CN102667502A - 使用具有能更换的子模块的传感器的光纤电流传感 - Google Patents

Abstract

光纤电流传感器包括：测量单元（1），其包括光源（3）和光检测器（7），以及传感头（2），该传感头（2）包括缠绕导体（12）的传感光纤（11）和连接到该传感光纤（11）的延迟器（10）。光纤电流传感器的作为电流的函数的标度因子由分别对于测量单元（1）和传感头（2）的两个标度函数f_e’和f_s’的乘积来描述。描述标度函数f_e’、f_s’的数据存储在测量单元（1）的存储器（22）中，而描述标度函数f_s’的数据也存储在传感头（2）的存储器（23）中。假设两个这样的存储器装置（22，23）允许单独地存储标度函数f_e’和f_s’，由此使控制单元以及传感器头变成能容易更换的模块（1，2）。

Description

使用具有能更换的子模块的传感器的光纤电流传感

技术领域

本发明涉及用于操作光纤电流传感器的方法以及涉及用于实施该方法的光纤电流传感器。

背景技术

光纤电流传感器已经在参考文献1至7中描述。典型地，这样的传感器由传感器头、光电测量单元和二者之间的光纤缆组成。该传感器头包括缠绕导体（其电流I是要测量的）的传感光纤和连接到该传感光纤的光学延迟器。该光学延迟器引起近似90°的差分相移，由此在连接光纤中的线偏振光和传感光纤中的圆偏振光之间转换。电流I的磁场在传感光纤中传播的左和右圆偏振光波之间引入相移。光电测量单元包含光源和光检测器以及信号处理器。来自光源的光通过连接光纤被发送到传感器头。从传感器头返回的光由光检测器处理和测量，并且由此获得信号S。信号处理器从信号S计算电流。

典型地，该计算需要知晓电流传感器的校准数据以便解释传感器的响应和非线性。

该类型的传感器通常在例如输电和配电网的变电站等高压环境中使用，并且传感器头安装在高压电势处。例如，它可置于独立的电绝缘体柱的顶部上或集成在例如断路器等其他高压设备中。光电测量单元置于地电势处，例如，在断路器附近的户外机柜中或变电站控制室中。

发明内容

本发明的问题是要提供上文提到的用于通过光电电流传感器测量电流以及允许简单维护传感器的该类型的方法。

该问题由权利要求1的方法解决。因此，导体中的电流I根据                                               从信号S计算：

其中，

f_e’是所述测量单元的标度函数，其取决于测量的信号S（或，等同地，电流I），

f_s’是所述传感器头的标度函数，其取决于测量的信号S（或，等同地，电流I），

g是常数，其与信号S无关。

此外，f_e’(S)和/或f_s’(S)可分别受到测量单元和传感器头的温度T_e和T_s的影响。

也就是说，本发明基于电流传感器的标度函数可以描述为测量单元的标度函数和传感器头的标度函数的乘积这一认识。因此，更换测量单元或传感器头而不重新校准传感器可变得可能，只要被替换的部分符合其标度函数f_e’或f_s’的描述即可。

根据本发明的方案允许独立于传感器头标度函数f_s’而确定测量单元标度函数f_e’。

一般，名义上相同的传感器可由于传感器部件的缺陷和制造公差而在它们的响应方面有一定程度的不同。然而，在理论和实验上已经发现，这样的缺陷的影响基本上在π磁光相移（和对应的电流）处消失。传感器的标度函数中的该点从而可有利地起到校准的绝对参考的作用。此外，已经观察到，缺陷特别在小的磁光相移（电流）处降低了干涉条纹对比度并且普遍提高了该状态中的传感器标度因子。标度因子提高可以因此有利地从测量条纹对比度来获得。利用以该方式给出的标度函数的下和上范围中的两个点，可以从理论模型获得整个函数。它的过程和修改可应用于测量单元和传感器头的分别校准。

本发明还涉及用于实施上文的方法的光纤电流传感器。该传感器包括：

传感器头，其具有缠绕导体的传感光纤和连接到该传感光纤的延迟器，

测量单元，其包括光源和光检测器，以及

保偏光纤，其使传感器头连接到测量单元。

此外，传感器包括：归属于测量单元的第一存储器，用于存储描述测量单元标度函数f_e’的数据以及描述传感器头标度函数f_s’的数据；和归属于传感器头的第二存储器，用于存储描述传感器头标度函数f_s’的数据。

假设两个这样的存储器装置允许分别存储标度函数f_e’和f_s’，由此将控制单元以及传感器头变成能容易更换的模块。

附图说明

当考虑本发明的下列详细说明时，本发明将更好被理解并且除上文阐述的目的外的目的将变得明显。这样的说明参照附图，其中：

图1示出传感器的第一实施例，

图2示出传感器的第二实施例，

图3示出传感器的第三实施例，

图4示出在三个不同的温度T_e处f_e vs.项

的示范性图示，

图5示出在恒定温度但是对于三个不同的传感器的f_e，

图6示出归一化干涉强度vs.相移

，

图7示出传感光纤的轴线和延迟器的轴线之间的角度，

图8示出对于三个延迟器的函数f_s vs.项

，以及

图9示出对于ε＝0°、7°、13°以及不同的延迟器取向β的函数f_s vs.

。

具体实施方式

1.传感器配置

传感器的配置已经在参考文献1-7中描述。有利的传感器形式在图1中示出。它包括测量单元1和传感器头2。

测量单元1包括光源3和y型集成光学相位调制器4。90°接头5设置在相位调制器4的输出中的一个处，在这之后光波在保偏光纤耦合器6中重组。从传感器头2回来的光也经过相位调制器4并且到达光检测器7。信号处理器8用于处理来自光电二极管7的信号并且控制相位调制器4的操作。

传感器头2包括延迟器10和传感光纤11的一个或多个环。传感光纤11缠绕电流导体12，其承载要测量的电流I。反射器13设置在传感光纤11的末端。

保偏光纤15连接传感器头2和测量单元1。在保偏光纤15一端，保偏光纤15例如经由光纤连接器16连接到耦合器6。在保偏光纤15另一端，保偏光纤15连接到延迟器10。

另一个某种程度上简化的有利形式在图2中示出。这里，图1的y型集成光学相位调制器和保偏光纤耦合器的组合由集成光学双折射调制器18（例如LiNbO₃差分相位调制器）替换，集成光学双折射调制器18在这里起到对具有正交偏振方向的光波的非互补相位调制器的作用。光源3优选地是宽带源，例如超发光二极管（SLED），其光在光纤Lyot消偏器（未示出）中退偏。在图2的示例中，光被发送通过光纤耦合器19，并且然后在光纤偏振器20中偏振。偏振光耦合进入相位调制器18的保偏（pm）光纤辫线，采用的方式是辫线的两个正交偏振模（具有沿快和慢光纤轴线的偏振方向）被激励了大约相同的幅度。为了该目的，来自光纤偏振器的光的偏振方向取向为关于辫线光纤的双折射轴线的45°。辫线轴线进而与调制器的电光轴线平行取向。两个正交的光波通过保偏光纤15从调制器移动到传感光纤。传感光纤11中的一个或若干个环包围电流导体12。正交线偏振通过充当四分之一波延迟器10的短保偏光纤段（优选地，椭圆芯光纤）在传感光纤11的近端转换成左和右圆偏振。在光纤线圈的远端，圆形光波由反射器13反射并且以调换的偏振第二次经过线圈。四分之一波延迟器10将返回的圆形波转换回至正交线性波。与向前移动的线性波相比，向后移动的线性波的偏振方向也互换。电流I的磁场在左和右圆偏振光波之间产生与电流I成比例的差分相移Δφ。如在参考文献1、4中论述的，传感光纤11中的光波可用限定的椭圆偏振态代替圆偏振来准备以便补偿法拉第效应的温度依赖性。这在图1的实施例中也是真实的。

返回的线偏振波再次经过调制器18并且然后在光纤偏振器20处被带入干涉。干涉信号在光检测器7处被检测。包括调制器的闭环检测电路通过从光纤陀螺仪已知的技术[9，10]恢复电流引起的相移。测量单元和传感器头之间的光纤15配备有保偏光纤连接器16。连接器16简化了传感器的安装并且在万一应需要更换两个部件中的一个的情况下允许测量单元1与传感器头2分开。光纤连接器的备选是光纤接头。

传感光纤11可以是标准的单模光纤或用特定低固有线性双折射（低双折射光纤）生产的单模光纤。优选地，裸光纤存在于熔融石英的薄毛细管中以便避免由涂覆或封装造成的光纤应力[1，3，7]。这样的应力可能扰乱光波的法拉第敏感性（圆或椭圆）偏振并且使传感器的性能劣化。可使光纤线圈热退火以便去除弯曲引起的线性光纤双折射，或它可以是未退火的光纤。在后一种情况下，可如在下文进一步描述的那样考虑弯曲引起的双折射。作为另外的备选，传感光纤可以是高双折射纺线光纤[13]。这里，弯曲引起的线性双折射通过嵌入光纤内的适量的圆形双折射而被有效地抑制。

优选地，调制器18是具有由钛扩散进入铌酸锂衬底中而产生的波导的铌酸锂调制器[11]。在波长操作范围内，波导支持基本空间模（TE和TM模）的正交偏振模。优选地，衬底是x切或z切（分别垂直于衬底的平面的x轴或z轴）。光在y方向传播。优选地，偏振器20（45°接头）和调制器18之间的光纤辫线被选择成具有足以使两个正交偏振在接近调制器的光纤末端不相干的长度。在该光纤末端的偏振交叉耦合（例如由于固定光纤引起的应力）然后将不扰乱到达检测器的光波的干涉。此外，由于相似的原因，保偏光纤的快和慢轴线分别与调制器18的快和慢轴线平行地取向。

可使用开环检测来代替闭环检测。在开环检测的情况下，其中光纤卷绕在其圆周表面上的压电陶瓷盘或管可用作调制器[1，5]。

图3示出相同类型但具有用公共测量单元1操作的三个传感器头2（即具有公共光源3和公共信号处理单元8）的传感器。这里，来自公共光源3的光通过1×3光纤耦合器21分布到三个通道上。优选地，随后的2×1光纤耦合器19是不对称的耦合器，例如具有0.8:0.2而不是0.5:0.5的耦合比。因此，从传感器头2反射回至源的光功率减少，这里减少至(0.2×0.2)/(0.5×0.5) = 1/6.25倍。光源3从而不太容易受到回反射光功率的干扰。

2.常规的校准

对于根据图1-3的理想的传感器，电流引起的光学相移由[1]给出：

                            （1）

这里，V是传感光纤的Verdet 常数，N是导体周围的传感光纤环的数量，并且I是通过导体的电流。在公式（1）中，特别假定传感光纤没有任何双折射并且延迟器是完美的四分之一波延迟器。

然而，在实际传感器中，存在必须考虑的若干另外的问题。

一个问题是，Verdet 常数V取决于光源3的波长λ（近似与1/λ²成比例）和温度

。

在参考文献4中，已经公开了方法，其中适当准备的延迟器的温度依赖性用于固有地补偿Verdet常数的温度依赖性。

此外，存在若干可导致偏离公式（1）的简单关系的原因，参见参考文献3。因此在给定电流的名义上相同的传感器的原始信号可在某些余地内不同。这些偏离的来源包括：

●传感光纤线圈的缺陷，例如

-弯曲引起的和/或固有的光纤双折射，

-不完美的整数环数N

●法拉第效应的温度补偿

-根据参考文献1、4的温度补偿与从90°偏离ε量的延迟器一起作用。ε的特征值取决于延迟器光纤的特性并且在传感光纤中不可忽略的弯曲引起的双折射相位延迟δ情况下取决于δ的量以及关于光纤线圈的平面的延迟器轴线β的取向。非90°延迟器导致标度因子的变化，其取决于ε、δ和β，并且从而取决于延迟器光纤特性和线圈参数，并且因此对于不同的传感器线圈可以不同[3]；

●影响标度因子的其他延迟器相关的效应：

-由于制造公差而引起延迟偏离目标

-延迟器的双折射轴线与连接光纤的轴线之间的角度偏离完美的45°角

-延迟器轴线关于线圈法向（（残余）弯曲引起的光纤双折射的轴线）的取向的公差[3]；

●调制器的缺陷

-调制器内的正交光波之间的偏振交叉耦合（在光纤辫线和光纤接头处）；

-调制器缺陷可作为温度的函数而变化；

●不完美的光纤偏振器

这些缺陷影响传感器的标度因子并且在信号vs.电流关系中引入非线性。此外，例如双折射和偏振交叉耦合等缺陷通常随温度而变化并且从而可对传感器的温度依赖性有贡献。

测量单元1将电流引起的相移Δφ转换成电信号（数字字或模拟电流或电压）。通过将一系列已知电流发送通过传感器头并且作为电流I的函数S=F（I）来测量信号S而采用一次电流I（安培）的单位常规地校准该原始信号S。校准过程通常还包括对于测量单元1和传感器头2的温度循环以便考虑温度影响或证实适当的温度补偿。

过程导致一组校准系数，其输入（归一化的）标度函数f_c。函数f_c根据以下来将检测的差分磁光相移Δφ与一次电流I相关：

Δφ=

                  （2）

Δφ=

                 （3）

函数f_c考虑了上文提到的缺陷、非线性和温度依赖性中的任何（如存在的话）。在下文进一步考虑Verdet常数的波长依赖性。标准波长

暂时假定为

。一般，f_c是电流I或（等同地）信号S、传感器头温度T_s和测量单元温度T_e的函数。此外，f_c还可随着温度而以某种程度变化。为了该描述目的，波长的所有效应包括在公共校正项内（参见下文）。对于理想的传感器（无缺陷），函数f_c (I, T_s, T_e)在所有条件下等于一。

信号S = F(I)由以下给出：

                                      （4）

                 （5）

因子是常数，其在例如数字电子器件的情况下从弧度方面设置最低有效位和光学相移之间的固定关系。

公式（5）可重写为

                        （6）

其中

                                （7）

为了补偿温度效应，传感器可配备有一个或若干个温度传感器，其测量T_e和/或T_s。

作为传感器信号S的函数的电流I由I = F^-1(S)给出，其中F^-1(S)是函数F(I)的反函数。

电流I可写为

                    （8）

其中f_c’(S, T_s, T_e)是用于将信号S转换成电流I的标度函数。

通常f_c 和f_c’与一的偏离是小的，即。因此，可通过用比例代替公式（2）中的项

并且对f_c求反而很近似地从f_c获得f_c’：

           （9）

对于传感器从整体上进行常规的校准过程，即未单独校准传感器头2和测量单元1。因为提到的缺陷从装置到装置互不相同，例如在部件失效而没有使原始校准的准确度松动到某一程度的情况下更换测量单元或传感器头，这通常是不可能的。因此，该领域中的部件失效可因为现场重新校准常常可能是不可能的而需要更换整个传感器。然而，因为传感器头可集成在例如开关设备等其他高压设备中，整个传感器的更换可能是棘手的。因此，传感器的完全更换可需要设备的关闭以及扩展的服务中断。

特别地，如果可能更换测量单元而不失传感器准确度，可以避免这样的中断（测量单元被认为是比传感器头更易于失效，后者仅由无源部件组成）。

因此本发明的目的是公开程序，其允许单独校准测量单元和传感器头并且使其可能在该领域内更换任一部件而不需要重新校准传感器。

3.测量单元和传感器头的单独校准

测量单元1测量相移Δφ并且将其转换成数字量。通过适当的信号处理，以弧度为单位固有地校准数字信号。例如，上文考虑的闭环信号处理电路向调制器施加相位斜坡，其瞬时斜率与瞬时相移Δφ和电流成比例。在恒定dc施加到光纤线圈的情况下，斜坡电压随着时间而线性增加直到其达到上限。控制回路然后将电压重置了相当于2π的相移Δφ的量（即工作点移到相邻的干涉条纹）。这里，利用了作为Δφ的函数的干涉信号具有2π周期这一事实。2π重置所需要的电压阶跃代表从弧度方面的电压校准并且从而限定了因子k。详细地参见参考文献10。最后，通过将已知电流发送通过传感器头而以电流单位（安培）校准电压。

在开环信号处理的情况下，相位校准可从在检测器处看到的调制频率的前两个或四个谐波获得。

根据新的校准程序，公式2-6中的函数f_c分别由对于测量单元和传感器头的单独的标度函数的乘积f_c = f_e·f_s替换。相似地，公式8、9中的函数f_c’由f_c’ = f_e’·f_s’替换。公式8然后读成

           （10）

如在下面描述的，可以互相独立地确定函数f_e、f_s (f_e’, f_s’)。

3.1 测量单元的校准

在下面，描述用于校准测量单元（即用于确定函数f_e、f_e’）的许多不同的方法。

（a）从信号vs.电流测量获得的校准

图4示出对于测量单元1的各种温度T_e的f_e vs.项的示范性图示。函数f_e可由于上文提到的原因而取决于温度。图5示出在恒定温度但对于不同的测量单元的f_e。相似地，缺陷程度从单元到单元的变化可使f_e如图示的那样不同。在通向本发明的工作中，已经在理论上发现并且在实验上证实缺陷的影响很大程度上在电流引起的相移

等于π的倍数处消失，即在π的倍数，函数f_e基本上等于一，其与T_e和个体传感器之间的变化无关。原因是在这样的相移处被带入干涉（图1、2）的两个正交的光波和由缺陷（例如偏振交叉耦合）产生的寄生波互相叠加，其方式是合成类似于理想传感器的两个波。因此，π（或π的倍数）处的信号可以起到绝对参考的作用。（这里，要求是传感光纤11的双折射足够小；参见下面进一步对不可忽略的双折射的情况的解释）。

为了校准的目的，测量单元1连接到参考传感头，其具有已知的传感器头标度函数f_s或f_s’。有利地，参考传感头在f_s = 1（在感兴趣的准确度内）（其独立于电流I）的意义上是理想的。参考传感头的线圈保持在恒定温度（参考温度T_o，即V = V(λ, T_o）。理想线圈没有任何线性双折射并且具有完美的四分之一波延迟器，即

。具有不可忽略的小的双折射的线圈可用具有固有低双折射和足够大的环直径（例如1.5m）的单环光纤实现。在该直径处，弯曲引起的光纤应力和双折射可视为可忽略的。假定1.5m的环直径、80μm的光纤直径以及1310nm的波长，双折射相位延迟仅是大约0.6°。优选地，如在参考文献3、7中描述的那样准备和封装光纤以便避免封装相关的应力。在一个光纤环的情况下，在1310nm产生π光学相移需要大约750kA的电流。这可例如通过在缠绕光纤的5百万个导体环中的150A电流来实现。

光纤延迟器优选地是短的双折射椭圆芯光纤段。与具有应力引起的双折射的光纤相比之下，该类型的延迟器的延迟具有相对小的温度依赖性。可通过在参考文献1、4、12中描述的微调程序从初始较大的起始值（例如95°）接近期望的90°延迟。确定何时已经达到90°延迟的措施如下：在每个微调步骤后，延迟器温度例如在-20℃和100℃之间变化，并且测量在给定电流对传感器信号产生的影响。热电冷却器/加热器可用于温度控制。选择电流使得

≤π，因为如果

接近零则信号对延迟器从90°的偏离的灵敏度是最大的。当延迟器温度对传感器信号的影响最低时，相位延迟在90°。这是由于传感器标度因子与ε²近似成比例而变化这一事实造成的，其中ε是延迟器从90°的偏离（参考文献1、4）。对于采用该方式准备的光纤线圈，从完美的信号线性的偏离充分地低于0.1%。可用于延迟器调谐的另一个准则是信号（标度因子）在90°延迟处达到最小这一事实。明显地，如果延迟器制造充分好地处于控制中，额外的微调可避免并且延迟器可直接制造成具有期望的90°延迟。

测量单元的校准牵涉在选择的温度T_e作为电流I（或）的函数的传感器信号S的测量。测量产生想要的项g·f_e(I, T_e) = S/I 和(1/g)·f_e’(S, T_e) = I/S（假定f_s = 1）。在参数g已知的情况下，标度函数f_e(

,T_e)和f_e’(S, T_e)则也是已知的。注意：对于校准，确定乘积g·f_e，(1/g)·f_e’是足够的，即不需要明确地知晓g。

采用简单的方法，可以对于多个电流值I（或，等同地，对于多个信号值S）和温度T_e确定标度函数f_e(I, T_e)（或等同地，f_e’(S, T_e)）的值并且得到的值可存储在查找表中。该查找表然后用于从测量的信号S和温度T_e计算电流I。

通常，并且与用于确定函数f_e、f_e’的任何方法结合，在第一步骤中测量在单个给定温度T_o（例如室温）信号S vs.电流I并且在第二步骤中测量在选择的（给定的）的电流Io（例如在额定电流）S vs.温度T_e，这可以是足够的。从而由两个函数的乘积估算函数f_e(I, T_e)：

（11）

同样，用于将信号S转换成电流I的函数

由以下给出：

（12）

然后从原始信号S计算电流I如下：

（13）

函数f_e’(S, T_o)可表示为如下的多项式：

（14）

同样，f_e’(S_o, T_e)可由如下的多项式表示：

（15）

备选地，函数f_e’(S, T_o)和f_e’(S_o, T_e)可再次存储在查找表中。

作为另外的备选，函数还可由样条曲线表示。

根据温度效应的幅度、需要的操作温度范围和需要的准确度，可足以确定仅在单一温度（通常是室温）的f_e vs.电流I。

如上文指出的，程序不需要明确地确定参数g = k·V·N。原则上，足以确定g和f_e(I, T_e)的乘积。如期望的话，可在=π从测量的信号和施加的电流确定g值，其中f_e = 1。（如指出的，光纤线圈的标度函数f_s等于一，其在假定是理想线圈时与电流无关）。利用已知的Verdet常数V和线圈环数N，程序则也代表因子

的独立验证（除上文提到的自校准外）。

为了本说明和权利要求的目的，项f_e和g·f_e可以互换地使用。

也就是说，当例如要求测量f_e时，这理解为明确地测量f_e或测量g·f_e。

b）从干涉条纹可见度获得的校准

测量单元再次连接到理想的光纤线圈，即f_s等于一，其在参考温度T_o与电流无关。与前一节中的程序相比之下，校准在不需要实际施加电流的情况下进行。（代替完整的线圈，具有反射器的短的传感光纤段将因此已经是足够的）。相反，从在零电流的干涉条纹可见度和在对应于

=π的电流处f_e = 1的信息确定函数f_e。上文提到的缺陷（偏振交叉耦合）如在图4、5中图示的那样引入非线性并且同时降低条纹可见度。图6示出对于理想传感器（虚线）和具有缺陷的传感器（在测量单元内的偏振交叉耦合，实线）的归一化干涉强度vs.非互补相位调制器引入的相移

。假定磁光相移是零或接近零。在

=π处，条纹可见度v（限定为v=

，其中a、b如在图6中限定的那样）接近一（即使存在所述缺陷），即干涉强度vs.

基本上遵循图6中的虚线。可以示出，在零电流处，在

=π（180°）处的归一化强度偏移a等于在给定温度T_e处函数f_e离一的偏移h（参见图4）。更一般地，给出h为：h = p·a，其中参数p可取决于光学部件的细节并且可在实验上确定。在下面，假定p等于p = 1。已知f_e在

= 0 (f_e = 1 + h)以及在

= π(f_e = 1)，可以对于磁光相移和电流的整个范围确定函数f_e。遵循在参考文献3中概述的形式体系，函数f_e可在目前情况下表达为

                   

            （17）

其中

               

               （18）

                    （19）

               

              （20）

从而，利用如上文描述的在实验上确定的参数h，函数f_e可以计算为

和等同的电流

的函数。如果存在任何随温度的变化，可对于测量单元的各种温度重复该程序以便确定f_e随温度的变化，即f_e(I, T_e)（以及f_e’(S, T_e)）。这里，参数g视为已知的并且对于给定类型的所有传感器是恒定的。

因此，可以从干涉条纹可见度确定参数h。进而通过操作调制器4或18用于在由测量单元1发出的光偏振之间引入相移而测量干涉条纹可见度，由此在光检测器7处产生干涉条纹。

利用给定温度T_e的函数f_e = f_e(

)或等同地f_e = f_e(I)，确定的函数f_e’(S) 可根据公式（9）通过用项

替换关系f_e = f_e(

)中的项

并且然后对函数求反而估算：

          （21）

c）从在小电流的标度因子得出的校准

代替从条纹可见度得出f_e（和f_e’）的零（或小的）电流值，参数h可通过施加小电流而确定，即

≤1（再次使用来自上文的理想线圈）。剩余的程序是如在节b中的那样。特别地，测量单元1再次连接到理想的传感头，其具有传感头标度函数f_s = 1。理想的传感头的传感光纤缠绕承载电流I的导体。

d）从在相位调制器处的偏振串扰得出的校准

通常，主要通过在相位调制器和其光纤辫线处的偏振串扰（PCT）确定函数f_e（普通和特殊轴线之间的光耦合）。因此，可通常足以简单地测量调制器串扰和其温度依赖性并且得出参数h并且从而如下得出函数f_e，f_e’：

偏振串扰限定为

            （22）

这里，假定线性偏振光发射进入调制器的输入光纤辫线，其中其偏振平行于双折射光纤轴线（这里是x）。

和

分别指对于平行于x和y的偏振方向在退出辫线处检测的光功率。

对于足够小的PCT，参数h则给出为h = 2 (P_y/P_x)并且在

= 0处的f_e再次给出为f_e = 1 + h。

注意：如果作为电流I和温度T_s的函数f_s是已知的，根据上文的程序的测量单元1的校准还可以用非理想的线圈（即f_s不等于一）进行，这从上文是明显的。非理想线圈的函数f_s (I, T_s)可由下文描述的方法中的一个确定。

3.2 传感头的校准

理想的传感头的标度函数等于一（f_s = 1），其与电流幅度无关，即磁光相移Δφ随着电流I完美地线性增加。传感头的优选的设计有意地使用非90°延迟器（例如具有100°延迟的延迟器）。通过选择正确的延迟，延迟的温度依赖性和其对传感器标度的效应固有地抵消Verdet常数的温度依赖性[1]。可以省略用于温度补偿的光纤线圈处的额外的温度传感器。

如上文提到的，非90°延迟器在传感器响应中引入一定量的非线性。此外，标度函数受到传感纤维中弯曲引起的或固有双折射的影响，并且如果这样的双折射存在，则受到延迟器轴线离光纤线圈法向的取向的影响。如果在宽的电流范围内需要优秀的传感器准确度，必须考虑这些效应。相移Δφ可写作[3]：

                                    （23）

其中

                     （24）

                 （25）

，并且                         （26）

                        （27）

标度函数f_s然后根据以下计算

                                 （28）

这里，δ和δ_i分别指示由于弯曲引起的和固有的双折射引起的传感光纤中的双折射相位延迟。角度β和β_i分别是保偏光纤引线的主轴线和弯曲引起的以及固有的双折射的慢轴线之间的角度（图7）。弯曲引起的双折射的慢轴线与光纤线圈的法向方向一致。通常，固有双折射可以假定为可忽略的（δ_i= 0）。上文的公式然后简化为

                         （29）

其中

               （30）

                   （31）

由于弯曲引起的双折射导致的每光纤匝的双折射相位延迟δ（rad/匝）由以下给出（参考文献[3]和其中的参考）：

                （32）

这里，r、R分别指示光纤和环半径。E = 7.5·10¹⁰ Pa和C = -3.28·10^-12 Pa^-1分别是杨氏模量和应力光学系数，并且λ是操作波长。

图8示出对于具有从90°的不同偏离ε（ε＝7°、8°、9°）的三个延迟器的函数f_s的理论结果。传感光纤假定为没有任何双折射（δ＝0，δ_i＝0）。曲线则与延迟器取向无关。函数f_s在相移

= π处（或π的倍数）再次等于一。

图9示出对于具有δ＝1.33°（δ_i＝0°）的双折射相位延迟的光纤线圈、对于ε＝0°、7°、13°的f_svs.。（在例如具有0.82m半径、80μm的光纤直径和820nm的波长的单光纤环中产生这样的延迟）。看到曲线现在受到延迟器操作的影响。对于β＝45°、90°和135°的曲线分别对应于平行于光纤线圈的法向、在离光纤线圈法向45°以及垂直于光纤线圈法向的慢延迟器轴线的取向。曲线现在在

=180°处有些偏离一，这也是明显的。如果延迟器轴线在离光纤线圈法向45°处（即对于β=90°），偏离是最小的。对于非零双折射δ，函数f_s在对应于π的偶数倍的磁光相移

处仍等于一，但可在不可忽略的δ值的情况下在π的奇数倍处明显偏离一。

注意：因为延迟器的延迟ρ和双折射δ取决于光源的波长，函数f_s也有些具有波长依赖性（参见节3.3）。

在下面，描述用于校准传感器头的许多不同的方法，即用于确定函数f_s的许多不同的方法。

a）从信号vs.电流测量得出的线圈校准

光纤线圈连接到如上文描述的那样被校准的测量单元，即测量单元标度函数f_e ，f_e’是已知的。通过施加一系列电流和并且测量所得信号S确定标度函数f_s（或g和f_s的乘积）和f_s’。

b）从干涉条纹可见度得出的线圈校准

光纤线圈连接到具有已知参数a_e和h_e的被校准的测量单元。然后从在=π处的归一化强度偏移a确定在零电流处的标度函数f_s。偏移现在由分别来自测量单元和光纤线圈的贡献a_e和a_s组成：a = a_e+a_s或a_s = a-a_e。接近零电流的函数f_s然后给出为f_s = 1 + h_s，其中h_s = a_s。然后根据上文的公式对于整个电流范围确定函数f_s。再次，参数g视为已知的并且对于给定类型的所有传感器是恒定的。与公式（21）等同地，然后给出函数f_s’

                             （33）

具体地，如果弯曲引起的双折射相位延迟δ（以及δ_i）是可忽略的，函数f_s (I = 0) = 1 + h_s（对应于

）可以插入公式（28）-（31）以便计算ε的值。由此，可以再次使用公式（28）-（31）对于任何的I值计算f_s。

如果δ是不可忽略的，则其可以从公式（32）来计算（如果r和R是已知的）。参数β或ε中的至少一个从制造过程应该是已知的（至少近似地）。如果例如β是已知的，可以通过将f_s (I = 0) = 1 + h_s插在公式（23）-（28）中而计算ε。由此，可以使用公式（23）-（28）对于任何的I值计算f_s。如果ε是已知的，可以计算β并且再次使用公式（23）-（28）计算f_s。

c）从小电流的标度因子得出的线圈校准

代替测量在零电流的条纹可见度，通过施加小的电流确定在小的磁光相移（

≤1）的标度函数f_s。剩余的程序是如在节b中的那样。在该情况下，ε（或β，如果能适用的话）的值可以拟合至测量的数据，并且由此可以使用公式（23-28）或公式（28-31）对于任何的I或S值计算f_s。

d）通过计算函数f_s的线圈校准

对于给定且众所周知的参数ρ、δ和β集合，可根据上文给出的公式集合通过计算而唯一地确定函数f_s（并且从而确定f_s’）。

e）温度的影响

固有地温度补偿上文论述的光纤线圈，即关于温度校准不需要额外的措施。

未固有地温度补偿的光纤线圈可配备有一个或若干个额外的温度传感器。然后采用与函数f_e（或f_e’）的温度依赖性相同的方式考虑标度函数f_s = f_s (I, T_s) [f_s’ = f_s’(S, T_s)]的温度依赖性。

3.3 操作波长的效应

Verdet常数V是波长的函数。V可很近似地写为

。除参数k和N外，还使用在参考波长和光源的实际波长

处的已知Verdet常数从而确定上文限定的参数

。通常，光源是例如超发光二极管的宽带半导体源。这里，是对于给定光谱的重力波长的中心。该波长受到源温度和驱动电流的影响，并且如果这些参数未保持恒定，还必须考虑这些参数。

如上文提到的，函数f_e、f_e’和f_s 、f_s’还随着波长而某种程度地变化。对应的效应可从理论考虑得出并且包括在上文的程序中。备选地，整体波长依赖性可在实验上对给定类型的传感器（其包括f_e、f_e’和f_s、f_s’以及Verdet常数V的波长依赖性）而确定。这导致通用波长系数。参数g然后给出为

。

3.4 存储校准数据

包括关于源波长的信息的测量单元1的校准数据以及包括光纤环的数量的传感头的校准数据存储在测量单元1的第一存储器22中。包括光纤环的数量的传感器头2的校准数据还可存储在归属于传感器头2的第二存储器23中，例如在可擦除可编程只读存储器（EPROM）中。

有利地，第一存储器22设置在测量单元1中。第二存储器23是传感器头2的一部分，即它在物理上连接到传感头2。第二存储器23例如可以位于连接线圈与测量单元的保偏光纤缆15的控制单元端处。

如果测量单元或传感器头更换，测量单元读取线圈数据并且用新的数据重新配置其自身。除校准数据外，EPROM 23可包含另外的参数，例如传感器头和光纤缆长度中的光损耗。

4.注意

测量单元和传感器头可通过沿着连接光纤缆的一个或若干个光纤连接器而互相分开或重新联接。备选地，光纤可通过熔融接合件而接合。

上文的校准概念可部分地应用于其他类型的光纤电流传感器，特别是Sagnac型干涉电流传感器[1]或偏振式电流传感器，其中法拉第效应观察为线偏振光的偏振旋转[8]。

尽管示出并且描述本发明的目前优选的实施例，要清楚地理解本发明不限于此并且可用别的方式在下列权利要求的范围内多方面地体现和实践。

参考文献

部件列表

。

Claims (16)

1.一种用于操作测量导体（12）中的电流I的光纤电流传感器的方法，所述电流传感器包括：

传感器头（2），其具有缠绕所述导体（12）的传感光纤（11）和连接到所述传感光纤（11）的延迟器（10），

测量单元（1），其包括光源（3）和光检测器（7），以及

保偏光纤（15），其将所述传感器头（2）连接到所述测量单元（1），

所述方法包括以下步骤：

将来自所述光源（3）的光发送通过所述传感器头（2），

通过所述光检测器（7）测量信号S，所述信号S由从所述传感器头（2）返回的光得到，以及

所述方法的特征在于以下步骤：

从                                               

计算所述电流I

其中

f_e’(S)是所述测量单元（1）的标度函数，其取决于所述信号S，

f_e’(S)是所述传感器头（2）的标度函数，其取决于所述信号S，并且

g是与所述信号S无关的常数。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括独立于所述传感器头标度函数f_s’确定所述测量单元标度函数f_e’的步骤。

3.如权利要求1-2中任一项所述的方法，其中所述测量单元标度函数f_e’是所述信号S以及温度T_e的函数，其中所述测量单元标度函数f_e’通过以下来确定：

对于至少一个电流值，测量在给定温度T_o作为电流的函数的所述信号S，以便获取所述测量单元标度函数f_e’(S, T_o)，

对于除所述给定温度T_o以外的至少一个温度，在给定电流Io测量所述信号S，以便获取函数f_e’(S_o, T_e)，以及

由

估算所述测量单元标度函数f_e’。

4.如权利要求1或2中任一项所述的方法，其中所述测量单元标度函数f_e’是所述信号S以及温度T_e的函数，其中所述测量单元标度函数f_e’通过以下来确定：

对于多个电流和温度值，测量所述信号S的值，以及

将所述测量单元标度函数f_e’的值存储在查找表中。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其包括通过以下来确定所述测量单元标度函数f_e’的步骤：

将所述测量单元（1）连接到参考传感器头（2），其具有已知的传感器头标度函数f_s’，以及

对于由所述参考传感器头（2）传感的至少一个电流来测量所述信号S。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述参考传感器头（2）的传感器头标度函数f_s’等于1，其与所述电流I无关。

7.如权利要求5或6中任一项所述的方法，其中所述测量单元（1）包括相位调制器（4，18），并且其中所述测量单元标度函数f_e’通过以下来确定：

将所述测量单元（1）连接到所述参考传感器头（2），

操作所述调制器（4，18）用于在由所述测量单元（1）产生的光偏振之间引入相移，由此在所述光检测器（7）处产生干涉条纹，以及

测量所述干涉条纹的干涉条纹可见度（v）。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其中所述测量单元标度函数f_e’由

估算，其中

，并且

，

，以及

，

其中k是常数并且h是测量的参数。

9.如权利要求7和8中任一项所述的方法，其中从所述干涉条纹可见度（v）测量所述测量的参数h。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述测量的参数h通过以下步骤来确定：

将所述测量单元（1）连接到传感器头（2），其具有传感头标度函数f_s’＝1并且具有缠绕导体（12）的线圈，

发送电流I通过所述导体（12）以用于测量所述传感器信号S并且从所述信号S确定所述参数h。

11.如权利要求8-10中任一项所述的方法，其中所述测量的参数

通过确定所述测量单元（1）中的偏振串扰而确定。

12.如权利要求1-11中任一项所述的方法，其包括通过将所述传感头（2）连接到具有已知测量单元标度函数f_e’的测量单元（1）并且通过施加一系列电流和/或温度T_s到所述传感器头（2）而测量所述信号S来确定所述传感器头标度函数f_s’的步骤。

13.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其中所述传感器头标度函数f_s’由

而估算，其中并且

，

，

，并且

其中δ和δ_i分别指示由于弯曲引起的双折射导致的传感光纤（11）中的双折射相位延迟和由于固有双折射导致的传感光纤（11）中的双折射相位延迟，并且β和β_i分别是保偏光纤（15）的主轴线和所述传感光纤（11）的弯曲引起的双折射的慢轴线之间的角度，和保偏光纤（15）的主轴线和所述传感光纤（11）的固有双折射的慢轴线之间的角度，

并且特定地，其中δ_i=0。

14.如权利要求1-13中任一项所述的方法，其中所述测量单元包括相位调制器（4，18）并且其中所述传感头标度函数f_s’通过以下来确定：

将所述传感头（2）连接到具有已知测量单元标度函数f_e’的测量单元（1），

操作所述测量单元（1）的所述调制器（4，18）用于在由所述测量单元（1）产生的光偏振之间引入相移，由此在所述光检测器（7）处产生干涉条纹，以及

测量所述干涉条纹的干涉条纹可见度（v）。

15.一种用于实施如权利要求1-14中任一项的方法的光纤电流传感器，包括：

传感器头（2），其具有缠绕所述导体（12）的传感光纤（11）和连接到所述传感光纤（11）的延迟器（10），

测量单元（1），其包括光源（3）和光检测器（7），以及

保偏光纤（15），其将所述传感器头（2）连接到所述测量单元（1），

所述电流传感器的特征在于

第一存储器（22），其归属于所述测量单元（1），用于存储所述测量单元标度函数f_e’，以及

第二存储器（23），其归属于所述传感器头（2），用于存储所述传感器头标度函数f_s’。

16.如权利要求15所述的光纤电流传感器，其中所述第一存储器（22）是所述测量单元（1）的一部分，并且/或所述第二存储器（23）是所述传感头（2）的一部分，并且特定地，其中所述第二存储器（23）位于所述保偏光纤（15）的控制单元端处。

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