[发明专利]对传感器参数变化不灵敏的温度补偿的光纤电流或磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤电流传感器(FOCS)或磁场传感器，其包括暴露于例如要测量的电流的磁场的传感纤维。该类型的传感器典型地在高电压或高电流的应用中使用。

背景技术

光纤电流传感器(FOCS)通常依赖熔融石英纤维中的法拉第效应。法拉第效应随温度变化。熔融石英纤维的Verdet常数(其是法拉第效应的度量)根据变化，即在例如-40℃至+80℃的操作温度范围内传感器信号在0.84％内变化。然而，传感器的许多应用要求±0.2％或±0.1％内的准确度，因此要求温度补偿的措施。在EP1107029、EP1115000和参考文献[1]中，描述用于在干涉Sagnac和反射型光纤电流传感器中的法拉第效应的固有温度补偿的方法。固有补偿的方法消除对额外温度传感器的需要，其对于在高电势的电流传感是特别重要的。该方法利用产生正常圆形光波(在传感纤维中传播)的光纤延迟器的温度依赖性。为了进行温度补偿，该延迟设置到与常规90°延迟相差非零量ε的值。延迟随温度的变化影响传感器的标度因子。采用适当选择的延迟，例如ε＝10°，延迟器对传感器灵敏度(规格化标度因子S)的影响正好抵消Verdet常数随温度的变化。

在WO2005/111633和参考文献[2]中，示出传感器标度因子S也受纤维线圈平面的法线和在延迟器之前的保偏纤维的慢轴之间的角度的影响，称为方位角β＝45°-β’，其中β’是纤维线圈平面的法线和延迟器的慢轴之间的角度。在该情况下，由单环未退火单模纤维构成的传感纤维线圈具有大环路半径且因此具有小的弯致线性双折射。该纤维位于具有摩擦减小部件的毛细管中并且封装在纤维增强树脂的柔性带中。在具有ε＝10°和具有1.5°的传感纤维双折射延迟的延迟器的情况下，标度因子S随方位角β的变化具有正弦形式并且在0.8％内变化。因此，为了获得稳定的标度因子，方位角必须控制并且固定。在相同的专利申请中，要求权利保护β＝0°(mod 90°)和β＝45°(mod90°)的优选方位角分别以获得标度因子对弯致双折射和方位角的变化的最小灵敏度。忽略了弯致双折射的温度依赖性的影响[3]，因为它们在该情况下非常小。然而，传感器纤维线圈是可想到的，其由若干(未退火的)小直径纤维绕组构成。这样的线圈可用于例如集成进入高压(HV)设备。在该类型的线圈中，可存在更大量的纤维双折射，从而引起例如δ＝5...25°的双折射相位延迟。

在EP0856737和参考文献[1]中，说明了高温退火的方法以高效降低在具有若干纤维绕组的小直径纤维线圈中的弯致双折射。这样的线圈的纤维在退火过程期间和在最终传感器配置中都可再次位于玻璃毛细管中。取决于线圈直径和绕组的数量，在退火后一些双折射可留存在传感纤维中。对应的双折射相移可以是大约几度。此外，在生产环境中，双折射可在某种程度上在线圈之间变化。作为在生产过程中的公差的结果和/或由于温度变化引起的双折射的变化影响上文提到的法拉第效应的温度补偿。对于已退火和未退火线圈都是如此。

发明内容

本发明要解决的问题因此是要提供具有对例如由于制造公差或温度变化引起的纤维双折射的变化的小灵敏度的多用途光纤电流传感器或磁场传感器。

该问题由包括如下部件的光纤电流传感器或磁场传感器解决：

将暴露于要测量的电流I的磁场的传感纤维，其中所述传感纤维在传感器平面中形成环，其中所述传感纤维具有Verdet常数V，

设置在保偏纤维和所述传感纤维之间用于在线性和椭圆偏振之间转换光的至少一个延迟器，其中紧挨所述延迟器之前的保偏(pm)纤维的主轴关于所述传感器平面的法向旋转角度β并且其中所述延迟器在沿它的主轴偏振的光波之间引入差分相移ρ＝π/2+ε，其中ε是附加非零相移，以及

产生与电流导致的相移Δφ成特定比例的信号的控制单元，该相移可以写为

其中并且其中N是所述传感纤维的环的数量，δ是所述传感纤维的线性双折射导致的相移并且S是标度因子，其中S关于温度T的规格化导数是

该传感器特征在于，β和ε和使得在一值范围上并且对于双折射导致的相移δ的非零值和它的给定温度依赖性至少在优选地传感器的操作温度范围的中心中的温度T₀处，满足条件