光学传感器
阅读：279发布：2020-05-12
专利汇可以提供光学传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且描述一种基于生成在非零被测对象场存在的情况下在 传感器 (10)的感测元件(131，134)中具有不同速度的光波的两个集合来增加 光学传感器 (10)的 精度 的方法。在光波的所述两个集合之间引入所定义静态偏置 相移 。传感器(10)将包括静态偏置光学相移和被测对象感应光学相移的总光学相移转换为至少两个检测器通道(142，143)中的反相光功率变化。该方法包括在所述光功率变化转换为所述两个检测器通道(142，143)中的电检测器 信号 之后归一化光功率变化以降低 光源 (111)的不均匀强度或功率和检测器通道中的不同损耗或增益的影响的步骤。还提供用于对这类光学传感器和新传感器进行 温度 稳定的其他方法、传感器和设备。，下面是光学传感器专利的具体信息内容。
1.一种检测感测元件中的由被测对象场所引起的光波的两个集合之间的光学相移的方法，所述方法包括下列步骤：
- 经过所述感测元件从光源传递在非零被测对象场存在的情况下在所述感测元件内具有不同速度的光波的所述两个集合；
- 引入光波的所述两个集合之间的静态偏置光学相移；
- 将包括所述静态偏置光学相移和由所述被测对象场所引起的所述光学相移的总光学相移转换为至少两个检测器通道中的相反符号的光功率变化；
- 将所述至少两个检测器通道中的所述光功率转换为电检测器信号；
- 从所述至少两个检测器通道的所述电检测器信号中过滤谱分量，并且将所述谱分量或者从其中得出的归一化参数与至少一个电检测器信号相结合，以产生与所述被测对象场不存在的情况下的相等光平均功率对应的归一化检测器信号；
- 组合包括所述归一化检测器信号的所述至少两个检测器通道的所述电检测器信号，以产生与所述总光学相移相关但是与所述光源的强度和所述至少两个检测器通道中的不同损耗或不同增益无关的传感器信号，
其中经过滤的谱分量是所述电检测器信号的AC或瞬变内容以及所述经过滤的AC谱分量经过时间平均。
2.如权利要求1所述的方法，其中光波的所述两个集合包括两个不同偏振状态；和/或其中一个或多个偏振元件用来生成具有相反符号的所述光功率变化。
3.如权利要求2所述的方法，其中光波的所述两个集合包括两个正交线性偏振状态或者左和右圆偏振状态。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述静态偏置光学相移为(2n + 1) × 90°，其中n为任何整数；和/或
其中所述静态偏置光学相移使用至少一个四分之一波延迟器或法拉第旋转器来引入。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述静态偏置光学相移在(2n + 1) × 90° ± 20°之内或在(2n + 1) × 90 ± 5°之内。
6.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中所述感测元件是电流或磁场感测元件或者电压或电场感测元件。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述电流感测元件是环绕电流导体的光纤。
8.如权利要求6所述的方法，其中所述电场或电压感测元件是光电晶体或者结晶或极化光电光纤。
9.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中快速傅立叶变换(FFT)和低通滤波器(LPF，LPF1)用来过滤时间平均的AC谱分量；和/或
其中一系列高通滤波器(HPF1)、整流器(R)和低通滤波器(LPF)用来过滤时间平均的AC谱分量。
10.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，其中所述经过滤的谱分量处于所述被测对象场的标称频率周围的范围中；和/或
其中设置所述经过滤的谱分量的幅度阈值，以及低于所述阈值的经过滤的谱分量或者从其中所得出的归一化参数通过缺省值或者通过经低通滤波的信号分量来替代。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述经过滤的谱分量在45 Hz至65 Hz的范围中。
12.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，还包括在组合步骤之后向所述传感器信号应用高通滤波器(HPF，HPF2)的步骤；和/或
还包括补偿所述感测元件和/或另外的无源组件的温度相关性的步骤；和/或还包括具体通过考虑所述静态偏置光学相移对所述传感器信号特性的线性化。
13.如权利要求1-5中的任一项所述的方法，还包括从所述传感器信号来得出表示所述静态偏置光学相移的另外的信号的步骤。
14.如权利要求13所述的方法，其中得出表示静态偏置光学相移的所述另外的信号的步骤包括将所述传感器信号分为总相移通道和静态偏置光学相移通道，并且向所述静态偏置光学相移通道应用低通滤波器(LPF2)；和/或
其中所述静态偏置光学相移指示引入所述静态偏置光学相移的组件和/或感测元件的温度，
具体还包括使用所述静态偏置光学相移来补偿由集成光学偏振分路器模块和/或通过所述感测元件所引起的所述传感器信号的温度相关性的步骤；和/或
其中所述方法包括由耦合到所述感测元件的延迟器所提供的另外的温度补偿。
15.一种用于执行如以上权利要求中的任一项所述的方法的信号处理单元，所述信号处理单元具有由两个或更多检测器所测量的信号中的每个的输入以及滤波器(FFT，HPF、LPF、LPF1，LPF2，HPF1，HPF2)以及另外的组件(R，X，/，+，-)。
16.一种光纤电流或磁或者电压或电场传感器，具体包括如权利要求15所述的信号处理单元，所述传感器包括：至少一个光源和至少一个光检测器；至少两个光学传输通道，其中一个通道提供所述光到感测元件的前向通道以及一个或两个检测器通道提供所述光到所述光检测器的返回检测器通道；一个或多个无源光学元件，其用于引入在非零被测对象场存在的情况下在所述感测元件内具有不同速度的光波的两个不同集合之间的静态偏置光学相移，并且用于将包括所述静态偏置光学相移和由所述被测对象场所引起的光学相移的总光学相移转换为光功率的变化，所述光功率处于相反符号的两个检测器通道的情况下，并且偏振保持(PM)光纤直接地或者经由至少一个延迟器或法拉第旋转器元件间接地连接到所述感测元件，其中所述一个或多个无源光学元件的至少部分与温度稳定单元进行热接触，从而为所述一个或多个无源光学元件来提供受控温度环境；其中所述温度稳定单元包括至少一个自调节加热电阻器。
17.如权利要求16所述的传感器，其中所述传感器包括至少两个光检测器。
18.如权利要求16所述的传感器，其中所述传感器包括至少三个光学传输通道。
19.如权利要求16所述的传感器，其中所述温度稳定单元包括至少一个自调节加热电阻器箔。
20.如权利要求16所述的传感器，其中所述一个或多个无源光学元件处于地电位，并且其中所述偏振保持(PM)光纤提供从地电位到与所述地电位不同的所述感测元件的电位的光学连接。
21.如权利要求16-20中的任一项所述的传感器，其中用于引入静态偏置光学相移的所述一个或多个无源光学元件以及转换总光学相移的所述一个或多个无源光学元件结合在集成光学偏振分路器模块中，所述集成光学偏振分路器模块具有所述光学源和/或检测器侧上的至少三个端口以及所述感测元件侧上的一个端口，其中所述感测元件侧上的所述端口连接到所述偏振保持(PM)光纤。
22.如权利要求16-20中的任一项所述的传感器，其中所述偏振保持(PM)光纤经过绝缘子柱的内部并且其中所述绝缘子柱是填充有围绕所述偏振保持(PM)光纤的绝缘流体或凝胶的空芯绝缘子，所述绝缘流体或凝胶包括硅酮或者具有可压缩填充剂材料或绝缘气体的硅酮；
或者所述绝缘流体或凝胶包括介电绝缘流体混合物或气体混合物，其包括有机氟化合物，这样的有机氟化合物从由下列项所组成的组中选取：氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮、氟烯烃以及它们的混合物和/或分解产物，以及所述绝缘流体或凝胶包括与所述有机氟化合物不同的并且从由下列项所组成的组中选取的背景气体或运载气体：空气、N2、O2、CO2、惰性气体、H2；NO2、NO、N2O；碳氟化合物以及全氟化碳；及其混合物。
23.如权利要求22所述的传感器，其中所述绝缘气体包括氮或六氟化硫(SF6)。
24.如权利要求22所述的传感器，其中所述全氟化碳包括CF4；CF3I、SF6。
25.如权利要求16-20中的任一项所述的传感器，其中所述感测元件包括要环绕导体并且在操作中暴露于所述导体中的电流的磁场的感测光纤；和/或
所述传感器作为用于测量DC电流的传感器；和/或
其中所述感测元件包括光电晶体或光电光纤或者附连到压电材料的光纤。
光学传感器
技术领域
[0001] 本公开涉及在被测对象场存在的情况下引起经过它的光波的相移、具有感测元件的光学传感器，例如光纤电流传感器(FOCS)或磁场传感器，其包括要暴露于例如待测量电流的磁场的感测光纤，如通常用于高电压或高电流应用中的。
背景技术
[0002] 光纤电流传感器依靠盘绕电流导体的光纤中的磁光法拉第效应。电流感应磁场在光纤中生成与所施加磁场成比例的圆双折射。一种优选布置采用在感测光纤的远端的反射器，使得耦合到光纤中的光执行光纤线圈中的往返。通常，左和右圆偏振光波被注入感测光纤中，其由接合到感测光纤并且充当四分之一波延迟器(QWR)的光纤相位延迟器从两个正交线偏振光波来生成，如参考文献[1]所述。在经过光纤线圈的往返之后，两个圆形波因光纤中的圆双折射而累积了与所施加电流成比例的相对相位延迟。这个相位延迟与围绕电流导体的光纤绕组的数量、所施加电流和光纤的维尔德常数V(T, λ)成比例：维尔德常数是材料、温度和波长相关的。
[0003] 作为备选方案，传感器可设计为具有在感测光纤两端的四分之一波延迟器(QWR)以及在感测光纤中反向传播的圆偏振的相同意义的光波的萨格纳克类型干涉计(参见参考文献[1])。
[0004] 还已知的是基于普克尔斯效应(线性光电效应)[21]或者基于耦合到压电材料的光纤的使用[16、7]的电压或电场传感器。在这些传感器中，通过电场或者力或材料的折射率的各向异性变化所引起的双折射在光纤传感器中用来测量电压或电场强度。
[0005] 高性能电流传感器常常使用基于如也在光纤陀螺仪中应用的非交互相位调制的干涉测定技术，以便测量光学相移，参见例如参考文献[2]。采用集成光学相位调制器或压电调制器。该技术具体结合闭环检测来提供优于磁光相移的大范围的高精度、良好比例因子稳定性和线性响应。另一方面，该技术比较复杂，并且常常要求偏振保持(PM)光纤组件和精细信号处理。此外，集成光学调制器是比较昂贵的组件。
[0006] 相反，更简单的检测方案采用无源光学组件、例如波板和偏振器，其将磁光相移转换为发射光功率的变化(如参考文献[3]中所述)。为了使传感器输出与例如光源功率的变化无关，这类传感器常常与至少两个检测通道配合工作。两个通道中的光功率响应待测量电流而以相反相位(反相)改变。大体上，两个信号的差除以其总和与电流成比例，并且与源功率无关。但是，两个通道中的不对称性(例如不同的光学损耗、应力的影响以及它们随时间和温度的变化)限制这种类型的传感器的可取得精度。虽然传感器精度对于高压变电站中的保护功能可以是充分的(IEC精度5P类要求在额定电流下的±1%之内的精度)，但是精度通常对于电力计量是不充分的；IEC计量0.2类例如要求在额定电流下的0.2%之内的精度。
[0007] US 5895912公开一种偏振测定AC传感器，其中DC信号分量用来对AC测量信号进行强度归一化。
[0008] 因此，本发明的一个目的是提供上述种类的光学传感器(例如磁场传感器或光纤电流传感器(FOCS))以及相关方法，其甚至在使用无源光学组件代替有源相位调制组件来检测光波之间的相对相移时也增加这类传感器的精度。
发明内容
[0009] 按照本发明的第一方面，提供一种基于生成在非零被测对象场存在的情况下在传感器的感测元件中具有不同速度的光波的两个集合来增加光学传感器的精度的方法，并且其中所定义静态偏置相移在光波的两个集合之间来引入，传感器将包括静态偏置光学相移和所述被测对象场所引入的光学相移的总光学相移转换为至少两个检测器通道中的相反符号(反相)的光功率变化，其中该方法包括在光功率变化被转换为两个检测器通道中的电检测器信号之后对其归一化以降低检测器通道中的不均匀强度和不同损耗或增益的影响的步骤。
[0010] 光波的两个集合通常是正交线偏振光波或者左和右圆偏振光波。优选地，将两种集合之间的相移转换为两个检测器通道中具有相反符号(即，处于反相)的光功率的变化。
[0011] 由于在光波的两个集合之间引入静态偏置光学相移，所以所应用的检测是无源检测，并且因而不要求有源光学相位调制。静态偏置光学相移通常为大约(2n + 1) × 90°，具体在(2n + 1) × 90° ± 20°或(2n + 1) × 90 ± 5°之内，其中n为任何整数。静态偏置光学相移能够例如通过使用至少一个四分之一波延迟器或法拉第旋转器来引入。
[0012] 对于电流或磁场测量，感测元件能够是光纤元件、块状磁光材料(例如钇铁石榴石晶体或熔融石英玻璃)或者附连到磁致伸缩元件的光纤或块状光学材料。对于电压或电场测量，感测元件能够是光电晶体[21]、结晶光电光纤[19]、极化光纤[20]或者附连到压电材料的光纤[7]。
[0013] 通过从检测通道的电检测器信号中过滤谱分量，并且将谱分量或者从其中得出的至少一个归一化因子与至少一个检测器信号相结合，来得出光功率变化的归一化，以产生归一化检测器信号。
[0014] 谱分量能够是经过滤的AC分量和/或检测器信号的至少一个的瞬变分量和/或检测器信号的至少一个的经(低通)滤波的分量或DC分量。按照本发明的方法能够用于测量DC、AC或瞬变被测对象场。谱分量可经过时间平均以用于噪声降低。
[0015] AC谱分量优选地在被测对象场的标称频率周围的范围中，例如对于标准电力网频率在45 Hz至65 Hz的范围中。如果AC和瞬变谱分量的幅度下降到低于阈值，则它们能够通过缺省值或者通过经低通滤波的信号分量来替代。
[0016] 在测量AC或瞬变场的情况下，归一化之后的组合传感器信号优选地经过高通滤波。
[0017] 按照本发明的第二方面(其可以或者可以不与如上所述的第一方面或者与以下所述的第三方面相结合)，对于AC或瞬变场测量，引入静态偏置光学相移的(无源)光学元件的温度从传感器信号的低频或DC分量来得出。DC或低频分量取决于静态偏置光学相移。偏置相移能够随着引入相移的光学组件的温度发生变化而变化，并且因而能够指示组件的温度。换言之，信号的DC或低频分量能够用作在引入静态偏置光学相移的位置(例如适当的集成光学偏振分路器模块，其能够用于这个目的)处的温度的量度。
[0018] 通过知道这种温度，能够相应地校正AC或瞬变传感器信号。这个温度补偿能够与其他温度补偿、具体来说与感测元件本身的温度补偿结合应用。
[0019] 上述方面和所需步骤能够实现为传感器的信号处理单元的部分或者由其来运行。
[0020] 按照本发明的第三方面(其可以或者可以不与如上所述方面相结合)，传感器至少包括：光源和至少一个光检测器、优选地至少两个光检测器；以及至少两个、优选地至少三个光学传输通道，其中一个通道提供光到感测元件的前向通道，以及一个或两个通道提供光到检测器的返回检测器通道；一个或多个无源光学元件，用于引入在非零被测对象场存在的情况下在所述感测元件中具有不同速度的光波的两个不同集合之间的静态偏置光学相移，并且用于将包括静态偏置光学相移和被测对象场所引起的光学相移的总光学相移转换为至少两个检测器通道中的相反符号(反相)的光功率变化；以及偏振保持(PM)光纤，其中PM光纤直接地或者经由至少一个延迟器或法拉第旋转器元件间接地连接到感测元件，一个或多个无源光学元件的至少部分与温度稳定单元进行热接触，从而为一个或多个无源光学元件提供受控温度环境。这种单元能够包括例如至少一个半调节加热电阻器、具体来说是至少一个自调节加热电阻器箔。
[0021] 在本发明的这个方面的优选实施例中，一个或多个无源光学元件的至少部分处于地电位，以及PM光纤提供从地电位到感测元件的电位的光学连接，其中后一电位与地电位是不同的，并且通常是中压或高压。在这种情况下，有利的是经过绝缘子柱（insulator clolumn）、具体来说是最好填充有绝缘材料的空芯绝缘子柱来引导PM光纤。
[0022] 用于引入静态偏置光学相移的一个或多个无源光学元件以及用于转换总光学相移的一个或多个无源光学元件最好结合在集成光学偏振分路器模块中，其中具有光学源/检测器侧上的至少两个或三个端口以及感测元件侧上的一个端口，其中感测元件侧上的端口连接到PM光纤。
[0023] 如同本发明的其他方面那样，传感器能够适合测量AC或DC场，具体来说是磁场、电流、电场、电压或力场。
附图说明
[0025] 图1是光纤电流传感器的组件的示意图，其中具有用于引入光波的两个不同集合之间的静态偏置光学相移并且用于将包括静态偏置光学相移和被测对象场所引起的光学相移的总光学相移转换为相反符号的光功率变化的无源元件；
[0026] 图2A-2C示出按照本发明的另一方面的信号处理步骤的示例；
[0027] 图3示出利用信号的DC部分、图2A-2C的示例的变体；
[0028] 图4示出按照本发明的另一方面的信号处理步骤的示例；
[0029] 图5示出供高压环境中使用的传感器的其他元件；
[0030] 图6A、图6B示出通过按照本发明的一个方面的示例所取得的对温度的传感器信号稳定性的改进；
[0031] 图7A-7B示出用于本发明的示例的可能应用的其他传感器配置；以及
[0032] 图8示出用于电压感测领域中的本发明的示例的可能应用的另一传感器配置。
具体实施方式
[0034] 如以下进一步描述，具有引入偏置相移的无源元件的这类传感器能够获益于以下描述的本发明的各种精度增加方面，例如包括原始信号的归一化和滤波的信号处理以及附加温度补偿部件。
[0035] 在图1的示例中，传感器10包括光电子模块11，其包含例如宽带光源111(例如超发光二极管)、两个光电检测器12-1和12-2以及具有电源和其他电子组件(未示出)的信号处理单元113。值得注意，光电子模块11与具有感测元件131的传感器头端13之间的任何连接完全是光学的，并且在所示示例中通过单模光纤101和单模光纤连接器102进行。另外，光电子模块11外部的光路中的元件是无源光学组件，并且因此不要求电激活。
[0036] 来自光源111的光例如在光纤利奥去偏振器(未示出)中去偏振。光电子模块11与传感器头端13之间的(光学)连接经过三个单模光纤101(SMF1、SMF2、SMF3)进行，三个单模光纤101连接到集成光学偏振分路器模块14的三个源侧端口，集成光学偏振分路器模块14在所示示例中基于连同与其附连的偏振器和延迟器(141、144、145)一起形成模块的集成光学器件1×3分路器/组合器140(SC)。这类偏振器的第一偏振器是偏振器141(P1)，其将入口处的光偏振到源侧端面上的第一端口处的SC 140，又称作SC光源通道。优选地，偏振方向处于相对SC平面的法线的45°。SC 140中的波导具有低双折射，以便不改变所传输光的偏振状态。
[0037] 在相对SC端面(又称作线圈侧端面)，光耦合到偏振保持(PM)光纤引出线132中。PM光纤132的主轴与SC平面平行和垂直，即，处于与偏振器P1 141的偏振方向的45°。因此，PM光纤132的正交偏振模式均采用相同幅度来激发。
[0038] 光纤四分之一波延迟器133在光进入感测光纤131之前将正交线偏振光波转换为左和右圆偏振波。感测光纤形成具有围绕电流导体15的整数数量的光纤环路的线圈。光在光纤131的远端由反射器135来反射，并且然后第二次通过线圈。在反射时，交换两个光波的偏振状态，即，左圆形光成为右圆形，反过来也是一样。
[0039] 延迟器133将反射圆形波又转换成正交线性波。与前向传播波相比，还交换返回线性波的偏振方向。返回正交波因法拉第效应而具有磁光相移Δφ(又参见下式[3])。SC 140将正交光波分为两个光学检测通道142、143。在源侧端面的四分之一波延迟器板(QWR)144用作引入静态偏置光学相移(其在这个示例中是两种检测通道142、143的正交波之间的90°微分相位延迟)的元件。QWR 144的主轴与PM光纤引出线132平行对齐并且与偏振器P1 141成45°对齐。
[0040] 检测器通道142、143的第一检测器通道的正交波在偏振器P1 141(其在这个示例中是光源通道和第一检测器通道142共同的)进行干涉。第二检测器通道143的正交波在第二偏振器P2 145进行干涉。P2 145的偏振方向与P1 141成90°。单模光纤101的两个(SMF 2和SMF 3)将光引导到光电检测器12-1和12-2。
[0041] 优选地，在偏振器141、145之后的两个检测器通道中存在去偏振器(未示出)、例如上述利奥类型光纤，以便避免到光电检测器的路径中的偏振相关损耗。这种损耗可引起对光纤的机械扰动的更高灵敏度。代替单模光纤SMF 2和SMF 3，可使用两个多模光纤。由于较大的芯大小(例如62.5 μm而不是SMF的9-μm芯)，从集成光学偏振分路器模块14波导到光纤101中的耦合损耗降低。
[0042] 偏振器141、145能够是包含定向金属(例如银粒子)的薄玻璃小片，以对光进行偏振。小片的典型厚度例如为30 μm。由于小厚度，光纤与分路器/组合器之间的耦合损耗能够保持为较小。
[0043] 使用具有与延迟器小片QWR 144相同的厚度的隔离片玻璃小片146，以便促进集成光学模块14中的偏振器P1 141和P2 145的组装。隔离片146可由玻璃来组成，或者能够是其主轴之一对齐到偏振器P1 141的偏振方向的另一个QWR小片，使得它保持为不活动，并且不影响透射光的偏振。隔离片146也能够是具有与偏振器P1 141相同的取向的第二偏振器小片，这进一步增强偏振度。
[0044] 优选地，QWR 144具有低阶，并且因而具有小厚度(通常为数十微米)。这再次帮助限制光学耦合损耗。
[0045] 公共偏振器P1 141用于源光和第一检测器通道142还促进集成光学模块14的组装，因为波导通常在其源侧端面仅分隔数100 μm。
[0046] P1 141与分路器/组合器SC 140的法线成45°的取向并且因此与分路器/组合器法线平行的PM光纤132轴取向是优选的(优于例如P1成0°或90°的对齐并且因而光纤轴与SC 140法线成45°的对齐)，因为产生于将PM光纤附连到SC的潜在光纤应力趋向于沿与SC平面平行或正交的轴。扰动偏振交叉耦合则为最小。
[0047] 集成光学模块14优选地是传感器头端组合件130的部分。它能够是温度稳定的，如以下进一步描述。图1的配置的重要优点在于，光电子模块11能够通过标准单模光纤(或者多模光纤)和标准光纤连接器102与传感器头端13来连接。因此能够避免偏振保持光纤对这个连接的更棘手使用。如果离光电子模块11和传感器头端13的距离较大，并且预期光纤电缆两端的连接器102(例如，当传感器头端13处于高压变电站场中并且包括光源111的光电子模块11处于变电站控制房中(它们之间具有高达数百米的距离)时)，则这是特别有利的。
[0048] 相比之下，在增加的电缆长度的偏振保持链路的减小的偏振消光比(PER)限制可能的电缆长度。此外，PM光纤连接器趋向于按照温度相关方式来减小PER(偏振消光比)，并且因而能够降低传感器比例因子的稳定性。另外，PM光纤和PM光纤连接器的成本显著高于标准单模或者多模光纤和对应连接器的成本。
[0049] 为了取得变化情况下的精度，以上在图1中所述或者以下进一步描述(图5-8)的类型的传感器配置使用信号处理方法(其适合补偿两个或更多检测通道之间的不对称性，如下面将描述)来最佳地操作。应当理解，这种信号处理方法能够适用于具有两个或更多检测通道并且具有如无源光学元件所引入的静态偏置光学相移的各种光学传感器。
[0050] 使用例如以上图1的配置作为参考并且假定理想组件(组件的完全角对齐、两个正交偏振模式之间没有交叉耦合、两个检测通道中没有不对称光学损耗、没有线性双折射的感测光纤)，作为磁光相移Δφ的函数的两个检测器信号通过下式给出
[0051] (1) S1 = (S0/2) (1 + sin Δφ)
[0052] (2) S2 = (S0/2) (1 - sin Δφ)，其中
[0053] (3) Δφ = 4NVI。
[0054] 在这里，N、V和I分别是光纤线圈的绕组的数量、光纤的维尔德常数(在1310 nm的~1 μrad/A)和电流。S0与光源功率成比例。
[0055] 两个信号的差除以其总和给出与光源功率无关的信号S：
[0056] (4) S = (S1 – S2) / (S1 + S2)或者
[0057] (5) S = sin Δφ。
[0058] 对于Δφ<<1（这常常是实际情况），S随Δφ线性改变：
[0059] (6) S = Δφ。
[0060] 在实际传感器中，两个检测通道中的光功率损耗可例如因从分路器到光纤SMF2和SMF3的不同耦合损耗或者由于在光纤连接器处的不同损耗而有所不同。此外，两个通道的干涉条纹可见度因可因偏振器P1和P2的相对对齐的容差而有所不同。干涉光波之间的相位差可因两个检测器通道中的四分之一波延迟器的温度相关性而不完全是90°。例如因两个通道中的温度相关应力引起的残余双折射可引入其他相偏。在这些条件下，通道1和2中的信号S1和/或S2表示为
[0061] (7) S1 = (S01/2) [1 + K1 sin (Δφ + α(T) + η(T))]，以及
[0062] (8) S2 = (S02/2) [1 - K2 sin (Δφ + α(T) + κ(T))]。
[0063] 在这里，K1和K2分别指示通道1和2中的条纹对比度(K1和K2在理想条件下等于一以及否则小于一)。项α(T)描述QWR 144的延迟与90°的偏差以及它随温度的变化。项η(T)和κ(T)描述因通道1和/或通道2中的偏振分路器模块14中的其他双折射引起的相偏。
[0064] 使用这样引入的参数，下面描述补偿检测器通道1和2之间的差分光学损耗的方法的示例。
[0065] 不同检测器通道中的不同光学损耗通常是上述扰动中最严重的。对于以下考虑因素，假定K1 = K2 = K。为了简洁起见，还假定K = 1（但是以下考虑因素对于K < 1也是有效的）。还假定待测量电流是交流(AC)或瞬变电流(例如电流脉冲)。电流脉冲的测量例如在DC断路器的正确电流计算的监测中(参见参考文献[5]以获得细节)、在闪电、等离子体物理等的检测中受到关注。下面考虑差分通道损耗来描述三种不同方法(其能够分别称作AC、瞬变和DC方法)的示例。
[0066] 在以下示例的第一示例(图2A至图2C)中，补偿方法使用AC信号内容的经处理的部分或表示。这种方法对于具有诸如50 Hz或60 Hz线电流之类的周期AC电流的应用一般是优选的。利用关于AC内容的幅度在两个通道中必须相同(与反相不同)以便将两个通道归一化成相等信号电平的知识。
[0067] 在优选布置中，例如在50/60 Hz AC电流的情况下的45 Hz与65 Hz之间的某个频率范围中的最大AC幅度S01,ac和S02,ac通过快速傅立叶变换(FFT)来确定，参见图2A。在50 Hz线电流的情况下，FFT将确定50 Hz电流的幅度。后续低通滤波器(LPF)用来对滤波器截止频率所确定的时间间隔来平均FFT输出以获得更好稳定性。作为FFT和LPF系列的备选方案，用于幅度S01,ac和S02,ac的量度可通过如图2B所示的一系列高通滤波器(HPF1)、整流器(R)和低通滤波器来确定。高通滤波器使DC信号内容截止。整流器输出则与幅度S01,ac和S02,ac成比例，以及低通滤波器再次用来对信号进行时间平均。
[0068] 信号S2则在乘法器(X)中与如第一除法器(/)所生成的两个经过滤的AC信号的幅度比A = S01,ac / S02,ac相乘。(备选地，信号S2可保持不变，而信号S1与幅度比S02,ac / S01,ac、即与A的逆相乘。)在乘法之后，信号S1和S2具有相同幅度，即，归一化成相等功率损耗。来自等式(4)的信号S通过组合如所示的减法器(-)、加法器(+)和第二除法器(/)中的归一化信号S1和S2来得到，其这时表示为
[0069] (9) S = (S1 – S2 A) / (S1 + S2 A)，其中
[0070] (10) A = S01,ac / S02,ac。
[0071] 因此，信号S对应于理想传感器的信号：
[0072] [11] S = sin Δφ。
[0073] 图2C示出图2A所示方法的修改。在这里，信号S1在乘法器(X)中与幅度S02,ac相乘，以及S2在第二乘法器(X)中与幅度S01,ac相乘。因此，信号S1和S2再次归一化成相等功率损耗。能够看到的优于如图2A和图2B所示的方法的优点在于，归一化不要求任何信号除法，并且因此要求较少信号处理能力。
[0074] 在上式(9)-(11)中，假定相偏η和κ是可忽略的。还应当注意，α(QWR延迟器与90°的偏差)的特定值不影响所恢复的相移，只要α<<1。
[0075] 在AC或瞬变电流的情况下，第二除法器(/)之后的测量信号S能够有利地经过高通滤波，如图2A-2C中的虚线所示的滤波器HPF、HPF2所指示。
[0076] 截止频率选择成充分小，使得系统能够检测所有预期AC和瞬变内容。在50 Hz或60 Hz电流的情况下，截止频率可例如在0.001 Hz与10 Hz之间的范围中选择。通过低截止频率(例如0.001 Hz)，有可能检测可在某些故障情况下发生的电流中的瞬变dc。图2B中的HPF1截止频率可与HPF2截止频率相同，或者两个频率可有所不同，例如HPF1的截止频率可比HPF2的截止频率更接近额定AC频率。LPF截止频率(或者等效地为对比率A求平均的时间跨度)最好地选择成使得一方面因信号噪声引起的A的随机波动保持为较小以及另一方面因温度变化或光纤移动而对光功率变化的响应充分快。适当求平均时间可在1 s与100 s(秒)之间的范围中。优选值在1 s至20 s的范围中。
[0077] 代替图2B中的高通滤波器HPF1，能够使用以额定电流频率为中心的带通滤波器。
[0078] 如上所述经由AC信号内容的归一化的优点能够概括如下：
[0079] • 该方法对具有DC偏移的AC电流也进行工作。
[0080] • QWR 144随温度的变化(α变化)不影响归一化。
[0081] • 因偏振分路器模块的其他双折射引起的相偏η(T)和κ(T)不影响归一化(只要它们充分小，优选地< 5°)。~
[0082] 图2A-2C中的方案的各种修改是可能的。例如，在图2A的方法中，加法器(+)的两个输入信号能够经过低通滤波，以便降低加法器输出中的噪声。
[0083] 通过某种修改，如上所述的补偿方法也能够适用于瞬变电流、例如电流脉冲的情况。比率A则通过在除法器(/)中除以两个高通滤波器HPF1(图2B)的瞬时(数字或模拟)输出来确定。HPF1截止频率适合预计电流上升和下降时间。优选地，归一化仅在电流高于所设置阈值时才是活动的，以便避免因信号噪声引起的错误归一化。低于阈值，可使用A的预设缺省值或者A的上一个有效值。
[0084] 图3中，描述用于补偿不同检测器通道之间的不对称性的基于DC的方法。
[0085] 在这里，DC信号内容S1,dc和S2,dc用来针对差分光学损耗来归一化信号。这种方法在瞬变电流、例如电流脉冲(其可在随机时间发生)的情况下是优选的，即，该方法可在没有AC信号部分可用于归一化时使用。条件在于，当dc会引入两个信号中的反相偏移(其会使归一化失真)时，也不存在显著幅值的连续dc电流流动。不可忽略相偏α(T)、η(T)和κ(T)将影响过程的精度。如果偏移之和通过无关测量来确定，则能够通过将信号S1、S2其中之一与适当校正因子相乘，来考虑偏移。
[0086] 作为将差除以图2A-2C中的信号之和(如所述，其缺点在于除法要求显著信号处理器能力)的备选方案，还有可能通过闭环反馈电路中的受控放大器将加法器(+)之后的总和信号保持在恒定电平。减法器(-)之后的差信号则与因子(1/b(t))相乘，其中b(t)是放大因子(其可随时间和温度而改变)，其将总和信号保持在恒定电平。
[0087] 上述方法的任一种最好地与温度补偿部件结合实现。能够经过温度受控环境和/或经过从至少一个检测器信号来提取温度来取得这种温度补偿，下面进一步描述其示例。
[0088] 作为替代或补充，能够使用如参考文献[3]中对于没有线性双折射或者没有低双折射的光纤线圈所述的方法。在这里，在如图1的示例所示的感测光纤131的开始的延迟器、例如光纤延迟器133的温度相关性用来补偿法拉第效应的温度相关性。代替等式(6)，信号则通过下式给出
[0089] (12) S = [cos ε(T)] Δφ。
[0090] 角ε是延迟器133与在参考温度、例如室温下的理想π/2延迟的适当选择偏差。项cos ε(T)在增加温度下按照在很大程度上平衡维尔德常数V随着项Δφ = 4NVI中的T而增加的方式而减小。
[0091] 该方法在具有不可忽略线性双折射的感测光纤的情况下的修改例如在参考文献[6]中对于按照参考文献[1]的干涉测定电流传感器的情况所述。
[0092] 但是，与应用将解谐延迟器用于补偿信号的温度感应偏移的上述方法其中之一或者其组合不同，该方法能够在AC测量的情况下扩展成包括用于确定无源元件、例如上述集成光学模块14的温度的另一方法。应当注意，这种方法能够适用于AC或瞬变被测对象的许多不同光学传感器，并且因而能够被认为是本发明的独立方面。下面进一步描述能够使用本发明的光学传感器的其他实施例。
[0093] 在AC或瞬变电流的情况下，QWR 144的温度能够优选地在通过如图4所示的AC信号内容对检测器信号的归一化之后从低通滤波传感器输出来提取，其还包括以上参照图2A已经描述的元件。传感器信号S通过下式给出
[0094] (13) S = K sin (Δφac + α(T))，
[0095] 其中Δφac是AC电流所产生的磁光相移。项η(T)和κ(T)假定为充分小，并且条纹对比度K假定为对两个通道相等。DC信号内容通过低通滤波(图4中的LPF2)作为下式来得到[0096] (14) Sdc = K sin (α(T))
[0097] 由于延迟器与90°的偏差通常较小，所以等式(14)近似表示为
[0098] (15) Sdc = K α(T)
[0099] 对此的要求能够是暗示来自潜在dc电流的相移与对LPF2信号求平均时间的α相比较小。
[0100] 如果集成光学模块和感测元件处于共同壳体中或者暴露于相同或相似环境条件，则Sdc也能够用作传感器头端13温度的量度，并且能够用来补偿传感器头端比例因子随温度的任何(剩余)变化。
[0101] 集成光学模块14的四分之一波延迟器QWR 144通常是石英小片。在零阶小片的情况下，延迟在1310 nm的波长对100℃的温度范围改变大约0.5°。对于温度测量，使用高阶延迟器能够是有利的，因为α随温度的变化与延迟器厚度成比例地增加。理想地，变化应当显著大于来自项η(T)和κ(T)的任何潜在份额。甚至对于不可忽略项η(T)和κ(T)，温度仍然能够从LPF2的输出来确定，只要信号随变化温度单调改变并且根据温度适当校准。
[0102] 由于正弦信号与相移特性，如等式(13)所表示的传感器信号的线性化能够包含在信号处理中。此外，偏置相移与90°的偏差、特别是温度对α的影响能够对这个线性化作为零点校正来考虑。具体来说，在AC或瞬变电流的情况下，如从Sdc(参见等式(14)和(15))所检索的α(T)能够包含在从信号S来确定AC相移Δφac(按照等式[13])中。
[0103] 通过例如在HVDC传输系统中或者在电化学过程(例如铝的电解冶炼)中对AC电流进行整流所生成的DC内容仍然常常包含AC线频率的谐波。因此，如上所述(图2A-2C)经由AC信号内容对检测通道中的不同损耗的补偿也可适用于测量这种DC内容。为此，再次使用图2A-2C的信号处理方案其中之一，但是没有最终高通滤波器HPF2。传感器输出S通过下式给出：
[0104] (16) S = K (Δφ + α(T) + η(T)) + κ(T))
[0105] 在这里，再次假定包含DC和AC内容的(磁光)相移Δφ远小于1，并且干涉对比度K对于两个通道是相同的。DC测量中的不定性则主要通过相位项α(T)、η(T)和κ(T)给出。通过如以下所述的温度稳定集成光学模块，相位项能够保持为稳定。其总和以及对比度K能够通过校准来确定。
[0106] 例如来自粘合剂的残余温度相关应力(其能够引起偏振分路器模块14中、具体来说是在延迟器处的不希望双折射)能够作为传感器精度的限制而保持。这种应力可经过干涉光波之间的偏振交叉耦合以及如在上式(7)、(8)中参阅的相位项η(T)和κ(T)来影响对比度项K1和K2。
[0107] 高压变电站中的传感器应用常常要求对于保护在<±1%之内以及对计量<±0.2%之内的精度。虽然上述量度通常对保护精度是充分的，但是它们对扩展温度范围的计量精度可能不充分。在高压变电站中，环境温度可例如在-40℃与55℃之间改变。但是传感器也可例如因通过电流的加热而遭遇甚至更严重的温度或温差。
[0108] 图5的示例示出按照图1的传感器的布置，其中基本上消除了集成光学偏振分路器模块14随温度对比例因子稳定性的影响。在示范配置中，传感器头端13位于独立电绝缘子17的高电位侧，即，绝缘子17和传感器头端表示相当于常规仪器电流变压器的独立装置。集成光学偏振分路器模块14定位在绝缘子17的地电位侧，并且通过偏振保持光纤链路132与光纤线圈131连接。链路132经过绝缘子17的空芯延伸。该布置保持绝缘子17的位置并且因此集成光学偏振分路器模块14与传感器131的光电子模块11之间的单模(或者多模)光纤链路的优点。PM光纤链路132仅通过从地到高压电位的距离延伸。
[0109] 通过集成光学模块14与线圈131分路并且位于地电位，能够稳定其温度，而无需针对高压影响的保护。优选地，集成光学模块14的温度保持在与最高操作温度对应或附近的温度。例如，如果最大操作温度(最大环境温度)为65℃，则集成光学模块14能够在65℃与-40℃之间的环境温度下保持在65℃与45℃之间的范围中。因此，温度控制仅要求加热的提供而不要求冷却的提供。
[0110] 集成光学模块14可放置在如所示的热绝缘封装或壳体18中。在最简单情况下，通过自调节加热箔电阻器181来稳定温度。电阻器材料具有强正热系数，并且充当“热二极管”。因此，在给定电压(例如24 V)下的热功率在低温下较高，随着增加温度逐渐降低，并且在可设计阈值、例如65℃接近零。在这种实现中不需要调节电子电路。备选地，可通过具有电子器件所控制的电流的一个或若干加热电阻器(未示出)来稳定温度。
[0111] 在另一示范布置中，集成光学模块14的温度能够通过热电冷却器/加热器(其能够保持任意恒温、例如25℃)来控制。
[0112] 绝缘子17是空芯绝缘子，其由空心纤维增强环氧树脂管来组成。外表面上的硅裙（silicone shed）提供高电压与地之间的充分爬电距离，以便例如在被雨水或污垢污染的情况下防止飞弧。PM光纤132例如通过包括其中包含光纤的内凝胶填充管的光纤电缆来保护。凝胶填充防止过度光纤应力，并且因而防止两个正交偏振模式之间例如因差分热膨胀引起的不希望的偏振交叉耦合。
[0113] 绝缘子孔填充有软绝缘材料172、例如硅酮，其提供充分介电强度。硅酮包含填充剂材料，其具有充分可压缩性，并且适应硅酮的任何热膨胀。填充剂例如能够由微米大小的小珠(其由软材料或者由小液泡或气泡所制成)来组成。气泡可包含六氟化硫(SF6)气体或者备选的介电绝缘流体混合物或气体混合物，其中包括有机氟化合物、例如从由下列项所组成的组中选取的有机氟化合物：氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮、氟烯烃以及它们的混合物和/或分解产物。介电绝缘介质还能够包括与有机氟化合物不同的背景气体，并且在实施例中能够从由下列项所组成的组中选取：空气、N2、O2、CO2、惰性气体、H2；NO2、NO、N2O；碳氟化合物以及具体来说是全氟化碳，例如CF4；CF3I、SF6；及其混合物。
[0114] 备选地，绝缘子17能够填充有聚氨酯泡沫和/或包含绝缘气体(例如氮(N2)或六氟化硫(SF6))或者备选的介电绝缘气体混合物，其中包括有机氟化合物、例如从由下列项所组成的组中选取的有机氟化合物：氟代醚、环氧乙烷、氟代胺、氟酮、氟烯烃以及它们的混合物和/或分解产物。介电绝缘气体还能够包括与有机氟化合物不同的背景气体，并且在实施例中能够从由下列项所组成的组中选取：空气、N2、O2、CO2、惰性气体、H2；NO2、NO、N2O；碳氟化合物以及具体来说是全氟化碳，例如CF4；CF3I、SF6；及其混合物。气体能够处于大气压力或升高压力下，以增强其介电强度。
[0115] 在另一个示例中，绝缘子能够包括纤维增强环氧树脂的固体内杆，其中PM光纤在沿绝缘子杆的外表面的螺旋路径的毛细管内部延伸，如参考文献[8]所公开。
[0116] 包含集成光学模块14的温度稳定壳体18能够例如安装在外部壳体182(其如所示附连到绝缘子法兰171)中。外部壳体182保护集成光学模块14的光纤引线，并且配备有用于传感器光电子模块11与HV绝缘子17之间的光纤电缆101的光纤连接器102。此外，外部壳体182充当集成光学模块14的遮阳板和机械保护。连接器屏蔽103保护连接器102，并且具有用于光纤电缆101的应变消除104的提供。
[0117] 图5中，光纤箔壳体或传感器头端13水平地安装在用于电力线电缆15的端子板151之间。绝缘层152防止电流在光纤线圈131外部通过。在备选布置(未示出)中，光纤线圈能够在垂直位置安装于绝缘子顶部，其中电流沿水平方向通过线圈。
[0118] 不是将光纤线圈壳体或传感器头端13安装在独立绝缘子17上，壳体而是能够附连到高压断路器的端子。在这种情况下，到地的偏振保持光纤链路可设计为柔性高压光纤，其配备有裙以增强爬电距离。温度受控分路器则能够安装在断路器驱动柜中或者附近的独立外壳中。
[0119] 作为另一个备选方案，光纤线圈壳体或传感器头端13还能够安装在断路器内部的断路器支承绝缘子顶部，如参考文献[9]中所述。在这里，PM光纤链路经过支承绝缘子的气体容积(其中具有如以上所公开的任何介电绝缘介质)延伸到地，并且经过气密光纤馈通离开支承绝缘子。温度受控模块14再次能够安装在断路器驱动柜中或者附近的独立外壳中。在参考文献[10]中公开了将光纤线圈壳体或传感器头端13安装在高压断路器中的其他备选方案。
[0120] 在又一些应用中，电流可对地电位来测量，其中传感器布置等效于先前对气体绝缘高压开关设备(GIS)(参见例如参考文献[11]以获得其他细节)、发电机断路器(参见例如参考文献[12]以获得其他细节)或HVDC转换器站的套管(参见例如参考文献[13]以获得其他细节)所公开的布置。在这类应用中，按照本发明的上述示例的光纤线圈131和温度受控集成光学模块14能够安装于地电位。在这类应用中，不需要两个组件之间的PM光纤链路的特定高压绝缘。
[0121] 使光纤线圈131和集成光学模块14分路并且使后者温度稳定的效果在图6A和图6B的比较中示出，其对于光纤线圈131和模块14均暴露于相同温度(图6A)和模块14按照本文所提出方法经过温度稳定的情况示出比例因子变化与传感器头端温度。另外，光纤线圈131通过光纤延迟器133来温度补偿(如参照等式(12)详细描述)。-40与85℃之间的剩余比例因子变化从大约0.5%减小到±0.1%，并且因而满足计量的一般要求(±0.2%)。
[0122] 如所述，用于归一化和温度稳定化的上述方法的任一种能够适用于不同类型的光学传感器，其能够与结合图1和图5所述的传感器相似或不同。下面描述具有无源元件以引入两个检测器通道之间的静态偏置光学相移的其他可能的光学传感器配置的示例。应当注意，所述示例只是代表性的，而上述方法的应用并不局限于这些。
[0123] 在图7A所给出的光纤电流传感器的示例中，引入静态偏置光学相移的元件是法拉第旋转器，具体来说是位于感测光纤131的末端的法拉第旋转反射镜144'。法拉第旋转器的一般温度相关单通旋转角β(T)经由90° + α(T) = 4 β(T)与等式(7)、(8)中的量α(T)相关，即，最佳灵敏度通过在参考温度T0、例如室温下将β(T0)设置成±22.5°来取得。将相移转换成两个输出通道142、143中的相反相位的光功率变化通过偏振分束器16来取得。在偏振分束器16处的应力和未对齐能够产生与1偏差的等式(7)和(8)中的量K1(T)、K2(T)以及与零偏差的等式(7)和(8)中的量η(T)和κ(T)。
[0124] 存在关于能够如何操作图7A所示传感器的两种选项。在第一选项中，两个正交线偏振状态经过PM光纤132发送给感测光纤131，并且通过光纤延迟器133在到光纤感测光纤131的入口处转换成左和右圆形光波。在第二选项中，只有一个在偏振分路器所生成的线偏振状态经过PM光纤132来发送并且进一步(没有转换为圆偏振)发送到感测光纤131中。电流信号能够按照与图1的先前传感器实施例中相同的方式从所检测光功率来检索，其中两个检测器通道142、143通过如来自感测光纤131的光经过分束器16时生成的两个信号来形成。
如本发明所述的元件16和144'的温度稳定化改进传感器信号的温度稳定性。
如本发明所述的元件16和144'的温度稳定化改进传感器信号的温度稳定性。
[0125] 下面描述具有无源光学元件并且还具有按照等式(7)的传感器特性的光纤电流传感器的第三示例。
[0126] 这个透射类型传感器配置在图7B中示意示出。线偏振器141生成线偏振光，其被注入感测光纤131(在这个示例中，PM光纤引出线132-1的主轴与偏振器取向平行)。感测光纤131中的磁光相移随着光偏振的旋转而变得明显。经过无源元件144的相位偏置在这里通过偏振分束器16以与第一线偏振器141的轴(偏振分束器16的PM光纤引出线132-2的轴也相对第一偏振器141的轴成±45°来定向)成±45°的取向来取得，其也在入局光中分为两个正交线偏振状态。两个通道142、143中的所检测光功率再次通过等式(7) (8)来描述，其中Δϕ比先前示例要小1/2，因为仅通过感测线圈131一次。由于线偏振器141、偏振束或者其相对角取向的不完善，等式(7)和(8)中的量K1(T)、K2(T)能够与1偏差，以及量α(T)、η(T)和κ(T)能够与0偏差。如本发明所述的元件16的温度稳定化改进传感器信号的温度稳定性。
[0127] 如已经所述，本发明的精度增强的应用并不局限于如图1、图5和图7A-7B的示例中所述的光纤电流传感器，因为本发明的各个方面也能够适用于依靠光学相移的测量的其他传感器。
[0128] 为了进一步说明，图8示出上述方法能够适用的光学电压传感器。
[0129] 采用有源相位调制的对应配置的一般布置和组件例如在参考文献[16]中更详细描述(又参见参考文献[17]、[18])。检测系统在很大程度上包括与如以上参照图1所述采用集成光学偏振分路器模块14的光纤电流传感器的第一示例相同的组件。但是，感测线圈131(光纤延迟器、感测光纤、光纤尖头反射器)通过由反射器135端接在远端以及由45°法拉第旋转器133'端接在近端的光电元件134来取代。反射器135能够使用例如反射镜、反射涂层、反射棱镜或角立方反射器来实现。
[0130] 如图8所示，待测量电压对光电元件134的长度来施加。光电元件134能够是杆状光电Bi3Ge4O12 (BGO)晶体134。代替块状光电晶体，可使用光电光纤134，例如参考文献[19]所述的结晶光纤134或者如参考文献[20]所述的电极化光纤134。在光电元件近端的法拉第偏振旋转器133'在从PM光纤132所发出的两个正交光波进入光电晶体之前将它们旋转45°。在旋转器133’之后的偏振方向与晶体134的光电轴重合。光在晶体134的远端通过反射器
135来反射。两个正交光波遇到晶体134中与所施加电压成比例的微分光电相移。法拉第旋转器133’将返回光波旋转另一个45°，使得总往返偏振旋转对应于90°。(需要偏振旋转，使得PM光纤132中的正交偏振状态的往返编组延迟为零，并且两个波在偏振器141、145进行干涉时再次是相干的。
135来反射。两个正交光波遇到晶体134中与所施加电压成比例的微分光电相移。法拉第旋转器133’将返回光波旋转另一个45°，使得总往返偏振旋转对应于90°。(需要偏振旋转，使得PM光纤132中的正交偏振状态的往返编组延迟为零，并且两个波在偏振器141、145进行干涉时再次是相干的。
[0131] 光电相移类似地提取到图1的光纤电流传感器的磁光相移。为了从两个光电检测器通道142、143中的光功率测量来检索信号，如更详细论述和上述示例的本发明的精度增强方面能够如同光纤电流传感器的情况一样来应用。具体来说，集成光学偏振分路器模块14的温度稳定化与光纤电流传感器的情况类似地增加信号稳定性。注意，代替如图8所示的光电感测元件134，也可使用如参考文献16所述的电压感测元件的其他设计。
[0132] 本发明的各个方面能够类似地基于材料、例如石英中的压电效应来适用于光学电压传感器。(一个或多个)石英元件在所施加电压存在的情况下拉紧附连的PM感测光纤，并且因此再次引入感测光纤的正交偏振状态之间的电压相关相移(参见参考文献[16]、[7]以获得更多细节)。PM感测光纤也可类似地充当另一源的应变或力的传感器。
[0134] 具体来说，对上述示例的有利变更如下：
[0135] • 优选地，分路器/组合器140的波导通过电场辅助离子交换(其引起可忽略双折射)来产生。
[0136] • 优选地，分路器/组合器140的端面经过角度抛光(例如与光的传播方向成8°)，以便使背向反射为最小。
[0137] • 集成光学模块14的四分之一波延迟器OWR 114的快和慢轴可与pm光纤的快和慢轴成45°(而不是平行或正交对齐)来定向。如果干涉光波的微分相位发生变化，则延迟器之后的光则始终采用旋转的偏振来线偏振。如果两个检测器通道中的偏振器分别与pm光纤的快和慢轴平行地对齐、即相对上述配置旋转45°，则如上所述的检测器信号保持不变。注意，在这种情况下，偏振器P1 141能够不再是源光和第一检测器通道142共同的，因为两个偏振方向这时相差45°。
[0138] • 代替分路器/组合器140，块状光学分路器而是可与四分之一波延迟器144和与其附连的偏振器141、145配合使用。
[0139] • 光纤线圈壳体13、偏振保持光纤电缆132和光学模块壳体181可为了冗余度而分别包含两个或更多光纤线圈、光纤和分路器。
[0141] • 如图2、图3和图4所示的信号处理方案能够实现为全数字电路、模拟电路或者混合模拟/数字电路。
[0142] • 对于AC或瞬变被测对象场的温度稳定，有可能只使用一个检测通道来得出集成光学模块处的温度的量度。
[0143] • 应当注意，所述偏振分路器模块的延迟器144和隔离片146也能够互换，使得相位偏置在感测元件131之前来引入。
[0144] • 对于按照本发明的光学磁场传感器或电流传感器，感测元件能够包括光纤或波导，其中包括专业低双折射光纤、燧石玻璃光纤或自旋高双折射光纤、块状磁光材料(例如钇铁石榴石晶体或熔融石英玻璃块或者附连到磁致伸缩元件的光纤、波导或块状光学材料或者其组合。
[0145] • 在引入光学偏置相移的元件的温度稳定化的情况下，大体上，一个检测通道可对AC或瞬变电流测量是充分的。传感器信号则通过将AC或瞬变检测器信号分量除以DC信号分量来确定。
[0146] 参考文献
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Integrating supergrids and microgrids, Bologna, Italy 13-15 September 2011.[0152] [6] R. Wüest, A. Frank, K. Bohnert, ”Temperature compensated fiber-optic current or magnetic field sensor with insensitivity to variation in sensor paramters”, EP 2 306 212 A1.
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[0166] [20] US 2011/0050207 A1.
[0167] [21] US 5,715,058.
[0168] 参考标号列表
[0169] 传感器 10
[0170] 光电子模块 11
[0171] 光源 111
[0172] 检测器 12-1、12-2
[0173] 信号处理单元 113
[0174] 传感器头端 13
[0175] 感测元件 131
[0176] 光纤 101
[0177] 光纤连接器 102
[0178] 集成光学偏振分路器模块 14
[0179] 1×3分路器/组合器 140
[0180] 偏振器 141
[0181] PM光纤 132
[0182] 四分之一波(光纤)延迟器 133
[0183] 法拉第旋转器 133'
[0184] 反射器 135
[0185] 光学检测通道 142、143
[0186] 四分之一波延迟器板(QWR) 144
[0187] 法拉第旋转反射镜 144'
[0188] 偏振器 145
[0189] 隔离片 146：
[0190] 快速傅立叶变换单元 FFT
[0191] 低通滤波器(n) LFP(n)
[0192] 高通滤波器(n) HFP(n)
[0193] 加法器 +
[0194] 减法器 -
[0195] 除法器 /
[0196] 整流器 R
[0197] 幅度比 A
[0198] 偏振分束器 16
[0199] 光电元件 134
[0200] 导体 15
[0201] 端子板 151
[0202] 绝缘层 152
[0203] 电绝缘子 17
[0204] 绝缘子法兰 171
[0205] 绝缘介质 172
[0206] 热绝缘壳体 18
[0207] 加热箔电阻器 181
[0208] 外部壳体 182
[0209] 连接器屏蔽 103
[0210] 应变消除 104。
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