串聯磁光場傳感器的制作方法

專利名稱：串聯磁光場傳感器的制作方法
考明領域本發明一般涉及法拉第效應光纖光電流傳感器，具體而言，涉及利用多個串聯場傳感器(分立的傳感光纖)的改進傳感器。
背景技術：
對磁場靈敏的光纖是人們熟知的產品，并且被越來越多地用作例如電功率設備中的光電流換能器(OCT)。典型的OCT采用包圍在導電體外面的單模光纖構成的線圈。由于磁光法拉第效應(又稱法拉第旋轉或Kundt效應)，光纖線圈中傳輸光線的偏振度隨通過導體電流的變化而變化。在法拉第效應下，當線偏振光沿施加磁場方向通過物質時，其偏振度發生旋轉，并且法拉第效應是法拉第雙折射的結果。在法拉第雙折射中，沿施加磁場方向通過物質的左右圓偏振光的折射率是不同的。有關場敏光線的細節可以參見美國專利No.5,051,577，該專利已經轉讓給本發明的受讓人。
許多現有的技術文獻都提及OCT的特性受溫度影響而發生相當大的變化，迄今為止尚無滿足-40℃-+80℃溫度變化范圍內工作要求的高精度OCT。現有的技術發現溫度對傳感線圈的影響涉及三種方式(i)改變了傳感光纖中的雙折射；(ii)由于包裹傳感光纖材料的應力變化而使雙折射變化；(iii)改變了光纖芯體材料的Verdet系數。為了盡可能減少溫度變化的影響，設計出了許多技術。大多數的基本技術是根據經驗數據來對輸出進行補償，即在實際測量中利用溫度計確定溫度并由后級電子線路據此調整輸出。在美國專利No.5,416,860中揭示了一種更為復雜的這類技術。該系統不僅需要額外的電子線路處理，并且需要增加光電流元件，從而提高了單元成本。在美國專利No.5,382,901中揭示了另一種較為復雜的技術，它利用分束器并涉及兩種偏振元件的處理。還可以參見的是歐洲專利申請No.657,740。有一種不同的方法是如美國專利No.5,463,312所揭示的那樣，通過在制造過程中盡量減少傳感光纖的雙折射(例如使光纖旋轉)，隨后將線圈形式退火以盡量減少溫度依賴性。正如“不同雙磁玻璃中Verdet系數溫度依賴性”一文(《應用光學期刊》Vol.30，No.10，pp.1176-1178(1991年4月1日出版))中所揭示的那樣，采用特殊的材料作傳感光纖也可以盡量減少Verdet系數變化引起的起伏。
溫度敏感性的原因也可以是彎曲誘導雙折射。例如，當單根傳感光纖被排列在位于載流導體附近的兩個或更多的直線段內并且光纖在直線段端部形成環時就可能發生這樣的情況。在“法拉第旋轉光纖光電流傳感器中雙折射元件幾何結構分立”一文(《應用光學快報》Vol.16，No.9，pp698-689(1991年五月1日出版))所介紹的傳感頭中，通過選擇合適的環幾何參數(半徑和匝數)從而使彎曲誘發雙折射是2π的倍數，將這種效應減小到了最低限度。在上述傳感頭中，單根光纖在導體附近形成正方形的四個直線段。雖然這種結構抑制了彎曲誘導的雙折射，但是它也存在將傳感器安裝在“無端部”光纜(即現有的無法從傳感器穿線的光纖)上這一OCT的共有缺點。通過在線圈環或者正方形傳感器光纖側面提供足夠的空間，可以在結構上保證傳感器線圈和正方形傳感器在無端部光纜上放置，但是這增加了傳感器的體積并且可能會影響精度。因此設計一種溫度依賴性有所改善而又易于安裝在已有光纜上的光纖光電流傳感器。如果這種傳感器無需特殊的材料、特殊的光學元件或者特殊處理就可以制成，則它的優點更為明顯。

發明內容
本發明提供一種法拉第效應電流傳感器，一般包括光源、至少兩個包括輸入和輸出的法拉第效應傳感單元、將光源與第一傳感單元的輸入耦合的裝置、將第一傳感單元的輸出與第二傳感單元的輸入耦合的裝置、光學檢測器以及將第二傳感單元的輸出與光學檢測器耦合起來的裝置。在較佳實施例中，第一和第二傳感單元是單模傳感光纖分立的部分，通常每個都固定在直線方向上，并且各種耦合裝置包括融合疊加在傳感光纖端部上的偏振光纖。該裝置可以包括兩個以上的傳感單元，增加的偏振光纖與該單元串聯。
傳感單元一般是直的光纖段，它們可以排列構成普通的多邊形，例如三個單元傳感器組成等邊三角形。傳感光纖段可以安裝在剛性襯底上并在張力下固定。利用直傳感光纖省略了制造過程中為抑制雙折射而進行的光纖退火。傳感光纖與偏振光纖之間拼接的位置的排列可以使傳感光纖形成基本閉合的路徑，而該路徑位于載流導體附近。
通過合適地選擇每個傳感單元偏角的數值可以改善傳感器響應的線性度。該數值定義為與給定傳感光纖相連的兩個偏振光纖慢軸之間的夾角，優化值為arctan[1/√(2n-1)]，這里n為傳感單元數量。本發明還適于用作差分電流傳感器，其中每個單元位于分立的包內，從而使得單元位于Y分支上不同導體附近或者不同位置的同一導體上。
附圖的簡要說明借助以下附圖將能更好地理解本發明

圖1為采用串聯場傳感器的本發明電流傳感器頂視圖；圖2為與普通電流傳感器相比的本發明電流傳感器響應曲線圖；圖3為按照本發明的差分電流傳感器示意圖；圖4為圖3差分電流傳感器響應曲線圖。
實施發明的較佳方式參見附圖1，它示出了本發明光纖光電流傳感器10的實施例。電流傳感器10一般由靠近相鄰載流導體18的三個串聯場傳感器12、14和16以及幾個鄰接光纖20、22、24和26構成。每個場傳感器基本上是獨立的法拉第傳感光纖片，因此第一場傳感器12包括第一傳感光纖28，第二場傳感器14保第二傳感光纖30，并且第三場傳感器16包括第三傳感光纖32。光纖20為輸入光纖，它將條件光信號從光源34(例如光發射二極管、激光二極管或者超熒光二極管)輸送至第一傳感光纖28。光纖22使第一傳感光纖12與第二傳感光纖14互連，而光纖24使第二傳感光纖與第三傳感光纖14互連。光纖26為輸出光纖，它將場修改光信號輸送至檢測器36(例如光電二極管)。
術語“串聯”指的是場傳感器串聯的方式。就此而言，本發明的電流傳感器可以串聯任意數量的場傳感器。即，至少必須有兩個場傳感器并且必須至少有一個與場傳感器互連的光傳輸介質，這里互連的介質對法拉第效應不敏感，或者也可以直接將兩個場傳感器連接在一起。比較好的是至少有三個場傳感器，排列成(等邊)三角形。如果采用三個以上的場傳感器，這比較好的是將它們排列為普通多邊形。雖然其它手段(例如機械疊加)也是可以應付的，但是所有的光纖比較好的是借助熔化疊加手段附著。疊加點比較好的是在導體18周圍構成一個閉合的路徑或環路，從而更為精確地計量周圍磁場。換句話說，輸入光纖20與第一傳感光纖28之間的疊加位置38與輸出光纖26與第三傳感光纖32之間的疊加位置是相鄰的，或者是交疊的。同樣，第一傳感光纖28與連接光纖22之間的疊加位置40交疊在連接光纖22與第二傳感光纖30之間的疊加位置上。而第二傳感光纖30與連接光纖24之間的疊加位置42交疊在連接光纖24與第三傳感光纖32之間的疊加位置上。疊加點比較好的是根據三個以上場傳感器的變化而交疊。在這種方式下，串聯場傳感器接近完美的電流傳感器，其測量誤差在許多應用中可以忽略不計。
光纖可以由任何合適的裝置支承。在較佳實施例中，輸入和輸出光纖20和26以及連接光纖22和24通過用粘合劑粘合到固定塊44上達到固定目的。塊44依靠在石英棒46上，并且也可以用膠水固定。
在圖1所示實施例中，每個傳感光纖(場傳感器)一般為直的光纖段，即可以略微偏離完美的直線但光纖決不是曲線。這避免了彎曲誘導雙折射參數的不利影響，并且無需對傳感光纖退火。直線段也可以在張力下更為容易地固定，這樣對溫度的敏感性較小。毫無疑問，傳感光纖可以彎曲得更接近導體附近的圓圈，但是如果這樣，它們比較好的是進行退火以抑制雙折射效應。
通過提供分立的互相耦合的傳感光纖部分，簡化了安裝過程。由于在安裝過程中單元可以相對另一單元移動，例如無需切割光纜就可以將傳感器放置在已有(無端部)光纜附近，所以這種結構向電流傳感器10提供了靈活性。由于視在轉動角度(這種類型傳感器中溫度變化的主要原因)跟隨傳感器單元平均的均方根變化，所以提供多個場傳感器降低了溫度的依賴性，使得隨著場傳感器數量的增加而使溫度穩定性更強。
通過將傳感器設計成所有傳感單元的磁光旋轉相同并且偏角等于arctan[1/√(2n-1)]，這里n為傳感單元數量，傳感器對電流的響應與普通磁光電流傳感器相比更加線性化(“偏角”指的是傳感光纖每端上光纖之間的偏振角，即偏振光纖慢軸之間的夾角；“磁光旋轉”指的是目標電流誘發的偏振角變化)。角度值可通過使調制轉移函數最大化而導出。因此對于n＝3的情況(圖1)，偏振器之間的優化角度為artan(1/√5)＝24.1°。這種情況下傳感器的靈敏度為1/√(2n-1)并且傳感器損失隨著n變大而逼近1/√e；這里靈敏度相對標準的單環光纖光電流傳感器而言。如圖2所示，與單環光纖光電流傳感器相比，在擴展的電流量程內本發明傳感器的響應更加線性；線A表示實際的電流，線B表示普通傳感器的響應，線C表示n＝3時電流傳感器10的響應。測試還表明圖1傳感器的溫度響應基本上只受光纖材料Verdet系數溫度依賴性的限制，即幾乎是完美的理論性能；這是第一個具有這種性能的單檢測器、非退火電流傳感器。正如美國專利申請No.08/539,059所揭示的那樣，Verdet溫度依賴性可以進一步通過在一定偏角處附著光纖得到補償。
如果導體不是位于傳感器中心(即在圖1中傳感器光纖構成的等邊三角形中心)，則傳感器的響應可能會變化，但是假定導體位置偏離中心不超過多邊形內接圓的10％，則響應線性度的偏離可以忽略不計，所以導體并不需要嚴格定位于中心。如果場源到傳感器的距離遠遠大于傳感器的尺寸，則外部磁場對傳感器的影響同樣忽略不計。
用于本發明的較佳類型的光纖可以從位于Connecticut州的West Haven的3M特殊光纖公司得到。每根光纖20、22、24和26比較好的是貨號為FS-PZ-4611/200SA的偏振(PZ)光纖(工作波長為850鈉米)。傳感光纖28、30和32比較好的是貨號為FS-SM-4611的紡成單模光纖(工作波長為780鈉米)。塊44比較好的是由顯微片支承的石英片并且切割成1/8”×1/2”×1毫米片。硅鋁襯底46由紐約州Yonkers的AC技術公司提供的貨號為ACMA-1100的產品制成。粘合光纖的膠水是New Jersey的New Brunswick提供的UV凝固環氧樹脂NOA#72。將塊44粘合到棒46上的膠水購自Danbury，CT的電子材料公司，貨號為XP1060-930-45-1A。光源22的激光二極管包從England的Winchester的點光源公司獲得，貨號為LDS-Pz-3-K-780-0.5-TE。點光源公司包中的超熒光二極管由加拿大的Vaudreuil的EG&G光電子公司制造。較佳的檢測器34是Floida的Orlando的Graseby光電子公司的Si光檢測器，貨號為260。
可以采用其它類型的磁光檢測介質代替單模光纖，例如大塊玻璃、YIG(釔鐵石榴石晶體)等。也可以采用其它類型的偏振器，包括大塊光纖偏振器(例如購自日本Sumitomo電子公司的LAMIPOL或者購自紐約Corning公司的Corning玻璃POLARCOR)。
如圖3所示，串聯場傳感器的概念也可以用于差分電流傳感器。差分電流傳感器一般包括光源52、第一場傳感器54、將條件光信號從光源52傳輸至第一場傳感器54的輸入光纖56、第二場傳感器58、將第一場傳感器54與第二場傳感器58互聯的連接光纖60、檢測器62和向檢測器62傳送場修正光信號的輸出光纖64。檢測器62一般與信號處理電子線路連接或集成在一起。差分電流傳感器50通過將兩個場傳感器沿著導體Y分支不同位置放置測量電流，Y分支包括一條輸入線66和兩條輸出線68和70。在圖3所示的位置上，場傳感器54放置在第一輸出線68部分的附近，而第二場傳感器58被放置在輸入線66部分的附近。場傳感器54和58之間的串聯連接使得輸出正比于兩個傳感器之間流動電流之差。
本發明的差分電流傳感器可以放置在單個導體的不同位置上從而監視電流的連續性。對于傳感器之間較長的距離，比較好的是采用標準單模光纖來連接兩個傳感器。在這種情況下，傳感器需要在兩個傳感器光纖之間有去偏振器。傳感器必須標度并且具有好的特性曲線靈敏度從而進行準確的差分測量。這種結構大多數用于較大的電流差(例如同一線路上兩個傳感器之間的短路)。
場傳感器54和58可以是普通的傳感線圈或者傳感器10，它們包括串聯在一個包內的多條傳感光纖。其余的元件與上述相似。與已有技術的差分傳感器不同，差分電流傳感器50只采用單光源和一個檢測器。與已有技術的差分傳感器相比，這種結構簡化了使用，提供了可靠性并且降低了成本，而且無需擔心對連接光纖的干擾，而這會改變傳播中光波的偏振狀態。圖4示出了差分電流傳感器50的工作原理。導體第一部分與第一傳感單元的相互作用改變了從第一傳感單元出射的光波。位于導體第二部分的第二傳感單元將第二次修改光波。如果相互作用的強度相同而符號相反(通過兩個傳感器的電流相同)，則光波修改的最終結果為零。如果導體兩個部分的電流不同，則光波的凈修改不為零。這表現為非零輸出信號。
雖然以上借助實施例對本發明作了描述，但是本發明的精神和實質由后面所附權利要求限定。
權利要求
1.一種檢測導體內流過的電流的裝置，其特征在于包括光源；包括輸入和輸出的第一法拉第效應傳感單元；將所述光源與所述第一傳感單元的輸入耦合的第一裝置；將所述第一傳感單元的輸出與所述第二傳感單元的輸入耦合的第二裝置；光學檢測器；以及將所述第二傳感單元的輸出與所述光學檢測器耦合起來的第三裝置。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一傳感單元包括具有第一和第二端的第一傳感光纖，所述第一端與所述光源耦合；所述第二耦合裝置包括具有第一和第二端的偏振光纖，所述第一端疊加在所述第一傳感光纖的所述第二端上；以及所述第二傳感單元包括具有第一和第二端的第二傳感光纖，所述第二傳感光纖的所述第一端疊加在所述偏振光纖的所述第二端，并且所述第二傳感光纖的所述第二端與所述檢測器耦合。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于包括一個或多個附加的法拉第效應傳感單元；以及在所述第一和第二傳感單元之間串聯耦合所述附加傳感單元的裝置，其中所述第一、第二和附加傳感單元包括排列為普通多邊形的直光纖段。
4.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述第一傳感單元固定在包圍導體第一部分的第一包上，并且所述第二傳感單元固定在包圍導體第二部分的第二包上，從而使得裝置可以用作差分電流傳感器。
5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于進一步包括至少一個附加的法拉第效應傳感單元從而使傳感單元的總數為n，還包括在所述第一和第二傳感單元之間串聯耦合所述附加傳感單元的附加裝置，其中所述第一、第二和附加傳感單元的每一個包括傳感光纖；所述第一、第二和附加傳感單元的每一個包括偏振光纖；以及其中一個給定的所述傳感光纖的偏角定義為兩個偏振光纖慢軸之間的夾角，所述偏角大約等于arctan[1/√(2n-1)]。
6.如權利要求1所述的裝置，其特征在于進一步包括一個或多個附加的法拉第效應傳感單元以及在所述第一和第二傳感單元之間串聯耦合所述附加傳感單元的附加裝置，其中所述第一、第二、第三和附加傳感單元的每一個包括偏振光纖；所述第一、第二和附加傳感單元的每一個包括附著在至少一個所述偏振光纖不同疊加位置上的傳感光纖；以及所述疊加位置排列為使所述傳感光纖構成位于導體附近的基本閉合的路徑。
7.如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述第一和第二傳感光纖一般都是直光纖截面的。
8.如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述第一和第二傳感光纖都是不退火的。
9.如權利要求2所述的裝置，其特征在于所述傳感光纖利用熔化疊加方式疊加在所述偏振光纖上。
10.如權利要求3所述的裝置，其特征在于所述第一、第二、第三和附加傳感單元的每一個包括偏振光纖；所述光纖截面的每一個附著在至少一個所述偏振光纖不同的疊加位置上；以及所述疊加位置排列為使所述傳感光纖截面構成位于導體附近的基本閉合的路徑。
11.如權利要求3所述的裝置，其特征在于有并且只有三個光纖段；以及所述三個光纖段排列成等邊三角形。
12.如權利要求10所述的裝置，其特征在于總共有n個法拉第效應傳感單元，每個包括所述光纖段；以及其中一個給定的所述傳感光纖的偏角定義為兩個偏振光纖慢軸之間的夾角，所述底角大約等于arctan[1/√(2n-1)]。
13.一種改變磁場的法拉第效應傳感產品，其特征在于包括至少三個法拉第效應場傳感器，每個包括傳感光纖的直線段，所述傳感光纖段排列成普通多邊形；以及
14.如權利要求13所述的產品，其特征在于進一步包括光源；將所述光源與所述傳感光纖段的第一個耦合的第一裝置；光學檢測器；以及將所述傳感光纖段最后一個與所述光學檢測器耦合起來的裝置。
15.如權利要求13所述的產品，其特征在于總共有n個場傳感器；以及其中一個給定的所述傳感光纖段的偏角定義為兩個偏振光纖慢軸之間的夾角，所述底角大約等于arctan[1/√(2n-1)]。
16.如權利要求13所述的產品，其特征在于每個所述傳感光纖段附著在至少一個所述偏振光纖的不同疊加位置上；以及所述疊加位置排列為使所述傳感光纖段構成位于導體附近的基本閉合的路徑。
17.如權利要求13所述的產品，其特征在于每個所述傳感光纖段安裝在剛性襯底上并且在張力下保持固定。
18.一種差分電流傳感器，其特征在于包括光源；包括輸入和輸出的第一法拉第效應場傳感器，所述第一場傳感器固定在包圍第一導體的第一包上；將所述光源與所述第一場傳感器的輸入耦合的第一裝置；包括輸入和輸出的第二法拉第效應場傳感器，所述第二場傳感器固定在包圍第二導體的第二包上；將所述第一場傳感器的輸出與所述第二場傳感器的輸入耦合的第二裝置；光學檢測器；以及將所述第二場傳感器的輸出與所述光學檢測器耦合起來的第三裝置，從而使得來自所述光源的光信號在到達所述檢測器之前首先通過所述第一場傳感器并且隨后通過所述第二場傳感器。
19.如權利要求18所述的差分電流傳感器，其特征在于所述第一、第二和第三耦合裝置分別包括第一、第二和第三偏振光纖。
20.如權利要求18所述的差分電流傳感器，其特征在于所述第二耦合裝置包括直接將所述第一第一場傳感器的所述輸出與所述第二場傳感器的所述輸入連接起來的熔化疊加片。
全文摘要
本發明提供一種法拉第效應電流傳感器,一般包括:光源、至少兩個包括輸入和輸出的法拉第效應傳感單元、將光源與第一傳感單元的輸入耦合的裝置、將第一傳感單元的輸出與第二傳感單元的輸入耦合的裝置、光學檢測器以及將第二傳感單元的輸出與光學檢測器耦合起來的裝置。傳感單元一般是直的光纖段,它們可以排列構成普通的多邊形,例如三個單元傳感器組成等邊三角形。通過合適地選擇每個傳感單元偏角的數值可以改善傳感器響應的線性度。該數值定義為與給定傳感光纖相連的兩個偏振光纖慢軸之間的夾角,優化值為arctan[1/√(2n－1)],這里n為傳感單元數量。本發明還適于用作差分電流傳感器,其中每個單元位于分立的包內,從而使得單元位于Y分支上不同導體附近或者不同位置的同一導體上。
文檔編號G01R19/00GK1202249SQ96198394
公開日1998年12月16日 申請日期1996年9月12日 優先權日1995年11月22日
發明者J·W·道森, T·W·麥克道蓋爾 申請人:美國3M公司