CN107085130A - 采用主动温度补偿的偏振不敏感电流和磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
在此公开了基于光传感的电流传感器，以及相应的温度传感器。该电流传感器包括：光源、第一传输光纤、包括输入光束偏移器的光学电流传感器探头、法拉第材料、输出光束偏移器、第二传输光纤、光探测单元、以及测量模块。根据本申请的电流传感器，采用主动温度补偿的偏振不敏感电流和磁场传感器及其系统，能够确保光纤电流传感器在感测电流时的感测精度、测量范围和稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及电流和温度的传感领域，具体地，涉及一种采用主动温度补偿的偏振不敏感电流和磁场传感器。
背景技术
电流是由于电荷在金属一类的导体中流动所产生的。考虑到电流的电子属性，目前用于传感或测量电流的技术和装置大都基于电子电路。电子电路通常需要供电，因而会受到电磁干扰(EMI)的影响。各种传感电流的电子电路需要放置在被测电流附近的位置上，因而在实际应用中会增加局限性。
基于光纤传感的电流传感技术，在对智能电网的变电站和配电系统进行监视、控制和防护具有引人关注的优势。与传统电流传感器相比，具有能够将感测电流的传感头和处理电流信息的电子系统位置分开的优势；而且使用光传感技术，传感头中可以不需要供电，并且没有任何电子器件，因而传感头不会受到电磁干扰或大功率电磁场的损伤，在高电压场合使用安全性更高。
采用光纤电流传感器还具有体积小、重量轻、低功耗、不会电流饱和等优点。一些基于玻璃或晶体的法拉第效应的光纤电流传感系统会更紧凑，体积更小、重量更轻、成本更低，且安装方便；可以直接装在活动的电流导线上，可以显著减少安装成本。由于其低成本和小体积，可应用于中低压变压器监测和其他应用。
精确度、动态范围和环境稳定性是光纤电流传感器的重要指标。一个增加动态范围的有效途径是增加磁场探测灵敏度，这需要显著减少探测器的电流噪声。法拉第玻璃或晶体的维尔德常数与温度的关系影响到测量精度，需要在传感器系统的测量中加以考虑。来自传感器探头的光学信号的温度效应会影响传感器的环境稳定性，所以提供一个补偿温度效应的机制是个好办法。另外，来自邻近的电流导体的磁场干扰也也会影响电流探测精度，需要减少或消除。
因此，需求能够同时尽可能地确保测量精度、测量范围和稳定性的光纤电流传感器。
发明内容
基于此，本申请提供了采用主动温度补偿的偏振不敏感电流和磁场传感器及其系统，其能够确保光纤电流传感器在感测电流时的感测精度、测量范围和稳定性，以及相应的温度传感器。
根据本申请的一方面，一种基于光传感的电流传感器，包括：
一个用来产生探测光的光源；
一个第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并将该探测光沿着传输光纤传输；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收来自传输光纤的探测光；所述光学电流传感器探头包括一个输入光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成偏振态不同的第一偏振输入光束和第二偏振输入光束；一个法拉第材料用来接收和传输第一偏振输入光束和第二偏振输入光束，产生第一输出光束和第二输出光束；所述第一输出光束和第二输出光束受法拉第材料附近电流的磁场影响产生偏振旋转；一个输出光束偏移器接收来自法拉第材料的第一输出光束和第二输出光束，并将接收到的第一输出光束和第二输出光束中的一部分，合并成携带电流信息的输出探测光束；其中输入光束偏移器的偏振方向与输出光束偏移器的偏振方向互为45度；
一个第二传输光纤连接到光传感器探头，用来接收来自输出光束偏移器的输出探测光束；
一个光探测单元连接到第二传输光纤，用来接收来自光电流传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测输出，以获得电流信息。
根据本申请的另一方面，一种基于光学传感的温度传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并使之沿着传输光纤传输。
一个光学温度传感器探头连接到第一传输光纤，用来接收所述探测光；所述温度传感头包括一个第一光纤准直器连接到第一传输光纤，用来接收探测光；一个输入光束偏移器用来接收来自第一光纤准直器的输出光，并将收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对周边磁场影响实施屏蔽了的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，并对两个偏振输入光束产生约45度的偏振旋转；一个输出光束偏移器接收来自法拉第旋转器的第一和第二输出光束，并将接收到的第一和第二输出光束的一部分，合并成一个携带法拉第旋转器处的温度信息的输出探测光束；一个第二光纤准直器用来接收来自法拉第旋转器的输出探测光；
一个第二传输光纤连接到光学温度传感器探头，用来接收来自第二光纤准直器的输出探测光；
一个光探测器单元连接到第二传输光纤，用来接收来自所述光学温度传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测器输出，以获得温度信息。
根据本申请的又一方面，一种基于光传感的电流传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段传输光纤用来接收来自光源的探测光；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成两束偏振态不同第一和第二偏振输入光束；一个法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二输入光束，并产生22.5度偏振旋转；一个法拉第材料用来接收和传输来自法拉第旋转器的第一和第二偏振输入光束，所述法拉第材料会因为其附近的电流产生的磁场变化使得第一和第二偏振输入光束产生相应的偏振旋转；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束，并反射回到法拉第材料、法拉第旋转器，到达光束偏移器；光束偏移器将接收到反射回来的第一和第二输出光束的一部分，合并成一束携带电流信息的输出探测光束；
一个光纤准直器连接到传输光纤，将来自光源的探测光传导进入光束偏移器，并将来自光束偏移器的输出探测光束传导进入传输光纤；
一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自光学电流传感器探头的输出探测光；
一个测量模块接收来自探测单元的探测器输出，以获得电流信息。
根据本申请的进一步方面，一种基于光传感的温度传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段传输光纤用来接收来自光源的探测光；
一个光学温度传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成为偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对外磁场干扰进行了屏蔽的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，并将第一和第二偏振输入光束进行约22.5度的偏振旋转；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束回到法拉第材料、法拉第旋转器，到达光束偏移器，光束偏移器将接收到的第一和第二输出光束的一部分，合并成携带法拉第旋转器处温度信息的输出探测光束；
一个光纤准直器连接到传输光纤，用来将来自光源的探测光进入光束偏移器，并将来自光束偏移器的输出探测光束进入传输光纤；
一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自温度传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块接收来自光探测单元的探测器输出，以获得温度信息。
一个光功率探测器用来接收来自光源的探测光的一部分，以探测探测光的功率波动；
其中测量模块处理来自光探测模块和来自光功率探测器的包含电流信息的探测器输出。
根据本申请的进一步方面，一种基于光传感的电流传感器系统，包括：
一个第一光源产生温度探测光，一个第一传输光纤接收第一光源产生的温度探测光，传输到远端权利要求10的光学温度传感器探头，并接收权利要求10的光学温度传感器探头的返回温度测量探测光；
一个第二光源产生电流探测光，一个第二传输光纤接收第二光源产生的电流探测光，传输到远端权利要求7的光学电流传感器探头，并接收权利要求7的光学电流传感器探头的返回电流测量探测光；
一个光探测单元连接到第一和第二传输光纤，用来接收来自温度传感器探头和电流传感器探头的返回探测光束；
一个测量模块接收来自光探测单元的探测器输出，以获得电流信息，并消除温度信息对电流信息产生的测量误差。
根据本申请的进一步方面，一种基于光传感的带有温度补偿的电流传感器，包括：
一个光源，用来产生包含第一波长和第二波长的探测光；
一段传输光纤用来接收包含第一波长和第二波长的探测光；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对外磁场进行了磁屏蔽的法拉第旋转器，用来接收第一和第二偏振输入光束，并旋转其偏振态；一个双色向滤波器放置在法拉第旋转器的下游，用来接收来自法拉第旋转器的光；所述滤波器设置成通过第一光波长的光，反射第二光波长的光；一个不做磁屏蔽的传感法拉第材料放置在双色向滤波器的通过光的光路中，用来同时感测由温度引起的偏振旋转，和传感法拉第材料附近电流磁场引起的偏振旋转；一个光反射器放置在传感法拉第材料的下游，用来将第一光波长的光反射回到传感法拉第材料、双色向滤波器、法拉第旋转器，回到光束偏移器，通过光束偏移器的第一波长的反射光的一部分，与由双色向滤波器反射的第二光波长的光的一部分汇合进入传输光纤；
一个第一光探测器用来接收来自传输光纤处于第一光波长、携带被测电流信息和光学电流传感器探头附近温度影响信息的反射光；
一个第二光探测器用来接收来自传输光纤处于第二光波长、携带法拉第旋转器处温度信息的反射光；
一个测量模块接收来自第一和第二探测器包含被测电流信息探测输出，并补偿温度对电流测量产生的误差影响。
上述基于光学传感的电流传感器及系统，以及相应的温度传感器，通过对来自放置在被测电流或温度位置的光传感探头的光进行测量，其传感介质是具有法拉第效应的光介质材料，因而可以免除电磁干扰；其使用光传输携带电流和温度信息，测量基站可以从远距离获得传感位置的信息；除此之外，与传统的基于电子电路的传感技术相比，探测光信息信号还具有更多优势。
附图说明
图1是一种采用了一个法拉第材料的透射式光学电流传感器示意图；
图2是增加了一个永久法拉第旋转器的透射式光学电流传感器示意图；
图3是一种采用永久法拉第旋转器的透射式温度传感器；
图4是一种反射式电流传感器；
图5是一种反射式温度传感器；
图6是是两种(A和B)同时具有温度和电流传感器的设计示意图；
图7是一种带有波分复用器的双光源反射式电流传感器；
图8是一种在探测器前加上滤波器的反射式单光源电流传感器；
图9是一种带有波分复用器的单光源反射式电流传感器；
图10是一种带有两个波分复用器的单光源反射式电流传感器；
图11是另一种带有两个波分复用器的单光源反射式电流传感器。
具体实施方式
在本发明中，光学传感可被用于远距离测量电流或温度，从基站通过一根光纤传导探测光到放置在被测目标位置的光学传感器探头，再使用光从光传感器探头返回基站的携带被测电流或温度信息。
采用偏振敏感并且输入光随偏振产生输出功率的波动的传感头可以设计得更紧凑。这种偏振敏感可通过使用低偏振度光源(例如ASE光源)来降低。本发明示例中的反射式设计，使得光学集成更容易。例如，输入光学设备采用低偏振度光源，而不需要限制偏振方向，这就降低了光传感头对偏振的敏感。在其他例子中，在法拉第传感材料后放置的起偏器在许多设计中可以去除。另外，可以在电流传感器设计上同时进行温度传感，可以采用对所使用的法拉第材料进行温度效应补偿。在本发明中也提出了光纤做传感材料时采用反射式设计。这里一些公开的设计是将温度传感和电流传感进行整合，从而在低成本的情况下获得高的环境稳定性。
在本发明的例子中，电流传感头全部都是光学零件，没有电子电路和电子元件。值得特别一提的是，传感器探头不包含任何探测器，电流测量信息是由光通过传输光纤从传感器探头传输到电流传感器基站。全光电流传感器探头放置在电流导体处，通过电流产生的磁场引起法拉第材料对通过的光产生偏振旋转来传感电流。当被测电流与法拉第材料中的传输光的光路方向垂直，则电流产生的磁场沿着法拉第旋转器的光路方向，因而对光的偏振旋转效果最大。来自宽带光源的探测光进入电流传感器探头，来自电流传感器探头的反射光束通过光纤进入探测器基站的光探测系统(PD)，并探测和提取电流传感器探头所处位置的电流信息。如果使用单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)来传输进入位于电流传感位置的光，低偏振度的探测光可保障通过传感探头的光功率稳定。如果使用更贵的保偏光纤(PM)，则可以使用高偏振度光源，此时探测光的偏振轴要对准保偏光纤的慢轴(或快轴)。
本发明的光传感示例采用偏振不敏感配置的两个偏振器件将偏振态(SOP)旋转45度，使得传感探头处于最敏感最线性探测模式。两个偏振器件可以通过使用双折射材料(比如钒酸钇晶体或铌酸锂晶体)做成的偏振分束器或者光束偏移器来实现，配置采用所提供的光传输或光反射。所公开的设计包括一个基于光传感的温度传感器用来补偿法拉第材料随温度变化产生的旋转。特别地，采用永久法拉第旋转镜来提供敏感和线性的偏振转角简化偏振指标。此外，同样法拉第旋转器的温度敏感可用于光传感探头的温度传感，可以用于法拉第传感材料的主动温度敏感补偿。我们也公开了使用波分复用器技术来整合电流/磁场测量和温度传感。
图1展示了第一种透射式传感头，一个第一偏振光束偏移器，用来将输入光束分开成两束正交的偏振态；一个第二偏振光束偏移器用来将两束正交的偏振态光束合束成一束光束并进入输出光纤。第二偏振偏移器与第一偏振偏移器光轴成45度角，所以传感头最敏感、线性度也最好。
图1所示光传感器是基于光传感的电流传感器的一类例子。这种电流传感器包括一个产生探测光的光源，一个第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并将接收的探测光导入传输光纤传输；一个光学电流传感器探头连接到第一传输光纤，接收所述探测光。这个光学探头包括一个输入光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成两束偏振态不同的第一偏振输入光束和第二偏振输入光束；一个法拉第材料用来接收第一和第二偏振输入光束，并传输为因为电流在法拉第材料附近形成的磁场而产生偏振旋转的第一和第二输出光束；一个输出光束偏移器用来接收来自法拉第材料的第一和第二输出光束，并将所接受的第一和第二输出光束合并为一束携带电流信息的输出探测光束。其中输入光束偏移器和输出光束偏移器的偏振轴相互成45度角。以上传感器还可以包括一个第二传输光纤连接到传感器探头，用来接收来自输出光束偏移器的输出探测光束；一个探测单元连接到第二传输光纤上，用来接收来自光学电流传感头的输出探测光束；一个测量模块用来接收来自探测单元的探测输出以获得电流信息。
所述测量模块可以包括一个数字处理器或一个集成电路用来生成电流测量数据。在本系统同时测量温度时，测量模块也测量温度或对电流测量中因为温度产生的误差进行补偿。
当第二光束偏移器接收到来自法拉第材料的偏振态相互垂直的两束光，会将其分布分开成两束偏振态相互垂直的两组偏振光，而第二传输光纤被设置成只分别接收两组偏振光中各一束，且第二传输光纤所接受的这各一束偏振光是选择偏振态不同光束接收。如图1所示，第二光束偏移器只有实线所示的光进入了第二传输光纤，虚线所示的光则不进入。所以，当法拉第材料没有对偏振旋转产生作用的时候，第一传输光纤的输出光光强会比第二传输光纤的输入光光强会大一倍。即从传感头输出的光强是输入到传感头的光的光强的50％。当法拉第材料在外磁场的作用下，使得通过的光产生偏振偏转的时候，这个输入输出比例会围绕50％有所变化。
图2展示了一个透射式传感器探头的实施例，其中一个永久法拉第旋转器设置成旋光45度角，放置在图1中法拉第传感材料前面。所述第一偏振光束偏移器用作输入光的正交偏振分束器件，所述第二偏振光束偏移器用作两束正交偏振合束器件，将合束光输出到输出光纤中。其中永久法拉第旋转器需要深度磁饱和，因而不会对外部磁场敏感。此外，永久法拉第旋转器可以用磁材料封装，从而隔绝测量环境的外部磁场。为了消除光功率起伏或者光源的漂移，可以测量光进入传感探头之前的光功率，或者测量输出功率与被感应磁场输入功率的线性比值。
图2示例是一个基于光传感的电流传感器的具体实现方案。这款传感器可以包括一个产生探测光的光源，一个第一传输光纤用来接收来自光源的探测光并使该探测光沿着传输光纤传导，一个光学电流传感器探头连接到第一传输光纤，用来接收所述探测光。所述光探头可设计成包括一个输入光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个法拉第旋转器用来接收和通过第一和第二偏振输入光束，并将第一和第二偏振输入光束的偏振态旋转45度；一个法拉第材料用来接收和通过来自法拉第旋转器的第一和第二输入偏振光束，并形成受电流形成磁场影响的法拉第材料而旋转了偏振态的第一和第二输出光束；一个输出光束偏移器接收来自法拉第材料的第一和第二输出光束，并将所收到的第一和第二输出光束合并成一束携带电流信息的探测光束。所述传感器进一步包括一个第二传输光纤，连接到光学传感器探头，用来接收来自输出光束偏移器的输出探测光束；一个光探测单元连接到第二传输光纤，用来接收来自光学电流传感器头的输出探测光；一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测器输出，以获得电流信息。
图3是一个透射式温度传感器探头的设计实例，其中去掉了图2中的磁传感材料，只有45度旋转的永久法拉第旋转器。因为永久法拉第旋转器只对温度敏感，输出光功率与温度形成比例，因而可以通过测量输出光功率而获得温度。为了去除光源的漂移造成的光功率起伏，可以在光进入传感探头之前先测量光功率，而且光功率旋转应当与温度成比例。
图3中的传感器是一个光学温度传感的例子，采用法拉第光学效应的温度传感。所述温度传感器包括一个产生探测光的光源；一个第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并通过第一传输光纤进行传导；一个温度光传感器探头连接到第一传输光纤，用来接收探测光；所述传感探头包括一个输入光束偏移器，用来将收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束。一个进行了隔绝任何外磁场影响的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束并进行约45度左右的偏振旋转；一个输出光束偏移器用来接收来自法拉第旋转器的第一和第二输出光束，并将接收的第一和第二输出光束合并成一束携带法拉第旋转器处的温度信息的探测光束；一个第二传输光纤连接到光学温度传感器探头，用来接收来自输出光束偏移器的输出光束；一个光探测单元连接到第二传输光纤，用来接收来自光学温度传感器探头的输出光束；一个测量模块用来接收来自光探测单元探测器输出，以获得温度信息。
图4显示了反射式电流(或磁场)传感器探头具体化设计，其中永久法拉第旋转器带有22.5度的偏振旋转，放置在法拉第传感材料的前面或者后面。偏振光束偏移器用作偏振光束的分束和合束。反射式设计的优点是结构紧凑且造价低。其中永久法拉第旋转器需要处于饱和或者磁屏蔽，因而不会对磁场产生传感。注意，如果是交变电流或交变磁场传感，图4中的PD1可以去掉，电流或者磁场可通过AC和DC组件的比值获得。
这种传感器可以包括一个产生探测光的光源；一个传输光纤用来接收来自光源的探测光，一个光传感器探头连接到传输光纤以接收探测光。光探头包括一个光束偏移器用来将接收到的探测光分成偏振态不同的第一和第二起偏输入光束；一个法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二起偏输入光束，并将偏振态旋转约22.5度；一个法拉第材料用来接收和传输来自法拉第旋转器的第一和第二偏振输入光束，该光束受到法拉第材料附近的电流产生的磁场影响而产生偏振旋转；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束，使之反射回到法拉第材料和法拉第旋转器，到达光束偏移器，光束偏移器直接接收第一和第二输出光束，使之合并成一个携带电流信息的输出光束。该传感器也可以包括一个光纤准直器，连接到传输光纤，来引导来自光源的探测光进入光束偏移器，并引导来自光束偏移器的输出探测光束再进入传输光纤；一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自光学电流传感器探头的输出探测光束；一个测量模块接收来自光学探测单元的探测器输出，以获得所包含的电流信息。在这个实施例中，传感器可以包括一个光功率探测器，用来接收来自光源的探测光的一部分，用来探测光源的功率波动。所述测量模块处理来自光探测器的探测输出和光功率探测器输出，获得所包含的电流信息。
图5实施例显示了一个反射式温度传感器探头的设计，其中图4中的法拉第传感材料被去除。因为永久法拉第旋转器的偏振旋转角受温度变化而变化，所以温度信息可以从测量PD1和PD2的功率获得旋转光功率来获得。这种基于光传感的温度传感器可以包括一个产生探测光的光源；一个传输光纤用来接收来自光源的探测光；一个光学温度传感器探头连接到传输光纤用来接收探测光。所述探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成为偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对周边磁场影响进行了屏蔽的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，并旋转约22.5度偏振态，形成第一和第二输出光束；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束回到法拉第材料，再回到法拉第旋转器，到达光束偏移器，光束偏移器将收到的第一和第二输出光束合并成包含法拉第旋转器位置的温度信息的输出探测光束。所述传感器进一步包括一个光纤准直器，连接到传输光纤，用来引导来自光源的探测光进入光束偏移器，并将来自光束偏移器的输出探测光束进入传输光纤；一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自光学温度传感器探头的输出探测光束；一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测器输出，以获得温度信息。
图6A和图6B所示是两种光学传感头设计，其中包括一个电流传感器和一个温度传感器集成在一起。温度传感器所测到的温度可用于矫正电流(或磁场)传感器测量中法拉第材料对温度的敏感产生的误差。
图7是第一种带有温度传感器的波分复用电流/磁场传感器。两个分开具有波长1和波长2光输出的光源用于传感器系统中。第一频道用于电流传感，同时第二频道用于温度传感。波长1的光通过22.5度永久法拉第旋转器、双色向滤波器、传感法拉第材料，到达一个反射镜，将光再原路反射回来到输入光纤。PD1和PD2之比用来计算电流或磁场。此外，波长2的光穿过22.5度永久法拉第旋转器被双色向滤波器反射回到输入光纤。PD3和PD4之比用于温度的计算。
在此实施例中，一个基于光传感的带有温度补偿的电流传感器，可以包括一段传输光纤，用来接收包含第一和第二光波长的探测光；一个光电流传感器探头连接到传输光纤用来接收探测光。所述光学探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分成两束偏振态不同的第一和第二起偏输入光束；一个对周边磁场干扰进行了屏蔽的法拉第旋转器，用来接收第一和第二起偏输入光束，使之产生偏振旋转；一个双色向滤波器放置在法拉第旋转器后面，用来接收来自法拉第旋转器的光，并设置成通过第一波长的光并反射第二波长的光；一个不做磁屏蔽的传感法拉第材料，放置在双色向滤波器的通过光的光路中，用来同时传感传感法拉第材料附近的温度变化和电流引起的磁场变化产生的第一波长光偏振旋转；一个光反射器放置在传感法拉第材料的下游，所述反射器用来反射第一光波长的光回到传感法拉第材料、双色向滤波器和法拉第旋转器，到达光束偏移器，在传输光纤和第一波长的滤波器反射光汇合。所述传感器进一步包括第一光探测器，用来接收来自传输光纤的携带被测电流信息，且包含传感器探头处温度影响的处于第一波长的反射光；一个第二光探测器，用来接收来自传输光纤、处于第二波长、只携带法拉第旋转器处温度信息的反射光；一个测量模块接收来自第一和第二探测器包含被测电流信息的探测输出，并补偿温度对电流测量造成的影响。
上述传感器可以采用不同的光源。有的可以采用一个第一光源产生第一波长的探测光，一个第二光源产生第二波长的探测光。其他设计可采用一个单独的光源，同时产生第一波长的探测光和第二波长的探测光，并进入到传输光纤中。
图8是第二种采用波分复用器、带温度测量的电流/磁场传感器方案。第一频道用于电流测量，第二频道用于温度测量。第一波长的光穿过22.5度永久法拉第旋转器、双色向滤波器、传感法拉第材料，并被一个反射镜向着输入光纤的方向反射回来。PD1和PD2的比值用来计算电流或磁场。另一方面，第二波长的光穿过22.5度永久法拉第旋转器，被双色向滤波器反射回输入光纤。在PD1和PD2之前放置可通过的1号光的滤波器，同时在PD3和PD4之前放置可通过2光的滤波器。
在这个设计，整个传感器包括一个第一光纤连接到传输光纤，用来从光源分出一部分探测光作为第一功率监视信号光束；分出一部分来自传感器探头的反射光束作为第一信号光束，进入第一光探测器；一个第二光纤连接到传输光纤上，用来将来自光源的探测光的一部分分开作为第二光功率监视信号光束；分出一部分来自光传感器探头的反射光作为第二信号光束，进入第二光探测器；一个第一光带通滤波器放置在第一光探测器前面，用来通过处于第一波长的光，使之进入到第一光探测器；一个第二光带通滤波器放置在第二光探测器前面，用来过滤第二波长的光，使之进入进入到第二光探测器；一个第一光功率监视探测器(PD1)用来接收来自第一光纤耦合器的第一功率监视信号光束；一个第三光带通滤波器放置在第一光功率监视探测器(PD1)前，用来过滤第一光波长的光进入第一光功率监视探测器(PD1)；一个第二光功率监视探测器(PD3)用来接收来自第二光纤耦合器的第二功率监视信号光束；一个第四光带通滤波器放置在第二光功率监视探测器(PD3)前面，用来过滤第二波长的光进入第二光功率监视探测器(PD3)。所述测量模块接收第一和第二光探测器的探测输出、第一和第二光功率监视探测器的探测输出，以获得被测电流信息，并补偿由温度和第一第二波长的光源的功率波动带来的测量误差。
图9是第三种采用了波分复用器的带有温度传感补偿的电流/磁场传感器。一个信号光源包括波长1和波长2(例如ASE光源或SLED光源)。波长1的光穿过22.5度永久法拉第旋转器、双色向滤波器、传感法拉第材料，再被反射镜反射回来。PD2和PD1之比被用来计算电流和磁场。此外，波长2的光穿过22.5度永久法拉第旋转器，并被双色向滤波器向着输入光纤反射回来。PD3和PD1之比被用来计算温度。一个WDM被用来将两个波长分开分别进入探测器PD2和PD3。监视探测器PD1探测两个波长的输入光作为参考。
图10是第四种采用了波分复用器的带有温度传感器补偿的电流/磁场传感器。1频道用于电流传感，2频道用于温度传感。1波长的光通过22.5度永久法拉第旋转器、双色向滤波器、传感法拉第材料，被反射镜向着输入光纤方向反射回来。PD3和PD1的比值用作磁场或电流的计算。另外，波长2的光穿过22.5度永久法拉第旋转器被双色向滤波器向着输入光纤反射回来。PD4和PD2的比值用作温度计算。WDM1被用来分开两个波长分别进入PD1和PD2，用作监视参考；WDM2被用来将两个波长分开用于传感信号。
图11是一个第五种采用了波分复用器的带有温度传感器补偿的电流/磁场传感器。波长1和波长2是ASE或者SLED光源产生的探测光。波长1频道用于电流传感，同时波长2频道用于温度传感。波长1的光通过22.5度永久法拉第旋转器、双色向滤波器、法拉第材料，被反射镜想着输入光纤反射回来。PD3和PD1的比值用来计算电流或磁场。此外，波长2的光穿过22.5度永久法拉第旋转器被双色向滤波器向着输入光纤反射回来。PD4和PD2的比值用于计算温度。WDM1用来将两个波长分开成两个不同的通道，WDM2被用来合并两个波长的光进入同一个光纤。
在这个专利文件中包含很多细节，这并不意味着仅限于这些细节或者权利要求的内容，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当被认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (18)
1.一种基于光传感的电流传感器，包括：
一个用来产生探测光的光源；
一个第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并将该探测光沿着传输光纤传输；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收来自传输光纤的探测光；所述光学电流传感器探头包括一个输入光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成偏振态不同的第一偏振输入光束和第二偏振输入光束；一个法拉第材料用来接收和传输第一偏振输入光束和第二偏振输入光束，产生第一输出光束和第二输出光束；所述第一输出光束和第二输出光束受法拉第材料附近电流的磁场影响产生偏振旋转；一个输出光束偏移器接收来自法拉第材料的第一输出光束和第二输出光束，并将接收到的第一输出光束和第二输出光束中的一部分，合并成携带电流信息的输出探测光束；其中输入光束偏移器的偏振方向与输出光束偏移器的偏振方向互为45度；
一个第二传输光纤连接到光传感器探头，用来接收来自输出光束偏移器的输出探测光束；
一个光探测单元连接到第二传输光纤，用来接收来自光电流传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测输出，以获得电流信息。
2.如权利要求1所述的电流传感器，其中光电流传感器探头包括：
一个第一光纤准直器连接到第一传输光纤，用来接收来自光源的探测光，并传输到第一光束偏移器；
一个第二光纤准直器连接到第二传输光纤，用来将来自光电流传感器探头的输出探测光束导入第二传输光纤。
3.如权利要求1所述的电流传感器，包括：
一个光功率探测器用来直接接收来自光源的一部分探测光，以检测光源探测光的波动；
其中测量模块处理来自探测器和来自光功率探测器的探测输出，以获得电流信息。
4.如权利要求1所述的电流传感器，包括：
一个法拉第旋转器放置在法拉第材料之前，或放置在法拉第材料之后，用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，或接受来自法拉第材料的第一输出光束和第二输出光束，并使之偏振态旋转45度；
所述输入光束偏移器的偏振方向与输出光束偏移器的偏振方向互为0度。
5.如权利要求4所述的电流传感器，其中：
所述法拉第旋转器是与外磁场干扰进行了磁屏蔽。
6.一种基于光学传感的温度传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段第一传输光纤用来接收来自光源的探测光，并使之沿着传输光纤传输。
一个光学温度传感器探头连接到第一传输光纤，用来接收所述探测光；所述温度传感头包括一个第一光纤准直器连接到第一传输光纤，用来接收探测光；一个输入光束偏移器用来接收来自第一光纤准直器的输出光，并将收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对周边磁场影响实施屏蔽了的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，并对两个偏振输入光束产生约45度的偏振旋转；一个输出光束偏移器接收来自法拉第旋转器的第一和第二输出光束，并将接收到的第一和第二输出光束的一部分，合并成一个携带法拉第旋转器处的温度信息的输出探测光束；一个第二光纤准直器用来接收来自法拉第旋转器的输出探测光；
一个第二传输光纤连接到光学温度传感器探头，用来接收来自第二光纤准直器的输出探测光；
一个光探测器单元连接到第二传输光纤，用来接收来自所述光学温度传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块用来接收来自光探测单元的探测器输出，以获得温度信息。
7.一种基于光传感的电流传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段传输光纤用来接收来自光源的探测光；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成两束偏振态不同第一和第二偏振输入光束；一个法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二输入光束，并产生22.5度偏振旋转；一个法拉第材料用来接收和传输来自法拉第旋转器的第一和第二偏振输入光束，所述法拉第材料会因为其附近的电流产生的磁场变化使得第一和第二偏振输入光束产生相应的偏振旋转；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束，并反射回到法拉第材料、法拉第旋转器，到达光束偏移器；光束偏移器将接收到反射回来的第一和第二输出光束的一部分，合并成一束携带电流信息的输出探测光束；
一个光纤准直器连接到传输光纤，将来自光源的探测光传导进入光束偏移器，并将来自光束偏移器的输出探测光束传导进入传输光纤；
一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自光学电流传感器探头的输出探测光；
一个测量模块接收来自探测单元的探测器输出，以获得电流信息。
8.如权利要求7所述的电流传感器，包括：
一个光功率探测器用来接收来自光源的探测光的一部分，以探测探测光的功率波动；
其中测量模块处理来自光探测器和光功率探测器的包含电流信息的探测输出。
9.如权利要求7所述的电流传感器，其中：
所述法拉第旋转器是与外磁场干扰进行了磁屏蔽。
10.一种基于光传感的温度传感器，包括：
一个产生探测光的光源；
一段传输光纤用来接收来自光源的探测光；
一个光学温度传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成为偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对外磁场干扰进行了屏蔽的法拉第旋转器用来接收和传输第一和第二偏振输入光束，并将第一和第二偏振输入光束进行约22.5度的偏振旋转；一个光反射器用来接收和反射来自法拉第材料的第一和第二输入光束回到法拉第材料、法拉第旋转器，到达光束偏移器，光束偏移器将接收到的第一和第二输出光束的一部分，合并成携带法拉第旋转器处温度信息的输出探测光束；
一个光纤准直器连接到传输光纤，用来将来自光源的探测光进入光束偏移器，并将来自光束偏移器的输出探测光束进入传输光纤；
一个光探测单元连接到传输光纤，用来接收来自温度传感器探头的输出探测光束；
一个测量模块接收来自光探测单元的探测器输出，以获得温度信息。
一个光功率探测器用来接收来自光源的探测光的一部分，以探测探测光的功率波动；
其中测量模块处理来自光探测模块和来自光功率探测器的包含电流信息的探测器输出。
11.一种基于光传感的电流传感器系统，包括：
一个第一光源产生温度探测光，一个第一传输光纤接收第一光源产生的温度探测光，传输到远端权利要求10的光学温度传感器探头，并接收权利要求10的光学温度传感器探头的返回温度测量探测光；
一个第二光源产生电流探测光，一个第二传输光纤接收第二光源产生的电流探测光，传输到远端权利要求7的光学电流传感器探头，并接收权利要求7的光学电流传感器探头的返回电流测量探测光；
一个光探测单元连接到第一和第二传输光纤，用来接收来自温度传感器探头和电流传感器探头的返回探测光束；
一个测量模块接收来自光探测单元的探测器输出，以获得电流信息，并消除温度信息对电流信息产生的测量误差。
12.权利要求11所述的电流传感器系统，包括：
一个信号光源代替所述第一光源和第二光源，通过一个光分束器或光纤耦合器将来自信号光源的探测光分开成为温度探测光束进入第一传输光纤和电流探测光束进入第二传输光纤。
13.一种基于光传感的带有温度补偿的电流传感器，包括：
一个光源，用来产生包含第一波长和第二波长的探测光；
一段传输光纤用来接收包含第一波长和第二波长的探测光；
一个光学电流传感器探头连接到传输光纤，用来接收探测光；所述传感器探头包括一个光束偏移器，用来将接收到的探测光分开成偏振态不同的第一和第二偏振输入光束；一个对外磁场进行了磁屏蔽的法拉第旋转器，用来接收第一和第二偏振输入光束，并旋转其偏振态；一个双色向滤波器放置在法拉第旋转器的下游，用来接收来自法拉第旋转器的光；所述滤波器设置成通过第一光波长的光，反射第二光波长的光；一个不做磁屏蔽的传感法拉第材料放置在双色向滤波器的通过光的光路中，用来同时感测由温度引起的偏振旋转，和传感法拉第材料附近电流磁场引起的偏振旋转；一个光反射器放置在传感法拉第材料的下游，用来将第一光波长的光反射回到传感法拉第材料、双色向滤波器、法拉第旋转器，回到光束偏移器，通过光束偏移器的第一波长的反射光的一部分，与由双色向滤波器反射的第二光波长的光的一部分汇合进入传输光纤；
一个第一光探测器用来接收来自传输光纤处于第一光波长、携带被测电流信息和光学电流传感器探头附近温度影响信息的反射光；
一个第二光探测器用来接收来自传输光纤处于第二光波长、携带法拉第旋转器处温度信息的反射光；
一个测量模块接收来自第一和第二探测器包含被测电流信息探测输出，并补偿温度对电流测量产生的误差影响。
14.权利要求13所述的电流传感器，包括：
一个第一光纤耦合器连接到传输光纤，用来分出来自光源的一部分探测光，作为第一功率监视信号光束；分出来自光学电流传感器探头的反射光的一部分，作为第一信号光束，到达第一光探测器；
一个第二光纤耦合器连接到传输光纤，用来从光源的探测光分出一部分作为第二功率监视信号光束，从来自光电流传感器探头的反射光中分出一部分，作为第二信号光束，到达第二光探测器；
一个第一光带通滤波器放置在第一光探测器前面，用来通过第一波长的光进入第一光探测器；
一个第二光带通滤波器放置在第二光探测器前面，用来通过第二波长的光进入第二光探测器；
一个第一光功率监视探测器用来接收来自第一光纤耦合器的第一功率监视信号光束；
一个第三光学带通滤波器放置在第一光功率监视探测器前面，用来通过第一光波长的光进入第一光功率监视探测器；
一个第二光功率监视探测器用来接收来自第二光纤耦合器的第二功率监视信号光束；
一个第四光带通滤波器放置在第二光功率监视探测器前面，用来通过第二光波长的光进入第二光功率监视探测器；
其中测量模块接收来自第一和第二探测器的输出，和第一、第二光功率监视探测器包含被测电流信息的探测输出，并补偿电流测量中由于温度和光源中第一和第二波长的光功率波动造成的误差。
15.如权利要求13所述的电流传感器，包括：
一个光纤耦合器连接到传输光纤，用来将光源的探测光分出一部分作为功率监视信号光束；并分出来自光电流传感器探头的反射光的一部分作为信号光束；
一个光波分复用器连接到光纤耦合器，接收来自光电流传感器探头的反射光的包含第一和第二光波长的光信号光束，并输出处于第一光波长的信号光束到第一光探测器，输出处于第二光波长的信号光束到第二光探测器；
一个光功率监视探测器用来接收来自光纤耦合器的功率监视信号光束；
其中测量模块接收来自第一和第二光探测器和光功率监视探测器的包含被测电流信息的探测信号输出，并补偿由于温度和光源功率波动造成的电流测量误差。
16.如权利要求15所述的电流传感器，包括：
一个第二光波分复用器连接到光纤耦合器，接收来自光源的包含第一和第二光波长的一部分探测光，并输出一个处于第一光波长的第一光源探测光到第一光功率监视探测器，一个处于第二光波长的第二光源探测光到第二光功率监视；
其中测量模块接收来自第一和第二光探测器、以及第一和第二光功率监视探测器的包含被测电流信息的探测输出，并补偿由于温度和光源第一第二波长功率起伏造成的电流测量误差。
17.如权利要求13所述的电流传感器，包括：
一个第一光波分复用器用来接收包含第一和第二波长、来自光源的探测光，并输出一个处于第一光波长沿着第一光路传输的第一信号光束，还输出一个处于第二光波长沿着第二光路传输的第二信号光束；
一个第二光波分复用器连接到第一和第二光路中，以合并处于第一和第二光波长的光成为合并光束，还进一步连接到传输光纤，传导所述合并光束进入传输光纤到达光电流传感器探头，并分开反射光成为处于第一光波长沿着第一光路传输的第一反射光束和处于第二光波长沿着第二光路传输的第二反射光束；
一个第一光耦合器连接到第一光路，用来分出处于第一光波长的第一信号光束成为处于第一波长的第一功率监视信号光束，并分出处于第一光波长的第一反射光束成为处于第一光波长的第一信号光束，进入第一光探测器；
一个第一光功率监视探测器用来接收来自第三光耦合器的第一功率监视信号光束；
一个第二光耦合器连接到第二光路中，用来分出处于第二光波长的第二信号光束的一部分成为处于第二光波长的第二功率监视信号光束，并分出处于第二光波长的第二反射光束一部分作为处于第二光波长的第二信号光束进入第二光探测器中；
一个第二光功率监视探测器用来接收来自第四光耦合器的第二功率监视信号光束；
其中测量模块接收来自第一和第二光探测器的、以及第一和第二光功率监视探测器包含被测电流信息的探测输出，并补偿由于温度和第一第二波长的光源功率波动造成的电流测量误差。
18.如权利要求13所述的电流传感器，其中
法拉第旋转器是可引起偏振约22.5度旋转的法拉第旋转器。
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