[发明专利]玻璃纤维的电流传感器及方法

说明书

本申请从1999年1月5日提交的欧洲专利申请第99400015.6号和1999年1月22日提交的美国临时专利申请第S.N.60/116,660号要求在35 U.S.C.§119下的优先权的权益。

                发明领域

本发明概括地涉及电流的测量和用于该目的的检测装置。

                发明背景

根据法拉第效应，光纤电流传感器具有许多测量远程电流的优点。这些优点包括宽动态范围、快速响应、对电磁干扰的抗扰性、尺寸小和成本低。结果，近年来已经对许多光纤电流传感器进行了调研。主要，他们已经使用单模、包层石英光纤(SMF)。

由于正确度和稳定度不足，这些传感器尚未到达现场实际使用的阶段。当使用法拉第旋转方法时，这主要是由于降低对比度的固有和感应的线性双折射引起的。从在使用石英光纤的检测元件中容易产生双折射这个事实而产生特殊的问题。

当线性偏振光通过放置在磁场中与磁场平行的透明材料中传播时，通过法拉第效应这种现象，所述线性偏振光将旋转。定义以度数给出的旋转角(θ)的大小为：

                (1)    θ＝VHL其中，H是磁场强度(A/m)，V是材料的Verdet常数，而L是磁场起作用的通路长度(m)。

测量磁场强度，用每单位长度的安培(A)乘以圈数(T)来表示(AT/m)，其中m是米。由于用一圈来表示值，因此该因子是隐含的，而不是明显的。因此，习惯上以每单位通路长度(以米(m)表示)的安培(A)或千安培(kA)给出强度。

Verdet常数V是被每单位长度磁场强度除的旋转角。可以用任何角度测量的习惯单位来表示该角度，但是这里采用度。除非另行指出，用度数被表示为(kA×T/m)m的场强除来表示Verdet常数值。

由表达式给出围绕无限长直导体的磁感应(B)值：

                (2)B＝(μ_o/4π)(2I/a)其中，I是电流，μ_o是自由空间的介电常数，而a是磁场离开导体的径向距离。通过简单的关系式给出磁场和磁感应的关系：

                (3)    B＝μ_oH

组合等式1到3给出旋转和电流之间的比例关系，致使：

                (4)    θ＝VI其中，θ以度表示，V是Verdet常数，而I以千安培(kA)表示。因此，测量电流的方法的灵敏度有赖于角度旋转的测量有怎样的正确度。

测量角度旋转中的灵敏度受到另一个因素，双折射率，的影响。主要从光纤在它的布局上的弯曲、或其它畸变造成的应力产生双折射率。在单模光纤中的线性双折射率包括制造、弯曲、接触的剩余应力和热应力(Yamashita等人的“Extremely Small Stress-optic Coefficient Glass Single Mode Fibers ForCurrent Sensor”Optical Fiber Sensors，Sapporo Japan，paper We2-4，page168(1996)(“Yamashita”)。

由应力所致的双折射率进行量化用系数来表示，称之为光弹性常数(或光弹性系数)。可以把光弹性系数(B_P)定义为在应力方向上的折射率(n(par))和在垂直方向上的折射率(n(per))的差和所施加的应力值的关系：

            (5)n(par)－n(per)＝B_Pσ也可以认为是以每通路长度(以厘米(cm)为单位)之波长(以纳米(nm)为单位)为单位测量的相移除以每平方厘米的千克应力(以kg/cm²为单位)而测量到的相移。那么，值的单位是(nm/cm除以kg/cm²)。

理想玻璃纤维的光弹性系数为零，从而使任何应力所致的双折射率为零。然而，已经证明难于连同合适的Verdet常数一起得到这种情况。某些应用需要使电流传感器必须设计成对于电流提供单个、正确的值，而不管电流强度或传感器的总长度。

在正常、稳定操作期间的电流测量不会出现特殊问题。然而，当需要测量异常大的电流时，就会产生问题。例如，从诸如短路之类的线路故障引起的浪涌或故障可能产生这种电流。