專利名稱：對光學傳感器中的干擾變量進行補償?shù)姆椒ê脱b置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對光學傳感器中的干擾變量進行補償?shù)姆椒?，其中，光學傳感器中的光信號至少作為待測的被測變量、所饋入光信號的波長和干擾變量的函數(shù)而受到影響。此外，本發(fā)明還涉及到一種對光學傳感器中的干擾變量進行補償?shù)难b置，其中經(jīng)過光信號的光學傳感器至少對被測變量、光信號的波長和干擾變量敏感。
背景技術：
這樣的方法和這樣的裝置已由例如US5,764,046或WO95/10046A1所公開。在這些已公開的方法和裝置中，磁場強度或電場強度的測量值借助被構造為法拉第或波克爾斯(Pockels)傳感器的光學傳感器來測定。依靠適當?shù)膫鞲衅鞑贾煤颓蠼?，用法拉第傳感器也能檢測電流，并且用波克爾斯傳感器能檢測電壓。法拉第效應和波克爾斯效應都基于作為被測變量的函數(shù)而對輸入光學傳感器的輸入光信號的偏振狀態(tài)進行影響。
在這兩種傳感器類型中，此測量靈敏度依賴于饋入進各光學傳感器的光信號的波長。尤其是，這個波長相關性也被用于調整傳感器的靈敏度。
然而，偏振狀態(tài)的變化不僅由待測的(例如磁場或電場)被測變量引起，而且還由一定的環(huán)境條件所引起，如光學傳感器的環(huán)境溫度或機械振動。為了補償這些不需要的干擾變量的影響，US5,764,046和WO95/10046A1描述了一種方法，該方法主要是采用對被接收器所接收的輸出光信號進行適當?shù)那蠼狻?br> 在這個補償方法的情況下，干擾變量的影響只是在信號求解時對比去除。此時，完全可能不能實現(xiàn)輸出光信號中被測變量相關分量和干擾變量相關分量的完全分離。結果，在此補償方法中發(fā)生誤差，且僅可不精確地確定被測變量。
為了避免分離被測變量和干擾變量的問題(這在對比法中是不可能的)，用于波克爾斯傳感器的溫度補償方法在1987年《IEEE的電力傳輸學報(IEEETransactions on Power delivery)》第PWRD-2卷第1期第87頁T.Mitsui等人“光纖電壓傳感器和磁場傳感器的進展(Development of Fiber-Optic VoltageSensors and Magnetic-Field Sensors)”的文章中進行了說明。在此方法中，干擾溫度的影響的補償是直接在波克爾斯傳感器自身中進行的。為了這個目的，波克爾斯傳感器采用了特殊的結構，在此結構中用于被測變量檢測的波克爾斯效應的溫度相關性最大程度地被旋光性的溫度相關性互相抵消。這就意味著，發(fā)生在所述波克爾斯傳感器中的輸入光信號的被測變量相關影響在較大程度上不受包括環(huán)境溫度的干擾變量的影響。因此輸出光信號中的被測變量相關分量和干擾變量相關分量的對比分離是不需要的。然而，在該文章中所說明的非常好的補償方法只能用于特定的應用，也即波克爾斯傳感器的給定材料選擇和給定幾何尺寸。它是特定的解決方案，不能轉用于其它的光學傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種開頭所述類型的方法和裝置，以便進行最可行的干擾變量補償，特別是用于不同類型的光學傳感器。
為了實現(xiàn)與該方法有關的目的，提供一種如獨立權利要求1的特征的方法。
根據(jù)本發(fā)明的方法是開始所述類型的方法，其特征在于向補償元件輸入光信號，此補償元件與光學傳感器一起位于一共同的干擾變量作用區(qū)域中，此區(qū)域對光學傳感器和補償元件具有大體相等的干擾變量作用；以及在干擾變量的影響下通過補償元件時，其波長以這樣的方式改變，即，由于改變的波長和干擾變量而作用在光傳感器上的該部分影響彼此至少大部分抵消。
為了達到涉及裝置的目的，本發(fā)明提供了一種如權利要求4的特征的裝置。
按照本發(fā)明的對光學傳感器中的干擾變量進行補償?shù)难b置是開頭所述類型的裝置，其特征在于其中也通過光信號的一補償元件與該光學傳感器一起位于一共同的干擾變量作用區(qū)，此區(qū)域對光學傳感器和補償元件具有大體相同的干擾變量作用；該補償元件以這樣一種方式構造，即在光信號在干擾變量的影響下通過補償元件的過程中波長變化發(fā)生，該補償元件在其波長已經(jīng)改變的光信號后來通過光學傳感器的過程中導致了波長相關部分影響，該部分影響至少大部分補償了光學傳感器中的干擾變量相關部分影響。
本發(fā)明基于以下的發(fā)現(xiàn)，即許多不同類型的光學傳感器在具有所需的被測變量敏感度外，還具有至少相對于一種干擾變量以及相對于饋入的光信號的波長的相關性。在已知的用于采集光學被測變量的方法和裝置中，因為波長在輸入光信號發(fā)生時一旦得以選擇，則一般不再變化，所以剛才提及的相關性一般不起任何作用。另一方面，干擾變量影響的行為是不同的，這確實最大地阻礙了光學傳感器中被測變量的采集。
于是，已經(jīng)認識到，光學傳感器的波長相關性可以特殊地用于補償干擾變量相關性。為了此目的，在分立的補償元件中，故意導致波長的變化。此波長變化精確地為這樣一個大小，即光學傳感器中因此波長變化建立的該部分影響剛好與由干擾變量引起的輸入光信號的該部分影響相互抵銷。
如果補償元件中的波長改變由同樣的其影響將在光傳感器中得以補償?shù)母蓴_變量自動引起，則這是特別有益的。為了此目的，用適當?shù)姆绞脚渲醚a償元件。例如，這借助針對光傳感器相對于波長和待補償?shù)母蓴_變量的相關性的先前確定的測量值或先前進行的計算來完成。于是，這對于波長和待確定干擾變量之間的近似相反關系是可能的，這種關系用于光傳感器中波長相關部分影響和干擾變量相關部分影響之間的相互補償。波長或波長變化與干擾變量之間以這種方式確定的關系于是用于補償元件的特定配置。于是根據(jù)這個關系構造該補償元件。
用此補償方法，光學傳感器中的光信號大部分只是被所記錄的被測變量影響。這是指，與求解單元中干擾變量導致的影響僅對比消除的情形相比，得到被測變量的更準確的記錄。此外，補償方法還可用于不同類型的光學傳感器。特別是，它不限于特定的材料或特定的傳感器幾何形狀。例如，此方法能用于波克爾斯傳感器等或法拉第傳感器。在此情況下，法拉第傳感器可構造為透射或反射傳感器，并且也可構造成玻璃環(huán)或光纖傳感器。另外，在其他傳感器類型中的使用當然是可以的。
此方法和裝置的精髓分別相應于權利要求1和權利要求4而由權利要求書得以體現(xiàn)。
以布拉格(Bragg)光柵的形式設計的補償元件的實施例是有利的。在入射到這種布拉格光柵中的光信號中，特定的波長或特定的波長部分被反射。哪一個波長或哪一個波長部分被布拉格光柵反射取決于布拉格光柵的周期和光傳輸介質的折射率。如果在干擾變量的影響下該光柵的周期或該折射率變化了，則反射信號的波長部分中的干擾變量相關變化因此也發(fā)生。根據(jù)上述說明，這恰好就是補償元件所需的方法。
提供一些優(yōu)選實施例，在這些優(yōu)選實施例中，所要補償?shù)母蓴_變量表現(xiàn)為溫度形式，例如環(huán)境溫度，或這表現(xiàn)為影響光學傳感器的機械振動的形式。如果補償元件大體受到與光傳感器的同樣的干擾變量影響的作用，也就是說例如同樣的環(huán)境溫度或同樣的機械振動，則獲得光學傳感器的非常好的干擾變量補償。
在一優(yōu)選變體中，根據(jù)波長變化與干擾變量之間的所需的、預先確定的關系，借助支架實現(xiàn)了上述補償元件的形成。借助支架的特定構造，例如形狀，可以達到一種情形，在該情形中，波長在補償元件中在干擾變量影響下根據(jù)所要求的預定方式變化。該所要求的預定方式得自于光傳感器的預先確定的干擾變量和波長的相關性。
可選地，或者除了支架外，補償元件可以有一涂層，該涂層也相對于干擾變量導致所需的波長影響。


將通過附圖更詳細地說明優(yōu)選實施例。為了圖示說明，附圖未按比例，且示意性圖示了某些特征。詳細如下圖1和圖2每一示例均表示了一種裝置布置，該布置用于借助補償元件的干擾變量得以補償?shù)墓鈱W測量值的采集；圖3表示帶有支架的一補償元件，該元件應用于根據(jù)圖1或圖2的裝置；以及圖4表示帶有涂層的一補償元件，該元件應用于根據(jù)圖1或圖2的裝置。
附圖中的附圖標記說明如下10光源 20 接收器30耦合元件 40、45 補償元件，布拉格光柵41光波導 42 布拉格光柵43、44支架 46 涂層50、55光學傳感器 60、65 干擾變量作用區(qū)100、200 干擾變量得以補償?shù)墓鈱W測量值的采集裝置S1輸入光信號 S2 輸出光信號M 被測變量 λ 波長Δλ波長變量 T 溫度V 振動具體實施方式
在圖1至圖4中，對應的部件使用相同的附圖標記。
圖1示出了一裝置100，該裝置用于采集干擾變量得以補償?shù)墓鈱W測量值。該裝置100包括一用于采集被測變量M的光學傳感器50。為了操作傳感器50，由光源10產(chǎn)生的一輸入光信號S1通過耦合元件30饋給傳感器50。該輸入光信號S1經(jīng)過傳感器50，并在經(jīng)過傳感器50時發(fā)生了一與所測變量相關的變化。然而，除了所要求的被測變量靈敏度，傳感器50相對于干擾變量也具有不需要靈敏度，在本實施例中是相對于環(huán)境溫度T。因此，在它通過傳感器50時，該光信號S1不但受被測變量M的影響還受溫度T的影響。
為了補償傳感器50中該不要求的干擾變量影響，一補償元件40連接在傳感器50下游，在該補償元件中輸入的光信號S1被反射，以使它再一次通過傳感器50。該補償效應基于被測變量靈敏度的波長相關性，此靈敏度也存在于傳感器50中。因而在光學傳感器50中的影響也作為通過光學傳感器50的光信號的波長λ的函數(shù)而發(fā)生。此波長λ通過補償元件40以這樣的方法變化，即，光學傳感器50中的干擾變量相關部分影響和波長變量相關部分影響彼此幾乎完全抵消。
因此該補償元件40以這樣的方式精確配置，即，它導致取決于環(huán)境溫度T的反射波長大小的變化Δλ，該變化在本實施例中表現(xiàn)為干擾變量。由補償元件40獲得的波長變化Δλ足夠大，使得上述的光學傳感器50中兩部分影響的補償效應發(fā)生。
補償元件40被設計為一光纖布拉格光柵，在這方面，其波長影響行為與傳感器50的需要完全匹配。為了實現(xiàn)最大補償，首先，波長相關影響的測量值和干擾變量相關部分影響的測量值相對于各種應用中的光學傳感器50得以確定。據(jù)此，波長λ和干擾變量T之間的關系可以得以確定，由此關系可以對干擾變量T的每個值推得一種為了實現(xiàn)光傳感器50中幾乎完全的補償，該波長λ變化所必須依據(jù)的方式。然后補償元件40按照所確定的關系被精確地構造。
在構造為布拉格光柵的補償元件40的情況下，輻射入的光信號的波長反射發(fā)生，這取決于布拉格光柵周期和光傳輸介質的折射率。借助適當?shù)姆椒?，可以使光纖布拉格光柵中所反射的光學成分的波長λ以所需的方式與在此表現(xiàn)為干擾變量的環(huán)境溫度T相關。于是，如果光學傳感器50和補償元件40都位于共同的干擾變量作用區(qū)60中，則光學傳感器50具有非常好的環(huán)境溫度T干擾影響的有益補償。在共同的干擾變量作用區(qū)域(在圖1的示例性實施例中，該區(qū)域被設計成等溫區(qū))，傳感器50和補償元件40都受環(huán)境溫度T的相同波動影響。
在補償元件40中，寬頻輸入光信號的一部分被反射，其波長λ或者其主要波長作為環(huán)境溫度T的函數(shù)而按預先設置的方式改變。該反射部分再一次通過傳感器50，并且在通過時，因為干擾變量補償，該部分基本上仍然僅受待測的被測變量M影響。作為輸出光信號S2，此光信號帶著關于被測變量M的信息，離開傳感器50并通過耦合元件30饋入接收器20。在所述的接收器20中進行了被測變量M的測量值的求解與計算。所述的補償方法不局限于特定類型的光學傳感器50。例如，光學傳感器50被設計為波克爾斯傳感器或法拉第傳感器也是可以的。同樣，應用范圍不局限于作為單一待補償干擾變量的環(huán)境溫度T。圖2表示的另一裝置200用于測量值的干擾變量已補償?shù)墓鈱W采集，其中，作為干擾變量不再是環(huán)境溫度T而是機械振動V，該振動由另一種光學傳感器55檢測，該機械振動V是必須被補償?shù)?。在圖2的與布置100的情形相似的方式中，光學傳感器55與補償元件45一起位于共同的干擾變量作用區(qū)域65內(nèi)，該補償元件仍設計為光纖布拉格光柵。因此，再一次地，傳感器55和補償元件45同樣程度地受干擾變量影響，在此，干擾變量為機械振動V。同樣在布置200的情況下，補償元件45實現(xiàn)了依賴于輸入光信號S1中干擾變量的波長變化。
在裝置100的情況下和裝置200的情況下，光源10發(fā)射具有覆蓋整個波長范圍的光譜帶寬的波譜，在此波長范圍內(nèi)，補償元件40或45在干擾變量影響下的波長變化Δλ會發(fā)生。根據(jù)選用為補償元件40或45的光纖布拉格光柵實施例，輸入光信號S1的被光纖布拉格光柵反射的部分可以具有自均勻光纖布拉格光柵情況下的幾百pm到線性調頻光纖布拉格光柵情況下的幾nm的波譜寬度。
在輸入光信號S1所走的光路上，裝置200不同于裝置100。在光源10產(chǎn)生光之后，輸入光信號S1在此時首次通過光纖耦合器30饋入補償元件45。在此，波長選擇性反射發(fā)生，這仍由機械振動V決定。以這種方式反射的光信號然后通過耦合元件30饋入光學傳感器55。在此示例性實施例中僅通過一次光學傳感器55后，因被測變量的影響所改變的輸出光信號S2被饋入到接收器20。不管在光路導向中有何差別，按與結合裝置100所述的原理相似的方式，進行裝置200中干擾變量的補償。結果是得到同樣有利的效果。
對裝置100和200來說，在每一種情況下補償元件40和45都是需要的，該補償元件按預先確定的方式在反射光信號中導致了波長變化，該變化依賴于干擾變量。圖3和圖4表示這種補償元件40的示例性實施例，它具有根據(jù)所要求的溫度相關性而特殊構造的結構。如果需要，所要求的溫度相關性的模擬也可以利用線性逐次逼近法一段一段地實施。
在圖3的例子中，光波導41的至少一部分布置在支架中，在該光波導中設置有一光纖布拉格光柵42。該光學波導41被布置在光纖布拉格光柵42的區(qū)域內(nèi)，在兩個支架部件43與44之間。該兩個支架部件43和44具有不同的熱膨脹。例如，該支架部件43由高熱膨脹材料制造，及支架部件44由低熱膨脹的材料制成。通過為支架部件43和44選擇合適的材料和幾何形狀，因而可以設定光纖布拉格光柵42的取決于溫度T的反射行為。特別是，根據(jù)光波導41在支架部件43與44之間的預應力，如圖3的實施例中所提供的，也可以獲得波長變化，該變化負相關于溫度變化(＝負波長-溫度梯度)。
用于在光纖布拉格光柵上施加力的其他支架形狀和布置在DE19939583A1中有說明。因此通過利用支架，光波導41中所布置的光纖布拉格光柵42的自然熱膨脹也可以加強，并且也可以構造為具有所要求的溫度相關性。與另一中干擾變量相應的相關性，例如機械振動V，也可以相似的方式實現(xiàn)。
如圖4所示，具有設置在光波導41中的光纖布拉格光柵42的補償元件40也可以用涂層46來代替支架。此涂層46選擇的方法是，干擾變量以所需方式獲得波長變量Δλ。
把圖3和圖4的實施例結合起來同樣可以。因此，也可使用涂層光波導41和設置在支架中的光波導。
借助示例，用于磁場或電流感應的光學傳感器50的補償元件40的構造將在下文中解釋。眾所周知，這種類型傳感器中的被測變量靈敏度由維爾德(Verdet)常數(shù)來確定。維爾德常數(shù)不僅具有待測變量(此處為磁場)相關性，還具有待補償干擾變量(此處為溫度)相關性，以及饋入光信號S1的波長λ相關性。
在使用傳感器50的溫度范圍中，維爾德常數(shù)的溫度相關性大致在0.01％/℃和0.02％/℃之間變化。在此處涉及的溫度范圍內(nèi)，維爾德常數(shù)的線性溫度相關性假設為在-40℃與+80℃之間。然后，在120℃的整個溫度范圍ΔT中，測量的結果于是具有±0.6％與±1.2％之間的溫致偏離(temperature-induceddeviation)。此不需要的影響將被補償。
例如，維爾德常數(shù)的波長相關性是-0.0003％/pm(見1997年《光波技術學報(Journal of Lightwave Technology)》第15卷第5期第803頁到807頁A.H.Rose等人的“退火光纖電流傳感器中的維爾德常數(shù)離散”(“VerdetConstant Dispersion in Annealed Optical Fiber Current Sensors”))。為了補償被檢的、在±0.6％與±1.2％之間的溫致偏離，補償元件40因此具有取決于溫度的、在33pm/℃與66pm/℃之間的波長變化。于是，在120℃的整個溫度范圍ΔT內(nèi)，導致4nm與8nm之間的波長變化，此處涉及的示例中使用的光纖布拉格光柵42具有約850nm的主波長。
在光纖布拉格光柵42中，波長變化的自然溫度相關性大約是6.5pm/℃大小，也就是說與需要補償?shù)?3pm/℃與66pm/℃之間的值相比過低，由于此原因，溫度相關性通過利用合適的涂層46來增加。例如，當利用聚合物作為涂層46的材料時，此聚合物在1999年《SPIE》第3740卷第284頁到287頁Y.Liu等人的“具有聚合物包覆的光纖布拉格光柵的高壓力和溫度靈敏度(Enhanced pressure and temperature sensitivity of fiber Bragg grating withpolymer packaging)”一文中得以說明，在50pm/℃的值得以獲得，且準確地位于此處所需的33pm/℃與66pm/℃之間的范圍內(nèi)。因而，利用不同的涂層材料也能得到補償元件40中的其它所需的波長變化，由于所需補償?shù)臏囟群推渌蓴_變量，該補償元件40成為必須。
權利要求
1.一種對光學傳感器(50、55)中的干擾變量進行補償?shù)姆椒?，其中a)光信號(S1)在光學傳感器(50、55)中至少作為待測的被測變量(M)、所饋入光信號(S1)的波長(λ)、以及干擾變量(T、V)的函數(shù)而受到影響，其特征在于b)所述光信號(S1)還被饋入到補償元件(40、45)中，該元件與光學傳感器(50、55)一起位于共同的干擾變量作用區(qū)(60、65)中，該作用區(qū)在光學傳感器(50、55)和補償元件(40、45)上具有基本相等的干擾變量(T、V)作用，以及c)在干擾變量(T、V)的影響下經(jīng)過所述補償元件(40、45)時，其波長以這樣一種方式改變，即，d)由改變的波長和由干擾變量(T，V)作用在光傳感器(50、55)上的該部分影響彼此至少大部分抵銷。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，在構造成布拉格光柵(40、45)的補償元件中，所述光信號(S1)的波長得以改變。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其中，在所述光學傳感器(50、55)中，所述光信號(S1)的作為所述干擾變量的函數(shù)的該部分影響由溫度(T)或振動(V)所導致。
4.一種對光學傳感器(50、55)中的干擾變量進行補償?shù)难b置，a)其中經(jīng)過一光信號(S1)的所述光學傳感器(50、55)至少對被測變量(M)、所述光信號(S1)的波長(λ)和干擾變量(T、V)敏感，其特征在于b)其中也經(jīng)過該光信號(S1)的補償元件(40、45)與所述光學傳感器(50、55)一起位于共同的干擾變量作用區(qū)(60、65)中，該作用區(qū)對所述光學傳感器(50、55)和所述補償元件(40、45)具有基本相同的干擾變量(T、V)作用，c)該補償元件(40、45)以這樣一種方式構造，即，在光信號(S1)在干擾變量影響下經(jīng)過該補償元件(40、45)的過程中導致的波長變化(Δλ)在光信號(S1)后來經(jīng)過光學傳感器(50、55)的過程中導致波長相關部分影響，該波長相關部分影響至少大部分補償了光學傳感器(50、55)中的干擾變量相關部分影響。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其中，補償元件被構造為布拉格光柵(40、45)。
6.根據(jù)權利要求4或5所述的裝置，其中，補償元件(40、45)被構造以用于呈溫度(T)或振動(V)形式的干擾變量。
7.根據(jù)權利要求4至6中的任一項所述的裝置，其中，所述補償元件(40、45)包括一支架(43、44)，且所述支架(43、44)的設置也導致了干擾變量(T、V)影響下波長變化(Δλ)按預定方式發(fā)生的情況。
8.根據(jù)權利要求4至7中的任一項所述的裝置，其中，所述補償元件(40、45)包括一涂層(46)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于對光學傳感器(50)中的干擾變量進行補償?shù)姆椒ê脱b置。該光傳感器至少對被測變量(M)、所饋入的光信號(S1)的波長(λ)和干擾變量(T)敏感。光信號(S1)也通過一補償元件(40)，該補償元件與光學傳感器(50)一起位于共同的干擾變量作用區(qū)域(60)中，此區(qū)域具有相同的干擾變量(T)作用。在補償元件(40)中，干擾變量(T)以這樣的方式改變光信號(S1)的波長，即，由于所述的改變的波長和由于所述的干擾變量(T)在光學傳感器(50)中產(chǎn)生的各部分影響彼此抵銷。
文檔編號G01R15/24GK1407343SQ0213059
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月19日 優(yōu)先權日2001年8月17日
發(fā)明者彼得·克雷默 申請人:西門子公司