利用法拉第效應測量磁場的並帶有對強度變化補償功能的方法和裝置的製作方法

2023-10-05 09:38:54 2

專利名稱：利用法拉第效應測量磁場的並帶有對強度變化補償功能的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量磁場的方法和裝置。
已知有利用磁光法拉第效應測量磁場的光學測量裝置和測量方法。法拉第效應係指取決於磁場的直線偏振光的偏振面的旋轉。旋轉角度與沿光線途經路徑在磁場中的位移積分成比例並以所謂的費爾德特(Verdet)常數作為比例常數。費爾德特常數的大小通常取決於材料、溫度和波長。測量磁場時，在磁場中設置由諸如玻璃等光學透明材料構成的法拉第傳感器裝置。磁場促使由法拉第傳感器裝置發送出的直線偏振光的偏振面旋轉一個角度，該角度可作為一個測量信號加以計算。已知這種磁光測量方法和測量裝置用於測量電流。為此，法拉第傳感器裝置設置在導體附近並對由電流在導體中產生的磁場進行測定。通常法拉第傳感器裝置環繞導體，因而測量光在一閉合的路徑中環繞導體。在此情況時，旋轉角度值非常近似地直接與待測電流成比例。法拉第傳感器裝置可以是圍繞導體的實心的玻璃環結構或者也可以是圍繞導體的帶有至少一匝的光導纖維線圈。
與通常的感應式電流互感器相比，這種磁光測量裝置和測量方法的優點是電位分隔並且對電磁幹擾不敏感。但在採用磁光電流互感器時的問題是，機械振動將會對傳感器裝置和光學饋線造成影響，該影響將導致引起誤測的強度變化，以及尤其在傳感器裝置中的溫度變化的影響。
為減少振動對測量的影響，已知用法拉第傳感器裝置發送兩個反向傳播的光信號。該已知措施的構思在於，通過相應的信號處理可以把作為互易效應的由于振動造成的兩個光信號在共同的光路上的雙折射與非互易的法拉第效應區分開。
在其中一已知實施形式中由一作為法拉第傳感器裝置的光纖圈發送兩個反向的、直線偏振光信號，該傳感器裝置環圍導電體。採用機械對絞光纖(Twisted fibre)或在拉伸過程中對絞的、帶有高直線雙折射特性的光纖(Spun-Hibi-fibre)作光纖圈的光纖。光纖除法拉第效應外還具有與法拉第效應相比較高的圓形雙折射。兩個光信號中的每一個穿過傳感器裝置之後被一偏振光線分配器分成兩個相互垂直的偏振光分量。信號處理由這四個光分量推導出一個電導體中電流的測量信號，該測量信號基本與法拉第測量角和光纖圓形雙折射的商相等並因此與光纖中的直線雙折射無關。採用此方法測得的測量信號雖然在很大程度上與在傳感器裝置中溫度造成的直線雙折射無關，但測量信號由於光纖圓形雙折射與溫度的關係仍與溫度有關。兩個反向的光信號以該已知的實施方式僅在一共同的光路上穿過法拉第傳感器裝置並且在法拉第傳感器裝置的出口端又被光耦合器相互分隔開(WO92/13280)。
在三個已知實施方式中兩個光信號相互反向旋繞穿過一個由第一光導纖維、第一偏振器、一個法拉第傳感器裝置、第二偏振器和第二光導纖維構成的串聯光路。兩個光信號穿過串聯光路後由相應的光電轉換器分別轉換成一個電強度信號。
在第一個由US4916387公開的實施方式中設有一個作為法拉第傳感器裝置的實心玻璃環，該玻璃環環圍電導體。兩個偏振器的偏振軸相互旋轉一個45°角。為對饋送光纖中所不希望出現的強度變化進行補償，在這個由US4916387所公開的測量系統中的出發點在於，帶有兩個電強度信號的不同正負號的所不希望出現的強度變化(噪聲)和由於法拉第效應導致的強度變化相疊加並因此可相互分隔開。
在第二個由光波技術雜誌，12卷，第10期，1994年10月，1882至1890頁公開的實施方式中設有一個作為法拉第傳感器裝置的由單模光纖構成的、具有低雙折射特性的光纖圈。兩個偏振器的偏振軸夾有一不為0°的偏振角，該角度最好為45°。唯一的光源的光被分成兩個光信號，並且這兩個光信號分別通過光耦合器被輸入到所配屬的光纖中。由兩個與穿過串聯光路的光信號的光強度相符的電強度信號導出一個測量信號，該測量信號與兩個強度信號的差與和的商相等。這樣基本上可以補償兩極光導纖維的衰減係數。當然必須將輸入串聯光路中的兩個光信號的光強度精確地調整成完全一致。
在第三個由H.Sohlstroem等，「法拉第效應光纖傳感器裝置的傳輸損耗補償」，第八次歐洲傳感器裝置年會，Toulouse，1994年9月25日至28日，公開的磁光測量裝置的實施形式中，在兩個紅外發光二極體之間接有一由作為光導纖維的多模光纖、偏振器和法接第傳感器裝置構成的串聯光路，兩個發光二極體交替地作為光源和光探測件工作。因此在某一時間點一直是僅有兩個反向光信號中的一個穿過串聯光路。因此換接節拍頻率可選擇得儘可能的高。
本發明的目的在於，提出一種利用法拉第效應測量磁場並且尤其是測量電流的測量方法和測量裝置，其中可以實際上完全消除兩個反向光信號在光傳輸線路上的強度變化。
本發明的目的通過權利要求1或權利要求9的特徵得以解決。兩個光信號以相互相反的通過方向穿過一個由第一光傳輸線路、第一偏振器、一個法拉第傳感器裝置、第二偏振器和第二光傳輸線路的串聯光路。在兩個偏振器之間，兩個光信號中的每一個的偏振面旋轉一個預定的、與磁場無關的旋轉角α。通過對該旋轉角α的選擇可以把測量方法或測量裝置在磁場中的工作點調零。為實現兩個光信號偏振面的預定旋轉角α的旋轉，在兩個偏振器之間光學連接有旋轉器件。用分別穿過串聯光路的兩個光信號的光強度導出磁場的一個與兩條傳輸線路上的強度變化基本無關的測量信號。為導出測量信號設有相應的計算器件。
分別在從屬權利要求中對本發明的方法和裝置的有益設計和進一步設計作了表述。
在第一有利的實施形式中，預定的旋轉角α被調整到約±45°或±π/4的奇數倍。從而調整測量方法和測量裝置的工作點，使測量靈敏度最大。
可以用一個或多個分別具有一互易的圓形雙折射的旋轉件構成旋轉器件。兩個光信號的偏振面的這樣一種互易旋轉可以利用光活性材料或幾何形狀引起的圓形雙折射實現。在一特殊的實施形式中法拉第傳感器裝置本身至少構成旋轉器件的一部分並且為此除法拉第效應外還具有互易的圓形雙折射。
兩個偏振器的偏振軸最好調整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
可以採用多模化纖作為光信號的兩條光傳輸線路。
作為測量信號最好求出兩個光信號的光強度的兩個線性函數的商。這兩個線性函數的係數可與兩個光信號輸入串聯光路時的不同的輸入強度適配。尤其是在兩個光信號輸入強度相同時選出的測量信號與兩個光強度的差與和的商成比例。另外也可以採用一個與兩個光信號的光強度的商成比例的測量信號。
當法拉第傳感器裝置具有直線雙折射時，溫度的變化將導致測量誤差。在一有利的實施形式中為對溫度影響進行補償兩個偏振器的偏振軸相對於傳感器裝置中線性雙折射的固有軸偏轉一預定的偏振角γ，其中該偏振角γ至少可採用cos(4γ-2α)＝-2/3近似求出。
下面藉助附圖對本發明作進一步的說明，附圖中

圖1為測量磁場的帶有法拉第傳感器裝置和旋轉器件的測量裝置的原理結構，圖2為測量電流的帶有法拉第傳感器裝置和旋轉器件的測量裝置，圖3為根據現有技術當偏振器的偏振軸相互傾角為45°時兩個反向光信號的偏振旋轉矢量圖，圖4為在兩個偏振器的偏振軸平行並且預定旋轉角α＝45°時兩個反向光信號的偏振旋轉矢量圖。對相同的器件採用同一附圖標記標示。
在圖1中用3表示法拉第傳感器裝置，兩個光傳輸線路用4和7、兩個偏振器用5和6、光旋轉器件用8和發送和計算單元用40表示。
法拉第傳感器裝置3由至少一個具有磁光法拉第效應的材料構成。在一至少部分穿透傳感器裝置3的磁場H的影響下穿過傳感器裝置3的偏振光的偏振由於法拉第效應而發生變化。傳感器裝置3以已知的方式由一個或多個最好由玻璃構成的實心體，或甚至由至少一根光纖構成。傳感器裝置3具有兩個光埠3A和3B，在一埠3A或3B輸入的光穿過傳感器裝置3並且在另一埠3B或3A處輸出。傳感器裝置3的第一埠3A通過第一偏振器5與第一光傳輸線路4的一端光耦合。傳感器裝置3的第二埠3B通過第二偏振器6與第二光傳輸線路7的一端光耦合。
在兩個偏振器5和6之間光學接入光旋轉器件8。旋轉器件8將穿過其的直線偏振光的偏振面互易地旋轉一個預定的角度α。旋轉器件8通常至少含有一個旋轉件，該旋轉件具有互易的圓形雙折射。
在所示實施形式中，旋轉器件8包括兩個旋轉件8A和8B。第一旋轉件8A光學接在第一偏振器5和傳感器裝置3的第一埠3A之間，並且第二旋轉件8B光學接在傳感器裝置3的第二埠3B與第二偏振器6之間。在該實施形式中兩個旋轉件8A和8B的旋轉角的和構成旋轉器件8的旋轉角α。例如每個旋轉件8A和8B可促使兩個光信號L1′和L2′的偏振面旋轉α/2。
而且旋轉器件8也可以僅設置在第一偏振器5和傳感器裝置3的第一埠3A之間或僅設置在第二偏振器6和傳感器裝置3的第二埠3B之間。
旋轉器件8或其旋轉件8A和8B最好用光學活性材料構成。光學活性促使穿過的直線偏振光的偏振面的互易旋轉並因而是互易圓形雙折射的特殊情況。
另外，旋轉器件8或旋轉件8A和8B也可以用光學件實現，該光學件具有幾何形狀引起的互易圓形雙折射。在此情況時偏振面的互易旋轉是通過旋轉器件8或旋轉件8A和8B的幾何立體設計實現的。例如利用扭矩對絞的光纖(Twisted Fibre)或螺旋盤繞光纖。
在一特殊的實施形式中，傳感器裝置3本身具有一個定義的互易圓形雙折射並因此至少構成旋轉器件8的一部分。
兩個偏振器5和6的偏振軸(偏振軸、透射軸)最好至少近似平行或至少近似相互垂直。這樣只通過旋轉器件8的旋轉角α即可調整H＝0時測量裝置的工作點。
由第一光傳輸線路4、第一偏振器5、傳感器裝置3、第二偏振器6和第二光傳輸線路7構成的串聯光路以及旋轉器件8光學接在發送和計算單元40的兩個埠40A和40B之間。發送和計算單元40含有用於發送兩個反向光信號L1′和L2′穿過串聯光路和旋轉器件8的器件以及用於計算用L1和L2標示的光信號穿過串聯光路後的兩個光強度得出磁場H的測量信號M的計算器件，該測量信號實際上與兩個傳輸線路4和7上的強度變化無關。在發送和計算單元40的輸出端可得到測量信號。
第一光信號L1′在發送和計算單元40的埠40A處輸入第一傳輸線路4並在穿過第一傳輸線路4後被第一偏振器5直線偏振。經直線偏振的光信號L1′接著在埠3A處被送入傳感器裝置3內。在穿過傳感器裝置3後，直線偏振的第一光信號L1′的偏振面被旋轉一個取決於磁場H的法拉第測量角ρ。另外直線偏振的第一光信號L1′被旋轉器件8旋轉一個預定的、與磁場H無關的旋轉角α。第一光信號L1′的偏振面因此在兩個偏振器5和6之間旋轉一個總旋轉角ρ+α，該角度等於測量角ρ和固定旋轉角α的和。以所研究的光信號的傳播方向為基準，正角度值在此時並且在下面與數學正向旋轉相符，即與反時針方向相符，而負的角度值與數學負向旋轉方向相符，即與順時針方向相符。這時其偏振面旋轉總旋轉角度ρ+α的第一光信號L1′被輸送給第二偏振器6。第二偏振器6僅允許到達的第一光信號L1′投射到其偏振軸的分量通過並因此對第一光信號L1′具有偏振分析器功能。對由第二偏振器6發送的第一光信號L1′的分量用L1標示並經第二傳輸線路7傳送給發送和計算單元40的第二埠40B。
第二光信號L2′在發送和計算單元40的埠40B輸入第二個傳輸線路7中並在穿過第二個傳輸線路7後被第一偏振器5直線偏振。經直線偏振的第二光信號L2′被旋轉器件8旋轉一個預定的與磁場H無關的旋轉角α，該旋轉角在第二光信號L2′的參考系中具有與第一光信號L1′相同的符號和相同的值。這時其偏振面旋轉一個旋轉角α的、經直線偏振的第二光信號L2′在埠3B處輸入傳感器裝置3中。在穿過傳感器裝置3時經直線偏振的第二光信號L2′的偏振面將旋轉一個取決於磁場H的法拉第測量角-ρ，該測量角-ρ由於法拉第效應的非互易特性具有與第一光信號L1′相同的值，但符號相反。第一光信號L1′的偏振面因而在兩個偏振器6之間旋轉的總旋轉角為α-ρ，該總旋轉角等於固定旋轉角α和測量角-ρ的和。這時其偏振面旋轉了總旋轉角α-ρ的第二光信號L2′被輸送給第二偏振器6。第二偏振器6僅允許到達的第二光信號L2′投射到其偏振軸上的分量通過並因而對第二光信號L2′起著偏振分析器的作用。用L2標示被第二偏振器6發送的第二光信號L2′的分量，並且該分量通過第一傳輸線路4輸送給發送和計算單元40的第一埠40A。
圖中未示出的發送和計算單元40中的計算器件由穿過串聯光路的兩個光信號L1和L2的光強度I1和I2導出磁場H的測量信號M，該測量信號在很大程度上與兩條傳輸線路4和7上的強度變化無關。
由於基本上可以補償測量信號M中的光強度變化，作為傳輸線路4和7也可以採用普通的多模光纖。
發送和計算單元40例如可以含有圖中未示出的、可交替作為發送器和探測器工作的發光二極體，該發光二極體與相應的電流源和計算電子器件電連接。下面還將對用於發送兩個光信號L1′和L2′的器件和用於計算兩個光信號L1和L2穿過串聯光路後的光強度I1和I2的計算器件的其它實施形式加以說明。
圖2示出測量裝置的一個有利的實施形式。第一傳輸線路4與傳感器裝置3相背的一端通過一光耦合器12既與另一光耦合器11，又與計算器件20光連接。第二傳輸線路4與傳感器裝置3的相背端通過第三光耦合器13同樣既與光耦合器11，又與計算器件20光連接。光耦合器11與光源10光連接並把光源10的光線L分成兩個光信號L1′和L2′，這兩個光信號被輸送給耦合器12及13並且然後輸入到第一或第二傳輸線路4或7。兩個光信號L1′和L2′相互反向穿過由第一傳輸線路4、第一偏振器5、傳感器裝置3、第二偏振器6和第二傳輸線路7構成的串聯光路並且作為這時用L1或L2標示的光信號從串聯光路中輸出。光源10和三個光耦合器11、12和13因此構成用於發送兩個反向穿過串聯光路的光信號L1和L2的器件。
耦合器11、12和13至少也可以部分由光束分配器替代。另外也可以設有兩個光源替代耦合器11和一個光源10，這兩個光源分別發送一個光信號L1′及L2′。
兩個光信號L1′和L2′在輸入串聯光路前時的光強度I1′和I2′通常按照預先固定的相互比例進行調整。兩個光強度最好相等，即I1′＝I2′。在圖示實施形式中，耦合器11然後將光源10的光L分成耦合比例為50％∶50％的兩個相等的部分。
圖2的測量裝置最好用於測量在至少一電導體2上的電流。法拉第傳感器裝置3檢測由此電流感應產生的磁場H並將兩個光信號L1′和L2′的偏振面旋轉一個受磁場H並因而受電流I影響的測量角ρ或-ρ。在所示的、特別有利的實施形式中，傳感器裝置3環圍電導體2，從而使兩個光信號L1′和L2′在一個實際閉合的光路中環繞電流I。此時，測量角ρ與電流I直接成比例。傳感器裝置3可以是帶有使光信號L1′和L2′轉向的內反射面的玻璃環或以任何一種其它已知的方式構成。
下面將對照圖3和4的矢量圖，對照現有技術公知的方法及裝置對本測量方法和測量裝置的工作原理作進一步的說明。
在圖3中示出兩個反向的光信號L1′及L1和L2′及L2的電場矢量E1和E2的矢量圖，該圖是在圖1的測量裝置沒有旋轉器件8並且帶有兩個偏振器5和6的相互旋轉一個偏振角45°的偏振軸條件下得出的。第一偏振器5的偏振軸用P1標示並且第二偏振器6的偏振軸用P2加以標示。兩個偏振軸P1和P2相互偏振傾角為45°。第一光信號L1′在穿過第一偏轉器5後的電場矢量E1平行於其偏轉軸P1並且接著在傳感器裝置3中被旋轉一個測量角ρ，該測量角沒有通常的限定被視為正值。其偏振面旋轉一個測量角ρ的第一光信號L1′然後被直接-由於沒有旋轉器件8-輸送給第二偏振器6。第二偏振器6僅允許電場矢量E1投射到其偏振軸P2上的分量通過，電場矢量的場強用e1標示。
e1＝|E1| cos(45°+ρ) (1)適用於投射分量e1。由I1＝(e1)2～cos2(45°+ρ) (2)給出第二偏振器6發送的光信號L1的光強度I1。
與此相反，第二光信號L2′的電場矢量E2平行於第二偏振器6的偏振軸P2，被輸入傳感器裝置3中並且在磁場H作用下旋轉一個測量角+ρ。測量角+ρ由於法拉第效應的非互易特性，因而在由第一光信號L1′的傳播方向確定的、圖中示出的參考系中同樣是正的。作為檢偏振器而為第二光信號L2′所設的第一偏振器5僅允許第二光信號L2′的旋轉一個測量角+ρ的電場矢量E2投射到其偏振軸P1的分量e2通過。投射分量e2為e2＝|E2|cos(45°-ρ) (3)被第一偏振器5允許通過的第二光信號L2由下式得出I2＝(e2)2～cos2(45°-ρ)(4)由關係式(2)和(4)可以看出，在兩個偏振器之間的偏振角為45°時測量工作點在cos2(45°)並因此在測量靈敏度最大處。
為進行比較，在圖4的矢量圖中示出兩個光信號L1和L2在穿過圖1或圖2所示帶有光學旋轉器件8的結構中的串聯光路時的電場矢量E1和E2，以及兩個偏振器5和6的相互被調節成平行的偏振軸P1和P2。兩個光信號L1′和L2′在穿過第一偏振器5或第二偏振器6時的電場矢量E1和E2相互平行。在圖中示出的有利的實施形式中旋轉器件8的旋轉角α被調整到45°。第一光信號L1′的電場矢量E1首先在傳感器裝置3中被旋轉一個旋轉角+ρ，然後由旋轉器件8旋轉一個旋轉角α＝+45°。以由第一光信號L1′的穿過方向確定的參考係為基準，所考慮的角的符號與圖3中相同。起著第一光信號L1′檢偏器作用的第二偏振器6僅允許投射到偏振軸P1(＝P2)的分量e1＝|E1|cos(ρ+α)＝|E1|cos(ρ+45°) (5)通過。因此第一光信號L1在穿過第二偏振器6後的光強度I1是I1＝(e1)2～cos2(ρ+α)＝cos2(ρ+45°) (6)第二光信號L2′的電場矢量E2由其與第二偏振器6的偏振軸P2平行的初始位置被光旋轉器件8旋轉一個旋轉角-α＝-45°，其符號在由第一光信號L1′的穿過方向確定的參考系中選出並由旋轉器件8中的互易圓形雙折射確定。在傳感器裝置3中第二光信號L2′的電場矢量E2被磁場H旋轉一個測量角+ρ。起著第二光信號L2′檢偏器作用的第一偏振器5僅允許投射到偏振軸P1的分量e2＝|E2|cos(ρ-α)＝|E2|cos(ρ-45°) (7)通過。穿過第一偏振器5後的第二光信號L2的光強度I2因此是I2＝(e2)2～cos2(ρ-α)＝cos2(ρ-45°) (8)所以根據關係式(2)和(6)或(4)和(8)的兩個光信號L1和L2穿過串聯光路後的光強度I1和I2基本上是一致的。故測量方法或測量裝置的工作點通過採用旋轉器件8即便在兩個偏振器5和6的偏振軸P1和P2相互平行的情況下被調整到旋轉角α≠0°時的特徵線的單值範圍內，尤其是α＝±45°時的最大測量靈敏度點上。此點也類推適用於偏振器5和6的偏振軸P1和P2至少近似相互垂直的情況。因此利用旋轉器件8可以降低調整工作點時的校準工作。
在穿過兩個傳輸線路4和7時兩個光信號L1′或L1和L2′或L2將分別發生相同的強度變化，該強度變化尤其是因機械振動的衰減損耗造成的。該強度變化基本以衰減係數的形式進入光強度I1和I2。光傳輸線路的通常與時間有關的實數衰減係數被定義為到達光傳輸線路一端的光的強度與在傳輸線路另一端輸入的光的強度的比例。設A為第一傳輸線路4的實數衰減係數並且B為第二傳輸線路7的衰減係數。則通式I1＝I0·A·B·cos2(ρ+α)(9)I2＝K·I0·B·A·cos2(ρ-α) (10)在考慮到關係式(6)和(8)的條件下適用於兩個光信號L1和L2在穿過串聯光路後的光強度I1和I2。I0是預先固定的初始強度。K是耦合係數，該耦合係數在所示實施形式中由耦合器11、12和13的耦合比得出。當所有耦合器11、12和13的耦合比分別為50％∶50％時，K＝1。在等式(9)和(10)中的cos2項表明在預定旋轉角α的情況下光強度11或I2與法拉第測量角ρ的關係。在等式(9)和(10)中的兩個光強度I1和I2的表達式中cos2項前面的係數區別僅在於耦合係數K。
這時在一特別有利的實施形式中消掉傳輸線路4和7的衰減係數A和B，其中計算器件20或發送和計算單元40由兩個光強度I1和I2的線性函數a·I1+b·I2+c和d·I1+e·I2+f以及實數係數a、b、c、d、e和f導出構成式M＝(a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f) (11)的商信號作為磁場H的測量信號M。其中至少係數a和e或係數b和d不等於零。
依照等式(11)的該測量信號M實際上與尤其是由振動造成的傳輸線路4或7上的強度變化無關。因此在各種實施形式中也可以採用簡單的、較為便宜的電信光纖(多模光纖)作為傳輸線路4和7，這是因為可對其在測量信號M中的較高的衰減和振動靈敏度進行補償。但作為傳輸線路4和7也可以採用其它的光導線或自由照射裝置。
等式(11)分子和分母中的線性函數的係數a、b、c、d、e和f尤其可以與兩個光信號在輸入串聯光路時的不同的輸入強度適配。係數a、b、c、d、e和f最好與依照等式(9)和(10)確定的光強度I1和12適配，從而可以不用考慮傳感器裝置3中的線性雙折射效應求出測量信號M～sin(2ρ) (12)該測量角基本與雙法拉第測量角ρ的正弦成比例。對依照等式(11)商的分母中的線性函數d·I1+e·I2+f的係數d、e和f最好進行調整，使線性函數d·I1+e·I2+f實際上恆定不變並因而與磁場H無關。
在一特殊的實施形式中由兩個光強度I1和I2求出作為測量信號M的商M＝I1/I2＝cos2(ρ+α)/(k·cos2(ρ-α)) (13)或M＝I2/I1＝(K·cos2(ρ-α))/cos2(ρ+α) (13′)當選擇係數a＝e＝1和b＝c＝d＝f＝0或a＝c＝e＝f＝0和b＝d＝1時，由等式(11)通用的商得出該根據等式(13)或(13′)的商值。該測量信號M以較為複雜但明確的方式取決於測量角ρ並因此也取決於磁場H。
尤其是當兩個光信號L1′和L2′的輸入強度11′和I2′至少近似相等時在一有利的實施形式中也可以採用穿過串聯光路的兩個光強度I1和I2的差I1-I2(或I2-I1)與和I1+I2的商M＝(I1-I2)/(I1+I2) (14)作為測量信號M。如果在傳感器裝置3中不出現線性雙折射效應，則此測量信號M又與sin(2ρ)成比例。
可以採用計算器件20通過不同的方式由兩個反向的光信號L1和L2的光強度I1和I2導出已消掉傳輸線路4和7的衰減係數A和B的測量信號M。通常兩個光信號L1和L2被計算器件20首先分別光電轉換成一電強度信號，該電強度信號是某光信號L1或L2的光強度I1或I2的直接量度。測量信號M由這兩個電強度信號利用量值表或者也可以通過計算機求出。計算器件20為此含有相應的模擬或數字集成塊。
在一種圖中未示出的實施形式中首先用一個模/數轉換器對電強度信號進行數位化並且經數位化的信號被一微處理器或一數位訊號處理器根據等式(11)、(13)、(13′)或(14)繼續進行處理。
尤其是用計算機根據等式(11)、(13)、(13′)或(14)求出作為兩個光強度I1和I2的預定函數M(I1、I2)的測量信號M時也可以採用模擬器件，模擬器件通常的工作速度要高於數字器件。
在圖2的實施形式中，測量裝置含有帶模擬集成塊的計算器件20。計算器件20在此實施形式中含有兩個光電轉換器21和22、一個減法器23、一個加法器24和一個除法器25。第一轉換器21與耦合器13光連接並將穿過串聯光路的第一光信號L1轉換成第一電強度信號S1，第一電強度信號的信號強度與第一光信號L1的光強度I1相等。第二轉換器22與耦合器12光連接並將穿過串聯光路後的第二光信號L2轉換成作為第二光信號L2的光強度I2量度的第二電強度信號S2。兩個電強度信號S1和S2分別輸送給減法器23和加法器24的輸入端。在減法器23輸出端的差信號S1-S2(或S2-S1)和在加法器24輸出端的和信號S1+S2被分別輸送給除法器25的輸入端。除法器的輸出信號(S1-S2)/(S1+S2)作為測量信號得出並加在計算器件20的輸出端，該測量信號M因而與等式(14)相等。
在圖中未示出的實施形式中可以簡單地利用模擬器件採用如下方法獲得滿足通式(11)的測量信號M，在減法器23和加法器24輸入端前分別附加接有一個放大器並且該放大器的放大係數與等式(4)中兩個線性函數的相應係數a、-b、d和e適配並設有將係數c補充加入根據等式(11)中分子的減法器23的輸出信號和將係數f補充加入根據等式(11)中分母的加法器24輸出端上的輸出信號的其它的加法器。兩個其它的加法器的輸出信號然後被輸送給除法器25的輸入端。如果b是正的，則最好用另一加法器替代減法器23。
由於在依照等式(11)求出的測量信號M中係數a、b、c、d、e和f的適配，因而在一特殊的實施形式中也可以對兩個光電轉換器21和22的不同的靈敏度進行補償。
在各種實施形式中最好將旋轉器件8的預定旋轉角α調整到是約±45°或約±π/4的奇數倍。但也可以採用其它的旋轉角α。
根據上述任一種測量方法或上述任一種測量裝置測量磁場H或電流I時的一個附加的問題是傳感器裝置3中的溫度影響。該溫度影響將引起作為傳感器裝置3中的溫度T的函數δ(T)的直線雙折射，該直線雙折射將會造成對磁場H或電流I的誤測量。另外溫度變化也會改變費爾德特常數並隨之改變測量靈敏度。
這時通過採取下面所述的措施對溫度進行補償基本可以消除測量信號M與溫度的這種關係。兩個偏振器5和6的偏振軸P1和P2被調整到圖4所示與傳感器裝置3中直線雙折射δ的固有軸(主軸、光軸)EA成一偏振角γ。根據等式cos(4γ-2α)＝-2/3(15)至少近似地求出偏振角γ。其中直線雙折射δ的固有軸EA由某偏振方向確定，在此偏振方向的情況下輸入傳感器裝置3的直線偏振光保持不變地重新離開傳感器裝置3。如果與此相反，直線偏振光帶有的是與傳感器裝置3固有軸不平行的偏振面並輸入傳感器裝置3中，則光在穿過傳感器裝置3時由於直線雙折射δ被橢圓偏振。線性雙折射δ通常相互正交的兩個固有軸可以採用已知方式求出。例如傳感器裝置3可以設置在一個偏振器，例如偏振器5與一個檢偏器，例如偏振器6之間。兩個偏振器的偏振軸調整成相互垂直。這時在一實施形式中偏振器和檢偏器的兩個偏振軸以傳感器裝置3基準軸為準同向旋轉，直至由檢偏器發送的光的強度等於零(最大消光)。這時固有軸與偏振器和檢偏器的兩個偏振軸平行。對此的另一方案是，在另一實施形式中兩個偏振軸也以傳感器裝置3的基準軸為準同向旋轉，直至由檢偏器發送的光最大(最小消光)。在此情況時由傳感器裝置3輸出的光被圓偏振。直線雙折射δ的固有軸這時與檢偏器的偏振軸偏移45°或-45°。
如果選用優選旋轉角α＝-45°或α＝-45°-n·180°＝-(1+4n)·45°，n為任意整數，則等式(15)縮減成sin(4γ)＝+2/3(15′)
在旋轉角α＝+45°或α＝+(1+4n)·45°，n為任意整數時，等式(15)與上述相反縮減成sin(4γ)＝-2/3(15″)可能的滿足等式(15′)的偏振角γ的值例如是γ＝+10.45°。滿足等式(15″)的偏振角γ例如是γ＝-10.45 °。
與精確的滿足等式(15)、(15′)或(15″)的偏振角γ的角值有偏差是可能的，尤其是在直線和/或圓形雙折射不均勻時和/或在傳感器裝置3中費爾德特常數大大取決於溫度時，該偏差通常可以達到約5°。而且在溫度補償時旋轉角α與理想值α＝+(1+4n)·45°或α＝-(1+4n)·45°的偏差可以達到約±10°。
採用根據等式(15)、(15′)或(15″)至少近似調整的偏振角γ求出的測量信號M這時甚至在傳感器裝置3內溫度變化的情況下，也基本與無直線雙折射δ的測量信號相符，即與在根據等式(11)或(14)推導測量信號M時的根據關係式(12)與sin(2ρ)成比例的量值相符。
對根據(15)、(15′)或(15″)的兩個偏振器5或6對直線雙折射δ的固有軸的最佳偏振角γ在一特殊的實施形式中可以以如下方式簡便地進行調整，在校準測量時將取決於溫度的測量信號M與預期的沒有直線雙折射δ的額定值，尤其是根據關係式(12)在作為參數的預定偏振角γ的情況下進行比較並改變偏振角γ，直至實際的測量信號M與實際與溫度無關的額定值一致為止。
採用調整偏振角γ實現溫度補償的優點在於測量磁場H或電流I的帶寬大。由於採取了溫度補償的措施，所以待測磁場H或電流I的頻譜原則上不受限制。
權利要求
1.一種利用具有法拉第效應的傳感器裝置(3)測量磁場(H)的方法，其中a)兩個光信號(L1、L2)相互反向地穿過一個由第一光傳輸線路(4)、第一偏振器(5)，傳感器裝置(3)、第二偏振器(6)和第二光傳輸線路(7)構成的串聯光路，b)在兩個偏振器(5、6)之間兩個光信號(L1、L2)的偏振面旋轉一個與磁場(H)無關的、預定的旋轉角α並且c)由兩個分別穿過串聯光路後的光信號(L1、L2)的光強度(I1、I2)求出一與兩條傳輸線路(4、7)上的強度變化基本無關的磁場(H)的測量信號(M)。
2.如權利要求1所述的方法，其中將兩個偏振器(5、6)的偏振軸(P1、P2)調整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
3.如權利要求1或2所述的方法，其中測量信號(M)與兩個光信號(L1、L2)的光強度(I1、I2)的兩個線性函數的商((a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f))相符。
4.如權利要求3所述的方法，其中測量信號(M)與兩個光強度(I1、I2)的差與和的商((I1-I2)/(I1+I2))成比例。
5.如權利要求3所述的方法，其中測量信號(M)與兩個光強度(I1、I2)的商(I1/I2或I2/I1)成比例。
6.如上述任一項權利要求所述的方法，其中在兩個偏振器(5、6)間兩個光信號的(L1、L2)的偏振面分別旋轉一個旋轉角α，該旋轉角α至少近似地是+45°或-45°的奇數倍。
7.如權利要求6所述的方法，其中兩個偏振器(5、6)的偏振軸(P1、P2)以傳感器裝置(3)中直線雙折射的固有軸(EA)為基準被調整旋轉一個偏振角γ，其中偏振角γ對至少近似為-(1+4n)·45°，n為整數的旋轉角α至少近似滿足關係式sin(4γ)＝+2/3，或對於至少近似為+(1+4n)·45°，n為整數的旋轉角α至少近似滿足關係式sin(4γ)＝-2/3。
8.如上述任一項權利要求所述的方法，其中對電流(I)的磁場(H)進行測量並提取出作為電流(I)量度的測量信號(M)。
9.一種測量磁場(H)的裝置，它帶有a)一個由第一光傳輸線路(4)、第一偏振器(5)、一個具有法拉第效應的傳感器裝置(3)、第二偏振器(6)和第二光傳輸線路(7)構成的串聯光路，b)用於發送兩個相互反向穿過串聯光路的光信號(L1、L2)的器件(10、11、12、13)，c)用於由兩個光信號(L1、L2)穿過串聯光路後的光強度(I1、I2)導出一個基本與兩條傳輸線路(4、7)上的強度變化無關的磁場(H)的測量信號(M)並且帶有d)光學接在兩個偏振器(5、6)之間的、用於將兩個光信號(L1、L2)的偏振面旋轉一個與磁場(H)無關的、預定的旋轉角α的光學旋轉器件(8)。
10.如權利要求9所述的裝置，其中將兩個偏振器(5、6)的偏振軸(P1、P2)調整成至少近似相互平行或至少近似相互正交。
11.如權利要求9或10所述的裝置，其中旋轉器件含有至少一個旋轉件(8、8A、8B)，該旋轉件具有一互易圓形雙折射。
12.如權利要求11所述的裝置，其中至少有一個旋轉件(8、8A、8B)具有光學活性。
13.如權利要求11所述的裝置，其中由幾何形狀引起至少一個旋轉件的互易圓形雙折射。
14.如權利要求9至13中任一項所述的裝置，其中傳感器裝置(3)本身至少構成旋轉器件的一部分。
15.如權利要求9至14中任一項所述的裝置，其中計算器件(20)導出一測量信號(M)，該測量信號與兩個光信號(L1、L2)在分別穿過串聯光路後的光強度(I1、I2)的兩個線性函數的商((a·I1+b·I2+c)/(d·I1+e·I2+f))相符。
16.如權利要求15所述的裝置，其中計算器件(20)導出一測量信號(M)，該測量信號與兩個光強度(I1、I2)的差與和的商((I1-I2)/(I1+I2))成比例。
17.如權利要求15所述的裝置，其中計算器件(20)導出一測量信號(M)，該測量信號與兩個光強度(I1、I2)的商(I1/I2或I2/I1)成比例。
18.如權利要求9至17中任一項所述的裝置，其中兩條光傳輸線路(4、7)由多模光纖構成。
19.如權利要求9至18中任一項所述的裝置，其中旋轉器件(8)將兩個光信號(L1、L2)的偏振面分別旋轉一個旋轉角α，該旋轉角α的值至少近似為45°的奇數倍。
20.如權利要求9至19中任一項所述的裝置，其中兩個偏振器(5、6)的偏振軸(P1、P2)以傳感器裝置(3)中的直線雙折射的固有軸(EA)為基準旋轉一個偏振角γ並且該偏振角γ對於至少近似為-(1+4n)·45 °，n為整數的旋轉角α至少近似滿足關係式sin(4γ)＝+2/3，或對於至少近似為+(1+4n)·45°，n為整數的旋轉角α至少近似滿足關係式sin(4γ)＝-2/3。
21.如權利要求9至20中任一項所述的裝置，其中傳感器裝置(3)設置在電流(I)的磁場(H)中並且計算器件(20)導出作為電流(I)量度的測量信號(M)。
全文摘要
兩個光信號(L1′、L2′)相互反向穿過一個由第一光纖(4)、第一偏振器(5)、一法拉第傳感器裝置(3)、第二偏振器(6)和第二光纖(7)構成的串聯光路。為對工作點進行調整在兩個偏振器間附加由旋轉器件(8)將兩個光信號的偏振面互易地旋轉一個預定的旋轉角。由穿過串聯光路後的兩個光信號(L1、L2)的光強度(I1、I2)求出測量信號(M),該測量信號與光纖中的振動和彎曲影響無關。
文檔編號G01R33/032GK1176003SQ96192061
公開日1998年3月11日 申請日期1996年2月9日 優先權日1995年2月22日
發明者託馬斯·博塞爾曼, 彼得·門克 申請人:西門子公司