改变和修改都认为是 在本发明由以下权利要求限定的范围和精神之内。除非明确地描述， 否则本申请的说明书中使用的元件、行为或指示不应看作是本发明必 需或必要的。此外，如本文所使用的那样，冠词"一(l)"旨在包括 一项或多项。
权利要求
1.一种利用光纤电流传感装置感测电流的方法，包括以下步骤通过使光源光穿过偏振光分束器而使所述光源光进行偏振；将第一偏置相移引入至从所述偏振光分束器接收的光的圆偏振分量波；将所述圆偏振分量波转换为线偏振分量波；使所述线偏振分量波穿过保偏光纤；将所述线偏振分量波转换回圆偏振分量波；将与电流相关的第二相移引入所述圆偏振分量波；使所述光沿所述光纤电流传感装置的反向路径返回，从而将与所述电流相关的第三相移、以及第四偏置相移引入所述圆偏振波；以及将所述返回的电流通过所述偏振光分束器的单向端口导向至探测器，以感测所述电流。
2. 如权利要求l所述的方法，进一步包括以下步骤 在使所述光源光偏振的步骤之前对所述光源光进行消偏振。
3. 如权利要求1所述的方法，其中所述引入第一偏置相移的步骤 进一步包括以下步骤使从所述偏振光分束器接收的光通过法拉第旋转器。
4. 如权利要求1所述的方法，其中将与所述电流相关的第二相移 引入至所述光的所述偏振分量的步骤进一步包括以下步骤使所述光通过传感光纤，所述传感光纤围绕输送所述电流的导体， 其中，与所述电流相关的^兹场将所述第二相移引入至所述光的所述偏 振分量。
5. —种光纤电流传感器，包括 光源； 偏振光分束器，连接至所述光源并具有互易端口和单向端口； 法拉第旋转器，连接至所述偏振光分束器； 第一四分之一波片，连接至所述法拉第旋转器； 保偏光纤，连接至所述第一四分之一波片； 第二四分之一波片，连接至所述保偏光纤；传感光纤，连接至所述第二四分之一波片；以及探测器，其通过所述单向端口连接至所述偏振光分束器并具有输出。
6. 如权利要求5所述的光纤电流传感器，其中所述偏振光分束器 对沿正向路径朝向反射终端行进的光进行操作，以使从所述光源接收 的光进行偏振，并且对沿反向路径朝向所述探测器行进的光进行操作， 以通过所述单向端口将所述光导向至所述探测器。
7. 如权利要求5所述的光纤电流传感器，进一步包括设置在所述 光源和所述偏振光分束器之间的消偏振器。
8. 如权利要求5所述的光纤电流传感器，其中所述偏振光分束器、 所述法拉第旋转器和所述第一四分之一波片封装在一起。
9. 如权利要求5所述的光纤电流传感器，其中所述光源和所述偏 振光分束器通过单模光纤连接。
10. 如权利要求5所述的光纤电流传感器，其中所述法拉第旋转 器具有屏蔽，所述屏蔽邻近所述法拉第旋转器，以使所述法拉第旋转 器免受磁场影响。
11. 一种光纤电流传感器，包括 光源；偏振光分束器，连接至所述光源，并具有互易端口和单向端口； 双折射调制器，连接至所述偏振光分束器；保偏光纤，连接至所述双折射调制器 四分之一波片，连接至所述保偏光纤传感光纤，连接至所述四分之一波片；以及探测器，其通过所述单向端口连接至所述偏振光分束器并具有输出
12.如权利要求11所述的光纤电流传感器，其中所述偏振光分束 器对沿正向路径朝向反射终端行进的光进行操作，以使从所述光源接 收的光进行偏振，并且对沿反向路径朝向所述探测器行进的光进行操 作，以通过所述单向端口将所述光导向至所述探测器。
13.如权利要求11所述的光纤电流传感器，进一步包括设置在所 述光源和所述偏振光分束器之间的消偏振器。
14.如权利要求11所述的光纤电流传感器，其中所述光源和所述 偏振光分束器通过单模光纤连接。
全文摘要
光纤电流传感器包括偏振光分束器。该偏振光分束器在正向路径中操作，以使通过互易端口、朝向法拉第旋转器传输的光进行偏振。该偏振光分束器在反向路径中操作，以将光通过单向端口导向至光探测器。
文档编号G01R15/24GK101351714SQ200680033469
公开日2009年1月21日 申请日期2006年9月11日 优先权日2005年9月12日
发明者詹姆士·N·布莱克 申请人:尼克斯特法斯T&D公司