[发明专利]用于以对温度的固有不灵敏度的电流感测的自旋高双折射光纤

说明书

技术领域

本发明涉及自旋双折射光纤和包括这种光纤的电流传感器以及这种光纤对电流或磁场的测量的使用。

背景技术

光纤电流传感器通常基于缠绕在电流导体周围的光学感测光纤中的磁光法拉第效应。在感测光纤的封装中必须注意，使得机械应力没有阻碍经由弹光耦合以所要求的精度的电流测量。电功率系统中的典型精度要求是在对例如从-40℃一直到85℃的温度范围的或者甚至之内的信号稳定性。基本上存在用于光纤电流传感器的两种类型的感测光纤：

(i) 低双折射感测光纤理想地没有显示本征线性双折射，并且因此对磁光法拉第效应完全灵敏。但是，将光纤弯向感测线圈并且以低温硬化光纤涂层引入机械应力，其能够显著影响电流测量。一些现有技术中采用低双折射感测光纤的电流传感器相应地包括被剥的感测光纤、即没有涂层并且驻留在充油玻璃毛细管中的光纤。

(ii)另外，现有技术使用自旋高双折射感测光纤[1]。这种光纤是椭圆形双折射的，其通过具有沿光纤旋转的主轴的局部线性双折射来实现。这类光纤通常通过在拉制过程期间旋转光纤预制体（fiber perform）来产生。局部线性双折射能够通过相同光纤设计(其用于线性双折射并且因而用于偏振保持光纤[2])来实现。这类设计能够基于应力诱导双折射(例如熊猫、蝶形领结[1]和椭圆包层结构)、几何诱导双折射(例如在微结构化光纤中[3])或者应力和几何诱导双折射的组合(例如在椭圆芯光纤中[4])。自旋高双折射光纤的旋转本征双折射基本上使光纤对外部机械应力不太灵敏，同时光纤仍然显示对磁光法拉第效应的恰当灵敏度。相应地，与低双折射感测光纤相比，这个光纤实现简化光纤封装。

但是，自旋光纤的双折射的温度相关性通常增加对总体信号的附加温度相关贡献（contribution）。首先，存在产生于具有温度相关相位差的光波集合的干扰的作为温度的函数的振荡不稳定性[1]。现有技术使用若干矫正以去除这个振荡行为。示例是充分长的感测光纤与宽带光源结合的使用[1]、纯本征模到感测光纤中的注入[4]、由以自旋的反指向的两个自旋高双折射光纤所组成的感测光纤的使用[10]以及具有小温度相关双折射的自旋高双折射光纤的使用[3]。

其次，与采用低双折射感测光纤的对应传感器[1]相比，自旋光纤的双折射降低电流传感器的总体灵敏度。自旋光纤的双折射随温度的变化相应地还改变传感器的灵敏度并且对应地改变许多光纤电流传感器配置中的传感器比例因子[1]。这通常引起随温度的主要线性比例因子变化。现有技术的自旋双折射光纤显示其双折射的负(或等于零[3])的温度相关性，即，其双折射随温度降低，并且相应地增加采用这个光纤的电流传感器的比例因子。这个线性或接近线性温度相关贡献具有与法拉第效应的温度变化相同的符号并且通常还具有相同的数量级，其对熔融硅石光纤合计为大约 [6]。相应地，在没有用于温度补偿的另外的部件的情况下，采用高双折射自旋光纤的光纤电流传感器能够总共具有能够达到几个百分点/100℃的温度相关性。

发明公开

因此，要通过本发明解决的问题是要提供具有降低温度灵敏度的上述类型的光纤和传感器。

这个问题通过独立权利要求的光纤和传感器来解决。

相应地，光纤是具有局部线性双折射的自旋双折射光纤。在这个上下文中，术语“局部线性双折射”表示等效未自旋（unspun）光纤将会具有的双折射。优选地(但是不一定)，局部线性双折射的幅值沿光纤保持为恒定。

光纤是这样的以致于双折射的相对温度相关性对于至少一个波长λ并且对于-60℃与120℃之间的至少一个温度T大于零。

换言之，对于-60℃与120℃之间的至少一个温度状况，双折射(的绝对值)随着温度增加而增加。

如以下所述，这种正相对温度相关性引起光纤材料的维尔德常数V的温度相关性的固有至少部分补偿。

有利地，在所述温度T和波长λ，光纤具有至少或者甚至至少的局部线性双折射。

此外，再次至少在所述波长λ和所述温度T，光纤的自旋率(即，对长度的单位为弧度的角旋转)有利是这样的，以致于处于1与10之间，其中是通过所给出的每单位长度的局部线性双折射相移。如从下式(2)能够看到，参数x的过低值(即，过低的自旋率或者过高的双折射)引起自旋光纤比例因子K的极小值，即，传感器灵敏度降低。另一方面，如果参数x大于10，则光纤表现为越来越像低双折射光纤，并且失去它对机械应力的灵敏度。