專利名稱：具有減小的溫度敏感性的光纖電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及具有減小的溫度敏感性的光纖電流傳感器。
背景技術：
光學電流傳感器檢測電流且通常采用具有應力雙折射的光纖光學四分之一波長器件。應力誘導雙折射與溫度極大地相關，因為應力在四分之一波長器件的兩個主軸之間不均勻地變化，導致溫度上不同折射率中的變化。電流傳感器可能暴露于寬的溫度范圍，例如，在高壓電力工業中在室外電流互感器中使用的那些電流傳感器。典型的光纖光學電流傳感器的溫度敏感性不利地影響著其在這種溫度范圍上的精確性。
發明內容
此處描述的一些實施例提供一種傳感器頭組件，該傳感器頭組件包含具有形狀誘導雙折射的四分之一波長器件和耦合到該四分之一波長器件且可操作為纏繞電流導體的感測線圈。四分之一波長器件將來自保偏光纖的線偏振光轉換為圓偏振光。
理解附圖僅描繪示例性實施例且因此并不被認為在范圍上有所限制，將通過使用附圖額外具體且詳細地描述示例性實施例，在附圖中
圖IA是光纖光學電流傳感器的一個實施例的框圖。圖IB是單相高壓電流測量系統的實施例的示意圖。圖2是形狀誘導雙折射光纖的一個實施例的圖示。圖3是形狀誘導雙折射光纖的示例性實施例，其偏振軸相對于保偏光纖的偏振軸以45度旋轉。圖4是使用具有形狀誘導雙折射光纖的電流傳感器來感測電流的方法的一個實施例的流程圖。根據共同實踐，各種描述特征未按比例繪制，而是描述來強調與示例性實施例相關的特定特征。
具體實施例方式在下面的詳細描述中，參考形成說明書的一部分且在其中通過說明方式示出特定說明性實施例的附圖。然而，應當理解，可以使用其他實施例且可以做出邏輯、機械和電改變。而且，附圖和說明書中提出的方法不應解讀為限制可以執行各個步驟的順序。因此下面的詳細描述不具有限制意義。此處描述的實施例提供某一長度的形狀誘導雙折射光纖以在兩個線偏振態之間誘導四分之一波長相移以形成圓偏振光。包含使用形狀誘導雙折射的光子晶體光纖的四分之一波長器件減小電流傳感器中的溫度相關性。這改善了溫度范圍上電流傳感器的精確性。圖IA是光纖光學電流傳感器100的一個實施例的框圖。光纖光學電流傳感器100 確定流經電流導體140的電流值。光纖光學電流傳感器100包含提供光路的第一端的電子和光學組件101、 線纜組件112、偏振和調制組件106以及提供光路的第二端的感測頭組件 124。電子和光學組件101產生的非偏振光通過線纜組件112行進到偏振和調制組件106。 光在偏振和調制組件106中分裂成兩個線偏振波且被提供到感測頭組件124。在感測頭組件124處，兩個線偏振波被轉換成兩個圓偏振光波，由于來自電流導體140中的電流的磁場，該圓偏振光波從暴露起基本維持它們之間的相對相移，且通過系統100行進回到電子和光學組件101，在那里，光中的相移被解析成在電流導體140中流動的電流的量度。電子和光學組件101包含光源102、耦合器104、檢測器130和信號處理電路132。 光源102向光學光纖110提供經過耦合器104的光。耦合器104是分束器，其傳送從光源 102行進的光且將來自感測頭組件124的光引導到檢測器130。光行進通過線纜組件112且然后進入偏振和調制組件106。偏振和調制組件106還包括溫度傳感器134以測量溫度(例如，室外溫度)，其在某些實施例中用于電流傳感器輸出的實時熱補償。在另一實施例中，電子和光學組件101被封裝在保護遮蓋物、建筑物等中。在偏振和調制組件106中，光傳送經過接頭114-1。在一個實施例中，接頭114_1 是連接器。接頭114-1接合光纖110到偏振器輸入光纖117，該偏振器輸入光纖將光引導向偏振器116。偏振器116使光線偏振。偏振器在其輸入和輸出處耦合到兩股保偏光纖117， 每股具有取向為偏振器116的通軸的其主軸之一。在這種情況中，偏振器輸出光纖117在 114-2處以45度的入射角接合到保偏(PM)光纖118，形成經過PM光纖118的額定相等幅度的兩個共同傳播的線偏振波。在一個實施例中，當經過偏振器116時，光從非偏振態變化為線偏振。在另一實施例中，光源102發射線偏振光且接頭114-1被相對于光纖117具有約45度接頭的短長度保偏光纖代替，從而確保至少一半的光經過偏振器。當兩個線偏振光波傳播經過PM光纖118時，每個光波的偏振得以維持。光纖118纏繞伸展光纖的壓電圓柱體以影響兩個線偏振波之間的不同相移。在圖IA中示出的實施例中，PM光纖118至少足夠長以用作PM延遲線119以確保當光波從感測頭組件124返回時光波之間的差分相位調制不失效。PM延遲線119允許檢測器130上的信號的AC偏置和相位敏感檢測。線偏振光然后進入感測頭組件124。感測頭組件124包含四分之一波長器件120、 感測線圈126和鏡子122。四分之一波長器件120是具有已知雙折射的光纖，該已知雙折射誘導沿著光纖的兩個主軸的線偏振光波之間的有效折射率差。該雙折射被稱為形狀誘導雙折射且由沿著四分之一波長器件120的芯和覆層的形狀的兩個主軸的差異形成。四分之一波長器件120因而具有高雙折射，該高雙折射具有在值方面適當不同的針對兩個偏振態的兩個折射率，這影響著光波通過光纖的傳播。在一個實施例中，折射率差大約是光纖的折射率的0. 1%。在一個實施方式中，四分之一波長器件120的光纖的平均折射率約為1. 47。形狀誘導雙折射光纖導致對應于較高折射率的光波的一個分量比對應于較低折射率的光波的另一分量更緩慢地傳播。例如，光纖中光的速度在一個方向上比在正交方向上(例如，分別沿著X軸和y軸)更慢。傳播速度中的這一差異是由于光纖的形狀或幾何結構。因為四分之一波長器件120具有形狀誘導雙折射而不是應力誘導雙折射，所以它對溫度變化更不敏感。進而，四分之一波長器件120中的所需四分之一波長的光學相差對溫度波動十 分不敏感。由于其偏振軸相對于PM光纖118的線偏振軸以45度旋轉，四分之一波長器件120 將來自PM光纖118的一個軸的一個線偏振光波轉換成一個圓偏振光波，例如右圓偏振光。 類似地，四分之一波長器件120還將來自于PM光纖118的另一軸的另一線偏振光波轉換成正交的圓偏振光波，例如左圓偏振光。現在的圓偏振光波沿著前向路徑128行進，經過纏繞電流導體140的感測線圈126。圓偏振光波從鏡子122反射，在鏡子處，原先右圓偏振波變成左圓偏振且原先左圓偏振波變成右圓偏振。每個波然后遵循反向路徑129通過感測線圈 126傳播回來，且光重新行進它來時的路徑的部分。誘導與當電流流經電流導體140時產生的電場成比例的磁場。通過法拉第效應， 磁場影響傳播通過感測線圈126的光。當圓偏振光波在前向方向128中傳播通過感測線圈 126時，在圓偏振光波的相位之間將發生相移。由于光波從鏡子122反射且在反向方向129 中經過感測線圈126，相移翻倍。前向路徑128和反向路徑129中的圓偏振光波之間的相移量用于計算流經電流導體140的電流。相移與電流的比例通過導體140周圍的感測線圈 126的匝數以及通過感測線圈126中的材料的維爾德常數來確定。維爾德常數描述了給定材料中法拉第效應的強度。在一個實施方式中，感測線圈126包含熔融石英。因而，為了實現前向路徑128和反向路徑129中的光波之間的相移的測量，光在進入感測線圈126之前被從線偏振態轉換成圓偏振態。如上面所討論的，光通過偏振器116 被線偏振。光通過具有高雙折射的形狀誘導雙折射四分之一波長器件120的傳播確保了感測線圈126中的光的偏振態是圓的。光沿著反向路徑129折回其路徑到耦合器104。耦合器104將至少部分入射束引導向檢測器130。檢測器130確定當光在感測線圈126中行進時由電流導體140的磁場誘導的光中的相差。在一個實施例中，檢測器130包含光電二極管、放大器、A/D轉換器和檢測相移的相位敏感數字解調器。該相移被提供到信號處理電子器件132，其使用相移來計算電流導體140中的電流。在一個實施例中，信號處理電子器件132包含現場可編程門陣列 (FPGA)、專用集成電路(ASIC)或任意其他合適的處理電路。信號處理電子器件132還耦合到溫度傳感器134和壓電換能器136。壓電換能器 136伸展PM光纖118以形成在PM光纖118中行進的兩個線偏振態之間的路徑長度中的正弦變化差異。在一個實施方式中，PM光纖118的一部分纏繞壓電換能器136。路徑長度中的正弦變化差異在檢測器130處誘導兩個干涉光波之間的調制(被稱為AC偏置)，使得由于電流導致的相位延遲的測量被轉換成在應用到壓電換能器136的調制頻率處的信號。信號處理電子器件132產生調制源且向檢測器130內的數字解調器提供用于解調信號的參考。 在一個實施例中，檢測器130處的干涉信號被偏置為敏感設置點，使得由于電流流動導致的小相移被檢測。當輸入信號是AC信號時，檢測器130還對相移敏感，因而具有減小的低頻Ι/f噪聲。在另一實施例中，溫度傳感器用于補償這一事實感測線圈126內的光纖的維爾德常數是熱敏感的。信號處理電子器件132使用環境溫度(例如室外溫度)和隨著PM光纖118溫度的維爾德常數變化來校正由于溫度中的變化導致的誤差。在一個實施例中，光學光纖110是單模(SM)光纖且線纜組件112是耐用(rugged) SM光纖線纜。在另一實施例中，保偏(PM)光纖118代替線纜112和光纖110。在又一實施例中，第二偏振器位于輸入路徑一端附近以確保進入四分之一波長器件120的光是線偏振的。此處描述的技術可以與其他干涉測量技術一起使用且本領域中使用的信號處理用于解析光中的相位差。圖IB是高壓系統150的實施例的示意圖。高壓系統150確定流經高壓電源線154 的電流。高壓系統150實施圖IA所示的光纖光學電流傳感器100且包含電子和室內光學器件101、線纜組件112、偏振和調制組件106、絕緣體組件108和傳感器頭組件124。電子和室內光學器件101產生用于感測在高壓系統150中行進的電流的光且從光中的誘導相移中計算電流。電子和室內光學器件101例如包含圖IA的光源102、耦合器104、檢測器130 和信號處理電子器件132。
在圖IB中示出的示例性實施例中，電子和室內光學器件101輸出通過線纜組件 112傳播到偏振和調制組件106的非偏振光。偏振和調制組件106將非偏振光轉換成線偏振光。該線偏振光行進經過絕緣體組件108，該絕緣體組件108是包含PM光纖的絕緣柱， 該PM光纖維持線偏振光且將其屏蔽免受環境影響。絕緣體組件108將光從地水平提升到傳感器頭組件124。在一個實施例中，傳感器頭組件124位于高壓電源線154附近，例如處于高壓電源線154繃緊時的水平。傳感器頭組件124將兩個線偏振光波轉換成圓偏振光波。圓偏振光波經過纏繞高壓電源線154的感測線圈且被反射回來。相對彼此相移的兩個光波通過系統150傳送回來， 其中它轉向電子和室內光學器件152中的檢測器130。信號處理電子器件132從相移計算高壓電源線154中的電流。在一個實施例中，電流傳感器十分精確地測量在地電勢和高壓線154之間具有絕緣的高壓線154上的電流。電流傳感器在其上是精確的示例性溫度范圍為-40 至 70°C。圖2是形狀誘導雙折射光纖200 (此處也稱為光纖200)的一個實施例的圖示。形狀誘導雙折射光纖200可以用作圖IA的四分之一波長器件120。光纖200在偏振軸即χ軸 212和y軸214之間的路徑長度中具有差異，且在軸之間的光的傳播中的差異是由于光纖 200的形狀導致。光纖200在偏振軸212和214之間具有非對稱性。光纖200的雙折射并不隨溫度變動而明顯變化。在一個實施例中，光纖200的雙折射的熱系數低至約為常規雙折射光纖或PM光纖的熱系數的1/200。形狀誘導雙折射光纖200包含具有相對高折射率的周圍材料206和低折射率區域 208。在一個實施例中，周圍材料206是固體玻璃區域。低折射率區域210包含固體玻璃中心202、從玻璃中心202附近的空心玻璃管導出的兩個大的空心區域或孔204-1和204-2、 玻璃孔208的圖案。玻璃孔208的圖案包含從含有一起形成預制件的石英光纖的堆疊玻璃壁空心管毛細管導出的結構。預制件用于抽取光學光纖且典型地由玻璃制成。在預制階段中從固體玻璃管導出的周圍材料206提供環繞低折射率區域208的固體玻璃區域。從其導出孔204-1和204-2的兩個管的縱橫比被選擇為調節軸212和214上偏振的光之間的路徑長度差，因而調節雙折射程度。光纖介質的平均折射率沿著遵循兩個大孔204-1和204-1 的軸212比它沿著軸214更低。圖2只是形狀誘導雙折射光纖200的一個示例性實施例， 且采用任意尺寸和以任意取向的更多或更少的大孔204-1和204-2的任意設計被考慮。在圖2的實施例中，光纖200是光子晶體光纖。光子晶體光纖200為材料的微結構化布置提供周圍材料206中的第一折射率。周圍材料206例如是玻璃或未摻雜石英。低折射率區域208典型地通過沿著光纖200的長度延伸的氣隙提供。在一些實施例中，光纖200是實芯光子帶隙光纖。在其他實施例中，光纖200是空芯光子帶隙光纖。圖3是形狀誘導雙折射光纖320的示例性實施例，其偏振軸312、314相對于保偏光纖310的偏振軸308以45度旋轉。形狀誘導雙折射光纖320是四分之一器件，諸如圖IA 的四分之一波長器件120。形狀誘導雙折射光纖320將入射的線偏振光轉換成圓偏振光且將其輸出到光學光纖330。光纖310、320和330使用為本領域技術人員所已知的技術來接
I=I O
軸308的方向中的線偏振光通過PM光纖310被遞送到形狀誘導雙折射光纖320。 當線偏振光通過偏振軸312和314與偏振軸308約成45°的介質傳輸時，線偏振光被轉換成圓偏振光。這導致相等數量的線偏振光射到軸312、314，因為它們相對于入射光以45° 取向。這樣，線偏振光被投射到四分之一波長器件的兩個軸312和314，該器件對于軸312 上的光與軸314相比具有不同路徑長度。當光從形狀誘導雙折射光纖320發射時，兩個光分量相位相差90°，因此產生圓偏振光。軸308與軸312和314之間的不同量的旋轉導致總圓偏振光的不同百分比。由磁場誘導的光的相移取決于圓偏振的光的百分比。在存在磁場的情況下線偏振光可以經歷狀態變化(例如，將是不同取向的線偏振)，但是圓偏振光的狀態保持相同。使兩個光分量失相不同于90度的角度導致從圓的偏離，一些是線的且一些是圓的，導致通常橢圓發射的光。在一個實施例中，形狀誘導雙折射光纖320的長度1被確定為一個四分之一拍長的奇數正整數倍(1、3、5、7等)。在一個實施例中，這通過長度為拍長的非零整數倍加上或減去光纖320的四分之一拍長或者長度恰恰是拍長的四分之一或四分之三來實現。拍長是雙折射介質的如下長度其導致沿著第一偏振軸的總路徑長度比沿著第二偏振軸的總路徑長一個波長，也被稱為遲滯波長。例如，在典型的形狀誘導雙折射光纖中，一毫米對應于一個遲滯波長。一般而言，光纖的應用的目標是最小化光纖的長度以實現所需的遲滯。這對應于折射率之間的差異盡可能大。然而，在一個實施例中，形狀誘導雙折射光纖320適當地具有增加的拍長1，使得光纖320更易管理操縱。在每4或5毫米光纖具有一個遲滯波長的光纖320遠比在一個毫米光纖320上具有一個遲滯波長的光纖320更容易操縱。形狀誘導雙折射光纖320適當地選擇為這樣的波長其足夠短以維持其保偏特性且足夠長以使得它實際可以抓握和劈開。在一個實施例中，大孔240-1和240-2的尺寸和位置被修改為實現所需的拍長1。圖4是使用具有成形的雙折射光纖的電流傳感器來感測電流的方法400的流程圖。方法400開始于方框410，其中使用成形的雙折射光纖來使兩個輸入的線偏振光波圓偏振。在一個實施例中，PM光纖的軸和成形的雙折射光纖的偏振軸之間約有45°。在一個實施例中，通過將光傳送通過偏振器來產生線偏振光且經由保偏光纖將線偏振光傳播到成形的雙折射光纖。在一個實施例中，光源例如位于遠離待被測量的電流導體高達IOOm的受控環境中。一旦光波被圓偏振，在方框420處它們暴露于電流源的磁場，使得在圓偏振光之間誘導相移。在一個實施例中，圓偏振光波從形狀誘導雙折射四分之一波長器件120行進到纏繞電流導體140的感測線圈126中。圓偏振光波在前向路徑128上通過感測線圈126 經歷由于電流導體140誘導的磁場所導致的相對相移。在光從鏡子122反射回來且通過感測線圈126行進回來之后，相移量翻倍。光通過形狀誘導雙折射四分之一波長器件120且通過線偏振器116行進回來以最終被引導到檢測器130。
在方框430處，檢測器130確定通過電流導體120在光中誘導的相移。檢測器130 向信號處理電子器件132提供相移。在方框440處，信號處理電子器件132例如從相移計算電流。該電流將在寬溫度范圍上是精確的，因為作為跨越寬溫度范圍的四分之一波長器件120，形狀誘導雙折射光纖維持其性能。此處描述的實施例提供作為用于環境穩定、輕量級、安全、易于安裝、與數字接口兼容且在寬溫度范圍上精確的電流傳感器的四分之一波長器件的形狀誘導雙折射光纖。通過減小影響其精確性的諸如四分之一波長器件的一個或多個元件的熱敏感性，減小在室外溫度上在高壓電源線中的電流的錯誤讀取。此處描述的電流傳感器的實施例具有較簡單的溫度補償或較少的溫度特性，這節省了成本。已描述了由所附的權利要求限定的本發明的很多實施例。毋庸置疑，將理解，可以在不偏離要求保護的發明的精神和范圍的情況下做出對所述實施例的各種修改。因而，其他實施例處于所附權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種傳感器頭組件(124)，包含具有形狀誘導雙折射的四分之一波長器件(120)；感測線圈(126)，耦合到該四分之一波長器件且能夠操作為纏繞電流導體(140)；以及其中四分之一波長器件將來自保偏光纖(118)的線偏振光轉換成圓偏振光。
2.根據權利要求1所述的傳感器頭組件，其中通過暴露于感測線圈中的電流導體的磁場，在圓偏振光中誘導相移； 該四分之一波長器件的偏振軸(314)相對于保偏光纖的主偏振軸(308)以約45度傾斜；其中該四分之一波長器件具有針對線偏振光的四分之一拍長的奇數整數倍的長度；并且其中光子晶體光纖包含 第一折射率的周圍材料(206)； 被周圍材料環繞的低折射率區域(210)，包含 玻璃中心(202)；沿著第一軸(212)靠近玻璃中心定位的第一和第二空心區域(204-1和204-2)，其中低折射率區域的平均折射率沿著第一軸比沿著正交于第一軸的第二軸(214)低；以及在玻璃中心周圍的低折射率區域中形成的多個孔(208)。
3.一種電流傳感器(100)，包含 光源(102)，耦合到光路的第一端；傳感器頭組件(124)，耦合到光路的第二端，包含形狀誘導雙折射光纖(120)，耦合到沿著光學光纖的第一和第二端之間的光路定位的保偏光纖(118);以及感測線圈(126)，耦合到該形狀誘導雙折射光纖，其中經過該感測線圈的圓偏振光經歷相移；以及檢測器(130)，耦合到光路的第三端，其中檢測器確定相移值；以及耦合到檢測器的信號處理電子器件(132)，其將相移解析為電流值。
全文摘要
本發明涉及具有減小的溫度敏感性的光纖電流傳感器。提供一種傳感器頭組件，其包含具有形狀誘導雙折射的四分之一波長器件以及耦合到該四分之一波長器件且能夠操作為纏繞電流導體的感測線圈。該四分之一波長器件將來自保偏光纖的線偏振光轉換為圓偏振光。
文檔編號G01R19/00GK102331520SQ201110192368
公開日2012年1月25日 申請日期2011年7月11日 優先權日2010年7月12日
發明者A. 桑德斯 G. 申請人:霍尼韋爾國際公司