专利名称：使用具有能更换的子�？榈拇衅鞯墓庀说缌鞔械闹谱鞣椒�
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參考文献I至7中描述。典型地，这样的传感器由传感器头、光电测量単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。光电测量単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。光电测量単元置于地电势处，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I的方法解决。因此，导体中的电流I根据
I. S S/α . 《Si · is丨从信号S计算:
其中，
f/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/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/⑶和/或fs’⑶可分别受到测量单元和传感器头的温度T6和Ts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単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，更换测量単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/或fs’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fs’而确定測量单元标度函数fe，。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H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參考的作用。此外，已经观察到，缺陷特别在小的磁光相移(电流)处降低了干渉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，用于存储描述测量単元标度函数f/的数据以及描述传感器头标度函数fs’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fs’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/和fs’，由此将控制单元以及传感器头变成能容易更换的�？�。
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。这样的说明參照附图，其中
图I不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Te处fe 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fe’
图6不出归一化干涉强度vs.相移tmod ,
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fs VS.项4φΡ,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fs vs. *lft%
具体实施例方式I.传感器配置
传感器的配置已经在參考文献1-7中描述。有利的传感器形式在图I中示出。它包括测量单元I和传感器头2。测量单元I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的输出中的ー个处，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用于处理来自光电ニ极管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和测量单兀I。在保偏光纤15 —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。另ー个某种程度上简化的有利形式在图2中示出。这里，图I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中的ー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圏。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換。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λ φ。如在參考文献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I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处被带入干渉。干涉信号在光检测器7处被检測。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単元I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カ[1，3，7]。这样的应カ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，可如在下文进ー步描述的那样考虑弯曲引起的双折射。作为另外的备�。泄庀丝梢允歉咚凵浞南吖庀薣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ζ切(分别垂直于衬底的平面的X轴或ζ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稱合(例如由于固定光纤弓I起的应力)然后将不扰乱到达检测器的光波的干渉。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測。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I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1X3光纤耦合器21分布到三个通道上。优选地，随后的2X1光纤耦合器19是不对称的耦合器，例如具有O. 8:0. 2而不是O. 5:0. 5的耦合比。因此，从传感器头2反射回至源的光功率減少，这里减少至(O. 2X0. 2)バO. 5X0. 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[I]给出
Δφ …4φ! = 4 - V · N · I(I)
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(I)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。ー个问题是，Verdet常数V取决于光源3的波长λ (近似与I/ λ 2成比例)和温
度nm / /< [·} ; O,.了χ·ι(厂0C — —。在參考文献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(I)的简单关系的原因，參见參考文献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
籲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
-根据參考文献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S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參数，并且因此对于不同的传感器线圈可以不同[3]；
籲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；籲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I将电流引起的相移△ Φ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)来測量信号S而采用一次电流I (安培)的単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単元I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(归ー化的)标度函数f。。函数f。根据以下来将检测的差分磁光相移Δ φ与一次电流I相关
权利要求
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(I)，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(I )， 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 I= { / g) * te (S) fs# (:])计算所述电流 I 其中 f；’ (S)是所述测量单元(I)的标度函数，其取决于所述信号S， f；’ (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I所述的方法，进一步包括独立于所述传感器头标度函数fs’确定所述测量单元标度函数f/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/是所述信号S以及温度T6的函数，其中所述测量单元标度函数f6’通过以下来确定 对于至少一个电流值，测量在给定温度T。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/ (S，T0), 对于除所述给定温度T。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/ (S0, Te)，以及由i+Z d T,,) = Ie1 iS 1C； re)/y估算所述测量单元标度函数fe，。
4.如权利要求I或2中任一项所述的方法，其中所述测量单元标度函数f/是所述信号S以及温度T6的函数，其中所述测量单元标度函数f/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/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/的步骤 将所述测量单元(I)连接到参考传感器头(2)，其具有已知的传感器头标度函数fs’，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fs’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(I)包括相位调制器(4，.18)，并且其中所述测量单元标度函数f/通过以下来确定 将所述测量单元(I)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(I)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/由f,；/ CS) = I/Hr is/k) I 估算，其中 = / I抑F》，并且
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(I)连接到传感器头(2)，其具有传感头标度函数fs’ = I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h通过确定所述测量单元(I)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/的测量单元(I)并且通过施加一系列电流和/或温度Ts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fs’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fs’由ts/ (Si= I/I Jra {S/U 丨而估算，其中 fs -并且
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fs’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/的测量单元(1)， 操作所述测量单元(I)的所述调制器(4，18)用于在由所述测量单元(I)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(I)，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(I )， 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f6’，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fs’。
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(I)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。
全文摘要
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fe’和fs’的乘积来描述。描述标度函数fe’、fs’的数据存储在测量单元(1)的存储器(22)中，而描述标度函数fs’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fe’和fs’，由此使控制单元以及传感器头变成能容易更换的�？�(1，2)。
文档编号G01R35/00GK102667502SQ200980162796
公开日2012年9月12日 申请日期2009年12月11日 优先权日2009年12月11日
发明者A.弗兰克, K.博纳特, R.维斯特 申请人:Abb研究有限公司
专业数控铣床产品供应商
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