[发明专利]在高信号范围具有增强精确度的偏振光学检测

说明书

为了执行对被测对象的偏振检测，两个偏振状态的光通过传感设备(5)，其中，这两个状态经历依赖于被测对象的值的差分相移。为了补偿设备的不足，提出了一种方法，该方法基于仅在被测对象的低值范围中获得的校正值。然而，该方法仍可以用于精确地确定被测对象的较高值。

技术领域

本发明涉及用于通过偏振光学技术来测量交变被测对象值的方法和传感设备。

背景技术

例如用于高压变电站的光纤电流传感器(FOCS)通常利用围绕电流导体的光纤线圈的法拉第效应(参考文献1)。高性能电流传感器通常使用从光纤陀螺仪可知的干涉技术(参考文献2)，其中具有集成光相位调制器的闭环检测电路恢复通过光路(opticalcircuit)传播的两个光波之间的电流感应磁光相移(phase shift)闭环检测方法确定了传感器输出与磁光相移之间的完全线性关系(参考文献1)。

相比之下，采用较简单的偏振检测方案的FOCS(参考文献3-6)通过波片和偏振器将磁光相移或相应的偏振旋转转换为光强度的变化。信号与施加电流的正弦成比例变化。通常，分析仪光学器件被配置为生成相反相位的两个信号。它们的差除以总和表示归一化信号，该归一化信号独立于光源功率的变化或插入损耗。

无模糊的测量范围限于±π/2之内的相移。相应的电流范围约为±310kA/N，其中N是围绕导体的光纤环路数。在此，假定光纤线圈由熔融石英光纤组成，工作波长为1310nm，并且光通过线圈两次(反射模式)。在不对正弦响应进行线性化的情况下，仅在小相移才获得充分线性的输出。为了覆盖±π/2的整个范围，必须通过反正弦函数或其等效函数将信号线性化。

在传感器的典型变电站应用中，小相移的范围(regime)与计量有关，而高相移的范围用于瞬态故障电流。通常，传感器必须能够测量高达额定系统电流至少20倍的故障电流。典型的精确度要求在计量范围内为±0.2％并且在故障电流范围内为±5％(参考文献7)。

采用偏振检测方案的FOCS(诸如参考文献4中所公开的)，借助四分之一波长延迟器在通过光路传播的两个光波之间引入90°相位偏置(phase bias)，以便将传感器的工作点(在零电流处的信号)移至传感器响应的线性范围。替代地，法拉第旋转器晶体可以设置偏置(参考文献6)。

这种传感技术的一般性要求是在宽范围的工作条件下提供良好的精确度。

发明内容

因此，本发明要解决的问题是提供上述类型的方法和设备，其产生具有良好精确度的结果，而无需进行大量的校正测量。

该问题通过独立权利要求的方法和设备解决。

该方法用于测量交变被测对象的值Z。注意，在本发明的上下文中，术语“交变被测对象”意味着(如果没有另外说明)包括根据时间而变化的任何被测对象。这包括周期测量对象，诸如AC电流或AC电压(例如，具有50Hz或60Hz的频率)，瞬态被测对象，以及周期性和瞬态现象的组合。后者可以是例如具有瞬态DC偏移的AC电流，其可能发生在诸如短路之类的三相系统的故障情况下。另一个示例是类似尖峰或脉冲的瞬态被测对象，例如具有在微秒或毫秒范围内的持续时间的电流脉冲，其可能在电流中断期间发生在高压DC断路器处[13]。另一个示例是等离子电流脉冲，例如在用于核聚变研究的托卡马克装置(tokamak)处。

本发明的方法包括以下步骤：

1)将光束的不同的两个偏振状态发送通过传感元件，其中，两个偏振状态经历依赖于被测对象的差分相移(differential phase shift)与被测对象相同，相移是交变的(例如以某个频率)和/或是瞬态的。

2)将已通过传感元件至少一次的光分到至少两个通道中，并且在两个通道中执行不同的偏振测量，从而生成如下两个依赖于相移的原始信号S_1,raw、S_2,raw：