法拉第电流传感器和法拉第温度传感器

摘要

本发明涉及法拉第电流传感器和法拉第温度传感器。本申请公开了基于光子感应技术的、用于感应或测量电流和/或温度的技术和装置。光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于法拉第材料处且光学检测单元检测来自法拉第材料的光以确定电流的强度。光学温度传感器头位于使得温度感应法拉第材料处的温度由被检测以确定温度的光学偏振旋转反映的位置处或附近。

说明书

优先权和相关申请的交叉引用

本专利文件要求申请号为61/887,897、标题为“紧凑的法拉第电流传感器”且于2013年10月7日提交的美国临时专利申请的权益。以上提到的专利申请的全部内容通过引用、作为本申请的公开内容的一部分并入本申请。

技术领域

本专利申请涉及用于感应电流和温度的技术和装置。

背景技术

电流为由诸如金属的导电路径内电荷的流动产生的电信号。考虑到电流的电性质，用于感应或测量电流的技术和装置大部分是基于电子电路的。电子电路通常需要电力且可被电磁干扰不利地影响。用于感应电流的各种电子电路需要定位在电流被测量的位置，且这在各种应用中可施加实际限制。

发明内容

本发明申请公开了基于光子感应技术的、用于感应或测量电流和温度的技术和装置。

在一个方面，提供了一种基于光学感应的电流传感器，所述电流传感器包括：传感器基站，所述传感器基站包括产生探测光的光源和光学检测单元；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，所述第一光纤线路端与所述传感器基站连接以接收来自所述光源的所述探测光且将接收的探测光引导至所述输出光纤线路的远离所述传感器基站的第二光纤线路端；光学电流传感器头，所述光学电流传感器头与所述输出光纤线路的所述第二光纤线路端连接以接收所述探测光。该头构造为包括：输入光学偏振器，所述输入光学偏振器用于过滤所述探测光以产生偏振输入光束；法拉第材料，所述法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的所述偏振输入光束；和光学偏振分离装置，所述光学偏振分离装置接收来自所述法拉第材料的所述修正光束且将所述修正光束分为分别沿着第一光学路径和第二光学路径的、在两种不同的偏振态下的第一光束和第二光束。该基于光学感应的电流传感器进一步包括：第一返回光 纤线路，所述第一返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学电流传感器头连接以接收所述第一光束，所述第二光纤线路端与所述检测器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学电流传感器的所述第一光束传输至所述光学检测单元；和第二返回光纤线路，所述第二返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学电流传感器头连接以接收所述第二光束，所述第二光纤线路端与所述传感器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学电流传感器的所述第二光束传输至所述光学检测单元。所述光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于所述法拉第材料处且所述光学检测单元检测两种光束以确定所述电流的强度。

在另一个方面，提供了一种基于光学感应的电流传感器。所述电流传感器包括：传感器基站，所述传感器基站包括光源和光学检测单元，所述光源产生探测光，所述光学检测单元包括接收所述光源的所述探测光的一部分以监控所述光源的功率波动的第一光学检测器和检测光以感应电流的第二光学检测器；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，所述第一光纤线路端与所述传感器基站连接以接收来自所述光源的所述探测光且将接收的探测光引导至所述输出光纤线路的远离所述传感器基站的第二光纤线路端；和光学电流传感器头，所述光学电流传感器头与所述输出光纤线路的所述第二光纤线路端连接以接收所述探测光。该光学电流传感器头构造为包括：输入光学偏振器，所述输入光学偏振器用于过滤所述探测光以产生偏振输入光束；法拉第材料，所述法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的所述偏振输入光束；和输出光学偏振器，所述输出光学偏振器接收来自所述法拉第材料的所述修正光束且选择性地接收作为所述光学电流传感器头的输出光束的所述修正光束的一部分。该基于光学感应的电流传感器包括单个返回光纤线路，所述单个返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学电流传感器头连接以接收输出光束，所述第二光纤线路端与所述传感器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学电流传感器的所述输出光束传输至所述光学检测单元内的所述第二光学检测器。所述光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于所述法拉第材料处且所述光学检测单元中的所述第二光学检测器检测所述输出光束以确定所述电流的强度。

在另一个方面，提供了一种基于光学感应的电流传感器。该电流传感器包括：传感器基站，所述传感器基站包括产生探测光的光源、接收所述光源的所述探测光的一部分以监控所述光源的功率波动的第一光学检测器、和检测光以感应电流的第二光学检测器；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，所述第一光纤线路端与所述传感器基站连接以接收来自所述光源 的所述探测光且将接收的探测光引导至所述输出光纤线路的远离所述传感器基站的第二光纤线路端；和光学电流传感器头，所述光学电流传感器头与所述输出光纤线路的所述第二光纤线路端连接以接收所述探测光。光学电流传感器头构造为包括：用于过滤所述探测光以产生偏振光束的输入光学偏振器；选择性地输出第一偏振态的偏振光束的第一部分的偏振光束分离器；法拉第材料，所述法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的所述第一偏振态的所述偏振光束的所述第一部分；用于发送所述修正光束的偏振器；和镜子，所述镜子用于将所述修正光束反射回所述偏振器、所述法拉第材料和输出作为与被所述光学电流传感器头接收的探测光分离的输出光束的反射的修正光束的所述偏振光束分离器。基于光学感应的电流传感器包括具有第一光纤线路端的返回光纤线路，所述第一光纤线路端与所述光学电流传感器头连接以接收所述输出光束以将来自所述光学电流传感器的所述输出光束传输至所述传感器基站中的所述第二光学传感器。所述光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于所述法拉第材料处且所述第二光学检测器检测所述输出光束以确定所述电流的强度。

在另一个方面，一种基于光学感应的温度传感器包括：传感器基站，所述传感器基站包括产生探测光的光源和检测所述传感器基站接收的光的光学检测单元；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，所述第一光纤线路端与所述传感器基站连接以接收来自所述光源的所述探测光且将接收的探测光引导至所述输出光纤线路的远离所述传感器基站的第二光纤线路端；光学温度传感器头，所述光学温度传感器头与所述输出光纤线路的所述第二光纤线路端连接以接收所述探测光且构造为包括用于过滤所述探测光以产生偏振输入光束的输入光学偏振器、定位为用于接收和发送作为修正光束的所述偏振输入光束的法拉第材料、和接收来自所述法拉第材料的所述修正光束且将所述修正光束分为分别沿着第一光学路径和第二光学路径的、在两种不同偏振态下的第一光束和第二光束的光学偏振分离装置；第一返回光纤线路，所述第一返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学温度传感器头连接以接收所述第一光束，所述第二光纤线路端与所述检测器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学温度传感器的所述第一光束传输至所述光学检测单元；和第二返回光纤线路，所述第二返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学温度传感器头连接以接收所述第二光束，所述第二光纤线路端与所述传感器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学温度传感器的所述第二光束传输至所述光学检测单元。所述光学温度传感器头中的所述法拉第材料基于所述法拉第材料处的温度产生光的偏振态的旋转且所述光学检测单元测量两个光束以确定所述温度。

在再另一个方面，一种基于光学感应的温度传感器包括：传感器基站，所述传感器基站包括光源和光学检测单元，所述光源产生探测光，所述光学检测单元包括接收所述光源的所述探测光的一部分以监控所述光源的功率波动的第一光学检测器和检测所述传感器基站接收的光的第二光学检测器；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，所述第一光纤线路端与所述传感器基站连接以接收来自所述光源的所述探测光且将接收的探测光引导至所述输出光纤线路的远离所述传感器基站的第二光纤线路端；光学温度传感器头，所述光学电流传感器头与所述输出光纤线路的所述第二光纤线路端连接以接收所述探测光且构造为包括用于过滤所述探测光以产生偏振输入光束的输入光学偏振器、定位为用于接收和发送作为修正光束的所述偏振输入光束的法拉第材料、和接收来自所述法拉第材料的所述修正光束且选择性地接收作为所述光学电流传感器头的输出光束的所述修正光束的一部分的输出光学偏振器；和单个返回光纤线路，所述单个返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，所述第一光纤线路端与所述光学温度传感器头连接以接收输出光束，所述第二光纤线路端与所述传感器基站的所述光学检测单元连接以将来自所述光学电流传感器的所述输出光束传输至所述光学检测单元内的所述第二光学检测器。所述光学温度传感器头中的所述法拉第材料基于所述法拉第材料处的温度产生光的偏振态的旋转且所述光学检测单元检测所述输出光束以测量所述温度。在实施方式中，光学温度传感器构造为将法拉第材料与外部磁场磁屏蔽。

在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述以上和其他方面、和其实施方式和示例。

附图说明

图1示出了基于公开的技术的电流感应系统的第一设计的示例。

图2示出了使用两个独立光检测器以检测来自图1中的两个输出光纤的光学功率级的光学检测电路的示例。

图3示出了用于检测来自两个输出光纤的差动功率级以显著增加图1中的电流传感器系统的检测灵敏度或动态范围的、平衡检测设计的光学检测电路的另一个示例。

图4示出了与图1中的电流传感器的构造相同的温度传感器的示例，其中图1中的可变法拉第旋转器被x度的永久法拉第旋转器代替，该永久法拉第旋转器被磁屏蔽以防止电流影响被感应。

图5示出了基于永久法拉第旋转器的温度传感器的较简单的实施例的示例，其中图4中的沃拉斯顿棱镜被偏振器(偏振器2)代替且双光纤准直器被单光纤准直器代替。

图6示出了将电流传感器头和温度传感器头组合在相同封装中的第一实施例的示例。

图7示出了将电流传感器头和温度传感器头组合在相同封装中的第二实施例的示例。

图8示出了具有内置温度感应能力的传导电流传感器的示例，其中如图6和图7中具有x度旋转的永久法拉第旋转器位于感应法拉第旋转器前面。

图9示出了反射电流传感器头的第一实施例的示例，其中偏振器离PBS穿过轴45度定向，使得来自镜子的反射光被PBS 50％地分为零磁场下的两个分离光纤。

图10、图11和图12示出了具有集成温度感应能力的反射电流传感器头的示例。

图13示出了用于同时监控3相功率系统中的三个导体中的电流的电流感应系统的示例。

具体实施方式

基于光纤光学电流传感器的电流的感应对智能电网中的变电器和功率分布系统的监控、控制和保护是有吸引力的。与一些现存电流传感器相比，其具有的优点是能够在不同位置分开传感器头与电子处理单元，且因此在传感器头处不需要任何电力，使其对高压应用是安全的。光纤光学电流传感器的实施方式可构造为用于达到其他优点，包括尺寸小、重量轻、不受电磁干扰影响、功耗低、不受电流饱和或其他影响。使用光纤中存在法拉第效应的、基于光纤线圈的电流传感器已经广泛地用于高压应用，其中光纤线圈卷绕在载流导体周围。这样的基于光纤线圈的电流传感器通常更贵且需要使电缆断裂以安装。基于法拉第玻璃或晶体的光纤电流传感器与其基于光纤线圈的对应物相比具有尺寸紧凑、重量轻、成本低、和容易安装的优点。特别地，其可直接安装在甚至具有活动电流的电流传导电缆上，且可显著降低安装成本。由于成本低和尺寸小，其可应用至用于变压器监控的低压应用和中压应用，且因此具有更大的市场潜力。

精确度、动态范围和环境稳定性为光纤光学电流传感器的主要性能指标。增加动态范围的一个有效方式是增加磁场检测灵敏度，要求显著降低光电检测电路中的噪声。法拉第玻璃或晶体的费尔德常数的温度依赖性对测量精确度提出了挑战且需要在传感器系统设计中解决。来自传感器头的光学信号的温度效应可影响传感器的环境稳定操作，且因此有利的是提供一种用于补偿温度效应的机构。此外，来自临近载流导体的磁场的干扰还可影响电流检测精确度，且因此应该被减小或最小化。

本专利文件公开了用于增加电路检测灵敏度、测量传感器头的温度、补偿传感器头的温度效应、和消除来自临近导体的干扰以取得具有高精确度、大动态范围和高环境稳定性的电流传感器系统的构造的示例。

在一些实施方式中，本申请公开的基于光学感应的电流传感器包括：包括产生探测光的 光源和光学检测单元的传感器基站；和用于感应电流的光学电流传感器头。光学电流传感器远离电流传感器基站定位且没有电子部件。电流传感器包括具有第一光纤线路端的输出光纤线路，第一光纤线路端与传感器基站连接以接收来自光源的探测光且将接收的探测光引导至输出光纤线路的远离传感器基站的第二光纤线路端。光学电流传感器头与输出光纤线路的第二光纤线路端连接以接收探测光。光学电流传感器构造为包括：输入光学偏振器，输入光学偏振器用于过滤探测光以产生偏振输入光束；法拉第材料，法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的偏振输入光束；和光学偏振分离装置，光学偏振分离装置接收来自法拉第材料的修正光束且将修正光束分为分别沿着第一光学路径和第二光学路径的、在两种不同的偏振态下的第一光束和第二光束。电流传感器中包括：第一返回光纤线路，第一返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收第一光束，第二光纤线路端与检测器基站的光学检测单元连接以将来自光学电流传感器的第一光束传输至光学检测单元；和第二返回光纤线路，第二返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收第二光束，第二光纤线路端与传感器基站的光学检测单元连接以将来自光学电流传感器的第二光束传输至光学检测单元。光学电流传感器头位于载流导体处或载流导体附近，使得与电流关联的磁场存在于法拉第材料处且光学检测单元检测两种光束以确定电流的强度。

图1示出了电流感应系统的第一设计的示例。图1为具有电流传感器基站和远程电流传感器头的传导电流传感器的说明。使用沃尔斯顿棱镜将两个正交偏振分量分至两个独立光纤。当没有施加磁场时，偏振器离沃尔斯顿棱镜45度定向以允许50％分裂。可使用图2中的平衡检测器接收检测的光学功率。使用可变光学衰减器保证两个PD中的光电流是相等的。

将具有低偏振度(DOP)的宽带宽光源(诸如放大自发发射(ASE)光源或超辐射发光二极管(SLED)光源)用作光源以产生用于感应电流的探测光。具有低偏振度和宽带宽度的光源的这种使用可以以各种方式有利。宽带宽光源与光电二极管(PD)检测单元一起包括在电流传感器基站内，电流传感器基站通过光纤连接至位于远离具有光源和光电检测单元的电流传感器基站的不同位置的电流传感器头。电流传感器头为由光学部件形成、不具有局部电子电路或部件的全光学电流传感器头。就这点而言，传感器头不包括任何光学检测器且将载有电流的测量信息的光通过光纤链路引导至电流传感器基站。全光学电流传感器头由载流导体定位以基于由全光学电流传感器内的法拉第材料中的与电流关联的磁场引起的光学偏振旋转感应电流。当待测量的电流与法拉第旋转器的光传播路径垂直时，电流产生的磁场沿着法拉第旋转器的光传播路径且因此对光的偏振旋转具有最大影响。来自宽带宽光源的探 测光被导向至电流传感器头且返回的光束从电流传感器头通过光纤被导回电流传感器基站内的光电二极管(PD)检测单元且被检测以提取电流传感器头感应的电流的信息。如果使用单模光纤(SMF)或多模光纤(MMF)将光传输至远离电流感应位置处的传感器头，探测光的低DOP性质用于保证通过传感器头的光学功率稳定性。如果使用更贵的偏振保持(PM)光纤，可使用具有高DOP的光源且探测光的偏振轴与PM光纤的慢(或快)轴对齐。

电流传感器头包括用于接收来自光源的探测光的光学偏振器、用于接收来自光学偏振器的输出光的法拉第旋转器、和将来自法拉第旋转器的光中的两种正交偏振态的两种光束分离的光学偏振分离单元。探测光首先通过偏振器以限定电流传感器头的输入偏振。输入光学准直器可用于使待导入光学偏振器的光准直。在使用低DOP源的一种实施方式中，对偏振器相对于输入光的定向没有要求。另一方面，在基于PM光纤的实施方式中，偏振器的穿过轴应该与PM光纤的慢(或快)轴对齐。在偏振器之后，直线地偏振的光通过作为法拉第旋转器的法拉第材料，诸如一定长度的玻璃、一定长度的法拉第晶体、或能够响应与法拉第材料平行的磁场旋转光的偏振态的法拉第薄膜片。接收来自法拉第旋转器的输出光的光学偏振分离单元可以各种构造来实施。例如，在图1中，使用微沃拉斯顿棱镜作为光学偏振分离单元以将输入直线偏振分离为以小交叉角度(例如，约3.7度)传播的两种正交偏振分量。沃拉斯顿棱镜的光学偏振方向的定向可设置为与偏振器的穿过轴为45度，使得当没有磁场存在时，两种正交偏振分量具有相等的功率(50％分裂)。然后使用具有与沃拉斯顿棱镜的交叉角度类似的交叉角度的双光纤准直器以将两种偏振分量聚焦至两个分离输出光纤。两个输出光纤可为单模(SM)光纤或多模(MM)光纤以将光导回电流传感器基站。

图1的示例中容纳光源的电流传感器基站与两个输出光纤连接以接收来自两个光纤的、两种偏振态的光，且包含检测两种偏振态的、接收的光学信号和将其转换为待被远离电流传感器头的信号处理单元处理的两种检测器信号的光学感应单元。两个光学检测器PD1和PD2可包括在电流传感器基站中以检测分别来自电流传感器头的两个光纤中的返回光。可使用光学衰减器(诸如电压控制光学衰减器(VOA))以控制PD1和PD2处接收的光的相对振幅，使得当远程电流传感器头处不存在磁场时，两个光纤中的接收光的光学功率级相等。

图1中的以上示例提供了一种基于光学感应的电流传感器的特定结构设计。该电流传感器设计包括：传感器基站，传感器基站包括产生探测光的光源和光学检测单元；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，第一光纤线路端与传感器基站连接以接收来自光源的探测光且将接收的探测光引导至输出光纤线路的远离传感器基站的第二光纤线路端；和光学电流传感器头，光学电流传感器头与输出光纤线路的第二光纤线路端连接以接收探测光。该光学电流传感器头构造为包括：输入光学偏振器，输入光学偏振器用于过滤探测光以产生偏振输入光束；法拉第材料，法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的偏振输入光束；和光学偏振分离装置，光学偏振分离装置接收来自法拉第材料的修正光束且将修正光束分为分别沿着第 一光学路径和第二光学路径的、在两种不同的偏振态下的第一光束和第二光束。此外，该基于光学感应的电流传感器进一步包括：第一返回光纤线路，第一返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收第一光束，第二光纤线路端与检测器基站的光学检测单元连接以将来自光学电流传感器的第一光束传输至光学检测单元；和第二返回光纤线路，第二返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收第二光束，第二光纤线路端与传感器基站的光学检测单元连接以将来自光学电流传感器的第二光束传输至光学检测单元。光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于法拉第材料处且光学检测单元检测两种光束以确定电流的强度。

在实施方式中，需要的是取得高检测灵敏度以提供灵敏和准确的电流的测量。两个光学检测器可以以平衡检测构造相互电连接以减少噪声和提高检测灵敏度。

图2示出了使用两个独立光电检测器PD1和PD2以检测来自两个输出光纤的光功率的光学检测电路的示例。

图3示出了用于检测来自两个输出光纤的差动功率级以显著增加电流传感器系统的检测灵敏度或动态范围的平衡检测设计中的光学检测电路的示例。低DOP光的使用为该实施方式中的重要方面。如果光源具有高DOP，光学消偏振器可放置在光源与光学感应头之间，且用于将具有高DOP的光转换为具有足够低DOP(例如，小于10％)的光。平衡检测的使用可取得高检测灵敏度。

输入偏振器之后的光束的电场可写为：

${\overrightarrow{E}}_{\mathrm{in}}=E_0\hat{y}---\left(1\right)$

其中为输入偏振器的穿过轴(passing axis)。穿过旋转角度为θ的法拉第旋转器之后，电场变为：

${\overrightarrow{E}}_F=E_0(\cos \theta \hat{y}+\sin \theta \hat{x})---\left(2\right)$

沃拉斯顿棱镜的两个主轴可表示为：

${\hat{w}}_1=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{y}+\hat{x}),{\hat{w}}_2=\frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{y}-\hat{x})---\left(3\right)$

其中假设输入偏振器与沃拉斯顿棱镜之间的相对定向为45度。两个输出光纤中的两个偏振分量的功率因此为：

$P_1={\alpha }_1{|{\overrightarrow{E}}_F·{\hat{w}}_1|}^2=\frac{{\alpha }_1{E}_0^2}{2}(1+\sin 2\theta ),---\left(4\right)$

$P_2={\alpha }_2{|{\overrightarrow{E}}_F·{\hat{w}}_2|}^2=\frac{{\alpha }_2{E}_0^2}{2}(1-\sin 2\theta )---\left(5\right)$

其中α₁和α₂为光学部件的连接和缺陷引起的光学损失。被两个PD接收的光电流因此为：

$I_1=\frac{{\rho }_1{\alpha }_1{E}_0^2}{2}(1+\sin 2\theta )=I_{10}(1+\sin 2\theta )---\left(6\right)$

$I_2=\frac{{\rho }_1{\alpha }_2{E}_0^2}{2}(1-\sin 2\theta )=I_{20}(1-\sin 2\theta ),---\left(7\right)$

其中ρ₁和ρ₂分别为PD1和PD2的响应率，且I₁₀和I₂₀分别为PD1和PD2中的标称光电流。

如果来自两个PD的信号被单独放大，如图2所示，两个放大器的增益可被调节或设置以获得：

V₁＝V₀(1+sin2θ)   (8)

V₂＝V₀(1-sin2θ)，   (9)

其中且G₁和G₂分别为PD1和PD2的跨阻抗增益。

$\sin 2\theta =\frac{V_1-V_2}{V_1+V_2}---\left(10\right)$

光源的功率波动可用双输出来消除。

在一些现有电流传感器设计中，仅使用单个光电检测器且对应光电压仍可用等式(8)表示。因为导体电流为频率为50Hz或60Hz的AC，等式(8)可分为DC分量和AC分量：V_DC＝V₀和V_AC＝V₀sin2θ。法拉第旋转角度可通过sin2θ＝V_AC/V_DC获得。在实际电路中，信号的AC分量和DC分量可使用偏置器(bias tee)或高通滤波器和低通滤波器容易地分开。

可控制光学衰减或电路使得ρ₁α₁＝ρ₂α₂＝ρα以获得：

I₁＝I₀(1+sin2θ)   (11)

I₂＝I₀(1-sin2θ)   (12)

其中使用如图3所示的平衡检测电路，差动光电流与法拉第旋转角度之间的关系可由下式表示：

$\sin 2\theta =\frac{I_1-I_2}{(I_1+I_2)}---\left(13\right)$

尽管用于图2的等式(10)与用于图3的等式(13)看上去可能相似，图3的电路比图2的电路具有更好的检测灵敏度和动态范围。

大体上，电流诱导的旋转角度可表示如下：

θ(j，T)＝θ₀(T)+V_d(T）·j(t)·L＝θ₀（T）+β·J(T)   (14) 

其中θ₀(T)为旋转偏离率，j(t)为导体中的电流且β(T)＝V_d(T)L，V_d(T)和L分别为费尔德常数(温度敏感的)和法拉第材料的长度。在功率产生和分布系统中，导体电流通常为频率为50Hz或60Hz的AC，且可表示为：

j(t)＝j_dc+j_ac sin(ωt+φ₀)   (15)

其中j_dc为电流的剩余DC分量，j_ac、ω、和Φ₀分别为导体中的电流的AC分量的振幅、角度频率和相。当发电站正常时，DC分量应该接近零。然而，当发电站异常操作时，DC分量将为非零。

θ(I，T)＝γ(T)+β(T)j_ac sin(ωt+φ₀)，   (16)

其中

γ(T）＝θ₀(T)+β(T)j_dc   (17) 

为旋转角度的DC项。将等式(15)代入等式(11)和等式(12)以获得下式： 

I₁(t)＝I₀{1+sin2[γ(T)+β(T)j_ac sin(ωt+φ₀)]}   (18)

I₂(t)＝I₀{1-sin2[γ(T)+β(T)j_ac sin(ωt+φ₀)]}   (19)

ΔI₁₂(t)＝I₁(t)-I₂(t)＝2I₀sin2[γ(T)+β(T)j_ac sin(ωt+φ₀)]   (20a)

ΔI₁₂(t)≈4I₀β(T)j_ac sin(ωt+φ₀)   (20b)

$j\left(t\right)=j_{\mathrm{ac}}\sin (\mathrm{\omega t}+{\phi }_0)\approx \frac{\Delta I_{12}\left(t\right)}{4[I_1\left(t\right)+I_2\left(t\right)]{\mathrm{LV}}_d\left(T\right)}---\left(20c\right)$

在等式(20b)和等式(20c)中，假定β(T)j_ac＜＜1和γ(T)＝0。

等式(18)和等式(19)可使用巴塞尔函数展开：

对于DC项：

ΔI₁₂(DC)＝2I₀sin2γJ₀(2βj_ac)   (22)

对于ω项： 

ΔI₁₂(ω)＝2I₀cos2γJ₁(2βj_ac)   (23) 

对于2ω项：

ΔI₁₂(2ω)＝2I₀sin2γJ₂(2βj_ac)   (24) 

对于nω项：

ΔI₁₂(nω)＝2I₀sin2γJ_n(2βj_ac)，n是偶数   (25a)

 ΔI₁₂(nω)＝2I₀cos2γJ_n(2βj_ac)，n是奇数   (25b)        

来自图3的平衡的检测器的输出可分为DC部分和AC部分。DC部分由等式(32)表示，且AC部分的傅里叶分量由等式(23)、等式(24)和等式(25)表示，且其可通过取 得A/D转换器之后的信号的AC部分的FFT来获得。可使用每个傅里叶分量的数字滤波以增大信噪比。参考图3，ΔI₁₂(t)、I₁(t)和I₂(t)可通过下式获得：

ΔI₁₂(t)＝V₁₂/G₁₂   (26)

I₁(t)＝V₁/G₁   （27）

I₂（t)＝V₂/G₂，   (28)

其中G₁₂、G₁和G₂分别为用于三个光电流的操作放大器的跨阻抗增益。

I₀＝I₁(t)+I₂(t)   (29)

可使用差动信号ΔI₁₂(t)的AC部分的峰值检测以从等式(20b)获得导体中的最大电流：

j_ac≈ΔI₁₂(peak)/(4I₀β)，(30)

其中假定等式(20)中γ＜＜1和βj_ac＜＜1。

这样的峰值电流检测快(瞬时)但是具有低精确度。结果可用于电路保护目的。通过使用傅里叶分量进行的信号处理可用于获得高精确度测量。

在理想情况下，γ＝0(导体电流中无DC分量且没有旋转角度偏移率)，ΔI₁₂(ω)和I₀可通过使用等式(23)和等式(29)确定，且β(T)j_ac的值可通过使用查找表确定。在出故障的情况下，DC分量可不为零且差动电流的谐波分量之间的相对关系可改变。在这种情况下，可通过假定γ＝0使用等式(23)获得β(T)j_ac。γ的值可通过将β(T)j_ac代入等式(22)获得。获得的γ可代入等式(23)以获得更准确的β(T)j_ac，且更准确的γ的测量可使用等式(22)获得。可重复以上过程，直到γ和β(T)j_ac收敛。

在实施方式中，γ和β(T)都可为依赖于温度的且最终获得的电流振幅j_ac和j_dc的精确度被温度改变影响。解决问题的一种方式是找到测量传感器处的温度且找出对应温度处的β(T)和γ的准确值的方法。为此，通过使用光纤光学传感器以测量不同温度设置下的已知电流(用标准电流测量仪器测量)和获得β(T)-T曲线和γ-T曲线的测量的校准程序可确定γ和β(T)的精确温度依赖性。曲线的线性拟合可产生γ和β(T)的温度系数。在获得γ的温度依赖性中，假定j_ac为零。仅考虑旋转角度偏移率θ₀(T)。

图1的用于测量电流的光学感应可用于测量温度。图4和图5示出了温度传感器的两个示例。

图4公开了与图1中的电流传感器具有相同构造的温度传感器，其中图1中的可变法拉 第旋转器被一些特定角度的旋转角度下的特定量的偏振旋转的永久法拉第旋转器代替。永久法拉第旋转器包括透明法拉第材料和磁结构以产生沿着透明法拉第材料中的光的传播路径的磁场。永久法拉第旋转器与任何外部磁场的影响磁屏蔽，防止磁场被诸如待感应的电流的电流的磁场影响。法拉第材料产生的偏振旋转角度随材料的温度而改变，当材料没有沿着光传播方向的外部磁场时，随着温度的旋转的依赖性可用于测量材料处的温度。将沃拉斯顿棱镜定向为允许在传感器头的组装过程中相等的功率分离至室温下的两个输出光纤。在实施方式中，永久法拉第旋转器可设置为标称旋转角度为45°(x＝45°)。旋转器的旋转角度将由于永久法拉第旋转器固有的温度依赖性而改变。温度诱导的旋转角度改变将导致PD1和PD2中的光电流改变，这与等式(11)至等式(12)中的那些相似：

I₁＝I₀[1+sin2θ(T)]，   (31)

I₂＝I₀[1-sin2θ(T)]，   (32)

θ(T)＝a(T-T₀)   (33) 

因此，功率差的温度依赖性可被获得且用于计算温度。温度传感器可与图1中的电流传感器同地定位以检测电流传感器处的温度，用于校正电流传感器中的法拉第材料的温度灵敏度导致的任意误差。可通过将传感器放入具有不同温度设置的温度腔中获得温度传感器的θ₀(T)中的参数a和T₀用于每个温度传感器。因此，温度可使用下式获得：

$T=\frac{(I_1-I_2)}{4a(I_1+I_2)}+T_0---\left(34\right)$

图5公开了一个基于永久法拉第旋转器的温度传感器的更简单实施例，其中图4中的沃拉斯顿棱镜被偏振器(偏振器2)代替，且双光纤准直器被单光纤准直器代替。偏振器2标称地与偏振器1成0°或90°定位。在一些实施方式中，可将永久法拉第旋转器设置为标称旋转角度，例如为45°。旋转角度将由于永久法拉第旋转器固有的温度依赖性而改变。温度诱导的旋转角度改变将导致PD2中检测的功率变化且因此功率的温度依赖性可被获得和用于计算温度。任选的PD1用于监控光源的功率波动且除去功率波动的效应。

图5中的示例说明了用于基于光学感应的电流传感器的另一个设计。在这个设计下，电流传感器包括：传感器基站，传感器基站包括光源和光学检测单元，光源产生探测光，光学检测单元包括接收光源的探测光的一部分以监控光源的功率波动的第一光学检测器和检测 光以感应电流的第二光学检测器；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，第一光纤线路端与传感器基站连接以接收来自光源的探测光且将接收的探测光引导至输出光纤线路的远离传感器基站的第二光纤线路端；和光学电流传感器头，光学电流传感器头与输出光纤线路的第二光纤线路端连接以接收探测光。光学电流传感器头构造为包括：输入光学偏振器，输入光学偏振器用于过滤探测光以产生偏振输入光束；法拉第材料，法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的偏振输入光束；和输出光学偏振器，输出光学偏振器接收来自法拉第材料的修正光束且选择性地接收作为光学电流传感器头的输出光束的修正光束的一部分。基于光学感应的电流传感器包括单个返回光纤线路，单个返回光纤线路具有第一光纤线路端和第二光纤线路端，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收输出光束，第二光纤线路端与传感器基站的光学检测单元连接以将来自光学电流传感器的输出光束传输至光学检测单元内的第二光学检测器。光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于法拉第材料处且光学检测单元中的第二光学检测器检测输出光束以确定电流的强度。

图6说明了将电流传感器头和温度传感器头组合在相同封装中的第一实施例。可使用10％耦合器以将小部分光作为光源导向至温度传感器头。

图7说明了将电流传感器头和温度传感器头组合在相同封装中的第二实施例。温度感应永久法拉第旋转器离电流感应法拉第旋转器90度定位，使得甚至没有磁场环绕永久法拉第旋转器的情况下，导体电流诱导的磁场对永久法拉第旋转器没有影响。

在图6和图7中，因为法拉第材料中的偏振旋转随温度变化，电流传感器和温度传感器的组合允许温度传感器输出的温度测量用于补偿电流传感器获得的电流测量的温度依赖性。该温度校准的测量可以由传感器基站实施，其中用于电流感应的法拉第材料中的探测光的温度诱导的偏振旋转效应通过用于测量温度的另一种法拉第材料中测量的温度诱导的偏振旋转效应校准。传感器基站构造为使用第三光学检测器的温度测量补偿电流测量的温度诱导效应。在这些构造中，电流传感器和温度传感器彼此分离且基于独立的光束操作。

图8公开了具有内置温度感应能力的传导温度传感器。这个设计中使用两个法拉第旋转器，其中如图6和图7中所示的具有需要量的偏振旋转的永久法拉第旋转器构造为温度传感器且位于构造为电流感应法拉第旋转器的第二法拉第旋转器的前面。电流传感器和温度传感器光学上串联连接至同一探测光路径，以降低结构复杂性且降低装置成本。来自传感器头的输出光学信号的DC部分与温度值成正比，而AC部分与电流值成正比，假设待感应的电流为AC电流。使用沃拉斯顿棱镜以将两个正交偏振分量分至两个独立光纤。当没有施加磁场时，偏振器离沃拉斯顿棱镜x+45度定向，以允许50％分裂。可使用图3中的平衡检测器以 接收探测的光学功率。永久法拉第旋转器四周可使用磁屏蔽以防止待感应的电流影响温度感应。还可将具有温度诱导偏振态改变的任意其他材料(诸如波片)放在用于感应温度的永久法拉第旋转器的位置。PD1和PD2中接收的光电流还可以以等式(11)和等式(12)或以等式(18)和等式(19)表示，其中在组装过程中通过光学对齐将等式(24)中的旋转偏移率θ₀(T)在室温下调节为0(与两种输出光纤中的功率的相等分裂对应)。当温度偏离室温时，θ₀(T)将改变且可遵循多项关系式：

θ₀(T)＝a(T-T₀)+b(T-T₀)²+c(T-T₀)³   (35) 

其中系数a、b和c可在校准过程中通过改变传感器的环境温度在没有任意磁场(无导体电流)的条件下来获得。实际上，理想情况下期望的是线性关系，且系数b和c期望为可以忽略的。

当功率产生和分布系统为正常操作时，系统中的电流为AC电流且导体中期望的是没有DC电流。参数γ仅由来自等式(17)的θ₀(T)确定：

γ(T)＝θ₀(T)   (36)

因此，当如前面所述低迭代使用等式(23)和等式(22)获得γ(T)时，自动获得θ₀(T)，且对应温度可使用等式(31)获得。当温度已知时，可使用该温度下的准确费尔德常数，且当迭代使用等式(23)和等式(22)获得β(T)j_ac＝V_d(T)Lj_ac时，可获得精确导体电流。因为功率系统的故障出现得非常快，导体电流的DC分量可具有突跳，导致γ(T)按照等式(17)：γ(T)＝θ₀(T)+β(T)j_ac突然增加。同时，AC分量也可以具有突跳。计算中，刚好在突然电流增加之前的温度T可用于计算DC电流和AC电流。

当功率系统正常操作时，导体中的电流为完美的正弦函数且电流传感器检测的谐波遵循等式(22)至等式(25)。然而，当系统异常操作时，这样的关系将破裂。因此，可分析检测信号的谐波以获得导体电流的波形信息。当然，导体电流的瞬时波形可用没有傅里叶变换的等式(20)获得。

图1和图4示出了其中使用至少3个光纤以连接包含光源和PD的信号处理单元和没有电子部件和光学检测器的传感器头的示例。减少光纤的数量用于降低成本和安装过程中系统的布线复杂性是有益的。这可通过，例如，在电流传感器头中使用光反射设计，以在产生用于光学感应的朝向基站的返回光中反射探测光以使其折回本身路径。

电流传感器头中具有以上光反射设计的、这样的基于光学感应的电流传感器可包括：传感器基站，传感器基站包括产生探测光的光源、接收光源的探测光的一部分以监控光源的功 率波动的第一光学检测器、和检测光以感应电流的第二光学检测器；具有第一光纤线路端的输出光纤线路，第一光纤线路端与传感器基站连接以接收来自光源的探测光且将接收的探测光引导至输出光纤线路的远离传感器基站的第二光纤线路端；光学电流传感器头，光学电流传感器头与输出光纤线路的第二光纤线路端连接以接收探测光。光学电流传感器头构造为包括：用于过滤探测光以产生偏振光束的输入光学偏振器；选择性地输出第一偏振态的偏振光束的第一部分的偏振光束分离器；法拉第材料，法拉第材料定位为用于接收和发送作为修正光束的第一偏振态的偏振光束的第一部分；用于发送修正光束的偏振器；和镜子，镜子用于将修正光束反射回偏振器、法拉第材料和输出作为与被光学电流传感器头接收的探测光分离的输出光束的反射的修正光束的偏振光束分离器。该基于光学感应的电流传感器包括具有第一光纤线路端的返回光纤线路，第一光纤线路端与光学电流传感器头连接以接收输出光束以将来自光学电流传感器的输出光束传输至传感器基站中的第二光学传感器。光学电流传感器头位于载流导体处或附近，使得与电流关联的磁场存在于法拉第材料处且第二光学检测器检测输出光束以确定电流的强度。

图9公开了反射电流传感器头的第一实施例，其中偏振器离PBS穿过轴45度定向，使得来自镜子的反射光被PBS 50％地分为零磁场的两个独立光纤。在信号处理侧，可使用循环器或耦合器以分离以使第一光纤的光向前或向后移动。图1可为偏振保持光纤(PM)、单模光纤(SM)、或多模光纤(MM)。如果使用更贵的偏振保持(PM)光纤，可使用具有高DOP的光源且偏振轴必须与PM光纤的慢(或快)轴对齐。对使用低DOP源的情况，不需要PBS相对于输入光的定向。另一方面，对PM光纤的情况，PBS的穿过轴应该与PM光纤的慢(或快)轴对齐。

图10公开了具有集成温度感应能力的反射电流传感器头的第二实施例。PBS将一定百分比的光分至由永久法拉第旋转器、反射棱镜或镜子和准直器(准直器3)组成的温度感应支路和光纤以将温度相关的信息发送至远程信号处理单元。当使用SM光纤或MM光纤作为光纤1时，应该使用低DOP源且PBS将50％分至温度感应支路。当使用PM光纤作为光纤1时，PM光纤的慢轴与PBS的穿过轴x°对齐以将一定百分比的入射光分至温度感应支路。

图11说明了反射电流传感器的第三实施例。偏振器离沃拉斯顿棱镜穿过轴45度定向，使得反射光被棱镜50％分至零磁场下的两个独立光纤。如果使用PM光纤，慢轴(或快轴)应该与沃拉斯顿棱镜的穿过轴对齐。如果使用SM光纤或MM光纤，必须使用低DOP光源以使传感器系统的偏振灵敏度最小化。

图12说明了具有集成温度传感器的反射电流传感器头的第四实施例。在室温下永久法 拉第旋转器被放在具有x°旋转角度的电流感应法拉第旋转器之前，且与磁场屏蔽。偏振器45°+x°定向以允许反射光以相等功率分至两个光纤。当温度改变时，两个光纤之间的功率差改变，且这样的改变可用于感应温度，与图8的情况类似。

图13说明了用于同时监控3相功率系统中的三个导体中的电流的电流感应系统。还包括温度监控通道以监控瞬时温度以补偿电流感应头中使用的法拉第旋转器的费尔德常数的温度依赖性。特别地，将不同温度下的费尔德常数存储在数字电路的查找表中。当从温度传感器获得温度时，对应费尔德常数位于查找表中，其可用于电流计算。注意单个光源被四个感应通道共用以降低总成本。

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仅描述了一些实施方式和示例，且其他实施例方式、改进方式和变型可基于本专利文件和所附的附件中描述和说明的内容来做出。