[发明专利]借助法拉第效应测量磁场的方法和装置

说明书

本发明涉及一种借助于法拉第效应测量磁场，尤其是用于测量在导线中流动的电流的方法和装置。

利用法拉第效应测量在导线中流动的电流的光学测量装置已为公众所知，这种装置也被称作磁光电流互感器。根据法拉第效应，在介质中传输的线性偏振光的偏振面当存在磁场时将发生偏转。在此偏转的角度与以Verdet常数作为比例常数的沿着光线经过路径的磁场积分成比例。Verdet常数与光线传输的材料有关，与波长有关并与其它的影响材料特性的干扰因素，例如温度和机械应力状态有关。为了测量电流，法拉第元件设置在电流导线附近，该元件包括一个光学上透明的、能显示法拉第效应的材料。线性偏振光被耦合进这个法拉第元件。由电流产生的磁场使得在法拉第元件中传输的光线的偏振面偏转一个偏振旋转角，该角度可以被用来由计算单元计算出磁场强度的大小并可以由此计算出电流的强度。通常情况下法拉第元件包围电流导线，使得偏振光线在实际上封闭的路径中环绕电流导线。由此偏振转角的数值非常近似于直接与电流强度成正比。

在例如由欧洲专利文献088419所公知的实施例中，法拉第元件由围绕电流导线的实心玻璃环构成。在这个实施例中光线环绕电流导线一圈。

在另一个例如由PCT WO 91／01501所公知的实施例中，法拉第元件由光学单模纤维的一部分构成，该光学单模纤维以测量线圈的形式围绕电流导线。因此当测量线圈的匝数为N圈时，光线则环绕电流导线N圈。这种带有以光导纤维组成测量线圈的磁光电流互感器有两种方式为公众所知，即透射型和反射型。对于透射型，光线在光导纤维的一端耦入而在另一端耦出，使得光线只通过测量线圈一次。与此相反对于反射型，光线在光导纤维的另一端被反射，使得在第一端耦入的光线在另一端，即反射端被反射，并沿反方向第二次通过测量线圈，最后在第一端再被耦出。由于法拉第效应的不可逆性，光线的偏振面在反向通过时再一次以相同的数值在相同的方向上旋转。因此转角的大小在测量线圈相同的情况下却两倍于透射型。为了区分耦入光线和耦出光线配有光线分配器。

干扰影响是对于所有的磁光电流互感器都存在的问题，干扰影响例如通过在光学传输线路中衰减系数的变化而产生。

在上述欧洲专利文献088419所公开的磁光电流互感器中，由法拉第元件所耦出的光线在以渥拉斯顿棱镜作为光线分配器的分析器里被分成两个偏振面相互垂直的线性偏振的光线信号A和B。这两个光线信号A和B通过相应的光学传输纤维传递到相应的光检波器并转换成电信号PA和PB。由这两个电信号PA和PB在计算单元里计算出法拉第转角作为测量信号，这个测量信号对应于这两个信号的差与和的商数(PA-PB／PA+PB)。通过这个商数获得一个测量信号，该信号与传输线路中光线信号A和B的衰减无关。

由PCT申请WO94／24573可知，设置在渥拉斯顿棱镜后面的接收器所接收到的电信号S₁和S₂分别被分解成直流信号分量D₁和D₂以及交变信号分量A1和A2。对于各信号S₁和S₂，分别通过交变信号A1或A2与直流信号D1或D2的商数，即P1=A1／P1，P2=A2／D2来构成强度标准化的信号P1和P2。通过信号S₁和S₂的强度标准化可以补偿在对于对应的光线信号LS₁和LS₂所配置的传输线路中的强度波动和在这两个传输线路中的灵敏度差。

在这种公知的方法中假定，在传输线路中由于环境影响所产生的与待测量的交流电频率有关的衰减变化在实际上是不变的。但是用这种公知的方法，具有交流频率范围内频率分量的传输线路的衰减特性随时间的变化，例如双倍网频的衰减振动，不能被补偿。此外该方法不适合测量直流电或直流电流分量。

由欧洲专利文献0 247 842所公知，波长不同的线性偏振和非偏振的光线在时间上先后输入一磁光传感器中。为此配置两个光源，它们在时间上被先后控制并发射出非偏振光。在传感器之前设置一起偏器，这个起偏器使由一个光源发射的光线性偏振并使由另一个光源发射的光没有偏振地透穿。即非偏振的和线性偏振的光线在时间上先后被输入传感器中。