專利名稱：用于電流強(qiáng)度測(cè)量的光纖裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖配置，通過它可利用法拉第效應(yīng)來測(cè)量電流強(qiáng)度，環(huán)繞著電流所流經(jīng)的導(dǎo)體的磁場(chǎng)可影響光的偏振狀態(tài)，而光通路經(jīng)過以線圈形式環(huán)繞著該導(dǎo)體的光纖芯部，由光纖引出的光用一分束器分成兩部分光束，在分別通過一起偏器之后它們的強(qiáng)度分別用一光探測(cè)器測(cè)出。
這種裝置特別適用于高壓系統(tǒng)中，用來測(cè)量處于高電位的線路中的電流。由于光束波導(dǎo)(beam waveguide)是用已知為良好電絕緣體的玻璃制成的，連接到地電位的顯示裝置相對(duì)于所測(cè)量和顯示的電流流經(jīng)的處于高電位的導(dǎo)體的絕緣是不成問題的。
這種裝置見于DE-AS2261151，其中由一光源發(fā)出的光經(jīng)一起偏器被引向一個(gè)半透明片。由此處，偏振光進(jìn)入一根其一部分繞成線圈的光纖(此處稱為光束波導(dǎo))，一高壓導(dǎo)體沿其軸向延伸，且被測(cè)電流流經(jīng)該導(dǎo)體。在其端頭，該光纖線圈有一金屬化表面，并在那里設(shè)有一反光鏡。偏振光通過整個(gè)光纖，由于法拉第效應(yīng)的結(jié)果在光纖呈線圈形部分出現(xiàn)作為流經(jīng)導(dǎo)體的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的函數(shù)的偏振面的旋轉(zhuǎn)，在線圈的端頭，光束被反射回去，并再次通過該線圈，在這種情況下又會(huì)出現(xiàn)偏振平面的旋轉(zhuǎn)。其偏振平面旋轉(zhuǎn)的光從光纖中射出，穿過半透明片，進(jìn)入一能夠確定并顯示進(jìn)入光纖的光的偏振平面與從光纖發(fā)出的光的偏振平面之間的角度的分析裝置，在這種情況下，該角度的大小正比于對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度作的路徑積分值。
根據(jù)DE-AS2835794，也可見到一種利用法拉第效應(yīng)來測(cè)量電流強(qiáng)度的光纖配置，其中環(huán)繞著電流流經(jīng)的導(dǎo)體的磁場(chǎng)影響光的偏振狀態(tài)，而光通路通過以線圈形式環(huán)繞該導(dǎo)體的光纖的芯部。不同于DE-AS2261151，在這種配置情況下，在光纖的一端沒有反射面，而光是從一端引入并從另一端再引出的，在這種情況下用光纖繞成的線圈必須有兩倍的匝數(shù)，以求獲得相同的偏振平面旋轉(zhuǎn)角度，因?yàn)楣庵煌ㄟ^線圈一次。
在上述兩種情況下，分析裝置中包括一分束器，可將引出的光分成兩部分光束，在光束通過兩個(gè)相互垂直取向的起偏器之后，它們的偏振平面相互垂直，而它們的強(qiáng)度可用兩個(gè)光探測(cè)器測(cè)出，于是它們的光通量將為I1＝I0(1+Sin2θ)和I2＝I0·(1-Sin2θ)，其中角度θ根據(jù)θ＝V·N·I是成正比的。圍繞載流導(dǎo)體的光纖匝數(shù)為N。與材料有關(guān)的比例常數(shù)可確定為V＝2.6·104rad/A(弧/安)由兩個(gè)光通量，根據(jù)UA= (I1-I2)/(I1-I2) =sin2θ=sin2·V·N·I于是得到輸出信號(hào)UA，它是被測(cè)電流的正弦函數(shù)。
為了降低必須實(shí)時(shí)進(jìn)行的計(jì)算的費(fèi)用，測(cè)量元件設(shè)定得使與電流相關(guān)的角度θ保持較小。因而正弦函數(shù)可作線性近似，因?yàn)樾〗嵌鹊恼抑到频扔谠摻嵌取?br> 此外，很大的電流，例如短路電流，可引起超過45度的光偏振平面旋轉(zhuǎn)，而無法用上述方法檢測(cè)出來，因?yàn)檎液瘮?shù)只有在-90度到+90度的角度范圍內(nèi)才是正負(fù)明確的。由于這個(gè)原因，例如，在DE-AS2541027所述的一種已知方法中，用一個(gè)單獨(dú)的補(bǔ)償線圈和一個(gè)速控環(huán)，消除了偏振平面的旋轉(zhuǎn)。作為對(duì)電流截止相位的不可避免的調(diào)節(jié)量值限制的結(jié)果，動(dòng)態(tài)范圍和帶寬都很小。此外，這些截止相位的較高能耗也妨礙了這種想法的應(yīng)用。
本發(fā)明的一個(gè)目的就是提供一種最初說明的光纖裝置，能夠進(jìn)行更大范圍電流的檢測(cè)而不增加能耗。
這個(gè)目的的實(shí)現(xiàn)是通過使起偏器相互對(duì)應(yīng)作對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，而不同于常規(guī)的45度夾角。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步擴(kuò)展，起偏器和引入光纖的光的偏振面之間的角度被選在+20度和+40度之間或者在-20度和-40度之間。
由本發(fā)明獲得的優(yōu)點(diǎn)特別在于對(duì)于很大的偏振面旋轉(zhuǎn)，輸出電壓UA的線性近似仍然成立。結(jié)果，與在已知裝置的分析手段相比，動(dòng)態(tài)范圍得以擴(kuò)大。通過加上計(jì)算機(jī)的支持分析手段可直接檢測(cè)光通量I1和I2，超過45度的偏振平面旋轉(zhuǎn)仍可檢測(cè)出來。
一個(gè)實(shí)施例如圖所示，并在下面作詳細(xì)說明。


圖1為此發(fā)明所述配置的示意性結(jié)構(gòu)圖;而圖2為此發(fā)明所述配置中分析裝置的輸出信號(hào)作為偏振平面旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)的函數(shù)圖形。
圖1所示用來測(cè)量電流強(qiáng)度的光纖配置包括一根從其安放在透鏡7的端頭6延伸到處于高壓的導(dǎo)體1的光纖2，它環(huán)繞著該導(dǎo)體1繞成多匝的線圈3并返回到透鏡7附近，在此處其端頭4有一校準(zhǔn)得相對(duì)于光纖縱軸向成直角的金屬化表面。
透鏡7將從激光器10發(fā)出并用分束器8送來的偏振光送入光纖2的端頭6。在光纖2做成線圈3的部分內(nèi)，光束波導(dǎo)受到由流經(jīng)導(dǎo)體1的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的作用。由于法拉第效應(yīng)的結(jié)果，所導(dǎo)光的偏振平面當(dāng)其通過線圈3亦即通過磁場(chǎng)時(shí)被旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度的大小就是對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度作的路徑積分值的量度。
過了線圈3之后，光仍然沿著光纖，到達(dá)其另一端頭4，此處光在金屬化端面5上被反射回去，因而沿相反方向通過光纖2并通過線圈3區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)，在這種情況下偏振平面再次被旋轉(zhuǎn)，以致當(dāng)光到達(dá)透鏡7時(shí)，總體上的偏振平面旋轉(zhuǎn)角度與光到達(dá)金屬化端面5時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度相比被加倍。
光的引入和引出是用透鏡7來實(shí)現(xiàn)的。在引出時(shí)，從光纖2發(fā)出的光通過分束器8到達(dá)一分析裝置，該裝置包括另一分束器9、兩個(gè)起偏器11和12以及兩個(gè)光探測(cè)器13和14，在其中可以確定光通過光纖2時(shí)其偏振平面所歷經(jīng)的并且作為流經(jīng)導(dǎo)體1的電流強(qiáng)度的量度的旋轉(zhuǎn)角度。
起偏器11和12相互對(duì)應(yīng)作對(duì)稱旋轉(zhuǎn)，而不同于常規(guī)的45度夾角，尤其是按這樣一種方式起偏器11和12與引入光纖2的光的偏振平面之間的角度在+20度和+40度之間或者在-20和-40度之間，用這個(gè)偏振角α來表示，光通量為
I1＝I0·(1+Cos(2θ+2α))和I2＝I0·(1+Cos(2θ-2α))。
按上述方法從光通量可確定輸出信號(hào)UA。結(jié)果為圖2中的曲線，它表示對(duì)應(yīng)于起偏器11和12的不同角位置α作為偏振平面旋轉(zhuǎn)角度θ的函數(shù)的輸出信號(hào)UA。如圖2所示，在起偏器角度α在20度和40度之間的情況下，輸出信號(hào)UA對(duì)正比于被測(cè)電流的偏振平面旋轉(zhuǎn)角度θ的依賴關(guān)系大體上被線性化了。對(duì)于相當(dāng)大的偏振平面旋轉(zhuǎn)量，輸出信號(hào)UA的線性近似是有效的。結(jié)果，與常規(guī)分析手段相比，動(dòng)態(tài)范圍得以提高。用附加的計(jì)算機(jī)輔助的可直線得出光通量I1和I2的分析手段，超過45度的偏振平面旋轉(zhuǎn)量也可以檢測(cè)出來。
權(quán)利要求
1.一種利用法拉第效應(yīng)來測(cè)量電流強(qiáng)度的光纖配置，環(huán)繞著電流所流經(jīng)的導(dǎo)體1的磁場(chǎng)可影響光的偏振狀態(tài)，而光通路經(jīng)過以線圈3的形式環(huán)繞著導(dǎo)體1的光纖2的芯部，由光纖2引出的光用分束器9分成兩部分光束，強(qiáng)度(I1、I2)在光束分別通過起偏器12和11之后分別用光探測(cè)器14和13測(cè)出，其特征在于起偏器12和11是相互對(duì)應(yīng)作對(duì)稱旋轉(zhuǎn)的，而不同于常規(guī)的45度夾角。
2.權(quán)利要求1所述光纖配置，特征在于起偏器12和11與進(jìn)入光纖2中的光的偏振平面之間所成的角度(α)在+20度和+40度之間或者在-20度和-40度之間。
全文摘要
利用法拉第效應(yīng)測(cè)量電流強(qiáng)度的光纖配置，環(huán)繞著電流流經(jīng)的導(dǎo)體1的磁場(chǎng)影響光偏振狀態(tài)，光通路經(jīng)過以線圈形式環(huán)繞著導(dǎo)體1的光纖2的芯部，從光纖2引出的光用分束器9分成兩部分光束，分別通過起偏器12和11之后其強(qiáng)度(I
文檔編號(hào)G01R15/26GK1049561SQ90104759
公開日1991年2月27日 申請(qǐng)日期1990年7月19日 優(yōu)先權(quán)日1989年7月19日
發(fā)明者迪爾克·佩爾, 霍爾格·海爾希 申請(qǐng)人:Mwb變壓器股份公司