[发明专利]用于电流强度测量的光纤装置

说明书

本发明涉及一种光纤装置，通过它可利用法拉第效应来测量电流强度，环绕着电流所流经的导体的磁场可影响光的偏振状态，而光通路经过以线圈形式环绕着该导体的光纤芯部，由光纤引出的光用一分束器分成两部分光束，在分别通过一起偏器之后它们的强度分别用一光探测器测出。

这种装置特别适用于高压系统中，用来测量处于高电位的线路中的电流。由于光束波导（beam    waveguide）是用已知为良好电绝缘体的玻璃制成的，连接到地电位的显示装置相对于所测量和显示的电流流经的处于高电位的导体的绝缘是不成问题的。

这种装置见于DE-AS2261151，其中由一光源发出的光经一起偏器被引向一个半透明片。由此处，偏振光进入一根其一部分绕成线圈的光纤（此处称为光束波导），一高压导体沿其轴向延伸，而被测电流流经该导体。在其端头，该光纤线圈有一镜面化表面，或在那里设有一反光镜。偏振光通过整个光纤，由于法拉第效应的结果在光纤呈线圈形部分的内部产生与磁场有关的偏振面旋转，所述的磁场是由流过导体的电流形成的。在线圈的端头，光束被反射回去，并再次通过该线圈，在这种情况下又会出现偏振平面的旋转。在偏振平面中旋转的光从光纤中射出，穿过半透明片，进入一能够确定并显示进入光纤的光的偏振平面与从光纤发出的偏振平面之间的角度的分析装置，在这种情况下，该角度的大小正比于对磁场强度作的路径积分值。

根据DE-AS2835794，也可见到一种利用法拉第效应来测量电流强度的光纤装置，其中环绕着电流流经的导体的磁场影响光的偏振状态，而光通路通过以线圈形式环绕该导体的光纤的芯部。不同于DE-AS2261151，在这种装置情况下，在光纤的一端没有反射面，而光是从一端引入并从另一端再引出的，在这种情况下用光纤绕成的线圈必须有两倍的匝数，以求获得相同的偏振平面旋转角度，因为光只通过线圈一次。

在上述两种情况下，分析装置中包括一分束器，可将引出的光分成两部分光束，在光束通过两个相互垂直取向的起偏器之后，它们的偏振平面相互垂直，而它们的强度可用两个光探测器测出，于是它们的光通量将为：

I₁＝I₀（1+Sin2θ）

和：

I₁＝I₀（1-Sin2θ）

其中角度θ是这样一个角度，在该角度上能使馈入光纤中的光的偏振面在穿过整个光纤时产生偏转，而且该角度与V、N、I的乘积成正比。

围绕载流导体的光纤匝数为N。与材料有关的比例常数可确定为：

V＝2.6·10⁴rad/A（弧/安）

由两个光通量，根据：

U_A＝ (I₁-I₂)/(I₁+I₂) ＝Sin2θ＝Sin2·V·N·I

于是得到输出信号UA，它是被测电流的正弦函数。

为了降低必须实时进行的计算的费用，测量元件设计得使与电流相关的角度θ保持较小。因而正弦函数可作线性近似，因为小角度的正弦值近似等于该角度。

此外，很大的电流，例如短路电流，可引起超过45度的光偏振平面旋转，而无法用上述方法检测出来，因为正弦函数只有在-90度到+90度的角度范围内才是正负明确的。由于这个原因，例如，在DE-AS2541027所述的一种已知方法中，用一个单独的补偿线圈和一个速控环，消除了偏振平面的旋转。作为对电流截止相位的不可避免的调节量值限制的结果，动态范围和带宽都很小。此外，这些截止相位的较高能耗也妨碍了这种想法的应用。

本发明的一个目的就是提供一种最初说明的光纤装置，能够进行更大范围电流的检测而不增加能耗。

这个目的的实现是通过使起偏器相互对称以其他角度可转动地设置，而不是以常规的45度角设置。

根据本发明的优点的进一步扩展，起偏器和引入光纤的光的偏振面之间的角度被选在+20度和+40度之间或者在-20度和-40度之间。

由本发明获得的优点特别在于对于很大的偏振面旋转，输出电压U_A的线性近似仍然成立。结果，与在已知装置的分析手段相比，动态范围得以扩大。通过加上计算机的支持分析手段可直接检测光通量I₁和I₂，超过45度的偏振平面旋转仍可检测出来。

一个实施例如图所示，并在下面作详细说明。

图1为本发明所述装置的示意性结构图;而