專利名稱：薩格拉斯干涉儀型電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用薩格拉斯(Sagnac)干涉儀型電流傳感器，包括設(shè)置在由電流產(chǎn)生的磁場內(nèi)的光纖線圈，并且順時針和逆時針光線通過該光纖線圈傳播，產(chǎn)生法拉第(Faraday)效應(yīng)，從而使它們的偏振平面以相反的方向旋轉(zhuǎn)，在它們之間產(chǎn)生相位差，通過檢測相位差可以確定電流。
背景技術(shù)：
測量在通過輸電與配電領(lǐng)域使用的傳輸線的電流一般使用包括鐵芯和其上纏繞線圈的互感器。由于互感器代表純電測量儀器，因而要求互感器滿足電噪聲阻抗和介電強(qiáng)度要求，并且取決于所安裝的位置，必須考慮外部輪廓和尺寸。
包括光纖線圈的薩格拉斯干涉儀是為在電流傳感器中使用而正在研究和開發(fā)的，它不受電噪聲影響，并且它不要求確保介電強(qiáng)度。包括光纖線圈的薩格拉斯干涉儀已經(jīng)用于檢測光纖陀螺(gyro)應(yīng)用中運動物體的旋轉(zhuǎn)。除了檢測旋轉(zhuǎn)以外，薩格拉斯干涉儀對由電流產(chǎn)生的磁場呈現(xiàn)反應(yīng)，并且可以利用這樣的反應(yīng)來確定電流。特別是，當(dāng)在包括透明材料的光纖線圈上施加磁場時，法拉第效應(yīng)引起偏振平面的旋轉(zhuǎn)，并且偏振平面的旋轉(zhuǎn)角度是與磁場強(qiáng)度和光線在磁場中經(jīng)過的距離成比例。由于偏振平面的旋轉(zhuǎn)，在通過光纖線圈的右旋和左旋光線之間產(chǎn)生相位差。檢測相位差可以確定產(chǎn)生該磁場的電流強(qiáng)度?，F(xiàn)在將參考圖1描述薩格拉斯干涉儀型電流傳感器的一個傳統(tǒng)實例。
在圖1中，從光源1中發(fā)射出的光通過光學(xué)定向耦合器或第一光分支單元(optical branch unit)2，并且進(jìn)一步通過第一偏振濾光器3到達(dá)第二光分支單元4，在其中被分為右旋光和左旋光，并照射在電流檢測線圈6上。左旋光在相位調(diào)制器5中受到調(diào)制，該光通過四分一波片16照射在線圈6的一端，經(jīng)過線圈6行進(jìn)，從其作為左旋光發(fā)射，照射在第二四分一波片17上，并且接著連續(xù)通過第二光分支單元4和第一偏振濾光器3，照射在第一光分支單元2上，在其中光被分支到光接收器7并由其接收。另一方面，來自第二光分支單元4的右旋光通過第二四分一波片17，照射在電流檢測線圈6上，經(jīng)過線圈6行進(jìn)，從其作為右旋光順時針發(fā)射，照射在第一四分一波片16上，在其中，它的光相位在相位調(diào)制器5中得到調(diào)制。相位調(diào)制過的右旋光連續(xù)地通過第二光分支單元4和第一偏振濾光器3，照射在第一光分支單元2上，在其中光被分支到光接收器7并由其接收。應(yīng)該理解，第一四分一波片16和第二四分一波片17把從偏振濾光器3入射的線偏振光轉(zhuǎn)換成所發(fā)射的圓偏振光，并且也把圓偏振入射光轉(zhuǎn)換成線偏振發(fā)射光。應(yīng)該注意到，調(diào)制輸入是從振蕩電路9輸入相位調(diào)制器5，以執(zhí)行右旋和左旋光線的光相位調(diào)制。
當(dāng)把電線10靠近受磁場作用的電流檢測線圈6時，因而該線圈的直徑方向是在電線10的延長線上，在通過線圈6后，在右旋光和左旋光之間產(chǎn)生相位差，并且從該線圈發(fā)射出的右旋光和左旋光在第二光分支單元4經(jīng)受合成干涉，結(jié)果光接收器7接收相位已調(diào)制的光，它具有隨相位差而變化的光強(qiáng)度。干涉光的強(qiáng)度變化具有與來自振蕩電路9的調(diào)制信號的頻率相符的頻率，并且具有與右旋光和左旋光之間的相位差對應(yīng)的相位。當(dāng)?shù)竭_(dá)光接收器7時，該相位調(diào)制光被轉(zhuǎn)換為具有隨光強(qiáng)度而幅度變化的電信號。由光電轉(zhuǎn)換器獲得的電信號被輸入到同步檢測器8。從振蕩電路9供給相位檢測器5的調(diào)制信號被輸入到同步檢測器8作為參考信號，由此執(zhí)行對輸入到光接收器7并由此輸出的信號的同步檢測。該同步檢測輸出對應(yīng)于相位差，而相位差與施加到該電流檢測線圈6的磁場成比例。(關(guān)于相位調(diào)制的細(xì)節(jié)，參見序號為99/351883和01/21363的公開的日本專利申請)。
如上所述，通過使圓偏振光照射在該線圈的相反端和作為右旋光和左旋光從中通過傳播，并且通過使兩束光之間具有相位差的光互相干涉，使得獲得的相干光具有可用于確定電流強(qiáng)度的變化光強(qiáng)度，薩格拉斯干涉儀型電流傳感器可確定產(chǎn)生施加在電流檢測線圈6的磁場的電流的強(qiáng)度。
為了把薩格拉斯干涉儀當(dāng)作電流傳感器來操作，有必要把圓偏振光如上所述入射到電流檢測線圈6上。為滿足這個要求，在圖1所示的傳統(tǒng)實例中，以粗線表示的光纖或光纖部件是由維持偏振的光纖構(gòu)成的。具體地說，除了形成電流檢測線圈6的光纖以外，從光源1延伸到第一光分支單元2并具有一米量級長度的光纖、從第一光分支單元2延伸到第一偏振濾光器3并具有一米量級長度的光纖、從第一偏振濾光器3延伸到第二光分支單元4并具有一米量級長度的光纖、以及從第二光分支單元4延伸到相位調(diào)制器5并具有一米量級長度的光纖每個都是由維持偏振的光纖構(gòu)成的。假定構(gòu)成電流檢測線圈6的光纖的總長度是10米，從第二光分支單元4延伸到第一四分一波片16的光纖以及從第二光分支單元4延伸到第二四分一波片17的光纖每個具有選擇為大約50米長，每個這樣長度的光纖是由維持偏振的光纖構(gòu)成的。在所示傳統(tǒng)實例中，第一光分支單元2、第一偏振濾光器3以及第二光分支單元4如圖所示也是由維持偏振的光纖構(gòu)成的。
應(yīng)該理解，把來自光源的光線的固有軸線與連接到第一光分支單元2的維持偏振的光纖的固有軸線校準(zhǔn)為一條直線需要大量的時間，并且相應(yīng)地，這種電流傳感器相當(dāng)?shù)匕嘿F。另外，維持偏振的光纖遠(yuǎn)比與不維持偏振面的單模光纖便宜。因此，圖1所示的傳統(tǒng)薩格拉斯干涉儀型電流傳感器是昂貴的。
圖2所示的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器包括附加在圖1所示傳統(tǒng)實例上的長度調(diào)節(jié)的光纖線圈。
在薩格拉斯干涉儀中，檢測線圈包括單模光纖線圈。當(dāng)它用作電流檢測線圈6時，設(shè)計具有總長度10米量級的光纖對檢測電流的目的足夠了。為了獲得在檢測由光接收器7獲取的、作為光電轉(zhuǎn)換結(jié)果的電信號時的良好靈敏度，通常在薩格拉斯干涉儀的檢測線圈6的一端插入相位調(diào)制器5，以便某種意義上(in an a.c.sense)根據(jù)前述右旋光和左旋光提供光相位調(diào)制。當(dāng)檢測線圈6具有10米量級的光纖長度時，在左旋和右旋光之間不能獲得足夠的傳播時間差，因而對于得到的相干光難以獲得足夠的調(diào)制幅度。為了克服這個問題，把長度調(diào)節(jié)光纖線圈60串聯(lián)到檢測線圈6的一端，使得從第二光分支單元4的一個分支端到它的包括檢測線圈6和長度調(diào)節(jié)光纖線圈60的另一端形成百米量級長度的光纖。假定檢測線圈6的光纖長度等于10米，選擇長度調(diào)節(jié)光纖線圈60具有90米量級的長度。因為調(diào)制頻率相對于相位調(diào)制器的最佳激勵頻率的誤差與造成偏移變化的尖峰信號脈寬成比例，所以一般選擇包括長度調(diào)節(jié)光纖線圈60的檢測線圈的長度L與調(diào)制頻率f的乘積使得滿足下列等式f·L＝c/2n其中c表示光速，和n表示光纖的折射系數(shù)。把c＝3×108米/秒和n＝1.45代入式中，結(jié)果如下
f·L＝100米·兆赫茲在圖2所示的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器中，除了電流檢測線圈6是由單模光纖構(gòu)成的以外，光學(xué)器件以及連接光學(xué)器件的光纖都是由粗線指示的維持偏振的光纖構(gòu)成的，并且長達(dá)90米的長度調(diào)節(jié)光纖線圈60也是由維持偏振的光纖構(gòu)成的。這些解釋了整個薩格拉斯干涉儀型電流傳感器價格昂貴的原因。
本發(fā)明的目的是提供克服了因使用維持偏振的光纖而引起的所述問題的一種薩格拉斯干涉儀型電流傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明以薩格拉斯干涉儀型電流傳感器作為前提，其中所發(fā)射的光線通過光學(xué)定向耦合器照射在第一偏振濾光器上，該濾光器發(fā)射出具有指定偏振面的線偏振光，該線偏振光接著在第二光分支單元中分成兩束光，一束經(jīng)過光相位調(diào)制器和第一四分一波片，同時另一束經(jīng)過第二四分一波片，由此作為左旋光和右旋光的兩束光都照射在電流檢測線圈的相對兩端。根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，在光學(xué)定向耦合器和第一偏振濾光器之間插入第一消偏振鏡。
優(yōu)選地，在光相位調(diào)制器和第一四分一波片之間插入第二消偏振鏡和第二偏振濾光器；以及在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間插入第三消偏振鏡和第三偏振濾光器。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，在光相位調(diào)制器和第一四分一波片之間插入第二消偏振鏡和第二偏振濾光器；以及在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間插入第三消偏振鏡和第三偏振濾光器。使用不具有偏振特性的光源。
還優(yōu)選地，第一長度調(diào)節(jié)光纖線圈串聯(lián)在第二光分支單元的一個分支和第一四分一波片之間，以及第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間，兩個長度調(diào)節(jié)光纖線圈彼此以相反方向繞制，并且使它們的中心軸校準(zhǔn)于共同的直線上。
更優(yōu)選地，第一和第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈以及檢測線圈的中心軸充分地校準(zhǔn)于共同的直線上并且通過薩格拉斯效應(yīng)光的相位發(fā)生變化，這三個線圈上的光的相位變化彼此抵消。
優(yōu)選地，使光學(xué)定向耦合器和第二光分支單元之間分開，接著通過第一光連接器/一條延伸光纖/第二光連接器22將它們連接在一起。另外，在第二光分支單元與第一和第二四分一波片的每一波片之間可以形成一個間距，通過第一光連接器/兩條延伸光纖/第二光連接器22能夠?qū)⑺鼈兒芎玫剡B接起來。


圖1是傳統(tǒng)實例的示意圖；圖2是包括長度調(diào)節(jié)光纖線圈的另一個傳統(tǒng)實例的圖解；圖3是本發(fā)明實施例的示意圖；圖4是表示消偏振鏡的示意圖；圖5是本發(fā)明另一個實施例的示意圖；圖6是包括長度調(diào)節(jié)光纖線圈的本發(fā)明的實施例的示意圖；圖7是發(fā)明的被分為多個框圖的實施例的示意圖；圖8是發(fā)明的被分為多個框圖的另一個實施例的示意圖。
具體實施例方式
將參照圖3所示的實施例描述實現(xiàn)本發(fā)明的模式。
在圖3中與在圖1所示的那些對應(yīng)部分由前面使用過的相同的參考數(shù)字指定。在這個實施例中，連接光學(xué)器件的光纖是由單模光纖構(gòu)成的，并且使用消偏振鏡接收入射光并將其轉(zhuǎn)換為非偏振光發(fā)射出去。
從光源1發(fā)射的光，通過用作光學(xué)定向耦合器的第一光分支單元2，照射在第一消偏振鏡11上，并且由其傳送的光被轉(zhuǎn)換為在正交模(mode)之間具有相等的光量的非偏振光。從第一消偏振鏡11發(fā)射的非偏振光照射在第一偏振濾光器3上，在其中，有選擇地發(fā)射具有指定偏振面的線偏振光。該線偏振光照射在第二光分支單元4上，在其中光被分為左旋光和右旋光。被分支的左旋光在相位調(diào)制器5中受到調(diào)制，并且該相位調(diào)制的左旋光照射在第二消偏振鏡12上并被轉(zhuǎn)換為非偏振光，并且接著照射在第二偏振濾光器14上，在其中光被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光。從第二偏振濾光器14發(fā)射出的線偏振光通過第一四分一波片16被轉(zhuǎn)換為圓偏振光，該圓偏振光照射在由單模光纖構(gòu)成的電流檢測線圈6的一端，繼續(xù)逆時針行進(jìn)通過線圈6，從它的另一端發(fā)射出去。接著，該圓偏振光順序地通過第二四分一波片17和第三偏振濾光器15被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光。接著該線偏振光通過第三消偏振鏡13被轉(zhuǎn)換為非偏振光并照射在第二光分支單元4上。通過第二光分支單元4的光線順序地通過第一偏振濾光器3和第一消偏振鏡11被轉(zhuǎn)換為非偏振光，接著照射在第一光分支單元2上，并被光接收器7接收。
另一方面，由第二光分支單元4分支的右旋光照射在第三消偏振鏡13上被轉(zhuǎn)換為非偏振光，該非偏振光接著照射在第三偏振濾光器15上被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光。這個線偏振光通過第二四分一波片17被轉(zhuǎn)換為圓偏振光，該圓偏振光接著照射在電流檢測線圈6上，繼續(xù)順時針行進(jìn)通過線圈6發(fā)射出去。接著，所發(fā)射的光順序地通過第一四分一波片16和第二偏振濾光器14被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光，接著該線偏振光通過第二消偏振鏡12被轉(zhuǎn)換為非偏振光，接著該非偏振光照射在相位調(diào)制器5上受到光相位調(diào)制。經(jīng)過光相位調(diào)制的右旋光順序地通過第二光分支單元4、第一偏振濾光器3和第一消偏振鏡11被轉(zhuǎn)換為非偏振光，該非偏振光接著通過第一光分支單元2被光接收器7接收。
參見圖3，當(dāng)將由電流產(chǎn)生的磁場施加到電流檢測線圈6時，在磁場的影響下，由于法拉第效應(yīng)，在右旋光和左旋光之間產(chǎn)生相位差，在右旋光和左旋光照射該電流檢測線圈6之前，通過第二偏振濾光器14和第一四分一波片16的組合或第三偏振濾光器15和第二四分一波片17的組合，已被轉(zhuǎn)換為圓偏振光。如果假定法拉第效應(yīng)正向性地作用于右旋光，則隨之法拉第效應(yīng)負(fù)向性地作用于左旋光。按這種方式，法拉第效應(yīng)在右旋光和左旋光之間產(chǎn)生相位差。在通過電流檢測線圈6后，左旋光和右旋光在第二光分支單元4內(nèi)經(jīng)受合成干涉(synthesizing interference)，結(jié)果，具有光強(qiáng)度隨兩束光之間的相位差而變化的相位調(diào)制光被光接收器7接收。一旦到達(dá)光接收器7，該相干的、相位調(diào)制光被轉(zhuǎn)換為具有幅度與其光強(qiáng)度變化相關(guān)的電信號。在同步檢測器8中使用自振蕩電路9饋送的信號作為參考信號，對從光接收器7來的電信號進(jìn)行同步檢測，由此提供檢測輸出信號，該信號取決于與施加在電流檢測線圈6的磁場成比例的相位差。
現(xiàn)在將研究消偏振鏡和非偏振光。
非偏振光指滿足這些要求的光在正交模之間的光量相等，并且正交模式之間的光不相干。滿足這些要求的光由通過消偏振鏡的通路獲得。例如，如圖4所示，消偏振鏡包括長度是L1的維持偏振的光纖21和長度是L2的維持偏振的光纖22，它們的一個端面膠合在一起。選擇L1和L2的長度比率是1∶2，并且把維持偏振的光纖21和22熔接在一起，使得它們的固有軸線x，y互相偏移45°。以此方式構(gòu)成的消偏振鏡被稱為Lyot(立奧)消偏振鏡，它具有長度單位Lu，一般選擇該值，使得當(dāng)光沿維持偏振的光纖的一對固有軸線x，y傳播時，在正交分量之間的群延遲時間差(group dalay time difference)等于或大于光的相干時間(詳見Journal of Lightwave Technology(光波技術(shù))，Vol.LT1，No.1，March 1983第71-74頁)。
維持偏振的光纖的L1和L2長度之間的比率意在提供在立奧消偏振鏡中的正交分量之間的群延遲時間差的比率。接著假定發(fā)生在第一消偏振鏡11、第二消偏振鏡12以及第三消偏振鏡13中的正交分量之間的群延遲時間差大于光的相干時間，并且例如，發(fā)生在第一消偏振鏡11、第二消偏振鏡12以及第三消偏振鏡13中的正交分量之間的群延遲時間差比率為1∶2∶4。假定每個維持偏振的光纖具有相等的差拍(beat)長度。在單個消偏振鏡的固有軸x，y之間的群延遲時間差是等于或大于光的相干時間的，并且該被轉(zhuǎn)換為非偏振光的光在沿單模光纖傳播時可能具有已旋轉(zhuǎn)的偏振面，結(jié)果當(dāng)對應(yīng)固有軸y的分量在例如第一消偏振鏡中被延遲時，同樣的分量作為x分量可以入射在下一個消偏振鏡上。在這樣的實例中，已經(jīng)通過下一個消偏振鏡的光可能具有正交分量之間的群延遲時間差，該群延遲時間差可能等于或小于光的相干時間，因而不能滿足非偏振光的要求。如果選擇下一個消偏振鏡的群延遲時間差兩倍于第一消偏振鏡的群延遲時間差，能夠確保即使在這樣的實例中，在通過下一個消偏振鏡的通路上，正交分量之間的群延遲時間差是等于或大于光的相干時間的，由此確保非偏振光。
從圖1的裝置中顯而易見，發(fā)生在消偏振鏡11、12以及13中的群延遲時間差的比率也可以選擇為4∶1∶2，唯一的要求是選擇比率該比率1∶2∶4大的差值，而不考慮順序。
選擇對應(yīng)第一消偏振鏡11或消偏振鏡的單位長度是20厘米(比率1)。普通的維持偏振的光纖具有2毫米量級的差拍長度，并且假定所使用的光的相干時間在1.6×10-13秒量級，在通過20厘米長的維持偏振的光纖傳播期間，正交分量之間的群延遲時間差將是2.7×10-13秒，它等于或大于該相干時間。注意，這表示在光纖陀螺中常用的超熒光二極管光源的相干時間。
選擇對應(yīng)作為第二消偏振鏡12使用的消偏振鏡的單位長度是40厘米(比率2)，以及選擇對應(yīng)作為第三消偏振鏡13使用的消偏振鏡的單位長度是80厘米(比率4)。
當(dāng)作出這樣的選擇時，第一消偏振鏡11、第二消偏振鏡12以及第三消偏振鏡13能夠由維持偏振的光纖構(gòu)成，同時保持正交分量之間的群延遲時間差大于光的相干時間，該群延遲時間差是由通過維持偏振的光纖的通路引起的，并且當(dāng)?shù)谝?、第二和第三偏振鏡11、12以及13的正交分量之間的群延遲時間差的比率是1∶2∶4或1∶4∶2或更大時，左旋和右旋光都可以通過光路傳播，同時保持非偏振化并且能夠被合成以抑制由偏振分量引起的零點飄移形成的誤差。
在圖3所示的實施例中，連接在兩個光學(xué)器件之間的光纖都是由上述的單模光纖構(gòu)成的，并且相應(yīng)地，在通過單模光纖傳播時，偏振面可能發(fā)生微小的變化，這就不能確維持偏振的振面的保持。
但是，通過用廉價的單模光纖構(gòu)成連接在光源1和第一光分支單元2之間的光纖、和用廉價的單模光纖構(gòu)成第一光分支單元2，以便能傳輸在傳播和分支期間不能確保保持偏振面的光，使得在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間連接的第一消偏振鏡可獲得非偏振光，該非偏振光可以照射在第一偏振濾光器3上以提供恰當(dāng)?shù)木€偏振光。當(dāng)從第一偏振濾光器3發(fā)出的線偏振光通過單模光纖傳播時(該單模光纖是從第二光分支單元4到第二消偏振鏡12和第三消偏振鏡13延伸的增加長度)，偏振面可能改變，但是如果偏振面改變了，則在電流檢測線圈6相對端的第二消偏振鏡12和第二偏振濾光器14的組合以及第三消偏振鏡13和第三偏振濾光器15的組合的裝置使該偏振光能復(fù)原為具有指定偏振面的線偏振光，接著使其通過四分一波片16和17，作為所要求的圓偏振光照射在電流檢測線圈6上。
以類似的方式，通過第二四分一波片17和第三偏振濾光器15的組合、或第一四分一波片16和第二偏振濾光器14的組合，行進(jìn)已通過和從電流檢測線圈6發(fā)出的左旋和右旋光被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光，同時保持由通過電流檢測線圈6的通路引起的相位差。這些線偏振光分別通過第三消偏振鏡13和第二消偏振鏡12被轉(zhuǎn)換為非偏振光，同時保持它們之間的相位差，并且接著通過單模光纖，在第二光分支單元4中經(jīng)受合成干涉，由此產(chǎn)生具有強(qiáng)度隨相位差變化的相干光。通過第一偏振濾光器3，該相干光被轉(zhuǎn)換為具有指定偏振面的線偏振光，接著通過第一消偏振鏡11被轉(zhuǎn)換為非偏振光，同時保持強(qiáng)度變化，并且該相干的非偏振光通過包括單模光纖的第一光分支單元2，照射在光接收器7上，在其中它被轉(zhuǎn)換為幅度隨光強(qiáng)度變化的電信號，并且該電信號在檢測電流8中受到同步檢測。
如上所述可以看出，可以提供整體上廉價的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器同時確保其恰當(dāng)?shù)毓ぷ?。通過在連接在光學(xué)器件之間的每個光路上使用廉價的單模光纖；在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間提供第一消偏振鏡11；以及在電流檢測線圈6的每一端提供消偏振鏡、偏振濾光器以及四分一波片的組合，可確保可能已經(jīng)發(fā)生的偏振面的任何變化可以返回到指定偏振面。
在圖5所示的一個實施例中，連接在光源1和第一光分支單元2之間的光纖是由廉價的單模光纖構(gòu)成的，第一光分支單元2是由廉價的單模光纖構(gòu)成的，以及第一消偏振鏡11連接在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間。但是，不是如圖3所示的實施例中那樣，提供第二消偏振鏡12和第二偏振濾光器14的組合或第三消偏振鏡13和第三偏振濾光器15的組合，而是位于從第二光分支單元4到第一四分一波片16和第二四分一波片17的路徑上的每個光學(xué)器件和光纖都是由如圖1所示的傳統(tǒng)實例中的維持偏振的光纖構(gòu)成的。在這個實施例中，不確保光從光源1到第一消偏振鏡11保持偏振面，但是在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間連接第一消偏振鏡11能確保獲得非偏振光，并且使該非偏振光照射在第一偏振濾光器3上，并且接著由維持偏振的光纖作為合適的線偏振光繼續(xù)照射在第一四分一波片16和第二四分一波片17上。
在這個實施例中，可以使用諸如發(fā)射非偏振光的發(fā)光二極管(LED)的光源，由此可以方便地省去在來自光源的固有光軸和維持偏振的光纖的固有光軸之間校準(zhǔn)的麻煩。
另外，在圖3所示的實施例中，可以去掉第一消偏振鏡11，并且可以使用諸如發(fā)射非偏振光的發(fā)光二極管(LED)的光源作為光源1。在這個實例中，恰當(dāng)?shù)牟僮饕材鼙ＷC省去光源1和光纖之間的校準(zhǔn)，以及光纖可以使用單模光纖，由此提供一個廉價的裝置?？梢园训诙耒R12和第三消偏振鏡13的正交分量之間群延遲時間對它們之一選擇為1和對另一個選擇為2或更大。
在圖3和5所示的實施例中，也可以使用如圖2所示的長度調(diào)節(jié)光纖線圈。在這個實例中，在前者使用單模光纖，同時在后者使用維持偏振的光纖以提供長度調(diào)節(jié)光纖線圈。
當(dāng)使用該長度調(diào)節(jié)光纖線圈時，如圖6所示的裝置也將使用。在圖6中，與圖3所示的那些部件的對應(yīng)部件由前面使用過的相同的參考數(shù)字指定。從第二光分支單元4的一個分支端和第一四分一波片16之間延伸的光纖路徑被稱為第一光路，同時從第二光分支單元4的另一個分支端和第二四分一波片17之間延伸的光纖路徑被稱為第二光路。
在這個實施例中，逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71串聯(lián)在第一光路上，以及順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72串聯(lián)在第二光路上。換句話說，長度調(diào)節(jié)線圈分配在兩個光路之間，并且逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72都是由單模光纖構(gòu)成的，并且是作為光纖線圈提供的。由于各自光纖線圈的旋轉(zhuǎn)，在通過長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和72傳播的光的相位上產(chǎn)生變化，這些長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和72形成薩格拉斯效應(yīng)。需要提供一種防止在這些長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和72中發(fā)生薩格拉斯效應(yīng)的裝置，以免影響由于施加在電流檢測線圈6上的磁場而通過法拉第效應(yīng)產(chǎn)生的左和右旋光之間的相位差。相應(yīng)地，逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72以相反的方向繞制，并且安排光纖線圈71和72以使它們的中心軸充分地準(zhǔn)直在同一條直線上。利用這個裝置，由逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71引起的薩格拉斯效應(yīng)和由順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72引起的薩格拉斯效應(yīng)彼此相互抵消。利用如圖1所示的傳統(tǒng)電流傳感器，如果電流檢測線圈6圍繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，則在由于薩格拉斯效應(yīng)引起的左和右旋光之間產(chǎn)生相位差，它表示在電流檢測中的誤差。
相應(yīng)地，在圖6所示的實施例中，通過提供一種裝置使得在三個線圈之間由于薩格拉斯效應(yīng)引起的相位差總體上減小，可以達(dá)到預(yù)期的目的，該三個線圈是電流檢測線圈6、逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72。最后，安排線圈6、71和72使得它們的中心軸充分地互相準(zhǔn)直，并且通過滿足以下要求可以減小由于線圈6、光纖線圈71和光纖線圈72的旋轉(zhuǎn)引起的薩格拉斯效應(yīng)產(chǎn)生的總相位差|Rc×Lc+R1×L1-R2×L2|＜5其中Rc是電流檢測線圈的平均半徑(例如，0.5米)，Lc是電流檢測線圈的光纖長度(例如，10米)，R1是逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71的平均半徑(例如，0.035米＝35毫米)，L1是逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71的光纖長度(例如，57米)，R2是順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72的平均半徑(例如，0.035米＝35毫米)，L2是順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72的光纖長度(例如，200米)。
當(dāng)使用圓括號中所指示的特定值時，光纖的總長度將是267米，這是光纖陀螺的常用長度，光纖陀螺是種典型的薩格拉斯干涉儀。當(dāng)選擇上述不等式右邊的值為5時，由薩格拉斯效應(yīng)而發(fā)生的相位差將降低到在如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)中所發(fā)生的相位差的一半或更少。
另外，在圖6所示的實施例中，與光源的波長相比，希望在上述第一和第二光路中使用的每個單模光纖的截止波長可以向較長一側(cè)偏移100納米或更多。這些可以如下列所述發(fā)生。
光源1使用波長范圍0.83微米的半導(dǎo)體光源，這種光源被普遍用作光盤唱機(jī)的光源。
光纖使用波長1.3微米的單模光纖。這種光纖的截止波長在1.2微米的量級。并且經(jīng)常用于光通信中。
因為與光源的波長相比，這種光纖的截止波長向較長一側(cè)偏移100納米或更多，所以通常傳播較高波模(mode)。但是，如圖所示，逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71連接在第一光路中，同時順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72連接在第二光路中，并且這兩者如上所述構(gòu)成較小直徑的線圈。相應(yīng)地，這些線圈的彎曲效應(yīng)促使該較高波模易于泄漏防止進(jìn)一步的傳播。選擇光纖線圈71和72的直徑以便能使較高波模泄漏。換句話說，光源1和光纖可以使用普遍使用的廉價產(chǎn)品。
將易于看到，在圖6中所示的實施例作為電流傳感器，通過提供第一消偏振鏡11、第二消偏振鏡12與第二偏振濾光器14的組合以及第三消偏振鏡13與第三偏振濾光器15的組合，甚至使用單模光纖，能夠以如圖3所示的實施例類似的方式滿意地操作。
應(yīng)認(rèn)識到，要求如上所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器這樣配置，使得當(dāng)檢測由流經(jīng)電線的電流產(chǎn)生的磁場時，包括電流檢測線圈6的整個電流傳感器靠近電線來配置，并且這經(jīng)常造成它的安裝和維護(hù)上的不便和困難。相應(yīng)地，選擇一種裝置，其中薩格拉斯干涉儀型電流傳感器被機(jī)械上分為多部件組成該傳感器的光學(xué)器件，并且通過光學(xué)連接器和光纖將這些分立的部件連接起來。
被分為多部件光學(xué)器件的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器的實施例如圖7所示，在其中與在圖3所示的那些相對應(yīng)的部分由前面使用過的參考字符指定。
在這個實施例中，使第一光分支單元2和第二光分支單元4之間分開，以提供光源部件B和電流檢測線圈部件C，這兩個部件通過使用第一光連接器21、第二光連接器22以及延伸光纖20連接起來，該延伸光纖20連接在第一光連接器21和第二光連接器22之間。該延伸光纖20包括單模光纖，并且第一光連接器21和第二光連接器22包括用于連接單模光纖的光連接器。當(dāng)使在圖7中的第一光分支單元2和第一消偏振鏡11之間分開時，也可替代地使在第一偏振濾光器3和第二光分支單元4之間分開。
通過使用以光連接器和光纖在第一光分支單元2和第二光分支單元4之間連接的裝置，該電流傳感器可被劃分為光源部件B和電流檢測線圈部件C。將光源部件B可以安裝在高壓鐵塔附近的地面上，同時只有電流檢測線圈部件C可以單獨的安裝在高壓電線附近。與在高壓電線附近提供電流傳感器相比較，這減少了與安裝和維護(hù)有關(guān)的各種要求。
能夠進(jìn)行如上所述的分開和分割是使用在光纖器件之間連接的單模光纖優(yōu)點。具體地說，在第一光連接器21和第二光連接器22之間連接的延伸光纖20是由單模光纖構(gòu)成的，并且第一光連接器21和第二光連接器22可以作為用于連接單模光纖的光連接器。在連接光學(xué)器件的光纖是維持偏振的光纖的情況下，相應(yīng)的光連接器當(dāng)然需要是用于連接維持偏振的光纖的光連接器。但是，應(yīng)該認(rèn)識到用于連接維持偏振的光纖的光連接器比用于連接單模光纖的光連接器要昂貴得多。在本實施例中，使用廉價的用于連接單模光纖的光連接器連接各部件。
圖8示出一實施例，其中使第二光分支單元4和第一四分一波片16以及第二四分一波片17之間分開，以便將該電流傳感器分為光源部件B和電流檢測線圈部件C，這兩個部件通過使用第一光連接器21、第二光連接器22以及兩個延伸光纖20連接起來，該兩個延伸光纖20連接在第一光連接器21和第二光連接器22之間。在這個實施例中，電流檢測線圈部件C的結(jié)構(gòu)與前面的實施例相比可以進(jìn)一步簡化，由此能減輕與安裝和維護(hù)有關(guān)的各種要求。第一光連接器21和第二光連接器22中的每一個都可以使用雙芯連接器，以通過一對延伸光纖20簡化部件B和C之間的連接。在圖7和圖8中示出的其中電流傳感器被劃分成部件并連接在一起的裝置，也可以應(yīng)用到圖5和圖6中示出的實施例上。在前面的描述中，電流是開環(huán)測量的，但是當(dāng)在閉環(huán)光纖陀螺中，也可以閉環(huán)測量，并且本發(fā)明也可應(yīng)用到這樣的實例中?，F(xiàn)在將簡要描述一個這樣的裝置。在位于第二光分支單元4和第一四分一波片16以及第二四分一波片17之間的每個光纖路徑上插入第二光相位調(diào)制器，以根據(jù)來自檢測電路8的輸出實現(xiàn)光相位調(diào)制，使得左和右旋光之間的相位差減少。當(dāng)該相位差基本上等于0時獲得的、來自第二光相位調(diào)制器的調(diào)制信號的幅度與所檢測的電流相關(guān)。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，使用薩格拉斯干涉儀檢測在磁場影響下、在電流檢測線圈中產(chǎn)生的左和右旋光之間的相位差。通過在電流檢測線圈的每一端配置偏振濾光器和四分一波片的組合，在磁場的影響下產(chǎn)生的非交互相位差通過以圓偏振光傳播左和右旋光得以擴(kuò)大，由此優(yōu)化了對磁場或電流的靈敏度。能夠快速識別比在光纖陀螺中的性能大4個量級的測量范圍。使用偏振濾光器和消偏振鏡的組合至少簡化了與光源的耦合，并且根據(jù)裝置的方式，可使用廉價的單模光纖作為各種光學(xué)器件以及其間的連接部分，由此以低成本提供了薩格拉斯干涉儀型電流傳感器。特別是，在薩格拉斯干涉儀型電流傳感器中，如果一個長度調(diào)節(jié)光纖線圈串聯(lián)在第二光分支單元的一個分支端與第一四分一波片之間的第一光路上、并且另一個長度調(diào)節(jié)光纖線圈串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端與第二四分一波片之間的第二光路上，則當(dāng)為此目的使用與具有大大增加的90米量級的長度的長度調(diào)節(jié)光纖線圈一樣多廉價的單模光纖時，在所需成本上的減少是顯著的。
如果使用廉價的單模光纖構(gòu)成每個連接光學(xué)器件的光路，同時在電流檢測線圈6的每一端提供消偏振鏡、偏振濾光器以及四分一波片的組合，則能夠提供整體上廉價的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，通過使偏振面的任何偏移能返回到指定偏振面，該傳感器能夠恰當(dāng)?shù)夭僮鳌?br> 在使用廉價的單模光纖連接光源1和第一光分支單元2的實施例中，使用廉價的單模光纖確定第一光分支單元2，并且第一消偏振鏡11連接在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間，不能確保從光源1到第一消偏振鏡11，光的偏振面能夠保持，但是在第一光分支單元2和第一偏振濾光器3之間連接第一消偏振鏡11可獲得非偏振光，并且可以使該非偏振光照射在第一偏振濾光器3上，以通過合適的線偏振光，該線偏振光可以照射在第一四分一波片16和第二四分一波片17上。
當(dāng)逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72以彼此相反的方向繞制時，由各自線圈引起的薩格拉斯效應(yīng)能夠彼此抵消。
如前所述，電流檢測線圈6、逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71和順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72具有相關(guān)于由薩格拉斯效應(yīng)引起的相位差的相互關(guān)系，但是當(dāng)要求|Rc×Lc+R1×L1-R2×L2|＜5滿足時，能夠減少由薩格拉斯效應(yīng)引起的相位差，該薩格拉斯效應(yīng)是由電流檢測線圈、在第一光路上的線圈以及在第二光路上的線圈的各自旋轉(zhuǎn)引起的。
假定Rc等于0.5米、Lc等于10米、R1等于35毫米、L1等于57米、R2等于35毫米和L2等于200米，該光纖的總長度等于267米，這是光纖陀螺的常用長度，光纖陀螺是種典型的薩格拉斯干涉儀。當(dāng)選擇上述不等式右邊的值為5時，由薩格拉斯效應(yīng)而產(chǎn)生的相位差將大大降低。
與光源的波長相比，通過選擇這種光纖的截止波長向較長一側(cè)偏移100納米或更多，則通常傳播較高波模。但是，當(dāng)逆時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈71連接在第一光路中、并且順時針長度調(diào)節(jié)光纖線圈72連接在第二光路中時，這些線圈的彎曲效應(yīng)促使該較高波模易于泄漏以防止進(jìn)一步傳播，同時允許使用廉價的產(chǎn)品。
另外，如果使第一光分支單元2和第二光分支單元4之間分開，同時使用光連接器和光纖在其間連接，該電流傳感器可分為光源部件B和電流檢測線圈部件C，能將光源部件B安裝在高壓鐵塔附近的地面上，并且電流檢測線圈部件C只能安裝在高壓電線附近，與在高壓電線附近安裝整個電流傳感器相比，這減輕了與安裝和維護(hù)有關(guān)的各種困難。能夠進(jìn)行上述劃分是使用單模光纖在光學(xué)器件之間連接的一個效果。在使第二光分支單元4和第一四分一波片16及第二四分一波片17之間分開的情況下，將電流傳感器分為光源部件B和電流檢測線圈部件C，這兩個部件通過使用第一光連接器21、第二光連接器22以及延伸光纖20連接起來，該延伸光纖20連接在第一光連接器21和第二光連接器22之間，該電流檢測線圈部件C的配置與前面的實施例相比可以進(jìn)一步簡化，由此減輕了與安裝和維護(hù)有關(guān)的各種困難。
權(quán)利要求
1.一種薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，包括光源；光學(xué)定向耦合器，來自光源的光照射在其上；第一偏振濾光器，從光學(xué)定向耦合器發(fā)出的光照射在其上，并且其發(fā)出指定線偏振光；第二光分支單元，用于將從第一偏振濾光器發(fā)出的光分為兩束；光相位調(diào)制器，連接在第二光分支單元的一個分支端；電流檢測線圈，來自第二光分支單元的另一分支端的光和來自光相位調(diào)制器的光作為左旋光和右旋光照射在其上；第一四分一波片，插入在光相位調(diào)制器和電流檢測線圈之間；第二四分一波片，插入在第二光分支單元的另一分支端和電流檢測線圈之間；還包括插入在光學(xué)定向耦合器和第一偏振濾光器之間的第一消偏振鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，還包括串聯(lián)在光相位調(diào)制器和第一四分一波片之間的第二消偏振鏡和第二偏振濾光器；以及串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間的第三消偏振鏡和第三偏振濾光器，第二消偏振鏡連接在光相位調(diào)制器一側(cè)，并且第三消偏振鏡連接在第二光分支單元一側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中第一消偏振鏡、第二消偏振鏡和第三消偏振鏡是由維持偏振的光纖構(gòu)成的，在每個消偏振鏡中發(fā)生的、光的正交分量之間的群延遲時間差，其比率大于1∶2∶4，與第一、第二和第三消偏振鏡的順序無關(guān)。
4.一種薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，包括光源；光學(xué)定向耦合器，來自光源的光照射在其上；第一偏振濾光器，從光學(xué)定向耦合器發(fā)出的光照射在其上，并且其發(fā)出指定線偏振光；第二光分支單元，用于將從第一偏振濾光器發(fā)出的光分為兩束；光相位調(diào)制器，連接在第二光分支單元的一個分支端；電流檢測線圈，來自第二光分支單元的另一分支端的光和來自光相位調(diào)制器的光作為左旋光和右旋光照射在其上；第一四分一波片，插入在光相位調(diào)制器和電流檢測線圈之間；第二四分一波片，插入在第二光分支單元的另一分支端和電流檢測線圈之間；還包括串聯(lián)在光相位調(diào)制器和第一四分一波片之間的第二消偏振鏡和第二偏振濾光器；串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間的第三消偏振鏡和第三偏振濾光器；第二消偏振鏡連接在光相位調(diào)制器一側(cè)，并且第三消偏振鏡連接在第二光分支單元一側(cè)，該光源是發(fā)出非偏振光的光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中第二消偏振鏡和第三消偏振鏡是由維持偏振的光纖構(gòu)成的，在兩個消偏振鏡中發(fā)生的、光的正交分量之間的群延遲時間差，其比率等于或大于1∶2。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，還包括串聯(lián)在第二光分支單元的一分支端和第一四分一波片之間的第一長度調(diào)節(jié)光纖線圈；以及串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間的第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈；兩個長度調(diào)節(jié)光纖線圈彼此以相反方向繞制，并且安排使得它們的中心軸實質(zhì)上校準(zhǔn)于共同的直線上。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，還包括串聯(lián)在第二光分支單元的一分支端和第一四分一波片之間的第一長度調(diào)節(jié)光纖線圈；以及串聯(lián)在第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間的第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈；兩個長度調(diào)節(jié)光纖線圈彼此以相反方向繞制，并且配置使得它們的中心軸校準(zhǔn)于共同的直線上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中電流檢測線圈的中心軸與第一和第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈的中心軸校準(zhǔn)于共同的直線上，電流檢測線圈和兩個長度調(diào)節(jié)光纖線圈滿足下列不等式|Rc×Lc+R1×L1-R2×L2|＜5這里Rc電流檢測線圈的平均半徑Lc電流檢測線圈的光纖長度R1第一長度調(diào)節(jié)光纖線圈71的平均半徑L1第一長度調(diào)節(jié)光纖線圈71的光纖長度R2第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈72的平均半徑L2第二長度調(diào)節(jié)光纖線圈72的光纖長度。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中構(gòu)成第二光分支單元的一分支端和第一四分一波片之間的光路的光纖、和確定第二光分支單元的另一分支端和第二四分一波片之間的光路的光纖都是由具有截止波長的單模光纖構(gòu)成的，所述截止波長比光源波長至少長100納米。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中使光學(xué)定向耦合器和第二光分支單元之間分開，并且通過第一光連接器、第二光連接器以及連接在第一光連接器與第二光連接器之間的延伸光纖將光學(xué)定向耦合器和第二光分支單元連接在一起。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至7中之一所述的薩格拉斯干涉儀型電流傳感器，其中使在一邊為第二光分支單元和另一邊為第一四分一波片及第二四分一波片的兩邊之間分開，并且通過第一光連接器、第二光連接器以及連接在第一光連接器與第二光連接器之間的延伸光纖將第二光分支單元和兩個四分一波片連接在一起。
全文摘要
消偏振鏡11插入在光分支單元2與偏振濾光器3之間;消偏振鏡12和偏振濾光器14插入在光相位調(diào)制器5與四分一波片16之間,以及消偏振鏡13和偏振濾光器15插入在光分支單元4的另一分支端與四分一波片17之間。光分支元件2和光相位調(diào)制器5是由單模光纖形成的,并且單模光纖用于光學(xué)器件之間的連接,由此提供總體上廉價的裝置。
文檔編號G01R19/00GK1386199SQ01801947
公開日2002年12月18日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月7日
發(fā)明者大野有孝, 臼井竜治, 寺井清壽, 高橋正雄, 佐佐木欣一 申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社, 株式會社東芝