發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及如通常在高電壓或高電流應(yīng)用中使用的包括將暴露于將測(cè)量的電流的磁場(chǎng)的感測(cè)光纖的光纖電流傳感器（focs）。

發(fā)明背景

光纖電流傳感器基于圍繞電流導(dǎo)體盤繞的光纖中的磁光圓形雙折射。該雙折射表示沿著感測(cè)光纖累積的左和右圓形偏振光狀態(tài)之間的相移?？傁嘁婆c磁場(chǎng)的線積分成比例，其在其中感測(cè)光纖的兩端在空間上極為接近的閉合的（或成環(huán)的）感測(cè)光纖線圈的情況下與包封的電流i乘以光纖繞組數(shù)n簡(jiǎn)單地成比例。

更精確地，左和右圓形偏振光狀態(tài)之間的磁光相移總計(jì)4vni（在反射型傳感器中操作的光纖線圈）或2vni（在透射型傳感器中操作的光纖線圈），其中，v是石英光纖的維爾德常數(shù)。例如，在熔合的石英光纖中，在1310nm下，。

存在不同的檢測(cè)方案和傳感器，以查詢?cè)撓嘁疲汉?jiǎn)單的方案在的范圍內(nèi)起作用，然而，更復(fù)雜的閉環(huán)的方案通常涵蓋從至的范圍[3]。因此，圍繞電流導(dǎo)體的傳感器光纖繞組的數(shù)量確定傳感器在電流方面的測(cè)量范圍，因?yàn)椋邤?shù)量的繞組增大磁光相移，且因而，增大信噪比，但降低在可檢測(cè)相移的相應(yīng)的固定范圍內(nèi)能夠測(cè)量的最大電流。例如，在一個(gè)光纖繞組的情況下，對(duì)于最大可檢測(cè)相移，在1310nm下的最大可檢測(cè)電流大致與在反射中操作的電流傳感器的390ka（或780ka）相對(duì)應(yīng)。該電流范圍能夠進(jìn)一步通過(guò)高磁光相移下的非線性傳感器特性來(lái)影響。

例如，在電積工業(yè)中以及用于針對(duì)電功率傳輸中的故障電流和收入計(jì)量的保護(hù)的過(guò)程控制中，進(jìn)行對(duì)高電流的測(cè)量。

在已知的傳感器中，使用不同類型的感測(cè)光纖。一個(gè)具體的光纖類型是旋轉(zhuǎn)(spin)的高雙折射光纖,其在拉絲過(guò)程期間通過(guò)使線性雙折射光纖的光纖預(yù)制件(preform)旋轉(zhuǎn)而生產(chǎn)。因此，局部線性雙折射的主軸沿著光纖旋轉(zhuǎn)，這引入橢圓光纖雙折射，并且使光波的近圓形偏振狀態(tài)針對(duì)彈光耦合更穩(wěn)健，且因此，針對(duì)擾亂對(duì)外部機(jī)械應(yīng)力源更穩(wěn)健，但仍然在寬的參數(shù)范圍中維持充分的對(duì)電流的磁場(chǎng)的敏感性。因而，與非雙折射感測(cè)光纖或低雙折射感測(cè)光纖相比，將旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖用作感測(cè)光纖實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的封裝。旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖通過(guò)局部線性雙折射描述，例如，通過(guò)線性拍長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)間距表達(dá)，線性拍長(zhǎng)是產(chǎn)生雙折射相移的等效的非旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的長(zhǎng)度區(qū)段，旋轉(zhuǎn)間距是提供旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖中的局部線性雙折射的主軸的完全旋轉(zhuǎn)(fullrevolution)的旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖區(qū)段的長(zhǎng)度。由于良好的穩(wěn)健性與高電流敏感性之間的權(quán)衡,通常選擇這些參數(shù)，使得旋轉(zhuǎn)比x大于一：

由于光纖的雙折射隨著溫度而變化，因而作為采用旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的光纖電流傳感器的溫度的函數(shù)的信號(hào)能夠展現(xiàn)振蕩行為。這是不理想的，因?yàn)樗拗苽鞲衅鞯臏?zhǔn)確度。眾所周知的是通過(guò)使用寬帶光源（中心波長(zhǎng)，半最大值下的全光譜寬度（fwhm））和充分的長(zhǎng)度l的感測(cè)光纖來(lái)能夠充分地抑制這些不穩(wěn)定性[4]。在反射中操作的光纖電流傳感器的情況下，感測(cè)光纖長(zhǎng)度l最佳地滿足下面的要求：

，

其中，

對(duì)于，參見(jiàn)例如[4、5]。典型值為例如、、以及，使得。對(duì)于在透射中操作的電流傳感器，上面的表達(dá)成為：

。

顯然，在這兩種情況下，光纖的某一最小長(zhǎng)度的這種設(shè)計(jì)規(guī)則擴(kuò)大感測(cè)線圈直徑，如果需要檢測(cè)高電流，則因?yàn)閮H允許少量的感測(cè)線圈繞組，以便分別停留在可檢測(cè)磁光相移的范圍內(nèi)（例如，或內(nèi)）。

因此，本發(fā)明的目的看作提供上面的種類的光學(xué)傳感器（例如光纖電流傳感器（focs）），其在避免由于旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的典型的特性（變溫下的傳感器信號(hào)中的振蕩分量）而導(dǎo)致的傳感器準(zhǔn)確度的降低的同時(shí)，且具體地，在針對(duì)旋轉(zhuǎn)的高度雙折射感測(cè)光纖的給定的最小長(zhǎng)度而維持高的最大可檢測(cè)電流的同時(shí)，降低光纖應(yīng)力的不利影響，并且，使感測(cè)光纖線圈的組裝簡(jiǎn)化。

與解決上面的目的的傳感器無(wú)關(guān)，已知許多特殊的用于光纖電流傳感器的感測(cè)光纖布置，例如：

-基于具有傳感器光纖中的逆向傳播的波的sagnac干涉儀的用于光纖電流傳感器的設(shè)計(jì)，該傳感器光纖包含感測(cè)光纖線圈，且為了降低振動(dòng)敏感性，包含逆向纏繞的光纖線圈[6、7、8、18]。如例如在參考文獻(xiàn)[6]中所述的，這種形式的補(bǔ)償要求與電流感測(cè)環(huán)路或線圈的乘積相同的逆向纏繞的繞組的數(shù)量或匝數(shù)乘以由環(huán)路或線圈包封的面積的乘積，即nsas=-ncac（其中，“s”表示感測(cè)線圈，并且，“c”表示補(bǔ)償線圈。這種形式的補(bǔ)償特定于sagnac干涉儀，而不發(fā)現(xiàn)于不傾向于sagnac效應(yīng)的反射的干涉儀中。應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步注意到，為了是有效的，必須將補(bǔ)償線圈取向于與感測(cè)線圈相同的平面中。在大部分的實(shí)施例中，補(bǔ)償線圈由通過(guò)光學(xué)延遲器而與感測(cè)光纖線圈分離的光纖區(qū)段制成。

-在[18]中，還公開了僅采用sagnac效應(yīng)的部分補(bǔ)償?shù)膶?shí)施例，即，不滿足上面提到的關(guān)于所包封的面積的條件。

-帶有具有光纖繞組的相反指向的兩個(gè)反射的光纖線圈的傳感器[9]。

-包含將主電流導(dǎo)體包封的第一感測(cè)光纖線圈和將輔助電氣繞組包封的第二線圈的電流傳感器，其中，輔助繞組是閉環(huán)的反饋電路的一部分，以補(bǔ)償?shù)谝痪€圈的磁光相移[10]。

-采用傳感器線圈的兩端之間的間隙的磁隔離(magneticscreening)的傳感器頭[11]。

-用來(lái)測(cè)量不同的導(dǎo)體中所承載的電流的和或差的光纖電流傳感器包含通過(guò)光學(xué)延遲器和非敏感光纖而分離的多于一個(gè)的感測(cè)光纖線圈[12]。

-具有在彼此正交的平面中的兩個(gè)光纖線圈的光纖電流傳感器，經(jīng)過(guò)直電流導(dǎo)體,為了消除具有對(duì)沿著光纖區(qū)段的長(zhǎng)度變化的磁場(chǎng)的敏感性的該區(qū)段的影響[13]。

-用于監(jiān)測(cè)由第一及第二光纖泄漏電流傳感器組成的纜線的組合件，每個(gè)包含第一及第二電流感測(cè)線圈，這兩個(gè)線圈優(yōu)選地帶有具有相反的旋轉(zhuǎn)指向的相同數(shù)量的光纖繞組。第一傳感器的第一線圈和第二線圈集中于將監(jiān)測(cè)的纜線的第一端和第二端處。第二傳感器的第一線圈集中于第一端處，而第二線圈分布于纜線上[17]。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，存在提供的光纖電流傳感器，該光纖電流傳感器具有光電模塊部分和傳感器頭，該光電模塊部分用于檢測(cè)通過(guò)電流的磁場(chǎng)而在感測(cè)光纖中感應(yīng)的磁光相移，該傳感器頭包括感測(cè)光纖，其中，感測(cè)光纖是具有長(zhǎng)度的旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖，該長(zhǎng)度由沿著由感測(cè)光纖所描述的空間曲線的線積分定義，其中，對(duì)于透射光學(xué)傳感器（在此，具體地是使用同向傳播的光波的透射光學(xué)傳感器），感測(cè)長(zhǎng)度被定義為，并且，對(duì)于通過(guò)反射器終止的感測(cè)光纖，感測(cè)長(zhǎng)度被定義為，并且，，其中，，并且，x是旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的旋轉(zhuǎn)比，是中心波長(zhǎng)λ相對(duì)于感測(cè)光纖（12）中的光的光譜寬度的比，并且，是旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的局部線性雙折射，并且，其中，，其中，是50cm或更小，并且，a和b是將感測(cè)光纖包封的最小大小的長(zhǎng)方體的兩個(gè)最大的邊長(zhǎng)，并且，通過(guò)具有下面的特征中的至少一個(gè)而減小光纖中所累積的磁光相移：

（i）感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段形成將電流包封的環(huán)路，但相對(duì)于形成將電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的其他區(qū)段而逆向纏繞，

（ii）感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段至少部分地被磁屏蔽，以及

（iii）感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段形成未將電流（即，電流導(dǎo)體）包封的環(huán)路。

在本發(fā)明的實(shí)施例中，由保偏光纖將傳感器頭與光電模塊連接。

在實(shí)施例中，傳感器不是使用逆向傳播的光波的透射光學(xué)傳感器。在另外的實(shí)施例中，感測(cè)光纖通過(guò)反射器終止，或傳感器是使用同向傳播的光波的透射光學(xué)傳感器。

在實(shí)施例中，感測(cè)光纖具有形成將電流包封或設(shè)計(jì)用于將電流或承載電流的電流導(dǎo)體包封的環(huán)路的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段。

在實(shí)施例中，形成將電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段具體地意味著形成設(shè)計(jì)用于將電流或承載電流的電流導(dǎo)體包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段；并且，形成未將電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段具體地意味著未設(shè)計(jì)用于將電流或承載電流的電流導(dǎo)體包封的環(huán)路。

在另一實(shí)施例中，將電流包封的逆向纏繞的環(huán)路的數(shù)量與將電流包封的非逆向纏繞的環(huán)路的數(shù)量是不同的。

因而，提供一種光纖電流傳感器，該光纖電流傳感器具有：光電模塊部分，用于檢測(cè)在感測(cè)光纖中通過(guò)磁場(chǎng)而感應(yīng)的光學(xué)相移，所述模塊能夠包括例如光源、偏振部件以及有源或無(wú)源相移檢測(cè)系統(tǒng)；傳感器頭，包括通過(guò)保偏光纖而與光電模塊連接的感測(cè)光纖，其中，感測(cè)光纖是旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖,其具有幾何長(zhǎng)度和光纖繞組的有效數(shù)量neff，該幾何長(zhǎng)度由沿著由感測(cè)光纖線圈所給定的空間曲線的線積分定義，其中對(duì)于給定的光纖線圈尺寸，有效的光纖長(zhǎng)度leff與光纖繞組的該有效數(shù)量相關(guān)聯(lián)，其中l(wèi)eff<l，使得感測(cè)光纖的幾何長(zhǎng)度是充分長(zhǎng)的以便抑制由于光纖的旋轉(zhuǎn)特性而導(dǎo)致的信號(hào)不穩(wěn)定性，而光纖繞組的有效數(shù)量是足夠低的以實(shí)現(xiàn)充分高的最大可檢測(cè)電流。

通過(guò)具有形成未使將測(cè)量的電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段，或通過(guò)具有與使將測(cè)量的電流包封的一個(gè)或多個(gè)剩余的區(qū)段相比而形成在相反的指向上使將測(cè)量的電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段，或通過(guò)具有被磁屏蔽的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段或這些敏感性降低元件中的兩個(gè)或更多個(gè)的組合，從而減小與被測(cè)量的電流成比例的磁光相移。應(yīng)當(dāng)注意到，在感測(cè)光纖不圍繞電流導(dǎo)體纏繞的情況下，環(huán)路或線圈能夠是簡(jiǎn)單的折疊件(fold)。然而，在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，感測(cè)光纖的兩端在空間上極為接近，具體地，比10mm更近，或甚至比5mm更近。另外或作為備選方案，在磁屏蔽的感測(cè)光纖區(qū)段的情況下，感測(cè)光纖的未屏蔽端與磁屏蔽的感測(cè)光纖區(qū)段的開始在空間上極為接近。

感測(cè)光纖的區(qū)段被定義為，當(dāng)例如通過(guò)將感測(cè)光纖的區(qū)段包封于磁屏蔽材料內(nèi)，從而在該區(qū)段的位置處，降低將測(cè)量的電流或磁場(chǎng)的效應(yīng)時(shí)，被屏蔽免受電流。

如前言中所提到的，迄今為止，感測(cè)光纖的附加環(huán)路僅用于sagnac型干涉儀的傳感器（參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[6、7、8]），其中，將在條件nsas=-ncac的情況下的逆向纏繞的光纖線圈的附加環(huán)路引入到光路中，以補(bǔ)償振動(dòng)。

在本發(fā)明的變型中，傳感器具有滿足以下的條件的有效繞組數(shù)：

其中，是沿著感測(cè)光纖線圈（具有幾何長(zhǎng)度l）的空間曲線（由向量空間曲線元ds定義）的磁場(chǎng)向量h的線積分，i是將測(cè)量的電流，并且，|i|是將測(cè)量的電流的絕對(duì)值，

，

其中，a和b是將感測(cè)光纖線圈包封的最小大小的長(zhǎng)方體的兩個(gè)最大的邊長(zhǎng)，是表征用于傳感器頭的可用體積的長(zhǎng)度，并且，是數(shù)字因數(shù)，具體地，c=1、0.9、0.8、0.5或0.3。

在其中可用于傳感器頭的體積被制約的情況下，最佳地應(yīng)用上面的方面。因此，優(yōu)選的是將最大長(zhǎng)度限制于50cm或甚至30cm，從而允許緊湊的傳感器頭的設(shè)計(jì)。

傳感器光纖長(zhǎng)度l是這樣的以致于在通過(guò)反射器終止的感測(cè)光纖的情況下，

，

或者，在透射光學(xué)傳感器的情況下，

。

在實(shí)施例中，傳感器光纖長(zhǎng)度l是這樣的，以致于在通過(guò)反射器終止的感測(cè)光纖的情況下，

，

或者，在透射光學(xué)傳感器的情況下，

。

在該實(shí)施例的特別地優(yōu)選的變型中，這樣選擇長(zhǎng)度l的下限，以致于對(duì)于反射的配置，根據(jù)下式而確定感測(cè)光纖中的（熱）信號(hào)不穩(wěn)定性的預(yù)期的幅度k：

或者，對(duì)于在透射中操作的傳感器，根據(jù)下式而確定該幅度k：

其中k低于平均信號(hào)的0.5%或甚至低于0.1%，并且，其中x是旋轉(zhuǎn)比，并且在1至20，或具體地，在2至10的范圍中。

進(jìn)一步優(yōu)選的是有效繞組數(shù)是小的正整數(shù)，具體地，=1，或=2。

應(yīng)當(dāng)理解到，具有長(zhǎng)度l的感測(cè)光纖的區(qū)段優(yōu)選地為不中斷的單件光纖。具體地，優(yōu)選的是感測(cè)光纖的旋轉(zhuǎn)間距p或周期性沿著長(zhǎng)度l為恒定的，和/或感測(cè)光纖性質(zhì)沿著長(zhǎng)度l為均質(zhì)的。因而，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，排除感測(cè)光纖,其中具有長(zhǎng)度l的光纖的區(qū)段由光纖的兩個(gè)或更多個(gè)截然不同的區(qū)段（不論是拼接在一起，還是被不同的種類或另外的光學(xué)元件（例如延遲器）的光纖的區(qū)段中斷）制成。

如上面所提到的元件優(yōu)選地集成至反射類型的傳感器中，即，其中，感測(cè)光纖通過(guò)反射器終止。

然而，元件還能夠用于透射類型的傳感器，具體地，使用同向傳播的光波的透射光學(xué)傳感器。

磁屏蔽件優(yōu)選地由諸如鎳鐵合金（例如，ni80fe20）、鈷鐵合金以及非晶態(tài)磁性合金的軟磁材料制成。

如上所述的元件能夠集成至傳感器中，其中相位檢測(cè)系統(tǒng)包括有源相位調(diào)制器或無(wú)源光學(xué)元件用于引入波模式之間的相位偏置。這類相位檢測(cè)系統(tǒng)本身是已知的。

在下面的描述和附圖中更詳細(xì)地描述本發(fā)明的上面的方面及其他方面，連同本發(fā)明的進(jìn)一步有利的實(shí)施例和應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1a是光纖電流傳感器的已知組件的示意圖；

圖1b和1c圖示根據(jù)具有無(wú)效環(huán)路的本發(fā)明的示例的對(duì)圖1a的傳感器的修改；

圖2a和2b圖示具有對(duì)傳感器信號(hào)負(fù)貢獻(xiàn)的環(huán)路的本發(fā)明的另外的變型的示例；以及

圖3a和3b圖示采用磁屏蔽的本發(fā)明的另外的變型的示例。

具體實(shí)施方式

采用下文中所公開的感測(cè)光纖布置的光纖電流傳感器的實(shí)施例包含：寬帶光源，例如超發(fā)光二極管、發(fā)光二極管或光纖光源；信號(hào)處理單元，包含一個(gè)或更多個(gè)光電檢測(cè)器；以及另外的光學(xué)元件，用來(lái)檢測(cè)在感測(cè)光纖中感應(yīng)的磁光相移。在干涉儀的電流傳感器的情況下，這些光學(xué)元件能夠包含電光調(diào)制器[3]，或者在更簡(jiǎn)單的測(cè)定偏振的檢測(cè)方案的情況下，這些光學(xué)元件能夠僅包含無(wú)源光學(xué)元件，例如延遲器、偏振器以及法拉第旋轉(zhuǎn)器[1、2]。

通常，經(jīng)由保偏（pm）光纖的區(qū)段而將探頭光傳遞至傳感器頭。在許多傳感器配置中，正交的線性偏振的光波的疊加由該pm光纖引導(dǎo)，并且，由通向感測(cè)光纖的入口處的延遲器轉(zhuǎn)換成左和右圓形偏振光波或接近于左和右圓形偏振。左和右圓形偏振光波遇到感測(cè)光纖中的微分磁光相移。感測(cè)光纖的遠(yuǎn)端處的反射器反射入射光波，這交換其螺旋性，使得磁光相移進(jìn)一步累積于返回路徑處。感測(cè)光纖入口處的延遲器將返回的光波轉(zhuǎn)換回到線性（或接近線性）光偏振。

由于在返回路徑上交換光偏振，因而在返回路徑上補(bǔ)償pm光纖中的線性雙折射相移，并且，返回的光波的相位差僅由磁光相移給定。

電流傳感器的其他實(shí)施例依賴于感測(cè)光纖中的左和右圓形光波的相干疊加，即，線性或接近線性偏振光。在這種情況下，pm光纖僅將一個(gè)線性光偏振的光波傳遞至感測(cè)光纖。在此，磁光相移導(dǎo)致線性光偏振的旋轉(zhuǎn)。在本文中，不一定使用感測(cè)光纖與pm光纖之間的延遲器。

在下文中，針對(duì)在如上所述的光纖電流傳感器中使用的傳感器頭而描述所公開的發(fā)明的實(shí)施例，該光纖電流傳感器由pm光纖引線、可選的延遲器和通過(guò)反射器終止的旋轉(zhuǎn)的感測(cè)光纖組成。所公開的發(fā)明能夠直接地應(yīng)用于采用在反射或透射中操作的傳感器頭的光纖電流傳感器的另外的實(shí)施例，例如基于sagnac干涉儀的光纖電流傳感器[3]、采用3x3耦合器的電流傳感器[14]或在透射中操作的簡(jiǎn)單的測(cè)定偏振的電流傳感器[15]。

因此，在圖1a中，示出采用采用利用非交互相位調(diào)制的信號(hào)檢測(cè)方案的光學(xué)電流傳感器的配置的示例。為了圖1a的已知的元件的另外的細(xì)節(jié)和可能的修改，能夠參考[3]。

在如圖1a中所示出的采用非交互相位調(diào)制的光纖電流傳感器設(shè)計(jì)中，光優(yōu)選地從低相干光源1（例如，超發(fā)光二極管）注入，在經(jīng)過(guò)光纖、光纖耦合器101以及初始光纖偏振器2之后（這使所發(fā)射的光成為單線性偏振狀態(tài)），在45°光纖拼接件(splice)3處注入為pm光纖11的兩個(gè)正交偏振狀態(tài)，其轉(zhuǎn)而由光纖延遲器14投射到感測(cè)光纖12中的圓形或接近圓形光狀態(tài)上。感測(cè)光纖中的兩個(gè)光狀態(tài)獲取由于所應(yīng)用的電流而導(dǎo)致的磁光相位延遲（法拉第效應(yīng)）。借助于閉環(huán)的檢測(cè)電路來(lái)檢測(cè)相位延遲，該閉環(huán)的檢測(cè)電路包括采用光纖耦合器101來(lái)與光路鏈接的光學(xué)相位調(diào)制器4和檢測(cè)器5。光學(xué)相位調(diào)制器4和檢測(cè)器5還通過(guò)信號(hào)處理器6而電鏈接應(yīng)用閉環(huán)的檢測(cè)。備選地，可以使用開環(huán)的檢測(cè)電路。

應(yīng)當(dāng)理解到，在這些中，如在下文的示例中，所引用的組件能夠被具有相同或類似的功能性的組件取代。例如，所提到的光源能夠被其他類型的光源（例如，發(fā)光二極管（led）、邊緣發(fā)射led、垂直腔表面發(fā)射激光器（vcsel）、摻雜的光纖光源或激光器二極管）取代。類似地，圖1a的調(diào)制器4可以例如為集成光學(xué)雙折射調(diào)制器（例如，鈮酸鋰調(diào)制器或壓電調(diào)制器）。

除了傳感器頭10-1的組件和pm光纖11的部分之外的傳感器的大部分組件示出為光電模塊10-2的一部分。光電模塊10-2和傳感器頭10-1通過(guò)pm光纖11而光學(xué)連接。傳感器頭10-1包括包圍電流導(dǎo)體13的傳感器的一部分。根據(jù)下式而計(jì)算通過(guò)感測(cè)光纖的單程的圓形偏振狀態(tài)之間的微分磁光相位：

，

其中，v是感測(cè)材料的維爾德常數(shù)，并且，h是與無(wú)窮小的光纖區(qū)段ds平行的磁場(chǎng)分量（并且，積分在感測(cè)光纖長(zhǎng)度l上）。在閉合線積分的情況下，即，如果感測(cè)光纖描述閉環(huán)，則磁場(chǎng)的積分根據(jù)麥克斯韋方程而與包封的電流相對(duì)應(yīng)，即，在其中光波僅在一個(gè)方向上同向傳播的透射中操作的光纖電流傳感器的情況下，或在具有逆向傳播的光波的基于sagnac干涉儀的電流傳感器的比較的設(shè)計(jì)的情況下，

（其中n是光纖繞組數(shù)），或在其中光沿著磁場(chǎng)傳播兩次的反射的電流傳感器的情況下：

。

將感測(cè)光纖的無(wú)效或不那么有效的區(qū)段添加至傳感器頭，從而在保持有限空間和所要求的最大可檢測(cè)電流的邊界條件的同時(shí)，增加感測(cè)光纖長(zhǎng)度，這轉(zhuǎn)而導(dǎo)致所允許的最大有效光纖繞組數(shù)。在數(shù)學(xué)術(shù)語(yǔ)上，有效光纖繞組數(shù)被定義為，其中積分配徑沿著感測(cè)光纖l。有效長(zhǎng)度leff是從和感測(cè)光纖環(huán)路直徑得出的。如下面的段落中所公開的，感測(cè)光纖的無(wú)效或不那么有效的區(qū)段以如下的方式布置：即使這些區(qū)段能夠在空間上極為接近于被測(cè)量的電流i，這些區(qū)段也并非有助于磁光相移，或不那么有助于磁光相移。具體地，光纖繞組的有效數(shù)量小于：

在本文中，是數(shù)字因數(shù)，具體地，c=1、0.9、0.8、0.5、0.3。此外，

，

其中，a和b是將感測(cè)光纖線圈包封的最小大小的長(zhǎng)方體的兩個(gè)最大的邊長(zhǎng)，是表征用于傳感器頭的可用體積的長(zhǎng)度。在適當(dāng)?shù)那闆r下，在相關(guān)附圖中指示量a和b。注意到，在感測(cè)光纖的簡(jiǎn)單的現(xiàn)有技術(shù)的圓形布置的情況下，d是感測(cè)光纖線圈的直徑。因此，本發(fā)明的該方面促進(jìn)帶有具有比帶有相同尺寸的常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)的圓形傳感器線圈更長(zhǎng)的感測(cè)光纖的給定的數(shù)量的有效光纖繞組和與根據(jù)本發(fā)明的該方面的有效數(shù)量的光纖繞組相對(duì)應(yīng)的許多光纖繞組的光纖電流傳感器線圈。

高電壓隔離傳輸中的電力計(jì)量通常要求±0.2%內(nèi)的傳感器準(zhǔn)確度。于是，所提到的起源于旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的信號(hào)振蕩應(yīng)當(dāng)顯著地小于±0.2%。例如<±0.05%。使用作為基礎(chǔ)的參考文獻(xiàn)[4、5、16]，能夠推導(dǎo)出，對(duì)于反射的傳感器，在現(xiàn)有技術(shù)的章節(jié)中描述的信號(hào)不穩(wěn)定性的幅度由下式給定：

在透射中操作的傳感器的情況下，該表達(dá)成為：

假設(shè)如上文的現(xiàn)有技術(shù)的章節(jié)中所給定的參數(shù)，于是，光纖長(zhǎng)度l必須比1625mm要長(zhǎng)。如果人們進(jìn)一步假設(shè)必須檢測(cè)高達(dá)150ka的電流（例如，故障的情況下的過(guò)電流），則由于150mm的有限空間而導(dǎo)致的最大感測(cè)線圈直徑、–π/2與+π/2之間的可檢測(cè)磁光相移的范圍、1310nm的操作的波長(zhǎng)（且與維爾德常數(shù)相對(duì)應(yīng)），光纖線圈能夠只有2個(gè)有效環(huán)路(與光纖的942mm相對(duì)應(yīng))，以免超過(guò)最大電流下的測(cè)量范圍。

在下文中，詳細(xì)地描述所公開的發(fā)明的不同的實(shí)施例，其中，在描述中和在示例中，在適當(dāng)?shù)那闆r下，感測(cè)光纖12的有效區(qū)段由數(shù)字12-1表示，而無(wú)效或不那么有效的區(qū)段由數(shù)字12-2表示。

在第一實(shí)施例中，將不敏感的傳感器繞組添加至如圖1b和1c中所示出的感測(cè)光纖12。如先前所討論的，閉合的感測(cè)光纖環(huán)路的磁光相移與包封的電流相對(duì)應(yīng)，并且，具體地，其中，未將電流包封的閉合的感測(cè)光纖環(huán)路中的磁光相移為零。

根據(jù)上面的示例，例如，100mm直徑的三個(gè)附加的不敏感的光纖繞組將確保所要求的最小光纖長(zhǎng)度l，且導(dǎo)致所要求的信號(hào)穩(wěn)定性。應(yīng)當(dāng)注意到，在該示例中，有效光纖環(huán)路的面積和繞組的乘積與無(wú)效光纖環(huán)路的同一乘積是不同的。

在圖1b和圖1c中，示出在維持（給定的最大可檢測(cè)磁光相移下）最大可檢測(cè)電流的同時(shí)，增加感測(cè)光纖長(zhǎng)度l的兩個(gè)示例。感測(cè)光纖繞組的有效數(shù)量?jī)H由將電流導(dǎo)體13包封的光纖環(huán)路確定。

為了實(shí)現(xiàn)特定的幾何結(jié)構(gòu)的信號(hào)的獨(dú)立性，需要使感測(cè)光纖12的兩端在空間上極為接近。

在圖1b的示例中，使用非交互相位檢測(cè)方案的光電模塊10-2的元件與當(dāng)參考圖1a時(shí)描述的元件相同。在傳感器頭中，感測(cè)光纖12的光纖環(huán)路按照數(shù)字8的形狀布置有包圍電流導(dǎo)體13的感測(cè)光纖的有效區(qū)段12-1的環(huán)路和將電流導(dǎo)體13排除的感測(cè)光纖的無(wú)效區(qū)段12-2的環(huán)路。兩個(gè)環(huán)路直徑可以是相同的，或可取決于傳感器應(yīng)用中的機(jī)械邊界條件（具體地，如以其橫向尺寸為特征的傳感器頭10-1的可用體積）而不同地選擇。

如所提到的，感測(cè)光纖的兩端彼此在空間上極為接近。兩組數(shù)字8的環(huán)路可在單個(gè)平面中，或可彼此成某角度地布置，例如，彼此正交。

在圖1c中示出根據(jù)本發(fā)明的示例的另一光纖布置。在圖1c的示例中，光電模塊10-2使用基于在經(jīng)過(guò)感測(cè)光纖的光的兩個(gè)部分或模式之間引入靜態(tài)光學(xué)相位偏置的相位檢測(cè)方案。

在該示例中，光電模塊包括集成光學(xué)偏振分配器模塊，以創(chuàng)建靜態(tài)偏置光學(xué)相移，這在所示出的示例中基于集成光學(xué)1x3分配器/組合器器40（sc），其與偏振器41、45和延遲器44以及附接至延遲器44的隔板46一起形成模塊。來(lái)自光源1的光通過(guò)第一偏振器41（p1）而進(jìn)入三個(gè)源側(cè)端口中的第一源側(cè)端口中，這使光在通向sc40的入口處偏振。優(yōu)選地，偏振方向相對(duì)于sc平面的法線而成45°。sc40內(nèi)的波導(dǎo)為低雙折射，以免變更所透射的光的偏振狀態(tài)。

在相對(duì)的sc面（也被稱為線圈側(cè)面）處，光耦合至保偏（pm）光纖尾纖11中。pm光纖11的主軸與sc平面平行和垂直，即，與偏振器p141的偏振方向成45°。結(jié)果，pm光纖11的兩個(gè)正交偏振模式都以相同的幅度激勵(lì)。

傳感器頭如已經(jīng)在上文中描述地那樣操作，并且，sc40將返回的正交光波分離至兩個(gè)光學(xué)檢測(cè)通道中。源側(cè)面處的四分之一波長(zhǎng)的延遲器板（qwr）44用作引入靜態(tài)偏置光學(xué)相移的元件，在該示例中，靜態(tài)偏置光學(xué)相移是兩個(gè)檢測(cè)通道的正交波之間的90°微分相位延遲。qwr44的主軸與pm光纖尾纖11的軸平行地對(duì)準(zhǔn)，并且，與偏振器p141成45°。

檢測(cè)器通道中的第一通道的正交波在偏振器41（在該示例中，偏振器41為光源通道和第一檢測(cè)器通道所共用）處干涉。第二檢測(cè)器通道的正交波在第二偏振器45處干涉。45的偏振方向與41的偏振方向成90°。由光電檢測(cè)器5-1和5-2檢測(cè)兩個(gè)通道中的光的強(qiáng)度。

注意到，sc40不需要定位成接近于光源1和檢測(cè)器5-1和5-2，而可以定位成靠近傳感器頭10-1，或甚至定位于與傳感器頭10-1共同的殼體中。

在圖1c的示例中，傳感器頭10-1又包括形成感測(cè)光纖的有效區(qū)段12-1且包圍電流導(dǎo)體13的環(huán)路和形成將電流導(dǎo)體13排除的感測(cè)光纖的無(wú)效區(qū)段12-2的環(huán)路。與圖1b的示例相比，環(huán)路布置為兩個(gè)單獨(dú)的線圈。

在圖1b和圖1c的示例中，通過(guò)添加未將電流導(dǎo)體13包封的感測(cè)光纖的區(qū)段12-2，從而已使感測(cè)光纖的長(zhǎng)度延長(zhǎng)至接近于將熱不穩(wěn)定性抑制低于所要求的極限（參見(jiàn)上文）所要求的長(zhǎng)度或超過(guò)該長(zhǎng)度。

然而，還能夠使用圍繞電流導(dǎo)體13成環(huán)的區(qū)段來(lái)增加感測(cè)光纖的法拉第無(wú)效長(zhǎng)度。在其中傳感器頭內(nèi)的可用空間（即，圍繞一個(gè)或多個(gè)電流導(dǎo)體的空間）僅提供用于在與電流導(dǎo)體13的位置間隔開的體積中將光纖折疊或使光纖成環(huán)的小的空間的情況下，本發(fā)明的這樣的變型是有利的。

在圖2a和圖2b的示例中，利用的是所檢測(cè)到的相移的符號(hào)取決于感測(cè)光纖12中的光波相對(duì)于磁場(chǎng)方向的傳播方向，且因而，取決于光纖繞組關(guān)于電流方向的指向。因此，在圖2a的示例中，圍繞導(dǎo)體13的感測(cè)光纖繞組包括兩組環(huán)路12-1和12-2。（法拉第）無(wú)效區(qū)段由具有如有效區(qū)段的繞組指向的許多環(huán)路和具有相對(duì)的繞組指向的相等的數(shù)量的光纖繞組組成，使得當(dāng)這兩個(gè)區(qū)段中的相移彼此抵銷時(shí)，減小總磁光相移。

在本發(fā)明的不同的實(shí)施例中，兩個(gè)逆向纏繞的線圈能夠布置于同一平面內(nèi)，或能夠一個(gè)在另一個(gè)之上堆疊。在后一種情況下，逆轉(zhuǎn)環(huán)路與線圈平面正交。在第一布置中，逆轉(zhuǎn)環(huán)路能夠位于平面內(nèi)，或與線圈的平面正交。傳感器光纖的兩端要求在空間上極為接近。

使用與先前的示例中相同的假設(shè)，例如，一個(gè)旋轉(zhuǎn)指向上的150mm直徑的3個(gè)光纖繞組和1個(gè)150mm直徑的逆向纏繞的感測(cè)光纖繞組能夠用來(lái)滿足傳感器要求。

如圖2b的示例中所圖示的，通過(guò)在維持在其上兩個(gè)區(qū)段的環(huán)路纏繞的方向的同時(shí)，使兩組環(huán)路12-1、12-2之間的電流導(dǎo)體13的方向反轉(zhuǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)相同效應(yīng)。在圖2b的示例中，使用由三個(gè)截然不同的區(qū)段組成的蝴蝶結(jié)狀的感測(cè)光纖布置。在感測(cè)光纖彎曲成180度轉(zhuǎn)向之前和在其之后，感測(cè)光纖的兩個(gè)外部區(qū)段12-1、12-2分別圍繞導(dǎo)體13纏繞，但在相同方向上纏繞。

在第三變型中，能夠通過(guò)降低由感測(cè)光纖的至少一部分感測(cè)的磁場(chǎng)而實(shí)現(xiàn)磁光相移的減小。在該變型中，感測(cè)光纖12的全長(zhǎng)又能夠圍繞導(dǎo)體13纏繞（如圖2a和2b的示例中那樣），然而，有效區(qū)段12-1和無(wú)效區(qū)段12-2的繞組圍繞電流導(dǎo)體13在相同指向上纏繞（其中電流在相同方向上流動(dòng)）。

如圖3a和圖3b中所圖示的，能夠通過(guò)具有感測(cè)光纖12-2的被磁屏蔽且因而不那么有助于或完全不利于所檢測(cè)到的磁光相移的至少部分而實(shí)現(xiàn)有效屏蔽。它還能夠通過(guò)將導(dǎo)體13分離成兩個(gè)或更多個(gè)平行區(qū)段并且圍繞區(qū)段中的僅僅一個(gè)纏繞感測(cè)光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在圖3a中，通過(guò)諸如由屏蔽材料制成的圖3b中所示出的空心環(huán)形線圈16的屏蔽件而致使感測(cè)光纖的虛線部分12-2對(duì)磁場(chǎng)不敏感。

用于屏蔽的適合材料是高磁導(dǎo)率和低矯頑力的鐵磁材料,所謂的軟磁材料，例如鎳鐵合金（例如ni80fe20）、鈷鐵合金以及非晶態(tài)磁性合金。磁屏蔽件16能夠設(shè)計(jì)為具有用于感測(cè)光纖的入口161的環(huán)形線圈（如在圖3b中描繪），或設(shè)計(jì)為管。為了實(shí)現(xiàn)充分高的磁隔離，能夠借助于電磁有限元計(jì)算來(lái)使設(shè)計(jì)優(yōu)化。未屏蔽的環(huán)路12-1必須形成閉合的線圈。在實(shí)施例中，還將屏蔽的光纖環(huán)路12-2閉合，從而即使在低磁隔離的情況下，也獨(dú)立于導(dǎo)體幾何結(jié)構(gòu)而保證傳感器信號(hào)。

采用如用在上文的先前的示例中的假設(shè)，能夠例如通過(guò)150mm直徑的2個(gè)未隔離的傳感器繞組和2個(gè)隔離的傳感器繞組而滿足傳感器要求。適度的隔離系數(shù)100是足夠的。備選地，形成四個(gè)繞組的完全屏蔽的感測(cè)光纖能夠與隔離系數(shù)2的屏蔽件一起使用。

另一方面或比較的示例涉及光纖電流傳感器10，光纖電流傳感器10具有:光電模塊部分10-2，其用于檢測(cè)通過(guò)電流的磁場(chǎng)而在感測(cè)光纖12中感應(yīng)的磁光相移;傳感器頭10-1,其包括感測(cè)光纖12，并且，通過(guò)保偏光纖11而與光電模塊10-2連接，其中，感測(cè)光纖12是具有長(zhǎng)度的旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖，該長(zhǎng)度由沿著由感測(cè)光纖所描述的空間曲線的線積分定義，適度，

在使用逆向傳播的光波的透射光學(xué)傳感器的情況下：

并且，其中，通過(guò)具有下列中的至少一個(gè)而減小光纖中所累積的磁光相移：

（i）感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段12-2形成將電流包封但相對(duì)于形成將電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的其他區(qū)段12-1而逆向纏繞的環(huán)路，

（ii）感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段12-2至少部分地被磁屏蔽，以及

（iii'）形成未將電流導(dǎo)體包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的一個(gè)或更多個(gè)區(qū)段，當(dāng)相對(duì)于形成將電流包封的環(huán)路的感測(cè)光纖的區(qū)段12-1而逆向纏繞時(shí)，逆向纏繞的繞組的數(shù)量或匝數(shù)乘以被環(huán)路或線圈包封的面積的乘積與電流傳感環(huán)路或線圈的乘積是不相等的，

其中，并且，x是旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的旋轉(zhuǎn)比，是中心波長(zhǎng)λ相對(duì)于感測(cè)光纖中的光的光譜寬度的比（12），并且，是旋轉(zhuǎn)的高雙折射光纖的局部線性雙折射。實(shí)施例如針對(duì)通過(guò)使用同向傳播的光波的反射器或透射光學(xué)傳感器終止的感測(cè)光纖的情況而公開那樣。

參考文獻(xiàn)

參考標(biāo)號(hào)列表

1光源

101光纖耦合器

2光纖偏振器

345°光纖拼接件

4光學(xué)相位調(diào)制器

40集成光學(xué)1x3分配器/組合器（sc）

41、45偏振器

44相移板

46間隔物

5、5-1、5-2檢測(cè)器

6信號(hào)處理器

10光纖電流傳感器

10-1傳感器頭

10-2光電模塊

11保偏光纖

12感測(cè)光纖

12-1感測(cè)光纖（有效區(qū)段）

12-2感測(cè)光纖（無(wú)效區(qū)段）

13導(dǎo)體

14光學(xué)延遲器

15反射器

16磁屏蔽件

161入口