專利名稱：具有多個(gè)傳感器頭的光纖電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感器領(lǐng)域。它涉及根據(jù)專利權(quán)利要求1的前序部分的用于測量電流或磁場的光纖傳感器，并且涉及根據(jù)專利權(quán)利要求12的前序部分的用于測量電流或磁場的方法。
現(xiàn)有技術(shù)這樣的電流傳感器從例如EP 1 154 278 A2中是公知的。該傳感器具有光源、檢測器、信號處理器，另外還有調(diào)制器電路和兩個(gè)傳感器頭。光從光源耦合到調(diào)制器電路中，并且從那里傳播到所述兩個(gè)傳感器頭中。這樣的傳感器頭包括磁光激活傳感器纖(magnetooptically active sensor fiber)，該纖以線圈形狀設(shè)置在待測電流在其中流動(dòng)的電導(dǎo)體周圍。法拉第效應(yīng)由此產(chǎn)生在這種傳感器頭中傳播的兩個(gè)相互正交地偏振的光波之間的差分相移(differential phase shift)。
傳感器頭在每種情況下具有鏡面化端部(mirrored end)，使得與其余光學(xué)結(jié)構(gòu)一起，它們每個(gè)都形成反射干涉計(jì)。在鏡面化端部處的反射之后，所述光通過調(diào)制器電路導(dǎo)回并且耦合到檢測器中。信號處理器評估檢測器的信號。調(diào)制器電路具有在光源和檢測器側(cè)的端部，和在傳感器頭側(cè)的端部。它用來對在相反方向上傳播并且被彼此平行地偏振的兩個(gè)光波的差分相位進(jìn)行非互易(non-reciprocal)調(diào)制。為此，調(diào)制器電路包括壓電相位調(diào)制器，其以其諧振頻率來操作并且受控于信號處理器。
借助于調(diào)制器電路而實(shí)現(xiàn)的非互易差分相位調(diào)制用來實(shí)現(xiàn)對法拉第效應(yīng)所引起的差分相移的檢測的較高分辨率。干涉計(jì)的有效操作點(diǎn)在余弦干涉函數(shù)的線性區(qū)域中移動(dòng)。
使用時(shí)分復(fù)用方法以便于能夠在信號處理器中區(qū)分發(fā)自兩個(gè)不同傳感器頭的信號。光源以脈沖方式來操作，并且兩個(gè)反射干涉計(jì)的長度被選擇成具有不同的大小。由此為發(fā)自各個(gè)傳感器頭的信號(或光波)產(chǎn)生不同長度的過渡時(shí)間(transit time)，因此這些信號在各個(gè)時(shí)間到達(dá)信號處理器并且可由此被區(qū)分。
這種類型的傳感器的缺點(diǎn)是，可實(shí)現(xiàn)的信噪比不是最優(yōu)的，這是因?yàn)橛捎诿}沖式操作，信號不是在檢測器連續(xù)產(chǎn)生的，而是僅在測量時(shí)間的一小部分期間產(chǎn)生。另外的缺點(diǎn)是，由于兩個(gè)反射干涉計(jì)的不同長度，僅可針對兩個(gè)傳感器纖之一來最優(yōu)地選擇操作相位調(diào)制器所用的振幅。
另一種電流傳感器從G.Frosio，R.Dndliker，“Reciprocal ReflectionInterferometer for a Fiber-Optic Faraday Current Sensor”，Appl.Opt.33，6111(1994)中是公知的。其同樣具有反射幾何結(jié)構(gòu)，但僅包括一個(gè)傳感器頭。為了產(chǎn)生非互易差分相位調(diào)制，該傳感器同樣具有壓電相位調(diào)制器。后者不設(shè)置在調(diào)制器電路中。其調(diào)制在同一方向上傳播的兩個(gè)相互正交地偏振的光波的差分相位?；旧显谡{(diào)制器的壓電材料(piezomaterial)處需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓，這是因?yàn)楸仨氁a(chǎn)生對調(diào)制器纖的雙折射的直接調(diào)制。
J.Blake，P.Tantaswadi和R.T.de Carvalho在出版物“In-line SagnacInterferometer Current Sensor”，IEEE Transactions on Power Delivery，11，116-121(1996)的圖1中披露了另外的電流傳感器。該傳感器具有Sagnac幾何結(jié)構(gòu)并且僅包括一個(gè)傳感器頭。象Frosio和Dndliker所描述的傳感器那樣，在此亦有必要使大驅(qū)動(dòng)電壓出現(xiàn)在調(diào)制器的壓電材料處，這是因?yàn)樵谕环较蛏蟼鞑サ膬蓚€(gè)相互正交地偏振的光波的差分相位是借助于對雙折射的直接調(diào)制來調(diào)制的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在開頭所提及的類型的電流傳感器以及對應(yīng)的測量方法，其目標(biāo)在于不引起以上列舉的缺點(diǎn)。特別地，目標(biāo)針對具有改善的信噪比的傳感器。
所述目的是通過具有專利權(quán)利要求1的特征的光纖電流傳感器和根據(jù)權(quán)利要求12的對應(yīng)測量方法來實(shí)現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明的用于測量至少一個(gè)電流或磁場的光纖傳感器具有光源；N個(gè)傳感器頭，其可以在電流導(dǎo)體周圍或沿磁場以線圈形狀設(shè)置，N是整數(shù)，其中N≥2；至少一個(gè)相位調(diào)制單元，具有至少一個(gè)相位調(diào)制器；至少一個(gè)檢測器；以及控制和評估單元，其經(jīng)由至少一個(gè)檢測器信號線連接到所述至少一個(gè)檢測器，并且經(jīng)由至少一個(gè)調(diào)制器信號線連接到所述至少一個(gè)相位調(diào)制器。在此情況下，第一裝置可用于將來自光源的光導(dǎo)入相位調(diào)制單元在檢測器側(cè)的端部，并且第二裝置可用于將來自相位調(diào)制單元在檢測器側(cè)的端部的光導(dǎo)至檢測器，并且所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元具有在傳感器頭側(cè)的一個(gè)另外的端部，其在光學(xué)上連接到至少一個(gè)傳感器頭，并且可借助于所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元以非互易的方式對線性偏振的光波進(jìn)行差分相位調(diào)制。
所述傳感器是根據(jù)提供N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn以用于非互易差分相位調(diào)制的事實(shí)來區(qū)分的，以如下方式選擇調(diào)制頻率vn和兩個(gè)可指定的正整數(shù)p、q，其中p≠q，使得對于所有正整數(shù)z和所有整數(shù)n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn被選擇為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)。
這樣，在傳感器包括N個(gè)傳感器頭的情況下，N個(gè)不同的調(diào)制頻率vn被用于對光波差分相位的非互易調(diào)制。這些調(diào)制頻率vn和兩個(gè)正整數(shù)p和q以如下方式被選擇，使得每個(gè)調(diào)制頻率vn的p-倍(p-fold)和q-倍倍數(shù)不同于每個(gè)其他調(diào)制頻率vn的所有諧波。而且，調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn被選擇為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)。這些調(diào)制相關(guān)的光路長度ln基本上是光波從至少一個(gè)相位調(diào)制器經(jīng)由第n個(gè)傳感器頭并且回到相同的至少一個(gè)相位調(diào)制器所經(jīng)過的光路長度。在以下描述中進(jìn)一步說明例如在具有與相位調(diào)制單元不同長度的纖分支的調(diào)制器電路時(shí)待添加給該光路長度的校正。
有利地，在這種設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，一方面有可能在針對調(diào)制頻率vn的條件的基礎(chǔ)上使發(fā)自各個(gè)傳感器頭的信號通過其頻率唯一地分配給適當(dāng)?shù)膫鞲衅黝^。另一方面，可以以如下方式選擇調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn，使得有可能為所述N個(gè)傳感器頭中的每個(gè)設(shè)置最優(yōu)的可檢測性和最優(yōu)的信噪比。
有利地，選擇p＝1和q＝2以檢測和評估第一和第二諧波的信號。所檢測的信號因此特別大，因此信噪比是最優(yōu)的。
在本發(fā)明的有利實(shí)施例中，所述傳感器具有正好一個(gè)控制和評估單元。發(fā)自各個(gè)傳感器頭并且經(jīng)由至少一個(gè)檢測器信號線饋送到控制和評估單元的信號可借助于頻率濾波在所述單元中彼此區(qū)分。這些信號在控制和評估單元中轉(zhuǎn)換成N個(gè)輸出信號Sn，其是至少一個(gè)待測電流或至少一個(gè)待測磁場的量度。特別地，對于每個(gè)n，其中1≤n≤N，在控制和評估單元中根據(jù)處于頻率p·vn和q·vn的信號來確定輸出信號Sn。可以以開環(huán)或閉環(huán)方法來進(jìn)行檢測。有可能在根據(jù)頻率將信號分配給傳感器頭的基礎(chǔ)上使用單個(gè)控制和評估單元來評估來自所有傳感器頭的信號，結(jié)果是要實(shí)現(xiàn)很成本有效且簡單的傳感器。
本發(fā)明的另外的有利實(shí)施例的特征在于它包含正好一個(gè)相位調(diào)制單元。由此實(shí)現(xiàn)了很成本有效且簡單的設(shè)計(jì)。所述傳感器具有N個(gè)反射干涉計(jì)，該N個(gè)反射干涉計(jì)中的每個(gè)包括所述N個(gè)傳感器頭中的正好一個(gè)，并且所述N個(gè)傳感器頭在每種情況下都具有鏡面化端部。這樣的傳感器對諸如振動(dòng)的干擾是不敏感的，并且容易生產(chǎn)。而且，有可能提供如從現(xiàn)有技術(shù)公知的內(nèi)在溫度補(bǔ)償。這種傳感器的光源有利地以脈沖方式來操作，并且檢測是借助于時(shí)分復(fù)用方法來進(jìn)行的。所述傳感器因此處置最小量的必需部件。
在這種傳感器的情況下，相位調(diào)制單元有利地是調(diào)制器電路，其具有在每種情況下以N個(gè)調(diào)制頻率vn之一來操作的N個(gè)相位調(diào)制器，或者相位調(diào)制單元是單個(gè)相位調(diào)制器，其允許用N個(gè)各種調(diào)制頻率vn的同時(shí)相位調(diào)制，也就是以N個(gè)調(diào)制頻率vn的頻譜來操作。
本發(fā)明的另一個(gè)有利實(shí)施例具有N個(gè)相位調(diào)制單元，每個(gè)具有一個(gè)相位調(diào)制器，第n個(gè)相位調(diào)制單元在光學(xué)上連接到第n個(gè)傳感器頭，并且第n個(gè)相位調(diào)制器以調(diào)制頻率vn來操作。這樣的傳感器可無需時(shí)分復(fù)用方法來操作，因此可連續(xù)(以連續(xù)波模式)操作光源。這導(dǎo)致改善的信噪比。
這樣的傳感器優(yōu)選地以這樣的方式來設(shè)計(jì)，使得提供N個(gè)反射干涉計(jì)，該N個(gè)反射干涉計(jì)中的每個(gè)包括所述N個(gè)傳感器頭中的正好一個(gè)，并且所述N個(gè)傳感器頭在每種情況下具有鏡面化端部，并且使得所述相位調(diào)制單元是調(diào)制器電路，借助于相位調(diào)制器來調(diào)制被彼此平行地偏振的反向引導(dǎo)的光波的差分相位，或者使得通過每個(gè)相位調(diào)制器來調(diào)制在同一方向上傳播并且相互正交地偏振的光波的差分相位，例如借助于集成光學(xué)調(diào)制器。
對應(yīng)的傳感器亦可用Sagnac配置來設(shè)計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的有利傳感器有利地在p＝1和q＝2時(shí)操作，所述N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn以如下方式選擇，使得對于所有的n，其中1≤n≤N，對線性偏振光波的差分相位調(diào)制的振幅α0，n處于1.7和2.0之間，特別是1.8和1.88之間，或者基本上是1.84。這導(dǎo)致最大的信號和最優(yōu)的信噪比。
在根據(jù)本發(fā)明用于測量至少一個(gè)電流或至少一個(gè)磁場的方法中，光源發(fā)射光波，該光波被轉(zhuǎn)換成線性偏振的光波。線性偏振的光波被導(dǎo)入N個(gè)傳感器頭，其中所述光波經(jīng)歷依賴于待測電流或磁場的相移，N是整數(shù)，其中N≥2。所述光波在具有至少一個(gè)相位調(diào)制器的至少一個(gè)相位調(diào)制單元中經(jīng)歷非互易差分相位調(diào)制，并且在至少一個(gè)檢測器中被檢測。所述光波既在其從光源到傳感器頭的傳播期間又在其從傳感器頭到所述至少一個(gè)檢測器的傳播期間經(jīng)過所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元?？刂坪驮u估單元一方面被用于控制所述至少一個(gè)相位調(diào)制器，且另一方面亦被用于評估發(fā)自所述至少一個(gè)檢測器的信號。
所述方法的特征在于用N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn以非互易的方式對所述光波進(jìn)行差分相位調(diào)制。在此情況下以如下方式選擇調(diào)制頻率vn和兩個(gè)可指定的正整數(shù)p、q，其中p≠q，使得對于所有正整數(shù)z和所有整數(shù)n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且
q·vn≠z·vm。調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn有利地被選擇為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)。
優(yōu)選地借助于頻率濾波來檢測所述N個(gè)調(diào)制頻率vn的第p個(gè)和第q個(gè)諧波的信號。調(diào)制頻率vn是以這樣的方式選擇的，使得這些第p個(gè)和第q個(gè)諧波不同于發(fā)生的其他信號頻率，尤其不同于調(diào)制頻率vn的其他諧波。這允許信號經(jīng)由其頻率被唯一分配給對應(yīng)的傳感器頭。而且，用于各種傳感器頭的各種調(diào)制頻率vn的選擇，連同作為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)的非互易差分相移的調(diào)制振幅φ0，n的對應(yīng)選擇，允許為每個(gè)傳感器頭對這些值最優(yōu)調(diào)諧，使得有可能設(shè)置最優(yōu)的可檢測性和最優(yōu)的信噪比。
另外的優(yōu)選實(shí)施例和優(yōu)點(diǎn)可根據(jù)從屬專利權(quán)利要求和圖得出。


以下將借助在附圖中示出的優(yōu)選實(shí)施例來較詳細(xì)地說明本發(fā)明的主題，其中圖1概略地示出處于反射配置的傳感器，其具有調(diào)制器電路、三個(gè)相位調(diào)制器和三個(gè)傳感器頭；圖2示出在時(shí)分復(fù)用方法的情況下信號的時(shí)間分布圖的圖解；圖3概略地示出處于反射配置的傳感器，其具有集成光學(xué)調(diào)制器和三個(gè)傳感器頭；圖4概略地示出處于反射配置的傳感器，其具有三個(gè)集成光學(xué)調(diào)制器和三個(gè)傳感器頭；圖5概略地示出處于反射配置的傳感器，其具有三個(gè)在每種情況下具有一個(gè)相位調(diào)制器的調(diào)制器電路，并具有三個(gè)傳感器頭；圖6概略地示出處于Sagnac配置的傳感器，其具有三個(gè)壓電相位調(diào)制器和三個(gè)傳感器頭；并且圖7概略地示出處于反射配置的傳感器，其具有三個(gè)在每種情況下具有一個(gè)相位調(diào)制器的調(diào)制器電路，具有三個(gè)傳感器頭并具有三個(gè)檢測器。
圖中使用的參考符號及其含義在參考符號列表中匯總列出。相同的或至少起相同作用的部分，基本上以相同參考符號在圖中提供。所描述的示例性實(shí)施例用示例的方式表示本發(fā)明的主題內(nèi)容，而不是限制性的。
具體實(shí)施例方式
從現(xiàn)有技術(shù)公知并且涉及類似傳感器的設(shè)計(jì)和非互易差分相位調(diào)制器的產(chǎn)生的幾個(gè)細(xì)節(jié)不在以下說明，并且可從上述EP 1 154 278 A2獲得，其因而在此連同其整個(gè)公開內(nèi)容引入本說明書。
圖1中示出本發(fā)明的實(shí)施例。用作低相干性光源1的超發(fā)光二極管1發(fā)射第一裝置6中的光波，該第一裝置6用于將光源1的光導(dǎo)入相位調(diào)制單元PME的在檢測器側(cè)的端部3。該第一裝置6基本上包含纖耦合器14，并且在適當(dāng)時(shí)，附加地包含一個(gè)或兩個(gè)另外的光纖件(fiber piece)，光源1和相位調(diào)制單元PME借助其在光學(xué)上連接到纖耦合器14的相反側(cè)。
所述光源1有利地是低相干性光源，例如發(fā)光二極管、超發(fā)光二極管或操作于激光閾以下的激光二極管。于是，相干長度典型地具有50μm的數(shù)量級。另一種可能的光源1是寬帶纖源，例如摻鉺纖，其有利地可由例如發(fā)射波長為980nm或1480nm的半導(dǎo)體激光器來泵浦。
用作圖1中的相位調(diào)制單元PME的是調(diào)制器電路PME。后者在檢測器側(cè)具有端部3，并在傳感器頭側(cè)具有端部4。這兩個(gè)端部3、4由纖耦合器3、4形成。調(diào)制器電路PME在兩個(gè)端部3、4之間具有兩個(gè)纖分支。偏振器8或8′分別設(shè)置在兩個(gè)纖分支的每個(gè)中。90°接頭(splice)9作為改變偏振方向的裝置9設(shè)置在纖分支的一個(gè)中。N＝3個(gè)壓電相位調(diào)制器PM1、PM2、PM3被一個(gè)接一個(gè)地設(shè)置在另一個(gè)纖分支中。N是傳感器的傳感器頭H1、H2、H3的數(shù)目。第一傳感器頭H1提供在傳感器頭側(cè)的耦合器4的輸出處。在傳感器頭側(cè)的耦合器4的另一個(gè)輸出處提供的是纖耦合器15，另外兩個(gè)傳感器頭H2、H3連接到其兩個(gè)輸出。
所述三個(gè)傳感器頭H1、H2、H3具有相似的設(shè)計(jì)。它們各具有一個(gè)可選的光纖供應(yīng)引線(fiberoptic supply lead)101、102、103，各具有一個(gè)相位延遲元件111、112、113，并且各具有一個(gè)傳感器線圈121、122、123。為了清楚起見，將在以下描述10n、11n等。為了清楚起見，一些從該圖的剩余部分或結(jié)合其它圖得出的參考符號未在圖中使用。所述相位延遲元件11n是λ/4元件，其產(chǎn)生90°相位延遲，或典型地位于90°附近的另一個(gè)相位延遲。它將光纖供應(yīng)引線10n連接到傳感器線圈12n的一個(gè)端部。傳感器線圈12n包括磁光激活纖12n，其優(yōu)選地具有圓芯橫截面。傳感器線圈12n的另一個(gè)端部13n是鏡面化的，或具有鏡面13n。每個(gè)傳感器頭Hn以線圈的形狀設(shè)置在待測電流le1，n在其中流動(dòng)的電流導(dǎo)體Cn周圍。
在鏡面化端部13n處的反射之后，光波再次返回。從相位調(diào)制單元PME在檢測器側(cè)的端部3開始，經(jīng)由用于導(dǎo)引光的第二裝置7，光從相位調(diào)制單元PME在檢測器側(cè)的端部3導(dǎo)至檢測器2。
檢測器2是光電檢測器，例如光電二極管或光電倍增器。
傳感器還具有包括信號處理器的控制和評估單元5。所述控制和評估單元5經(jīng)由檢測器信號線D連接到檢測器2，并經(jīng)由三個(gè)調(diào)制器信號線Mn連接到三個(gè)相位調(diào)制器PMn的每個(gè)。而且，所述控制和評估單元5還經(jīng)由光控制信號線L連接到光源1。所述控制和評估單元5以輸出信號Sn來評估發(fā)自檢測器2的信號，所述輸出信號Sn是待測電流le1，n或磁場的大小的量度。
設(shè)置在偏振器8、8′和相位延遲元件11n之間的光學(xué)元件是保偏的。這些有利地是具有橢圓芯橫截面的光纖。分別設(shè)置在偏振器8、8′和光源1和檢測器2之間的光學(xué)元件也有利地是保偏的。這對本發(fā)明的其它實(shí)施例也成立。
光源1所發(fā)射的光在所述耦合器3處優(yōu)選地以強(qiáng)度比1∶1在調(diào)制器電路的兩個(gè)纖分支之間分開。在所述偏振器8、8′中所述光被線性偏振。相互正交地偏振的光波然后由于所述90°接頭9進(jìn)入耦合器4。在90°相位延遲元件11n中，相互正交地偏振的光波被轉(zhuǎn)換成左和右圓形偏振光波。由于待測電流的磁場，所述光波在傳感器線圈12n中經(jīng)歷不同大小的相移。在鏡面化端部13n處的反射后，所述圓形偏振光波在第二次經(jīng)過90°相位延遲元件11n期間重新轉(zhuǎn)換成相互正交地偏振的光波。由于非互易的法拉第效應(yīng)，這些被轉(zhuǎn)換的光波具有差分相移Δφn＝4·Vn·Rn·le1，n這里，Vn是傳感器線圈12n的材料的Verdet常數(shù)(例如在820nm光波長，2.65·10-3Rad/A)；Rn是繞電流導(dǎo)體的傳感器線圈的匝數(shù)；le1，n是在所述電流導(dǎo)體中流動(dòng)的待測電流。相移非互易的事實(shí)意味著其累積并且不因?yàn)殡p重經(jīng)過傳感器線圈12n(在每種情況下，在相反方向上一次)而抵消。
當(dāng)相位延遲元件11n不產(chǎn)生正好90°的相移時(shí)，導(dǎo)致橢圓形偏振的光，而非圓形偏振的光。與針對Δφn的指定等式相比，這導(dǎo)致對應(yīng)的校正，并且這些從現(xiàn)有技術(shù)中是公知的。
非互易相移的、相互正交地偏振的光波經(jīng)過相位調(diào)制單元PME。經(jīng)由用于導(dǎo)引光的第二裝置7，所述光從相位調(diào)制單元PME在檢測器側(cè)的端部3導(dǎo)至檢測器2。第二裝置7與第一裝置6部分相同。它包括耦合器14并且在適當(dāng)時(shí)，包括一個(gè)或兩個(gè)另外的光纖件。光電二極管2作為檢測器2使用。由法拉第效應(yīng)所引起的非互易相移Δφ是待測電流大小的量度。
調(diào)制器電路PME用于對在相反方向上傳播并且相互平行地偏振的兩個(gè)光波的差分相位的非互易調(diào)制。所述干涉計(jì)的有效操作點(diǎn)因而在余弦干涉函數(shù)的線性區(qū)域中移動(dòng)。用這種方式實(shí)現(xiàn)了對法拉第效應(yīng)所引起的差分相移Δφ的檢測的較高分辨率。
根據(jù)傳感器頭Hn的數(shù)目N，所述調(diào)制器電路PME包括三個(gè)優(yōu)選的壓電相位調(diào)制器PM1、PM2、PM3。壓電相位調(diào)制器基本上包含一件壓電材料和纏繞在所述壓電材料上的一件光纖。所述相位調(diào)制器PMn的每個(gè)有利地以其諧振頻率來操作。由于以諧振頻率的操作，相對低的驅(qū)動(dòng)電壓(drivervoltage)已能足以為所述各個(gè)光波產(chǎn)生大的相位調(diào)制振幅φo，n。在相反方向上傳播并且相互平行地偏振的兩個(gè)光波之間的差分相移的振幅可以取為α0，n。調(diào)制頻率可以取為vn。在光電二極管2的信號于是用調(diào)制頻率vn及其諧波來調(diào)制。
第一步考慮這樣的情況，在其中借助相位調(diào)制器PMn和單個(gè)調(diào)制頻率vn來執(zhí)行調(diào)制，并且有一個(gè)傳感器頭Hn，就是說N＝1且n＝1對于法拉第相移Δφn＜90°，可根據(jù)下式分別從第一諧波vn的光電二極管信號的振幅IDet，vn＝I0·J1(α0，n)·sinΔφn和第二諧波2·vn的IDet，2vn＝b，n·J2(α0，n)·cosΔφn來確定ΔφnΔφn＝arctan{[IDet，vn/IDet，2vn]·[J2(α0，n)/J1(α0，n)]}，I0，n是恒定的、通常未知的光振幅，而J1和J2分別是一階和二階的貝塞爾函數(shù)。
對于具有Δφn＜＜1(以弧度表示)的小法拉第相移Δφn，如下近似成立Δφn＝[IDet，vn/IDet，2vn]·[J2(α0，n)/J1(α0，n)].所描述的信號檢測和評估的類型是所謂的開環(huán)檢測。閉環(huán)檢測作為開環(huán)檢測的替換而存在。在閉環(huán)檢測中，Δφn在相位調(diào)制器PMn通過施加適當(dāng)?shù)目刂菩盘柕玫窖a(bǔ)償。為了這個(gè)目的，光電信號的振幅被控制為零，優(yōu)選地在第一諧波，就是說在IDet，vn?？刂菩盘柕恼穹铅う課和待測電流Ie1，n的量度。
差分相位的調(diào)制振幅α0，n由下給出α0，n＝2·φ0，n·sin(2πvnTn/2)，Tn是光的調(diào)制相關(guān)的循環(huán)時(shí)間。Tn利用調(diào)制相關(guān)的光路長度ln和真空光速c給出為Tn＝ln/c。所述光路長度是幾何路徑長度和有效折射率的乘積。當(dāng)光學(xué)設(shè)計(jì)以這樣的方式配置，使得光波既在經(jīng)過第n個(gè)傳感器頭Hn之前又在經(jīng)過第n個(gè)傳感器頭Hn之后在第n個(gè)相位調(diào)制器PMn中被調(diào)制時(shí)，Tn是光波在其從第n個(gè)相位調(diào)制器PMn行進(jìn)到遠(yuǎn)至通過第n個(gè)傳感器頭Hn又返回到第n個(gè)相位調(diào)制器PMn時(shí)所需要的時(shí)間。ln是對應(yīng)的光路長度。在具有包括相位調(diào)制器PMn并且兩個(gè)纖分支有相同光學(xué)長度的調(diào)制器電路PMEn的反射設(shè)計(jì)的情況下，所述調(diào)制相關(guān)的循環(huán)時(shí)間Tn是光波在其從相位調(diào)制器PMn行進(jìn)到遠(yuǎn)至傳感器頭Hn的鏡面13n時(shí)所需要的時(shí)間的兩倍(在向外的路徑上經(jīng)相位調(diào)制的波，在返回路徑上行進(jìn)經(jīng)過不包括相位調(diào)制器的相位調(diào)制單元的纖分支)。對應(yīng)地，ln則是從相位調(diào)制器PMn直至傳感器頭Hn的鏡面13n的光路長度的兩倍。在調(diào)制器電路PMEn有兩個(gè)不同長度的纖分支的情況下，為了維持ln，有必要另外將第二纖分支比包括相位調(diào)制器PMn的第一纖分支長的那個(gè)光路長度差加給該光路長度。當(dāng)?shù)诙w分支比包括相位調(diào)制器PMn的纖分支短時(shí)，要加上的路徑長度差是負(fù)的。所述調(diào)制相關(guān)的循環(huán)時(shí)間Tn在不同長度的纖分支的情況下有對應(yīng)的表現(xiàn)針對所述路徑長度差，必須以光波從相位調(diào)制器PMn直至傳感器頭Hn的鏡面13n所需的時(shí)間的兩倍加上另外的(正的或負(fù)的)時(shí)間差。
對于相位調(diào)制器PMn的給定驅(qū)動(dòng)電壓和由此導(dǎo)致的相位調(diào)制的振幅φ0，n，根據(jù)以上等式，α0，n對于以下是最大值ln＝(2p-1)·c/(2vn)， with p＝1，2，3…與之相比，對于以下，α0，n變?yōu)榱?，ln＝p·c/(2vn)， with p＝1，2，3…對所有n，相位調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn被選擇為相應(yīng)光路長度ln的函數(shù)。在這種情況下，通過被選擇(在壓電相位調(diào)制器的情況下)為對應(yīng)相位調(diào)制器PMn的諧振頻率，調(diào)制頻率vn得到最有利的指定。
現(xiàn)在可以說以下涉及N≥2的情況，也就是說多個(gè)傳感器頭和多個(gè)調(diào)制頻率的情況對于N≥2，添加進(jìn)一步的邊界條件，具體而言即對于n≠m，已經(jīng)經(jīng)過第n個(gè)傳感器頭Hn的光波在檢測器2與已經(jīng)過第m個(gè)傳感器頭Hm的光波不相干。對應(yīng)的光波因而不能干涉，并因此避免了干擾疊加和互易影響。該條件是通過適當(dāng)選擇從光源1經(jīng)由第n個(gè)傳感器頭Hn到檢測器2(或2n)的光波所覆蓋的總光學(xué)循環(huán)長度Λn來獲得的。
此外，還有利地滿足了通?；旧细鼑?yán)格的條件，即對于n≠m，項(xiàng)(Λn-Λm)·Δngr基本上比所述光源1的相干長度大。在這種情況下，Δngr是用于兩個(gè)相互正交的光模式(light mode)的群折射率之間的差。滿足該條件防止已經(jīng)由非理想模式耦合產(chǎn)生的光波導(dǎo)致干擾干涉信號。
經(jīng)第n個(gè)相位調(diào)制器PMn調(diào)制并來自第m個(gè)傳感器頭Hm的信號到達(dá)檢測器2；1≤n，m≤N。在第一諧波(vn)的情況下，這樣的信號IDet，m，vn并且在第二諧波(2vn)的情況下，這樣的信號IDet，m，2vn，由以下給出IDet，m，vn＝J1(α0，n)·sinΔφm·sin(2πvnt)IDet，m，2vn＝J2(α0，n)·cosΔφm·sin(4πvnt).所述相位調(diào)制器PMn的驅(qū)動(dòng)電壓，及因此的相位調(diào)制振幅φ0，n連同對應(yīng)的調(diào)制頻率vn，被選擇為所述光路長度ln的函數(shù)。特別地，φ0，n和vn優(yōu)選地以如下被選擇，使得對于n＝m，差分相位的調(diào)制振幅α0，n的每個(gè)具有值α0，n＝1.84。第一貝塞爾函數(shù)J1的第一最大值處于值1.84(以弧度表示)。以這種方式有可能獲得最優(yōu)信噪比，特別是對于每個(gè)傳感器頭Hm的信號。依賴于所述光路長度，對于n≠m，α0，n一般不同于最優(yōu)值(1.84)。
可借助于頻率濾波在控制和評估單元5中使分別處于頻率vn和2vn的信號IDet，m，vn和IDet，m，2vn彼此分開。為了這個(gè)目的，調(diào)制頻率vn以這樣的方式選擇，使得vi≠vjand2·vi≠vj成立，i、j是整數(shù)，其中i≠j并且1≤i、j≤N，N表示所述傳感器的傳感器頭Hn的數(shù)目，其在圖1的示例性實(shí)施例中被選擇為N＝3。
原則上也有可能在確定法拉第相移Δφn時(shí)以其它諧波來工作，例如作為第一和第二諧波的替換或除第一和第二諧波以外，以第三和第四諧波來工作，以便于確定待測電流。用于調(diào)制頻率選擇的條件然后要相應(yīng)地適配以便沒有一個(gè)所使用的諧波與另一個(gè)頻率或其諧波重合。根據(jù)以上等式類推，然后對于所有正整數(shù)z，以下因而是成立的p·vi≠z·vjandq·vi≠z·vj，i、j是整數(shù)，其中i≠j并且1≤i、j≤N，并且p、q是彼此不同的正整數(shù)。然后對所述調(diào)制頻率vn的第p和第q個(gè)諧波執(zhí)行檢測。
由于在根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)中，發(fā)自三個(gè)傳感器頭Hn之一的每個(gè)光波用所有三個(gè)相位調(diào)制器PMn來調(diào)制，需要能夠在控制和評估單元5中將這些信號彼此分開，并且將它們分配到相應(yīng)的待測電流。為了這個(gè)目的，利用了時(shí)分復(fù)用的方法，借助于該方法，來自各個(gè)傳感器頭Hn的信號可在時(shí)間上被區(qū)分。
圖2概略地示出用于圖1的示例性實(shí)施例的信號的時(shí)間分布圖。橫軸是時(shí)間軸t?？v軸示出在檢測器2(實(shí)線)和在光源1(虛線)的光強(qiáng)度。所述光源1以脈沖方式操作，其具有脈沖持續(xù)時(shí)間τ和脈沖間隔Δt。對所述光源的控制經(jīng)由光控制信號線L借助于控制和評估單元5來執(zhí)行。光波從光源1經(jīng)由第n個(gè)傳感器頭Hn到檢測器2所覆蓋的總光學(xué)循環(huán)長度Λn以這樣的方式來選擇，使得經(jīng)過各個(gè)傳感器頭的脈沖在光電二極管2在時(shí)間上分開。為了這個(gè)目的，總光學(xué)循環(huán)長度Λn必須彼此相差c·τ以上。對于例如τ＝1μs的脈沖持續(xù)時(shí)間，路徑長度差(出去和返回一起)必須大于大約200m，并且例如為300m。但是，最近的線圈的光路長度，即最小的Λn，可以小于c·τ。來自各個(gè)傳感器頭Hn的干涉光學(xué)信號然后在對應(yīng)的時(shí)間窗到達(dá)光電二極管2，就是說在時(shí)間上間隔開。在N個(gè)傳感器頭的情況下，正好N個(gè)脈沖以光源1所發(fā)射的每個(gè)光脈沖的時(shí)間延遲Δτn，n＝1，2，...，N(Δτn從光源1中的光脈沖的產(chǎn)生開始測量)記錄。到達(dá)所述檢測器的每個(gè)光脈沖包括以所有調(diào)制頻率vn及其諧波調(diào)制的信號。
圖2示出在其中所述段(segemnt)根據(jù)Λn＝n·Λ1交錯(cuò)的情況。第n個(gè)總循環(huán)長度Λn和第(n+1)個(gè)總循環(huán)長度Λn+1之間的路徑長度差因而正好為Λ1。對于Λ1＝300m，在檢測器2的脈沖的時(shí)間延遲于是為Δτn＝n·1.5μs。在這種情況下，對應(yīng)于所提到并示出的實(shí)例中的4.5μs，所發(fā)射的脈沖的時(shí)間間隔Δt(脈沖間隔Δt)必須為至少Δt-≥τN＝N·τ1。顯然，基本上大于1μs的脈沖持續(xù)時(shí)間τ必然伴有很長的光纖段的缺點(diǎn)。路徑長度差Λn+1-Λn必須另外滿足大于所述光源1的光的相干長度的條件。
作為壓電晶體諧振頻率的典型調(diào)制頻率vn具有從10kHz到幾個(gè)100kHz的數(shù)量級。因此，大約1μs的激光脈沖的典型脈沖持續(xù)時(shí)間τ基本上短于信號IDet，m，vn和IDet，m，2vn的周期1/vn和1/(2vn)。為了采樣信號IDet，m，vn和IDet，m，2vn的一個(gè)或多個(gè)周期，因此需要對應(yīng)大數(shù)量的脈沖，并且脈沖1/Δt的重復(fù)頻率必須不同于vn和2vn。
從1MHz到超過10MHz的范圍中的相對高的調(diào)制頻率vn，可以用例如鈮酸鋰基底上的集成光學(xué)調(diào)制器PMn或借助于提供有壓電涂覆層的光纖段來實(shí)現(xiàn)。信號IDet，m，vn和IDet，m，2vn的一個(gè)或多個(gè)周期于是可以在光脈沖內(nèi)被采樣。
圖3中示出本發(fā)明的另外的有利實(shí)施例。它在很大程度上對應(yīng)于圖1示出的實(shí)施例，并將從那里開始描述。在本質(zhì)上，這里調(diào)制器電路PME被替換成包括作為相位調(diào)制器PM的集成光學(xué)調(diào)制器PM的相位調(diào)制單元PME。該相位調(diào)制單元PME進(jìn)一步包括在光學(xué)上連接于耦合器14的(單個(gè))纖偏振器8，和設(shè)置在偏振器8和集成光學(xué)調(diào)制器PM之間的45°接頭9′。纖偏振器8用于線性地偏振光波。45°接頭9′產(chǎn)生相互正交地偏振的光波。相位調(diào)制單元PME在傳感器頭側(cè)的端部4優(yōu)選地由(不對稱的)1x2纖耦合器16形成。
盡管圖3中未示出，作為替換，有可能以如下方式來設(shè)計(jì)集成光學(xué)相位調(diào)制器PM，使得其不僅產(chǎn)生相位調(diào)制，還接管纖耦合器16的功能，就是說將光波分成兩個(gè)光波列(lightwave train)，一個(gè)用于第一傳感器頭H1，并且一個(gè)用于另外兩個(gè)傳感器頭H2、H3。
僅一個(gè)相位調(diào)制器PM需要僅一個(gè)調(diào)制器信號線M而不是三個(gè)調(diào)制器信號線Mn。
在圖3中，所述控制和評估單元5向集成光學(xué)調(diào)制器PM傳送調(diào)制器信號，其允許用N個(gè)不同調(diào)制頻率v2的同時(shí)相位調(diào)制，N＝3。調(diào)制器信號因而是頻譜或所述N個(gè)頻率vn的疊加。所述集成光學(xué)相位調(diào)制器調(diào)制在同一方向上傳播的相互正交地偏振的光波的相位，這是通過對雙折射的直接調(diào)制來進(jìn)行的。
也如同在圖1的示例性實(shí)施例中，由于在圖3的示例性實(shí)施例中提供了對來自所有三個(gè)傳感器頭Hn的光波進(jìn)行相位調(diào)制所借助的僅一個(gè)相位調(diào)制單元PME，該傳感器也可以以時(shí)分復(fù)用方法來操作，例如用結(jié)合圖1和圖2描述的方法。
圖4示出本發(fā)明的進(jìn)一步的有利實(shí)施例。又一次，這是具有光源1、檢測器2、控制和評估單元5和N＝3個(gè)傳感器頭Hn的處于反射配置的傳感器。但是，所述傳感器有N＝3個(gè)相位調(diào)制單元PMEn，每個(gè)具有一個(gè)相位調(diào)制器PMn。三個(gè)傳感器頭Hn具有相似的設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)對應(yīng)于結(jié)合圖1描述的傳感器頭。三個(gè)相位調(diào)制單元PMEn的每個(gè)具有與結(jié)合圖3描述的相位調(diào)制單元相同的設(shè)計(jì)。因此，有可能借助于所述相位調(diào)制器PMn的每個(gè)來調(diào)制在同一方向上傳播的相互正交地偏振的光波的差分相位。這是借助于對雙折射的直接調(diào)制來執(zhí)行的。相位調(diào)制器PMn有利地設(shè)計(jì)為集成光學(xué)相位調(diào)制器PMn。
經(jīng)由用于將光源1的光導(dǎo)入相位調(diào)制單元PMEN在檢測器側(cè)的端部3n的第一裝置6，光被導(dǎo)入三個(gè)相位調(diào)制單元PMEn的每個(gè)中。這些第一裝置6包括兩個(gè)纖耦合器14和17并且在適當(dāng)時(shí)包括另外的光纖件。所述纖耦合器14和17有利地以這樣的方式設(shè)計(jì)，使得基本上相同的光強(qiáng)度被耦合到每個(gè)相位調(diào)制單元PMEn中。在每種情況下，每個(gè)相位調(diào)制單元PMEn在其傳感器頭側(cè)的端部4n光學(xué)連接到一個(gè)傳感器頭Hn。經(jīng)由用于將光從相位調(diào)制單元PMEn在檢測器側(cè)的端部4n導(dǎo)至檢測器2的第二裝置7，從傳感器頭Hn返回的光被饋送給檢測器2。這些第二裝置7包括兩個(gè)纖耦合器14和17并且在適當(dāng)時(shí)包括另外的光纖件。
在根據(jù)圖4的設(shè)計(jì)中，所述評估不需要時(shí)分復(fù)用方法，因?yàn)樵诘趎個(gè)相位調(diào)制單元PMEn中，只有在第n個(gè)傳感器頭Hn中經(jīng)歷了法拉第相移Δφn的那些光波得以相位調(diào)制。來自第n個(gè)傳感器頭Hn的信號以相應(yīng)的調(diào)制頻率vn來調(diào)制，并因而可以在所述控制和評估單元中通過分配頻率或通過頻率濾波而唯一地分配。所述光源1可以在cw模式下，即連續(xù)地操作。因而得到了基本上改進(jìn)的信噪比。在這樣的cw操作的傳感器中不需要光控制信號線L。
如同在以上的示例性實(shí)施例中，對于根據(jù)圖4的傳感器，所述總光學(xué)循環(huán)長度Λn也被以這樣的方式選擇，使得干擾疊加和互易影響得以避免所述N個(gè)總循環(huán)長度Λn因而彼此相差至少所述光源1的相干長度。此外，以下條件也有利地得到滿足，即對于n≠m，項(xiàng)(Λn-Λm)·Δngr基本上大于所述光源1的相干長度。
由于可以為每個(gè)傳感器頭Hn各選擇一個(gè)調(diào)制頻率vn，在每種情況下所述頻率可以選擇成使得對差分相位的調(diào)制得到最優(yōu)振幅α0，n，并且因此得到最優(yōu)信噪比。
有利地用閉環(huán)檢測來操作具有集成光學(xué)相位調(diào)制器的傳感器。調(diào)制頻率vn的一半的倒數(shù)在這種情況下對應(yīng)于光的調(diào)制相關(guān)的循環(huán)時(shí)間Tn，并且法拉第相移Δφn在調(diào)制器得以補(bǔ)償。
圖5示出進(jìn)一步的實(shí)施例，其與圖4的實(shí)施例相似并從此開始描述。代替具有集成光學(xué)相位調(diào)制器PMn的相位調(diào)制單元PMEn，圖5中提供具有壓電相位調(diào)制器PMn的調(diào)制器電路PMEn作為相位調(diào)制單元PMEn。結(jié)合圖1并在以上提到的EP 1 154 278 A2中描述了調(diào)制器電路PMEn。每個(gè)相位調(diào)制器PMn調(diào)制在彼此相反的方向上傳播并彼此平行地偏振的兩個(gè)光波的差分相位。
圖6示出處于Sagnac配置的具有N＝3個(gè)傳感器頭Hn的電流傳感器。因此，所述三個(gè)傳感器頭Hn每個(gè)連同傳感器的剩余光學(xué)結(jié)構(gòu)的部分形成Sagnac干涉計(jì)。從圖4中的設(shè)計(jì)開始描述該設(shè)計(jì)。與圖4相比，在圖6中所述三個(gè)相位調(diào)制單元PMEn、所述三個(gè)傳感器頭Hn和所述用于導(dǎo)引光的裝置6、7是以不同方式設(shè)計(jì)的。所述傳感器頭Hn具有兩個(gè)饋線(feeder)纖10n、10n′而不具有鏡面化端部。相位調(diào)制單元PMEn的每個(gè)基本上上由一個(gè)相位調(diào)制器PMn組成，其每個(gè)可以是，例如，集成光學(xué)相位調(diào)制器PMn或，如圖6所示的壓電相位調(diào)制器PMn。在作為所述用于導(dǎo)引光的裝置6、7的部分的纖偏振器8n之后不是轉(zhuǎn)動(dòng)接頭(turned splice)而是簡單的非旋轉(zhuǎn)接頭，其因而未被示出。所述第一裝置6和第二裝置7包括纖耦合器18n。所述傳感器Hn的饋線纖10n直接光學(xué)連接到耦合器18n在傳感器頭側(cè)的輸出端之一。耦合器18n在傳感器頭側(cè)的另一個(gè)輸出端分別光學(xué)連接到相位調(diào)制單元PMEn或相位調(diào)制器PMn。相位調(diào)制單元PMEn又光學(xué)連接到傳感器頭Hn的饋線纖10n′。有利地，對于耦合器18n的相位調(diào)制器PMn的間隔δ，Δngr·δ小于所述光源1的光的相干長度是成立的，Δngr是兩個(gè)相互正交的光模式的群折射率之間的差。
在這樣的具有Sagnac配置的傳感器的情況下，在相反方向上傳播且相互平行地偏振的光波由所述N個(gè)相位調(diào)制器PMn的每個(gè)來進(jìn)行相位調(diào)制。
圖7示出本發(fā)明的進(jìn)一步的有利實(shí)施例。這個(gè)傳感器類似于圖5中示出的傳感器并從此開始描述。取代檢測器2，根據(jù)圖7的傳感器具有N＝3個(gè)檢測器2n。這些在每種情況下被設(shè)置在耦合器14、17和33的避開相應(yīng)傳感器頭Hn的臂上。每個(gè)檢測器2n經(jīng)由檢測器信號線Dn連接到所述控制和評估單元5。三個(gè)檢測器2n的每個(gè)用于檢測發(fā)自相應(yīng)傳感器頭Hn的信號。與根據(jù)圖5的設(shè)計(jì)相比，對應(yīng)的光波因而通過較少的耦合器。因此，產(chǎn)生較少的強(qiáng)度損失并且可以檢測到較高的光功率。這導(dǎo)致較好的信噪比。此外，所討論的其他實(shí)施例也可以以類似方式被提供有N個(gè)檢測器2n。
為了實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上完美的互易性，及因此實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行測量時(shí)所述傳感器的穩(wěn)定性，所述檢測器2n被設(shè)置在所述耦合器上。檢測器21和22在圖7中設(shè)置在互易輸出(reciprocal output)，但是，檢測器23不是這樣。當(dāng)通過與檢測器23類比將檢測器2n的每個(gè)設(shè)置在相應(yīng)的耦合器3n，于是將檢測器2n的每個(gè)設(shè)置在非互易輸出時(shí)，得到其中可檢測到更多光功率的可替換設(shè)計(jì)(未示出)。
在調(diào)制電路PME、PMEn的情況下，用于改變偏振方向的裝置9可以不與任何、與一個(gè)或與幾個(gè)相位調(diào)制器PM、PMn一起被設(shè)置在同一纖分支。當(dāng)幾個(gè)相位調(diào)制器被設(shè)置在一個(gè)調(diào)制電路中時(shí)，這些可以交替分布在兩個(gè)纖分支上。在調(diào)制器電路中，以相同頻率vn操作的兩個(gè)或更多相位調(diào)制器取代以該頻率vn操作的單個(gè)相位調(diào)制器也是可能的。這些相位調(diào)制器可以設(shè)置在調(diào)制器電路的相同或不同纖分支。
舉例而言，代替僅一個(gè)相位調(diào)制器PMn，在諸如在圖6中的具有Sagnac配置的設(shè)計(jì)中每個(gè)傳感器頭Hn設(shè)置幾個(gè)相位調(diào)制器PMn也是可能的。在相應(yīng)傳感器線圈12n的相同或不同端部的設(shè)置將是可能的。
原則上，在所討論的示例性實(shí)施例中所述耦合器的分配比(divider ratio)有利地以這樣的方式選擇，使得基本上相同的光強(qiáng)度耦合到每個(gè)傳感器頭Hn中。
原則上，在所討論的示例性實(shí)施例中，所述耦合器的數(shù)目和設(shè)置以這樣的方式有利地選擇，使得對所有光路徑獲得互易性。這意味著由于所述傳感器的設(shè)計(jì)，沒有非互易的相移發(fā)生，而只有待檢測的非互易法拉第相移Δφn，以及相位調(diào)制引起的準(zhǔn)靜態(tài)相移，其用于在檢測和評估期間的操作點(diǎn)的有效移動(dòng)。例如，如果所述兩個(gè)耦合器14和3被單個(gè)耦合器代替，則根據(jù)圖1的設(shè)計(jì)將不再是互易的，并且因此對于干擾影響(機(jī)械的、熱的)是脆弱的。
取代兩個(gè)串聯(lián)連接的耦合器，利用將一個(gè)或兩個(gè)光路徑耦合到多于兩個(gè)的光路徑的單個(gè)耦合器在原則上也是可能的。例如，在圖1中所述耦合器4和15將相應(yīng)地替換成具有兩個(gè)輸入和三個(gè)輸出的2x3耦合器，在該情況下，一個(gè)傳感器頭Hn將各經(jīng)由一個(gè)光學(xué)供應(yīng)引線10n耦合到三個(gè)輸出的每個(gè)。但是，這必然需要對所述耦合器的偏振的足夠保持。
當(dāng)然，所描述的各種類型的相位調(diào)制器單元PME和相位調(diào)制器PM可組合于傳感器中。而且，設(shè)想不同于壓電和集成光學(xué)相位調(diào)制器的相位調(diào)制器也是可能的。
對于所描述的傳感器，有利的是它們僅需要單個(gè)控制和評估單元5，及僅單個(gè)的信號處理器。更有利的是僅需要單個(gè)光源1。更有利的是有可能處置單個(gè)檢測器2。所有這些優(yōu)點(diǎn)導(dǎo)致所述傳感器的簡單且成本有效的設(shè)計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以用于測量N個(gè)電流或N個(gè)磁場。冗余地使用傳感器頭Hn中的一些也是可能的。例如，在N＝6個(gè)傳感器頭Hn的情況下，有利地，有可能在每種情況下兩個(gè)傳感器頭測量電高壓系統(tǒng)的相同相電流。兩個(gè)傳感器頭的一個(gè)有利地具有較多匝的傳感器線圈，并且用于精確電流測量的目的，例如用于電力計(jì)費(fèi)(power billing)，而另一個(gè)有較少匝的傳感器頭具有較大的測量范圍并被用于電力系統(tǒng)保護(hù)的目的，在短路的情況下有可能利用它來明確地測量過電流。
另外兩種方法在以下描述，并且由于可以為所述N個(gè)傳感器頭Hn的每個(gè)最優(yōu)地設(shè)置差分相位的振幅α0，n的事實(shí)(比較圖1和3的設(shè)計(jì))，所述兩種方法可以用于在時(shí)分復(fù)用方法中借助于僅一個(gè)相位調(diào)制器PM和僅一個(gè)調(diào)制頻率v來實(shí)現(xiàn)好的信噪比。
這可以通過適當(dāng)選擇從所述光源經(jīng)由第n個(gè)傳感器頭到所述檢測器的各個(gè)總光學(xué)循環(huán)長度Λn之間的差來實(shí)現(xiàn)。例如，通過適當(dāng)選擇總循環(huán)長度Λn，最近的傳感器頭(最小的Λn)的振幅α0，n被最優(yōu)地選擇。這意味著，在以第一和第二諧波檢測的情況下，這是α0，n＝1.84。已經(jīng)提及的等式α0，n＝2·φ0，n·sin(2πvTn/2)現(xiàn)在可以被用于選擇涉及下一個(gè)最長總光學(xué)長度Λn的段增量，使得正弦項(xiàng)的自變量的變化量為π2πvnΔT/2＝2πvΔΛ/c＝π并且因此ΔΛ＝c/2v，ΔΛ是段增量，最小總光學(xué)循環(huán)長度Λn必須被延長該增量以實(shí)現(xiàn)變化量π，并且ΔT是對應(yīng)的光循環(huán)時(shí)間的最小延長。若與最小的Λn相比，另外的總光學(xué)循環(huán)長度Λn被增加ΔΛ的倍數(shù)，則對于所有具有最優(yōu)信噪比的傳感器頭，所述檢測是可能的。對于130kHz的調(diào)制頻率，ΔΛ＝796m。調(diào)制頻率v選擇得越高，所需要的纖長度越小。
通過在時(shí)分復(fù)用方法中對所有傳感器頭Hn使用僅一個(gè)相位調(diào)制器PM和僅一個(gè)調(diào)制頻率v將振幅α0，n設(shè)置成其最優(yōu)值(例如1.84)的第二種可能性在于，借助于適當(dāng)選擇所述相位調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)電壓在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間窗內(nèi)對相位調(diào)制的振幅φ0，n做出適當(dāng)選擇。因此(比較圖2)，當(dāng)從來自所述光源1的光脈沖開始之后的時(shí)間Δτ1開始檢測到發(fā)自第一傳感器頭H1的信號時(shí)，按照使α0，1最優(yōu)的方式來選擇相位調(diào)制的振幅φ0,1。當(dāng)從來自所述光源1的光脈沖開始之后的時(shí)間Δτ2開始檢測到發(fā)自第二傳感器頭H2的信號時(shí)，按照使α0，2最優(yōu)的方式來選擇相位調(diào)制的振幅φ0，2，在該情況下α0，1和α0，2和對應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓及φ0，1和φ0，2通常具有不同大小。注意在低調(diào)制頻率v的情況下，改變相位調(diào)制的振幅φ0，n所需要的時(shí)間可基本上長于所述光脈沖的重復(fù)頻率1/Δt。在這個(gè)所述振幅被改變的死時(shí)間(dead time)期間，信號的增益被中斷，并且因此導(dǎo)致惡化的信噪比。
參考符號列表1 光源2、2n檢測器、光電二極管3、3n相位調(diào)制單元在檢測器側(cè)的端部；纖耦合器4、4n相位調(diào)制單元在傳感器頭側(cè)的端部；纖耦合器5 控制和評估單元信號處理器6 第一裝置(用于將光源的光導(dǎo)入相位調(diào)制單元在檢測器側(cè)的端部)7 第二裝置(用于將來自相位調(diào)制單元在檢測器側(cè)的端部的光導(dǎo)至檢測器)8、8n偏振器，纖偏振器8′、8′n偏振器，纖偏振器9、9n用于改變偏振方向的裝置，90°接頭9′、9′n用于改變偏振方向的裝置，45°接頭10n光纖供應(yīng)引線11、11n相位延遲元件，λ/4元件12n傳感器線圈，磁光激活纖13n鏡面，鏡面化端部14 纖耦合器15 纖耦合器16 纖耦合器17 纖耦合器18n纖耦合器Cn電流導(dǎo)體D、Dn檢測器信號線
Hn傳感器頭Ie1，n待測電流ln調(diào)制相關(guān)的光路長度L 光控制信號線M、Mn調(diào)制器信號線N 整數(shù)，其中N≥2；傳感器頭的數(shù)目Δngr用于兩個(gè)相互正交的光模式的群折射率之間的差P 正整數(shù)PM、PMN相位調(diào)制器，壓電調(diào)制器，集成光學(xué)調(diào)制器PME、PMEn相位調(diào)制單元，調(diào)制器電路q 正整數(shù)Sn輸出信號Tn調(diào)制相關(guān)的循環(huán)時(shí)間Δt 光脈沖間隔V (傳感線圈的)Verdet常數(shù)α0，n差分相位調(diào)制的振幅δ(在Sagnac配置中相位調(diào)制器與耦合器的)間隔Δφn基于法拉第效應(yīng)的差分相移Λn總光學(xué)循環(huán)長度(從光源1經(jīng)由第n個(gè)傳感器頭到第n個(gè)檢測器)vn調(diào)制頻率φ0，n相位調(diào)制的振幅τ(時(shí)分復(fù)用情況下的光脈沖的)脈沖持續(xù)時(shí)間Δτn光脈沖從光源到檢測器的過渡時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種光纖傳感器，用于測量至少一個(gè)電流或磁場，具有光源(1)，N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)，其可以在電流導(dǎo)體(C1，C2，C3)周圍或沿磁場以線圈形狀設(shè)置，N是整數(shù)，其中N≥2，至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)，具有至少一個(gè)相位調(diào)制器(PM；PM1，PM2，PM3)，至少一個(gè)檢測器(2；21，22，23)，以及控制和評估單元(5)，其經(jīng)由至少一個(gè)檢測器信號線(D；D1，D2，D3)連接到所述至少一個(gè)檢測器(2；21，22，23)，并且經(jīng)由至少一個(gè)調(diào)制器信號線(M；M1，M2，M3)連接到所述至少一個(gè)相位調(diào)制器(PM；PM1，PM2，PM3)，第一裝置(6)被提供用于將來自光源(1)的光導(dǎo)入相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)在檢測器側(cè)的端部(3；31，32，33)，第二裝置(7)可用于將來自相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)在檢測器側(cè)的端部(3；31，32，33)的光導(dǎo)至檢測器(2；21，22，23)，所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)具有在傳感器頭側(cè)的另外的端部(4；41，42，43)，其在光學(xué)上連接到至少一個(gè)所述傳感器頭(H1，H2，H3)，并且其中借助于所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)，可以以非互易的方式對線性偏振的光波進(jìn)行差分相位調(diào)制，特征在于N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn被提供用于非互易差分相位調(diào)制，以如下方式選擇調(diào)制頻率vn和兩個(gè)可指定的正整數(shù)p、q，其中p≠q，使得對于所有正整數(shù)z和所有整數(shù)n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn被選擇為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)。
2.權(quán)利要求1的傳感器，特征在于提供了正好一個(gè)控制和評估單元(5)，其中發(fā)自各個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)并且經(jīng)由至少一個(gè)檢測器信號線(D；D1，D2，D3)饋送到控制和評估單元(5)的信號可借助于頻率濾波而彼此區(qū)分，有可能將這些信號轉(zhuǎn)換成N個(gè)輸出信號Sn，特別地，對于每個(gè)n，其中1≤n≤N，有可能在控制和評估單元(5)中根據(jù)處于頻率p·vn和q·vn的信號來確定輸出信號Sn。
3.權(quán)利要求1或2之一的傳感器，特征在于提供了正好一個(gè)相位調(diào)制單元(PME)，并且在于提供了N個(gè)反射干涉計(jì)，該N個(gè)反射干涉計(jì)中的每個(gè)包括所述N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)中的正好一個(gè)，并且所述N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)在每種情況下具有鏡面化端部(131，132，133)。
4.權(quán)利要求3的傳感器，特征在于光源(1)經(jīng)由光控制信號線(L)連接到控制和評估單元(5)，并且在于提供時(shí)分復(fù)用方法用于測量。
5.權(quán)利要求3或4之一的傳感器，特征在于相位調(diào)制單元(PME)(a)是調(diào)制器電路(PME)，具有N個(gè)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)，特別是壓電相位調(diào)制器(PM；PM1，PM2，PM3)，N個(gè)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)中的每個(gè)被分配給N個(gè)調(diào)制頻率vn中的正好一個(gè)，并且在于N個(gè)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)中的每個(gè)可以以分配給它的調(diào)制頻率vn來操作，并且在于可調(diào)制被彼此平行地偏振的反向引導(dǎo)的光波的差分相位，或者(b)包括單個(gè)相位調(diào)制器(PM)，特別是集成光學(xué)相位調(diào)制器(PM)，其允許用N個(gè)各種調(diào)制頻率vn的同時(shí)相位調(diào)制，并且有可能調(diào)制在同一方向上傳播并且被相互正交地偏振的光波的差分相位。
6.權(quán)利要求1或2之一的傳感器，特征在于提供了N個(gè)相位調(diào)制單元(PME1，PME2，PME3)，每個(gè)具有一個(gè)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)，第n個(gè)相位調(diào)制單元(PMEn)在光學(xué)上連接到第n個(gè)傳感器頭(Hn)，并且有可能以調(diào)制頻率vn來操作第n個(gè)相位調(diào)制器(PMn)，且各相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)每個(gè)經(jīng)由一個(gè)調(diào)制器信號線(M1，M2，M3)連接到控制和評估單元(5)。
7.權(quán)利要求6的傳感器，特征在于提供了N個(gè)反射干涉計(jì)，該N個(gè)反射干涉計(jì)中的每個(gè)包括所述N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)中的正好一個(gè)，并且所述N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)在每種情況下具有鏡面化端部(131，132，133)，并且在于(a)所述相位調(diào)制單元(PME1，PME2，PME3)是調(diào)制器電路(PME1，PME2，PME3)，并且在于有可能借助于相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)來調(diào)制被彼此平行地偏振的反向引導(dǎo)的光波的差分相位，并且特別在于所述相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)是壓電相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)，或者(b)所述相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)中的每個(gè)可調(diào)制在同一方向上傳播的、相互正交地偏振的光波的差分相位，并且特別在于所述相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)是集成光學(xué)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)。
8.權(quán)利要求6的傳感器，特征在于提供了N個(gè)Sagnac干涉計(jì)，該N個(gè)Sagnac干涉計(jì)中的每個(gè)包括所述N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)中的正好一個(gè)，并且在于各相位調(diào)制單元(PME，PME2，PME3)每個(gè)基本上是一個(gè)相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)，有可能借助于相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)來調(diào)制被彼此平行地偏振的反向引導(dǎo)的光波的差分相位，并且特別在于所述相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)是壓電相位調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)或集成光學(xué)調(diào)制器(PM1，PM2，PM3)。
9.前述權(quán)利要求之一的傳感器，特征在于進(jìn)行選擇p＝1和q＝2，并且在于以如下方式選擇N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn，使得對于所有的n，其中1≤n≤N，對線性偏振光波的差分相位的調(diào)制的振幅α0，n處于1.7和2.0之間，特別是1.8和1.88之間，或者基本上是1.84。
10.前述權(quán)利要求之一的傳感器，特征在于(a)提供正好一個(gè)檢測器(2)，或者(b)提供N個(gè)檢測器(21，22，23)，各檢測器(21，22，23)每個(gè)經(jīng)由一個(gè)檢測器信號線(D；D1，D2，D3)連接到控制和評估單元(5)。
11.前述權(quán)利要求之一的傳感器，特征在于N＝3或N＝6，并且電高壓系統(tǒng)的三相的電流在N＝3的情況下每個(gè)可借助于一個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)來測量，或者在N＝6的情況下每個(gè)能夠借助于兩個(gè)傳感器頭(Hn)來測量。
12.一種用于測量至少一個(gè)電流或至少一個(gè)磁場的方法，光源(1)發(fā)射光波，該光波被轉(zhuǎn)換成線性偏振的光波，并且該線性偏振的光波被導(dǎo)入N個(gè)傳感器頭(H1，H2，H3)，其中所述光波經(jīng)歷相移，所述相移依賴于待測電流或磁場，N是整數(shù)，其中N≥2，并且所述光波在至少一個(gè)檢測器(2；21，22，23)中被檢測，并且所述光波在具有至少一個(gè)相位調(diào)制器(PM；PM1，PM2，PM3)的至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)中經(jīng)歷非互易差分相位調(diào)制，光波既在其從光源(1)到傳感器頭(H1，H2，H3)的傳播期間又在其從傳感器頭(H1，H2，H3)到所述至少一個(gè)檢測器(2；21，22，23)的傳播期間經(jīng)過所述至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME；PME1，PME2，PME3)，并且控制和評估單元(5)被用于控制所述至少一個(gè)相位調(diào)制器(PM；PM1，PM2，PM3)和評估發(fā)自所述至少一個(gè)檢測器(2；21，22，23)的信號兩者，特征在于用N個(gè)調(diào)制振幅φ0，n和N個(gè)調(diào)制頻率vn以非互易的方式對所述光波進(jìn)行差分相位調(diào)制，以如下方式選擇調(diào)制頻率vn和兩個(gè)可指定的正整數(shù)p、q，其中p≠q，使得對于所有正整數(shù)z和所有整數(shù)n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且調(diào)制振幅φ0，n和調(diào)制頻率vn被選擇為調(diào)制相關(guān)的光路長度ln的函數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包括幾個(gè)傳感器頭(H)的光纖電流和磁場傳感器，以及對應(yīng)的測量方法。所述傳感器包括光源(1)；N≥2個(gè)傳感器頭(H)；至少一個(gè)相位調(diào)制單元(PME)，至少包括相位調(diào)制器(PM)；檢測器(2)；控制和評估單元(5)。所述相位調(diào)制單元(PME)在光學(xué)上連接到所述至少一個(gè)傳感器頭(H)并且使能對線性偏振的光波的差分和非互易相位調(diào)制。提供N個(gè)調(diào)制振幅φ
文檔編號G01R15/24GK1742207SQ03825967
公開日2006年3月1日 申請日期2003年2月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月14日
發(fā)明者克勞斯·博納特, 菲利普·加比斯, 胡貝特·布蘭德勒 申請人:Abb研究有限公司