专利名称：具有多个传感器头的光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤传感器领域。它涉及根据专利权利要求1的前序部分的用于测量电流或磁场的光纤传感器，并且涉及根据专利权利要求12的前序部分的用于测量电流或磁场的方法。
现有技术这样的电流传感器从例如EP 1 154 278 A2中是公知的。该传感器具有光源、检测器、信号处理器，另外还有调制器电路和两个传感器头。光从光源耦合到调制器电路中，并且从那里传播到所述两个传感器头中。这样的传感器头包括磁光激活传感器纤(magnetooptically active sensor fiber)，该纤以线圈形状设置在待测电流在其中流动的电导体周围。法拉第效应由此产生在这种传感器头中传播的两个相互正交地偏振的光波之间的差分相移(differential phase shift)。
传感器头在每种情况下具有镜面化端部(mirrored end)，使得与其余光学结构一起，它们每个都形成反射干涉计。在镜面化端部处的反射之后，所述光通过调制器电路导回并且耦合到检测器中。信号处理器评估检测器的信号。调制器电路具有在光源和检测器侧的端部，和在传感器头侧的端部。它用来对在相反方向上传播并且被彼此平行地偏振的两个光波的差分相位进行非互易(non-reciprocal)调制。为此，调制器电路包括压电相位调制器，其以其谐振频率来操作并且受控于信号处理器。
借助于调制器电路而实现的非互易差分相位调制用来实现对法拉第效应所引起的差分相移的检测的较高分辨率。干涉计的有效操作点在余弦干涉函数的线性区域中移动。
使用时分复用方法以便于能够在信号处理器中区分发自两个不同传感器头的信号。光源以脉冲方式来操作，并且两个反射干涉计的长度被选择成具有不同的大小。由此为发自各个传感器头的信号(或光波)产生不同长度的过渡时间(transit time)，因此这些信号在各个时间到达信号处理器并且可由此被区分。
这种类型的传感器的缺点是，可实现的信噪比不是最优的，这是因为由于脉冲式操作，信号不是在检测器连续产生的，而是仅在测量时间的一小部分期间产生。另外的缺点是，由于两个反射干涉计的不同长度，仅可针对两个传感器纤之一来最优地选择操作相位调制器所用的振幅。
另一种电流传感器从G.Frosio，R.Dndliker，“Reciprocal ReflectionInterferometer for a Fiber-Optic Faraday Current Sensor”，Appl.Opt.33，6111(1994)中是公知的。其同样具有反射几何结构，但仅包括一个传感器头。为了产生非互易差分相位调制，该传感器同样具有压电相位调制器。后者不设置在调制器电路中。其调制在同一方向上传播的两个相互正交地偏振的光波的差分相位。基本上在调制器的压电材料(piezomaterial)处需要较大的驱动电压，这是因为必须要产生对调制器纤的双折射的直接调制。
J.Blake，P.Tantaswadi和R.T.de Carvalho在出版物“In-line SagnacInterferometer Current Sensor”，IEEE Transactions on Power Delivery，11，116-121(1996)的图1中披露了另外的电流传感器。该传感器具有Sagnac几何结构并且仅包括一个传感器头。象Frosio和Dndliker所描述的传感器那样，在此亦有必要使大驱动电压出现在调制器的压电材料处，这是因为在同一方向上传播的两个相互正交地偏振的光波的差分相位是借助于对双折射的直接调制来调制的。

发明内容
本发明的目的是提供一种在开头所提及的类型的电流传感器以及对应的测量方法，其目标在于不引起以上列举的缺点。特别地，目标针对具有改善的信噪比的传感器。
所述目的是通过具有专利权利要求1的特征的光纤电流传感器和根据权利要求12的对应测量方法来实现的。
根据本发明的用于测量至少一个电流或磁场的光纤传感器具有光源；N个传感器头，其可以在电流导体周围或沿磁场以线圈形状设置，N是整数，其中N≥2；至少一个相位调制单元，具有至少一个相位调制器；至少一个检测器；以及控制和评估单元，其经由至少一个检测器信号线连接到所述至少一个检测器，并且经由至少一个调制器信号线连接到所述至少一个相位调制器。在此情况下，第一装置可用于将来自光源的光导入相位调制单元在检测器侧的端部，并且第二装置可用于将来自相位调制单元在检测器侧的端部的光导至检测器，并且所述至少一个相位调制单元具有在传感器头侧的一个另外的端部，其在光学上连接到至少一个传感器头，并且可借助于所述至少一个相位调制单元以非互易的方式对线性偏振的光波进行差分相位调制。
所述传感器是根据提供N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn以用于非互易差分相位调制的事实来区分的，以如下方式选择调制频率vn和两个可指定的正整数p、q，其中p≠q，使得对于所有正整数z和所有整数n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且调制振幅φ0，n和调制频率vn被选择为调制相关的光路长度ln的函数。
这样，在传感器包括N个传感器头的情况下，N个不同的调制频率vn被用于对光波差分相位的非互易调制。这些调制频率vn和两个正整数p和q以如下方式被选择，使得每个调制频率vn的p-倍(p-fold)和q-倍倍数不同于每个其他调制频率vn的所有谐波。而且，调制振幅φ0，n和调制频率vn被选择为调制相关的光路长度ln的函数。这些调制相关的光路长度ln基本上是光波从至少一个相位调制器经由第n个传感器头并且回到相同的至少一个相位调制器所经过的光路长度。在以下描述中进一步说明例如在具有与相位调制单元不同长度的纤分支的调制器电路时待添加给该光路长度的校正。
有利地，在这种设计的基础上，一方面有可能在针对调制频率vn的条件的基础上使发自各个传感器头的信号通过其频率唯一地分配给适当的传感器头。另一方面，可以以如下方式选择调制振幅φ0，n和调制频率vn，使得有可能为所述N个传感器头中的每个设置最优的可检测性和最优的信噪比。
有利地，选择p＝1和q＝2以检测和评估第一和第二谐波的信号。所检测的信号因此特别大，因此信噪比是最优的。
在本发明的有利实施例中，所述传感器具有正好一个控制和评估单元。发自各个传感器头并且经由至少一个检测器信号线馈送到控制和评估单元的信号可借助于频率滤波在所述单元中彼此区分。这些信号在控制和评估单元中转换成N个输出信号Sn，其是至少一个待测电流或至少一个待测磁场的量度。特别地，对于每个n，其中1≤n≤N，在控制和评估单元中根据处于频率p·vn和q·vn的信号来确定输出信号Sn。可以以开环或闭环方法来进行检测。有可能在根据频率将信号分配给传感器头的基础上使用单个控制和评估单元来评估来自所有传感器头的信号，结果是要实现很成本有效且简单的传感器。
本发明的另外的有利实施例的特征在于它包含正好一个相位调制单元。由此实现了很成本有效且简单的设计。所述传感器具有N个反射干涉计，该N个反射干涉计中的每个包括所述N个传感器头中的正好一个，并且所述N个传感器头在每种情况下都具有镜面化端部。这样的传感器对诸如振动的干扰是不敏感的，并且容易生产。而且，有可能提供如从现有技术公知的内在温度补偿。这种传感器的光源有利地以脉冲方式来操作，并且检测是借助于时分复用方法来进行的。所述传感器因此处置最小量的必需部件。
在这种传感器的情况下，相位调制单元有利地是调制器电路，其具有在每种情况下以N个调制频率vn之一来操作的N个相位调制器，或者相位调制单元是单个相位调制器，其允许用N个各种调制频率vn的同时相位调制，也就是以N个调制频率vn的频谱来操作。
本发明的另一个有利实施例具有N个相位调制单元，每个具有一个相位调制器，第n个相位调制单元在光学上连接到第n个传感器头，并且第n个相位调制器以调制频率vn来操作。这样的传感器可无需时分复用方法来操作，因此可连续(以连续波模式)操作光源。这导致改善的信噪比。
这样的传感器优选地以这样的方式来设计，使得提供N个反射干涉计，该N个反射干涉计中的每个包括所述N个传感器头中的正好一个，并且所述N个传感器头在每种情况下具有镜面化端部，并且使得所述相位调制单元是调制器电路，借助于相位调制器来调制被彼此平行地偏振的反向引导的光波的差分相位，或者使得通过每个相位调制器来调制在同一方向上传播并且相互正交地偏振的光波的差分相位，例如借助于集成光学调制器。
对应的传感器亦可用Sagnac配置来设计。
根据本发明的有利传感器有利地在p＝1和q＝2时操作，所述N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn以如下方式选择，使得对于所有的n，其中1≤n≤N，对线性偏振光波的差分相位调制的振幅α0，n处于1.7和2.0之间，特别是1.8和1.88之间，或者基本上是1.84。这导致最大的信号和最优的信噪比。
在根据本发明用于测量至少一个电流或至少一个磁场的方法中，光源发射光波，该光波被转换成线性偏振的光波。线性偏振的光波被导入N个传感器头，其中所述光波经历依赖于待测电流或磁场的相移，N是整数，其中N≥2。所述光波在具有至少一个相位调制器的至少一个相位调制单元中经历非互易差分相位调制，并且在至少一个检测器中被检测。所述光波既在其从光源到传感器头的传播期间又在其从传感器头到所述至少一个检测器的传播期间经过所述至少一个相位调制单元。控制和评估单元一方面被用于控制所述至少一个相位调制器，且另一方面亦被用于评估发自所述至少一个检测器的信号。
所述方法的特征在于用N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn以非互易的方式对所述光波进行差分相位调制。在此情况下以如下方式选择调制频率vn和两个可指定的正整数p、q，其中p≠q，使得对于所有正整数z和所有整数n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且
q·vn≠z·vm。调制振幅φ0，n和调制频率vn有利地被选择为调制相关的光路长度ln的函数。
优选地借助于频率滤波来检测所述N个调制频率vn的第p个和第q个谐波的信号。调制频率vn是以这样的方式选择的，使得这些第p个和第q个谐波不同于发生的其他信号频率，尤其不同于调制频率vn的其他谐波。这允许信号经由其频率被唯一分配给对应的传感器头。而且，用于各种传感器头的各种调制频率vn的选择，连同作为调制相关的光路长度ln的函数的非互易差分相移的调制振幅φ0，n的对应选择，允许为每个传感器头对这些值最优调谐，使得有可能设置最优的可检测性和最优的信噪比。
另外的优选实施例和优点可根据从属专利权利要求和图得出。


以下将借助在附图中示出的优选实施例来较详细地说明本发明的主题，其中图1概略地示出处于反射配置的传感器，其具有调制器电路、三个相位调制器和三个传感器头；图2示出在时分复用方法的情况下信号的时间分布图的图解；图3概略地示出处于反射配置的传感器，其具有集成光学调制器和三个传感器头；图4概略地示出处于反射配置的传感器，其具有三个集成光学调制器和三个传感器头；图5概略地示出处于反射配置的传感器，其具有三个在每种情况下具有一个相位调制器的调制器电路，并具有三个传感器头；图6概略地示出处于Sagnac配置的传感器，其具有三个压电相位调制器和三个传感器头；并且图7概略地示出处于反射配置的传感器，其具有三个在每种情况下具有一个相位调制器的调制器电路，具有三个传感器头并具有三个检测器。
图中使用的参考符号及其含义在参考符号列表中汇总列出。相同的或至少起相同作用的部分，基本上以相同参考符号在图中提供。所描述的示例性实施例用示例的方式表示本发明的主题内容，而不是限制性的。
具体实施例方式
从现有技术公知并且涉及类似传感器的设计和非互易差分相位调制器的产生的几个细节不在以下说明，并且可从上述EP 1 154 278 A2获得，其因而在此连同其整个公开内容引入本说明书。
图1中示出本发明的实施例。用作低相干性光源1的超发光二极管1发射第一装置6中的光波，该第一装置6用于将光源1的光导入相位调制单元PME的在检测器侧的端部3。该第一装置6基本上包含纤耦合器14，并且在适当时，附加地包含一个或两个另外的光纤件(fiber piece)，光源1和相位调制单元PME借助其在光学上连接到纤耦合器14的相反侧。
所述光源1有利地是低相干性光源，例如发光二极管、超发光二极管或操作于激光阈以下的激光二极管。于是，相干长度典型地具有50μm的数量级。另一种可能的光源1是宽带纤源，例如掺铒纤，其有利地可由例如发射波长为980nm或1480nm的半导体激光器来泵浦。
用作图1中的相位调制单元PME的是调制器电路PME。后者在检测器侧具有端部3，并在传感器头侧具有端部4。这两个端部3、4由纤耦合器3、4形成。调制器电路PME在两个端部3、4之间具有两个纤分支。偏振器8或8′分别设置在两个纤分支的每个中。90°接头(splice)9作为改变偏振方向的装置9设置在纤分支的一个中。N＝3个压电相位调制器PM1、PM2、PM3被一个接一个地设置在另一个纤分支中。N是传感器的传感器头H1、H2、H3的数目。第一传感器头H1提供在传感器头侧的耦合器4的输出处。在传感器头侧的耦合器4的另一个输出处提供的是纤耦合器15，另外两个传感器头H2、H3连接到其两个输出。
所述三个传感器头H1、H2、H3具有相似的设计。它们各具有一个可选的光纤供应引线(fiberoptic supply lead)101、102、103，各具有一个相位延迟元件111、112、113，并且各具有一个传感器线圈121、122、123。为了清楚起见，将在以下描述10n、11n等。为了清楚起见，一些从该图的剩余部分或结合其它图得出的参考符号未在图中使用。所述相位延迟元件11n是λ/4元件，其产生90°相位延迟，或典型地位于90°附近的另一个相位延迟。它将光纤供应引线10n连接到传感器线圈12n的一个端部。传感器线圈12n包括磁光激活纤12n，其优选地具有圆芯横截面。传感器线圈12n的另一个端部13n是镜面化的，或具有镜面13n。每个传感器头Hn以线圈的形状设置在待测电流le1，n在其中流动的电流导体Cn周围。
在镜面化端部13n处的反射之后，光波再次返回。从相位调制单元PME在检测器侧的端部3开始，经由用于导引光的第二装置7，光从相位调制单元PME在检测器侧的端部3导至检测器2。
检测器2是光电检测器，例如光电二极管或光电倍增器。
传感器还具有包括信号处理器的控制和评估单元5。所述控制和评估单元5经由检测器信号线D连接到检测器2，并经由三个调制器信号线Mn连接到三个相位调制器PMn的每个。而且，所述控制和评估单元5还经由光控制信号线L连接到光源1。所述控制和评估单元5以输出信号Sn来评估发自检测器2的信号，所述输出信号Sn是待测电流le1，n或磁场的大小的量度。
设置在偏振器8、8′和相位延迟元件11n之间的光学元件是保偏的。这些有利地是具有椭圆芯横截面的光纤。分别设置在偏振器8、8′和光源1和检测器2之间的光学元件也有利地是保偏的。这对本发明的其它实施例也成立。
光源1所发射的光在所述耦合器3处优选地以强度比1∶1在调制器电路的两个纤分支之间分开。在所述偏振器8、8′中所述光被线性偏振。相互正交地偏振的光波然后由于所述90°接头9进入耦合器4。在90°相位延迟元件11n中，相互正交地偏振的光波被转换成左和右圆形偏振光波。由于待测电流的磁场，所述光波在传感器线圈12n中经历不同大小的相移。在镜面化端部13n处的反射后，所述圆形偏振光波在第二次经过90°相位延迟元件11n期间重新转换成相互正交地偏振的光波。由于非互易的法拉第效应，这些被转换的光波具有差分相移Δφn＝4·Vn·Rn·le1，n这里，Vn是传感器线圈12n的材料的Verdet常数(例如在820nm光波长，2.65·10-3Rad/A)；Rn是绕电流导体的传感器线圈的匝数；le1，n是在所述电流导体中流动的待测电流。相移非互易的事实意味着其累积并且不因为双重经过传感器线圈12n(在每种情况下，在相反方向上一次)而抵消。
当相位延迟元件11n不产生正好90°的相移时，导致椭圆形偏振的光，而非圆形偏振的光。与针对Δφn的指定等式相比，这导致对应的校正，并且这些从现有技术中是公知的。
非互易相移的、相互正交地偏振的光波经过相位调制单元PME。经由用于导引光的第二装置7，所述光从相位调制单元PME在检测器侧的端部3导至检测器2。第二装置7与第一装置6部分相同。它包括耦合器14并且在适当时，包括一个或两个另外的光纤件。光电二极管2作为检测器2使用。由法拉第效应所引起的非互易相移Δφ是待测电流大小的量度。
调制器电路PME用于对在相反方向上传播并且相互平行地偏振的两个光波的差分相位的非互易调制。所述干涉计的有效操作点因而在余弦干涉函数的线性区域中移动。用这种方式实现了对法拉第效应所引起的差分相移Δφ的检测的较高分辨率。
根据传感器头Hn的数目N，所述调制器电路PME包括三个优选的压电相位调制器PM1、PM2、PM3。压电相位调制器基本上包含一件压电材料和缠绕在所述压电材料上的一件光纤。所述相位调制器PMn的每个有利地以其谐振频率来操作。由于以谐振频率的操作，相对低的驱动电压(drivervoltage)已能足以为所述各个光波产生大的相位调制振幅φo，n。在相反方向上传播并且相互平行地偏振的两个光波之间的差分相移的振幅可以取为α0，n。调制频率可以取为vn。在光电二极管2的信号于是用调制频率vn及其谐波来调制。
第一步考虑这样的情况，在其中借助相位调制器PMn和单个调制频率vn来执行调制，并且有一个传感器头Hn，就是说N＝1且n＝1对于法拉第相移Δφn＜90°，可根据下式分别从第一谐波vn的光电二极管信号的振幅IDet，vn＝I0·J1(α0，n)·sinΔφn和第二谐波2·vn的IDet，2vn＝b，n·J2(α0，n)·cosΔφn来确定ΔφnΔφn＝arctan{[IDet，vn/IDet，2vn]·[J2(α0，n)/J1(α0，n)]}，I0，n是恒定的、通常未知的光振幅，而J1和J2分别是一阶和二阶的贝塞尔函数。
对于具有Δφn＜＜1(以弧度表示)的小法拉第相移Δφn，如下近似成立Δφn＝[IDet，vn/IDet，2vn]·[J2(α0，n)/J1(α0，n)].所描述的信号检测和评估的类型是所谓的开环检测。闭环检测作为开环检测的替换而存在。在闭环检测中，Δφn在相位调制器PMn通过施加适当的控制信号得到补偿。为了这个目的，光电信号的振幅被控制为零，优选地在第一谐波，就是说在IDet，vn。控制信号的振幅是Δφn和待测电流Ie1，n的量度。
差分相位的调制振幅α0，n由下给出α0，n＝2·φ0，n·sin(2πvnTn/2)，Tn是光的调制相关的循环时间。Tn利用调制相关的光路长度ln和真空光速c给出为Tn＝ln/c。所述光路长度是几何路径长度和有效折射率的乘积。当光学设计以这样的方式配置，使得光波既在经过第n个传感器头Hn之前又在经过第n个传感器头Hn之后在第n个相位调制器PMn中被调制时，Tn是光波在其从第n个相位调制器PMn行进到远至通过第n个传感器头Hn又返回到第n个相位调制器PMn时所需要的时间。ln是对应的光路长度。在具有包括相位调制器PMn并且两个纤分支有相同光学长度的调制器电路PMEn的反射设计的情况下，所述调制相关的循环时间Tn是光波在其从相位调制器PMn行进到远至传感器头Hn的镜面13n时所需要的时间的两倍(在向外的路径上经相位调制的波，在返回路径上行进经过不包括相位调制器的相位调制单元的纤分支)。对应地，ln则是从相位调制器PMn直至传感器头Hn的镜面13n的光路长度的两倍。在调制器电路PMEn有两个不同长度的纤分支的情况下，为了维持ln，有必要另外将第二纤分支比包括相位调制器PMn的第一纤分支长的那个光路长度差加给该光路长度。当第二纤分支比包括相位调制器PMn的纤分支短时，要加上的路径长度差是负的。所述调制相关的循环时间Tn在不同长度的纤分支的情况下有对应的表现针对所述路径长度差，必须以光波从相位调制器PMn直至传感器头Hn的镜面13n所需的时间的两倍加上另外的(正的或负的)时间差。
对于相位调制器PMn的给定驱动电压和由此导致的相位调制的振幅φ0，n，根据以上等式，α0，n对于以下是最大值ln＝(2p-1)·c/(2vn)， with p＝1，2，3…与之相比，对于以下，α0，n变为零，ln＝p·c/(2vn)， with p＝1，2，3…对所有n，相位调制振幅φ0，n和调制频率vn被选择为相应光路长度ln的函数。在这种情况下，通过被选择(在压电相位调制器的情况下)为对应相位调制器PMn的谐振频率，调制频率vn得到最有利的指定。
现在可以说以下涉及N≥2的情况，也就是说多个传感器头和多个调制频率的情况对于N≥2，添加进一步的边界条件，具体而言即对于n≠m，已经经过第n个传感器头Hn的光波在检测器2与已经过第m个传感器头Hm的光波不相干。对应的光波因而不能干涉，并因此避免了干扰叠加和互易影响。该条件是通过适当选择从光源1经由第n个传感器头Hn到检测器2(或2n)的光波所覆盖的总光学循环长度Λn来获得的。
此外，还有利地满足了通常基本上更严格的条件，即对于n≠m，项(Λn-Λm)·Δngr基本上比所述光源1的相干长度大。在这种情况下，Δngr是用于两个相互正交的光模式(light mode)的群折射率之间的差。满足该条件防止已经由非理想模式耦合产生的光波导致干扰干涉信号。
经第n个相位调制器PMn调制并来自第m个传感器头Hm的信号到达检测器2；1≤n，m≤N。在第一谐波(vn)的情况下，这样的信号IDet，m，vn并且在第二谐波(2vn)的情况下，这样的信号IDet，m，2vn，由以下给出IDet，m，vn＝J1(α0，n)·sinΔφm·sin(2πvnt)IDet，m，2vn＝J2(α0，n)·cosΔφm·sin(4πvnt).所述相位调制器PMn的驱动电压，及因此的相位调制振幅φ0，n连同对应的调制频率vn，被选择为所述光路长度ln的函数。特别地，φ0，n和vn优选地以如下被选择，使得对于n＝m，差分相位的调制振幅α0，n的每个具有值α0，n＝1.84。第一贝塞尔函数J1的第一最大值处于值1.84(以弧度表示)。以这种方式有可能获得最优信噪比，特别是对于每个传感器头Hm的信号。依赖于所述光路长度，对于n≠m，α0，n一般不同于最优值(1.84)。
可借助于频率滤波在控制和评估单元5中使分别处于频率vn和2vn的信号IDet，m，vn和IDet，m，2vn彼此分开。为了这个目的，调制频率vn以这样的方式选择，使得vi≠vjand2·vi≠vj成立，i、j是整数，其中i≠j并且1≤i、j≤N，N表示所述传感器的传感器头Hn的数目，其在图1的示例性实施例中被选择为N＝3。
原则上也有可能在确定法拉第相移Δφn时以其它谐波来工作，例如作为第一和第二谐波的替换或除第一和第二谐波以外，以第三和第四谐波来工作，以便于确定待测电流。用于调制频率选择的条件然后要相应地适配以便没有一个所使用的谐波与另一个频率或其谐波重合。根据以上等式类推，然后对于所有正整数z，以下因而是成立的p·vi≠z·vjandq·vi≠z·vj，i、j是整数，其中i≠j并且1≤i、j≤N，并且p、q是彼此不同的正整数。然后对所述调制频率vn的第p和第q个谐波执行检测。
由于在根据图1的设计中，发自三个传感器头Hn之一的每个光波用所有三个相位调制器PMn来调制，需要能够在控制和评估单元5中将这些信号彼此分开，并且将它们分配到相应的待测电流。为了这个目的，利用了时分复用的方法，借助于该方法，来自各个传感器头Hn的信号可在时间上被区分。
图2概略地示出用于图1的示例性实施例的信号的时间分布图。横轴是时间轴t。纵轴示出在检测器2(实线)和在光源1(虚线)的光强度。所述光源1以脉冲方式操作，其具有脉冲持续时间τ和脉冲间隔Δt。对所述光源的控制经由光控制信号线L借助于控制和评估单元5来执行。光波从光源1经由第n个传感器头Hn到检测器2所覆盖的总光学循环长度Λn以这样的方式来选择，使得经过各个传感器头的脉冲在光电二极管2在时间上分开。为了这个目的，总光学循环长度Λn必须彼此相差c·τ以上。对于例如τ＝1μs的脉冲持续时间，路径长度差(出去和返回一起)必须大于大约200m，并且例如为300m。但是，最近的线圈的光路长度，即最小的Λn，可以小于c·τ。来自各个传感器头Hn的干涉光学信号然后在对应的时间窗到达光电二极管2，就是说在时间上间隔开。在N个传感器头的情况下，正好N个脉冲以光源1所发射的每个光脉冲的时间延迟Δτn，n＝1，2，...，N(Δτn从光源1中的光脉冲的产生开始测量)记录。到达所述检测器的每个光脉冲包括以所有调制频率vn及其谐波调制的信号。
图2示出在其中所述段(segemnt)根据Λn＝n·Λ1交错的情况。第n个总循环长度Λn和第(n+1)个总循环长度Λn+1之间的路径长度差因而正好为Λ1。对于Λ1＝300m，在检测器2的脉冲的时间延迟于是为Δτn＝n·1.5μs。在这种情况下，对应于所提到并示出的实例中的4.5μs，所发射的脉冲的时间间隔Δt(脉冲间隔Δt)必须为至少Δt-≥τN＝N·τ1。显然，基本上大于1μs的脉冲持续时间τ必然伴有很长的光纤段的缺点。路径长度差Λn+1-Λn必须另外满足大于所述光源1的光的相干长度的条件。
作为压电晶体谐振频率的典型调制频率vn具有从10kHz到几个100kHz的数量级。因此，大约1μs的激光脉冲的典型脉冲持续时间τ基本上短于信号IDet，m，vn和IDet，m，2vn的周期1/vn和1/(2vn)。为了采样信号IDet，m，vn和IDet，m，2vn的一个或多个周期，因此需要对应大数量的脉冲，并且脉冲1/Δt的重复频率必须不同于vn和2vn。
从1MHz到超过10MHz的范围中的相对高的调制频率vn，可以用例如铌酸锂基底上的集成光学调制器PMn或借助于提供有压电涂覆层的光纤段来实现。信号IDet，m，vn和IDet，m，2vn的一个或多个周期于是可以在光脉冲内被采样。
图3中示出本发明的另外的有利实施例。它在很大程度上对应于图1示出的实施例，并将从那里开始描述。在本质上，这里调制器电路PME被替换成包括作为相位调制器PM的集成光学调制器PM的相位调制单元PME。该相位调制单元PME进一步包括在光学上连接于耦合器14的(单个)纤偏振器8，和设置在偏振器8和集成光学调制器PM之间的45°接头9′。纤偏振器8用于线性地偏振光波。45°接头9′产生相互正交地偏振的光波。相位调制单元PME在传感器头侧的端部4优选地由(不对称的)1x2纤耦合器16形成。
尽管图3中未示出，作为替换，有可能以如下方式来设计集成光学相位调制器PM，使得其不仅产生相位调制，还接管纤耦合器16的功能，就是说将光波分成两个光波列(lightwave train)，一个用于第一传感器头H1，并且一个用于另外两个传感器头H2、H3。
仅一个相位调制器PM需要仅一个调制器信号线M而不是三个调制器信号线Mn。
在图3中，所述控制和评估单元5向集成光学调制器PM传送调制器信号，其允许用N个不同调制频率v2的同时相位调制，N＝3。调制器信号因而是频谱或所述N个频率vn的叠加。所述集成光学相位调制器调制在同一方向上传播的相互正交地偏振的光波的相位，这是通过对双折射的直接调制来进行的。
也如同在图1的示例性实施例中，由于在图3的示例性实施例中提供了对来自所有三个传感器头Hn的光波进行相位调制所借助的仅一个相位调制单元PME，该传感器也可以以时分复用方法来操作，例如用结合图1和图2描述的方法。
图4示出本发明的进一步的有利实施例。又一次，这是具有光源1、检测器2、控制和评估单元5和N＝3个传感器头Hn的处于反射配置的传感器。但是，所述传感器有N＝3个相位调制单元PMEn，每个具有一个相位调制器PMn。三个传感器头Hn具有相似的设计。其设计对应于结合图1描述的传感器头。三个相位调制单元PMEn的每个具有与结合图3描述的相位调制单元相同的设计。因此，有可能借助于所述相位调制器PMn的每个来调制在同一方向上传播的相互正交地偏振的光波的差分相位。这是借助于对双折射的直接调制来执行的。相位调制器PMn有利地设计为集成光学相位调制器PMn。
经由用于将光源1的光导入相位调制单元PMEN在检测器侧的端部3n的第一装置6，光被导入三个相位调制单元PMEn的每个中。这些第一装置6包括两个纤耦合器14和17并且在适当时包括另外的光纤件。所述纤耦合器14和17有利地以这样的方式设计，使得基本上相同的光强度被耦合到每个相位调制单元PMEn中。在每种情况下，每个相位调制单元PMEn在其传感器头侧的端部4n光学连接到一个传感器头Hn。经由用于将光从相位调制单元PMEn在检测器侧的端部4n导至检测器2的第二装置7，从传感器头Hn返回的光被馈送给检测器2。这些第二装置7包括两个纤耦合器14和17并且在适当时包括另外的光纤件。
在根据图4的设计中，所述评估不需要时分复用方法，因为在第n个相位调制单元PMEn中，只有在第n个传感器头Hn中经历了法拉第相移Δφn的那些光波得以相位调制。来自第n个传感器头Hn的信号以相应的调制频率vn来调制，并因而可以在所述控制和评估单元中通过分配频率或通过频率滤波而唯一地分配。所述光源1可以在cw模式下，即连续地操作。因而得到了基本上改进的信噪比。在这样的cw操作的传感器中不需要光控制信号线L。
如同在以上的示例性实施例中，对于根据图4的传感器，所述总光学循环长度Λn也被以这样的方式选择，使得干扰叠加和互易影响得以避免所述N个总循环长度Λn因而彼此相差至少所述光源1的相干长度。此外，以下条件也有利地得到满足，即对于n≠m，项(Λn-Λm)·Δngr基本上大于所述光源1的相干长度。
由于可以为每个传感器头Hn各选择一个调制频率vn，在每种情况下所述频率可以选择成使得对差分相位的调制得到最优振幅α0，n，并且因此得到最优信噪比。
有利地用闭环检测来操作具有集成光学相位调制器的传感器。调制频率vn的一半的倒数在这种情况下对应于光的调制相关的循环时间Tn，并且法拉第相移Δφn在调制器得以补偿。
图5示出进一步的实施例，其与图4的实施例相似并从此开始描述。代替具有集成光学相位调制器PMn的相位调制单元PMEn，图5中提供具有压电相位调制器PMn的调制器电路PMEn作为相位调制单元PMEn。结合图1并在以上提到的EP 1 154 278 A2中描述了调制器电路PMEn。每个相位调制器PMn调制在彼此相反的方向上传播并彼此平行地偏振的两个光波的差分相位。
图6示出处于Sagnac配置的具有N＝3个传感器头Hn的电流传感器。因此，所述三个传感器头Hn每个连同传感器的剩余光学结构的部分形成Sagnac干涉计。从图4中的设计开始描述该设计。与图4相比，在图6中所述三个相位调制单元PMEn、所述三个传感器头Hn和所述用于导引光的装置6、7是以不同方式设计的。所述传感器头Hn具有两个馈线(feeder)纤10n、10n′而不具有镜面化端部。相位调制单元PMEn的每个基本上上由一个相位调制器PMn组成，其每个可以是，例如，集成光学相位调制器PMn或，如图6所示的压电相位调制器PMn。在作为所述用于导引光的装置6、7的部分的纤偏振器8n之后不是转动接头(turned splice)而是简单的非旋转接头，其因而未被示出。所述第一装置6和第二装置7包括纤耦合器18n。所述传感器Hn的馈线纤10n直接光学连接到耦合器18n在传感器头侧的输出端之一。耦合器18n在传感器头侧的另一个输出端分别光学连接到相位调制单元PMEn或相位调制器PMn。相位调制单元PMEn又光学连接到传感器头Hn的馈线纤10n′。有利地，对于耦合器18n的相位调制器PMn的间隔δ，Δngr·δ小于所述光源1的光的相干长度是成立的，Δngr是两个相互正交的光模式的群折射率之间的差。
在这样的具有Sagnac配置的传感器的情况下，在相反方向上传播且相互平行地偏振的光波由所述N个相位调制器PMn的每个来进行相位调制。
图7示出本发明的进一步的有利实施例。这个传感器类似于图5中示出的传感器并从此开始描述。取代检测器2，根据图7的传感器具有N＝3个检测器2n。这些在每种情况下被设置在耦合器14、17和33的避开相应传感器头Hn的臂上。每个检测器2n经由检测器信号线Dn连接到所述控制和评估单元5。三个检测器2n的每个用于检测发自相应传感器头Hn的信号。与根据图5的设计相比，对应的光波因而通过较少的耦合器。因此，产生较少的强度损失并且可以检测到较高的光功率。这导致较好的信噪比。此外，所讨论的其他实施例也可以以类似方式被提供有N个检测器2n。
为了实现实质上完美的互易性，及因此实现在进行测量时所述传感器的稳定性，所述检测器2n被设置在所述耦合器上。检测器21和22在图7中设置在互易输出(reciprocal output)，但是，检测器23不是这样。当通过与检测器23类比将检测器2n的每个设置在相应的耦合器3n，于是将检测器2n的每个设置在非互易输出时，得到其中可检测到更多光功率的可替换设计(未示出)。
在调制电路PME、PMEn的情况下，用于改变偏振方向的装置9可以不与任何、与一个或与几个相位调制器PM、PMn一起被设置在同一纤分支。当几个相位调制器被设置在一个调制电路中时，这些可以交替分布在两个纤分支上。在调制器电路中，以相同频率vn操作的两个或更多相位调制器取代以该频率vn操作的单个相位调制器也是可能的。这些相位调制器可以设置在调制器电路的相同或不同纤分支。
举例而言，代替仅一个相位调制器PMn，在诸如在图6中的具有Sagnac配置的设计中每个传感器头Hn设置几个相位调制器PMn也是可能的。在相应传感器线圈12n的相同或不同端部的设置将是可能的。
原则上，在所讨论的示例性实施例中所述耦合器的分配比(divider ratio)有利地以这样的方式选择，使得基本上相同的光强度耦合到每个传感器头Hn中。
原则上，在所讨论的示例性实施例中，所述耦合器的数目和设置以这样的方式有利地选择，使得对所有光路径获得互易性。这意味着由于所述传感器的设计，没有非互易的相移发生，而只有待检测的非互易法拉第相移Δφn，以及相位调制引起的准静态相移，其用于在检测和评估期间的操作点的有效移动。例如，如果所述两个耦合器14和3被单个耦合器代替，则根据图1的设计将不再是互易的，并且因此对于干扰影响(机械的、热的)是脆弱的。
取代两个串联连接的耦合器，利用将一个或两个光路径耦合到多于两个的光路径的单个耦合器在原则上也是可能的。例如，在图1中所述耦合器4和15将相应地替换成具有两个输入和三个输出的2x3耦合器，在该情况下，一个传感器头Hn将各经由一个光学供应引线10n耦合到三个输出的每个。但是，这必然需要对所述耦合器的偏振的足够保持。
当然，所描述的各种类型的相位调制器单元PME和相位调制器PM可组合于传感器中。而且，设想不同于压电和集成光学相位调制器的相位调制器也是可能的。
对于所描述的传感器，有利的是它们仅需要单个控制和评估单元5，及仅单个的信号处理器。更有利的是仅需要单个光源1。更有利的是有可能处置单个检测器2。所有这些优点导致所述传感器的简单且成本有效的设计。
根据本发明的传感器可以用于测量N个电流或N个磁场。冗余地使用传感器头Hn中的一些也是可能的。例如，在N＝6个传感器头Hn的情况下，有利地，有可能在每种情况下两个传感器头测量电高压系统的相同相电流。两个传感器头的一个有利地具有较多匝的传感器线圈，并且用于精确电流测量的目的，例如用于电力计费(power billing)，而另一个有较少匝的传感器头具有较大的测量范围并被用于电力系统保护的目的，在短路的情况下有可能利用它来明确地测量过电流。
另外两种方法在以下描述，并且由于可以为所述N个传感器头Hn的每个最优地设置差分相位的振幅α0，n的事实(比较图1和3的设计)，所述两种方法可以用于在时分复用方法中借助于仅一个相位调制器PM和仅一个调制频率v来实现好的信噪比。
这可以通过适当选择从所述光源经由第n个传感器头到所述检测器的各个总光学循环长度Λn之间的差来实现。例如，通过适当选择总循环长度Λn，最近的传感器头(最小的Λn)的振幅α0，n被最优地选择。这意味着，在以第一和第二谐波检测的情况下，这是α0，n＝1.84。已经提及的等式α0，n＝2·φ0，n·sin(2πvTn/2)现在可以被用于选择涉及下一个最长总光学长度Λn的段增量，使得正弦项的自变量的变化量为π2πvnΔT/2＝2πvΔΛ/c＝π并且因此ΔΛ＝c/2v，ΔΛ是段增量，最小总光学循环长度Λn必须被延长该增量以实现变化量π，并且ΔT是对应的光循环时间的最小延长。若与最小的Λn相比，另外的总光学循环长度Λn被增加ΔΛ的倍数，则对于所有具有最优信噪比的传感器头，所述检测是可能的。对于130kHz的调制频率，ΔΛ＝796m。调制频率v选择得越高，所需要的纤长度越小。
通过在时分复用方法中对所有传感器头Hn使用仅一个相位调制器PM和仅一个调制频率v将振幅α0，n设置成其最优值(例如1.84)的第二种可能性在于，借助于适当选择所述相位调制器的驱动电压在适当的时间窗内对相位调制的振幅φ0，n做出适当选择。因此(比较图2)，当从来自所述光源1的光脉冲开始之后的时间Δτ1开始检测到发自第一传感器头H1的信号时，按照使α0，1最优的方式来选择相位调制的振幅φ0,1。当从来自所述光源1的光脉冲开始之后的时间Δτ2开始检测到发自第二传感器头H2的信号时，按照使α0，2最优的方式来选择相位调制的振幅φ0，2，在该情况下α0，1和α0，2和对应驱动电压及φ0，1和φ0，2通常具有不同大小。注意在低调制频率v的情况下，改变相位调制的振幅φ0，n所需要的时间可基本上长于所述光脉冲的重复频率1/Δt。在这个所述振幅被改变的死时间(dead time)期间，信号的增益被中断，并且因此导致恶化的信噪比。
参考符号列表1 光源2、2n检测器、光电二极管3、3n相位调制单元在检测器侧的端部；纤耦合器4、4n相位调制单元在传感器头侧的端部；纤耦合器5 控制和评估单元信号处理器6 第一装置(用于将光源的光导入相位调制单元在检测器侧的端部)7 第二装置(用于将来自相位调制单元在检测器侧的端部的光导至检测器)8、8n偏振器，纤偏振器8′、8′n偏振器，纤偏振器9、9n用于改变偏振方向的装置，90°接头9′、9′n用于改变偏振方向的装置，45°接头10n光纤供应引线11、11n相位延迟元件，λ/4元件12n传感器线圈，磁光激活纤13n镜面，镜面化端部14 纤耦合器15 纤耦合器16 纤耦合器17 纤耦合器18n纤耦合器Cn电流导体D、Dn检测器信号线
Hn传感器头Ie1，n待测电流ln调制相关的光路长度L 光控制信号线M、Mn调制器信号线N 整数，其中N≥2；传感器头的数目Δngr用于两个相互正交的光模式的群折射率之间的差P 正整数PM、PMN相位调制器，压电调制器，集成光学调制器PME、PMEn相位调制单元，调制器电路q 正整数Sn输出信号Tn调制相关的循环时间Δt 光脉冲间隔V (传感线圈的)Verdet常数α0，n差分相位调制的振幅δ(在Sagnac配置中相位调制器与耦合器的)间隔Δφn基于法拉第效应的差分相移Λn总光学循环长度(从光源1经由第n个传感器头到第n个检测器)vn调制频率φ0，n相位调制的振幅τ(时分复用情况下的光脉冲的)脉冲持续时间Δτn光脉冲从光源到检测器的过渡时间。
权利要求
1.一种光纤传感器，用于测量至少一个电流或磁场，具有光源(1)，N个传感器头(H1，H2，H3)，其可以在电流导体(C1，C2，C3)周围或沿磁场以线圈形状设置，N是整数，其中N≥2，至少一个相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)，具有至少一个相位调制器(PM；PM1，PM2，PM3)，至少一个检测器(2；21，22，23)，以及控制和评估单元(5)，其经由至少一个检测器信号线(D；D1，D2，D3)连接到所述至少一个检测器(2；21，22，23)，并且经由至少一个调制器信号线(M；M1，M2，M3)连接到所述至少一个相位调制器(PM；PM1，PM2，PM3)，第一装置(6)被提供用于将来自光源(1)的光导入相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)在检测器侧的端部(3；31，32，33)，第二装置(7)可用于将来自相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)在检测器侧的端部(3；31，32，33)的光导至检测器(2；21，22，23)，所述至少一个相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)具有在传感器头侧的另外的端部(4；41，42，43)，其在光学上连接到至少一个所述传感器头(H1，H2，H3)，并且其中借助于所述至少一个相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)，可以以非互易的方式对线性偏振的光波进行差分相位调制，特征在于N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn被提供用于非互易差分相位调制，以如下方式选择调制频率vn和两个可指定的正整数p、q，其中p≠q，使得对于所有正整数z和所有整数n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且调制振幅φ0，n和调制频率vn被选择为调制相关的光路长度ln的函数。
2.权利要求1的传感器，特征在于提供了正好一个控制和评估单元(5)，其中发自各个传感器头(H1，H2，H3)并且经由至少一个检测器信号线(D；D1，D2，D3)馈送到控制和评估单元(5)的信号可借助于频率滤波而彼此区分，有可能将这些信号转换成N个输出信号Sn，特别地，对于每个n，其中1≤n≤N，有可能在控制和评估单元(5)中根据处于频率p·vn和q·vn的信号来确定输出信号Sn。
3.权利要求1或2之一的传感器，特征在于提供了正好一个相位调制单元(PME)，并且在于提供了N个反射干涉计，该N个反射干涉计中的每个包括所述N个传感器头(H1，H2，H3)中的正好一个，并且所述N个传感器头(H1，H2，H3)在每种情况下具有镜面化端部(131，132，133)。
4.权利要求3的传感器，特征在于光源(1)经由光控制信号线(L)连接到控制和评估单元(5)，并且在于提供时分复用方法用于测量。
5.权利要求3或4之一的传感器，特征在于相位调制单元(PME)(a)是调制器电路(PME)，具有N个相位调制器(PM1，PM2，PM3)，特别是压电相位调制器(PM；PM1，PM2，PM3)，N个相位调制器(PM1，PM2，PM3)中的每个被分配给N个调制频率vn中的正好一个，并且在于N个相位调制器(PM1，PM2，PM3)中的每个可以以分配给它的调制频率vn来操作，并且在于可调制被彼此平行地偏振的反向引导的光波的差分相位，或者(b)包括单个相位调制器(PM)，特别是集成光学相位调制器(PM)，其允许用N个各种调制频率vn的同时相位调制，并且有可能调制在同一方向上传播并且被相互正交地偏振的光波的差分相位。
6.权利要求1或2之一的传感器，特征在于提供了N个相位调制单元(PME1，PME2，PME3)，每个具有一个相位调制器(PM1，PM2，PM3)，第n个相位调制单元(PMEn)在光学上连接到第n个传感器头(Hn)，并且有可能以调制频率vn来操作第n个相位调制器(PMn)，且各相位调制器(PM1，PM2，PM3)每个经由一个调制器信号线(M1，M2，M3)连接到控制和评估单元(5)。
7.权利要求6的传感器，特征在于提供了N个反射干涉计，该N个反射干涉计中的每个包括所述N个传感器头(H1，H2，H3)中的正好一个，并且所述N个传感器头(H1，H2，H3)在每种情况下具有镜面化端部(131，132，133)，并且在于(a)所述相位调制单元(PME1，PME2，PME3)是调制器电路(PME1，PME2，PME3)，并且在于有可能借助于相位调制器(PM1，PM2，PM3)来调制被彼此平行地偏振的反向引导的光波的差分相位，并且特别在于所述相位调制器(PM1，PM2，PM3)是压电相位调制器(PM1，PM2，PM3)，或者(b)所述相位调制器(PM1，PM2，PM3)中的每个可调制在同一方向上传播的、相互正交地偏振的光波的差分相位，并且特别在于所述相位调制器(PM1，PM2，PM3)是集成光学相位调制器(PM1，PM2，PM3)。
8.权利要求6的传感器，特征在于提供了N个Sagnac干涉计，该N个Sagnac干涉计中的每个包括所述N个传感器头(H1，H2，H3)中的正好一个，并且在于各相位调制单元(PME，PME2，PME3)每个基本上是一个相位调制器(PM1，PM2，PM3)，有可能借助于相位调制器(PM1，PM2，PM3)来调制被彼此平行地偏振的反向引导的光波的差分相位，并且特别在于所述相位调制器(PM1，PM2，PM3)是压电相位调制器(PM1，PM2，PM3)或集成光学调制器(PM1，PM2，PM3)。
9.前述权利要求之一的传感器，特征在于进行选择p＝1和q＝2，并且在于以如下方式选择N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn，使得对于所有的n，其中1≤n≤N，对线性偏振光波的差分相位的调制的振幅α0，n处于1.7和2.0之间，特别是1.8和1.88之间，或者基本上是1.84。
10.前述权利要求之一的传感器，特征在于(a)提供正好一个检测器(2)，或者(b)提供N个检测器(21，22，23)，各检测器(21，22，23)每个经由一个检测器信号线(D；D1，D2，D3)连接到控制和评估单元(5)。
11.前述权利要求之一的传感器，特征在于N＝3或N＝6，并且电高压系统的三相的电流在N＝3的情况下每个可借助于一个传感器头(H1，H2，H3)来测量，或者在N＝6的情况下每个能够借助于两个传感器头(Hn)来测量。
12.一种用于测量至少一个电流或至少一个磁场的方法，光源(1)发射光波，该光波被转换成线性偏振的光波，并且该线性偏振的光波被导入N个传感器头(H1，H2，H3)，其中所述光波经历相移，所述相移依赖于待测电流或磁场，N是整数，其中N≥2，并且所述光波在至少一个检测器(2；21，22，23)中被检测，并且所述光波在具有至少一个相位调制器(PM；PM1，PM2，PM3)的至少一个相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)中经历非互易差分相位调制，光波既在其从光源(1)到传感器头(H1，H2，H3)的传播期间又在其从传感器头(H1，H2，H3)到所述至少一个检测器(2；21，22，23)的传播期间经过所述至少一个相位调制单元(PME；PME1，PME2，PME3)，并且控制和评估单元(5)被用于控制所述至少一个相位调制器(PM；PM1，PM2，PM3)和评估发自所述至少一个检测器(2；21，22，23)的信号两者，特征在于用N个调制振幅φ0，n和N个调制频率vn以非互易的方式对所述光波进行差分相位调制，以如下方式选择调制频率vn和两个可指定的正整数p、q，其中p≠q，使得对于所有正整数z和所有整数n、m，其中n≠m且1≤n、m≤N，如下是成立的p·vn≠z·vm且q·vn≠z·vm，并且调制振幅φ0，n和调制频率vn被选择为调制相关的光路长度ln的函数。
全文摘要
本发明涉及一种包括几个传感器头(H)的光纤电流和磁场传感器，以及对应的测量方法。所述传感器包括光源(1)；N≥2个传感器头(H)；至少一个相位调制单元(PME)，至少包括相位调制器(PM)；检测器(2)；控制和评估单元(5)。所述相位调制单元(PME)在光学上连接到所述至少一个传感器头(H)并且使能对线性偏振的光波的差分和非互易相位调制。提供N个调制振幅φ
文档编号G01R15/24GK1742207SQ03825967
公开日2006年3月1日 申请日期2003年2月14日 优先权日2003年2月14日
发明者克劳斯·博纳特, 菲利普·加比斯, 胡贝特·布兰德勒 申请人:Abb研究有限公司