BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf nichtkonventionelle, auf der Ausnutzung des Faraday-Effekts beruhende Stromwandler. Sie betrifft insbesondere einen faseroptischen Stromwandler mit einer um einen Stromleiter gewickelten Sensorspule aus einer Lichtleitfaser, einer Lichtquelle, einem Strahlteiler, welcher den von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufteilt, die mit gleichsinniger zirkularer Polarisation in gegenläufiger Richtung geschickt werden, und einer Auswerteeinrichtung, in welcher die durch das Magnetfeld um den Stromleiter verursachte Phasenänderung der beiden Teilstrahlen nach dem Austritt aus der Sensorspule ausgewertet wird.
Es ist seit längerem bekannt (siehe z. B. DE-OS 3 141 325), für die Messung grosser Ströme Lichtleitfasern zu verwenden, die parallel zum Magnetfeld der Ströme um den Stromleiter gewickelt sind und über den Faraday-Effekt einem zirkular polarisierten Lichtstrahl, der durch die Lichtleitfaser geschickt wird, eine Phasenänderung aufprägen, die eine Funktion des zu messenden Stromes ist.
Es ist weiterhin bekannt (siehe z. B. Culshaw, Optical fibre sensing and signal processing , Peter Peregrinus Ltd., London, 1984, S. 105-112), faseroptische Gyroskope vom Typ eines Sagnac-Interferometers zu verwenden, bei denen der Phasenunterschied zwischen zwei gegensinnig eine Sensorspule durchlaufenden Teilstrahlen in Abhängigkeit von einer Rotation der Sensorspule gemessen wird.
Die Kombination dieser beiden Prinzipien hat zu einem faseroptischen Stromwandler der eingangs genannten Art geführt, der in der FR-A-2 461 956 bzw. der korrespondierenden US-PS 4370612 eingehend beschrieben ist. Bei dem beschriebenen faseroptischen Stromwandler wird Laserlicht in einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen zerlegt, die gegenläufig durch die Sensorspule geschickt, im selben Strahlteiler wieder vereinigt und einem Photodetektor zugeführt werden.
Da der messbare Effekt vergleichsweise klein ist, werden bei einem solchen faseroptischen Stromwandler bevorzugt spezielle Modulations- und Detektionsverfahren (z. B. Heterodyn-Detektion) angewandt. Bei dem bekannten interferometrischen Stromwandler ist die Anwendung solcher Verfahren jedoch ausserordentlich aufwendig, da die Teilstrahlen in ihren optischen Parametern nicht eindeutig festgelegt und daher voneinander nicht unterscheidbar sind.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen interferometrischen faseroptischen Stromwandler zu schaffen, bei dem die Teilstrahlen ausserhalb des Interferometers für Modulationsund Detektionszwecke unabhängig voneinander zugänglich sind.
Die Aufgabe wird bei einem faseroptischen Stromwandler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass Mittel vorgesehen sind, um die beiden gegenläufigen Teilstrahlen ausserhalb der Sensorspule in Form linear und orthogonal zueinander polarisierter Schwingungsmoden weiterzuleiten.
Der Kern der Erfindung besteht also darin, die erforderlichen Teilstrahlen ausserhalb der Sensorspule bezüglich der Polarisationsebene so festzulegen, dass sie eindeutig unterscheidbar und unabhängig voneinander manipulierbar sind.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Mittel zwei Viertelwellenplatten an den Enden der Sensorspule, welche Viertelwellenplatten an der Sensorspule ankommendes, linear polarisiertes Licht als zirkular polarisiertes Licht in die Sensorspule einkoppeln und aus der Sensorspule ausgekoppeltes, zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht umwandeln. Der Strahlteiler zur Erzeugung der Teilstrahlen ist gleichzeitig ein polarisierender Strahlteiler.
Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem polarisierenden Strahlteiler und den Viertelwellenplatten jeweils eine optische Verbindung vorgesehen, welche den Potentialunterschied zwischen der Sensorspule und der Lichtquelle bzw. der Auswerteeinrichtung überbrückt und so ausgebildet ist, dass die Polarisationsebene eines durchlaufenden Lichtstrahls erhalten bleibt und keine zusätzliche Phasendifferenz zwischen den beiden gegenläufigen Teilstrahlen entsteht.
Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung beschrieben und näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines faseroptischen Stromwandlers gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 2a die Wirkung der an den Enden der Sensorspule angeordneten Viertelwellenplatten aus Fig. 1,
Fig. 2b eine ausschliesslich faseroptische Realisierung einer Viertelwellenplatte,
Fig. 3a den Aufbau eines faseroptischen Stromwandlers gemäss einer Weiterbildung der Anordnung aus Fig. 1 mit heterodyner Detektion,
Fig. 3b den Aufbau eines faseroptischen Stromwandlers gemäss einer Weiterbildung der Anordnung aus Fig. 1 mit Phasenmodulation und Quadraturdetektion, und
Fig. 3c den Aufbau eines faseroptischen Stromwandlers gemäss einer Weiterbildung der Anordnung aus Fig. 1 mit interner Phasenmodulation.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines faseroptischen Stromwandlers gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Um einen Stromleiter 1 herum, der den zu messenden Strom I führt und um sich herum ein im wesentlichen zirkulares Magnetfeld H hat, ist eine Lichtleitfaser in einer oder mehreren Wicklungen in Form einer Sensorspule 2 angeordnet. Das durch die Sensorspule 2 laufende zirkular polarisierte Licht erleidet aufgrund des Faraday-Effekts in der Lichtleitfaser eine Phasenverschiebung.
Charakteristisch für die interferometrische Anordnung der Fig. 1 ist nun, dass die Sensorspule 2 von zwei gleichsinnig zirkular polarisierten Teilstrahlen A und B gegensinnig durchlaufen wird (angedeutet durch die ausgefüllten und nicht ausgefüllten Richtungs- und Drehsinnpfeile entlang der Lichtleitfaser in Fig. 1). Der Teilstrahl A läuft in dem Beispiel von links nach rechts durch die Sensorspule 2, der Teilstrahl B entgegengesetzt.
An den beiden Enden der Sensorspule 2 ist jeweils eine Viertelwellenplatte 3a bzw. 3b angeordnet. Die beiden Viertelwellenplatten 3a, 3b haben die Aufgabe, in Richtung der Sensorspule 2 ankommendes, linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes umzuwandeln und umgekehrt aus der Sensorspule 2 austretendes, zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes umzuwandeln. Auf diese Weise stehen ausserhalb der Sensorspule 2 die Teilstrahlen A und B nicht im zirkular polarisierten, sondern im linear polarisierten Schwingungsmode zur Verfügung und können so besonders einfach manipuliert werden.
Durch geeignete Orientierung der Viertelwellenplatten 3a, 3b können die Polarisationsebenen der Teilstrahlen A und B in ihrer linear polarisierten Form orthogonal zueinander gewählt werden. In Fig. 1 (ebenso wie in den Fig. 3a-c) ist dies durch einen Doppelpfeil für eine in der Zeichenebene liegende Polarisationsebene und durch einen Kreis für eine senkrecht zur Zeichenebene angeordnete Polarisationsebene angedeutet.
Die orthogonal zueinander polarisierten Teilstrahlen A, B stammen aus einem polarisierenden Strahlteiler 5, der einen aus einer Lichtquelle 8 tretenden, beide Polarisationen enthaltenden Lichtstrahl entsprechend zerlegt.
Zwischen der Lichtquelle 8 und dem polarisierenden Strahlteiler 5 ist ein Auskopplungs-Strahlteiler 6 angeordnet, der die beiden Teilstrahlen A und B, nachdem sie die Sensorspule 2 durchlaufen haben und im polarisierenden Strahlteiler 5 wieder vereinigt worden sind, seitlich in eine Auswerteeinrichtung 7 herausreflektiert, wo die Magnetfeld-induzierte Phasenverschiebung gemessen und ausgewertet wird.
Bei der üblichen Anwendung der faseroptischen Stromwandler im Bereich hoher und höchster Ströme befindet sich die Sensorspule 2 regelmässig auf einem hohen elektrischen Potential, während die aus Lichtquelle 8, Strahlteilern 5 und 6 und Auswerteeinrichtung 7 bestehende Messeinrichtung selbst meist auf Erdpotential liegt.
Zur Üeberbrückung dieser Potentialunterschiede werden die aus dem polarisierenden Strahlteiler 5 austretenden Teilstrahlen A und B jeweils über eine entsprechende optische Verbindung 4a bzw. 4bbis zu den Viertelwellenplatten 3a und 3b weitergeleitet. Über dieselben optischen Verbindungen 4a und 4b gelangen auch die aus der Sensorspule 2 austretenden Teilstrahlen wieder zurück zum polarisierenden Str ahlteilnr 5.
Die optischen Verbindungen 4a, 4b sind so ausgebildet, 5 dass ein sie durchlaufender, linear polarisierter Lichtstrahl seine Polarisationsebene beibehält. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass sie als stark linear doppelbrechende Monomode-Lichtleitfasern ausgebildet sind.
Diese Monomode-Lichtleitfasern sind zwischen polarisierendem Strahlteiler 5 und Viertelwellenplatten 3a, 3b nun so angeordnet, dass der verwendete linear polarisierte Schwingungsmode mit den entsprechenden Polarisationsebenen des polarisierenden Strahlteilers 5 zusammenfällt. Auf diese Weise werden jeweils in einer optischen Verbindung die gegenläufigen, linear polarisierten Teil strahlen A, B als ein und derselbe Schwingungsmode zwischen Sensorspule 2 und Erdpotential ungestört übertragen.
Wie bereits erwähnt, werden die Viertelwellenplatten 3a, 3b dazu verwendet, die linear polarisierten Schwingungsmoden in zirkular polarisierte umzuwandeln und umgekehrt. Die Wirkung derselben Viertelwellenplatte auf gegenläufige Moden gleicher Polarisation ist in Fig. 2a wiedergegeben.
Die Viertelwellenplatte ist in den beiden Teilfiguren der Fig. 2a mit den beiden mit 0 und f/2 bezeichneten Hauptachsen um 45 0gegenüber der durch die Doppelpfeile gekennzeichneten Schwingungsebene der linear polarisierten Schwingungsmoden gedreht. Im linken Teilbild fällt der linear polarisierte Lichtstrahl auf die Viertelwellenplatte und verlässt sie links-zirkular polarisiert, da der Anteil des ankommenden Lichts parallel zur (r/2)-Achse in der Phase um eine Viertelwellenlänge verzögert wird. Im rechten Teilbild fällt ein links-zirkular polarisierter Lichtstrahl auf die Viertelwellenplatte und verlässt sie linear polarisiert, wobei die Polarisationsebene mit der des linken Teilbildes übereinstimmt.
Auf diese Weise haben die gegenläufigen Teilstrahlen A, B in ihrem linear polarisierten Schwingungsmode stets dieselbe Polarisationsebene in jeweils einer optischen Verbindung 4a bzw. 4b.
Die Viertelwellenplatten 3a, 3b lassen sich gemäss Fig. 2b sehr einfach mittels einer gebogenen Lichtleitfaser 9 realisieren, wobei in einer schwach doppelbrechenden Faser die Biegungs-induzierte Doppelbrechung ausgenutzt wird. Die Biegung wird mittels einer kreisförmigen Schlaufe mit Radius R erzeugt. Die Schlaufe liegt entsprechend in einer um 45 0gekippten Kippebene 10. Weitere Einzelheiten dieser Realisierung können einem Artikel von H. C. Lefevre, Single-mode fibre fractional wave devices and polarization controllers , Electron. Lett. 16, 778 (1980), entnommen werden.
Um den faseroptischen Stromwandler möglichst unempfindlich gegenüber Amplitudenänderungen oder Drifterscheinungen zu machen, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Modulation und Detektion, die als Ausführungsbeispiele in den Fig. 3a, b und c dargestellt sind.
Eine heterodyne Detektion (Fig. 3a) lässt sich dadurch verwirklichen, dass eine Lichtquelle 8 verwendet wird, die mit zwei unterschiedlichen optischen Frequenzen C9A und OB emittiert, so dass die beiden orthogonal linear polarisierten Teilstrahlen A und B mit entsprechend unterschiedlichen Frequenzen O)A und oe dem Interferometer zugeführt werden.
Die relative Phase der beiden Schwingungsmoden wird dann mit Hilfe zweier Photodetektoren 13 und 14 erhalten, die auf beiden Seiten des Auskopplungs-Strahlteilers 6, jeweils hinter einem um 45 0gedrehten, linearen Polarisator 11 bzw. 12, angeordnet sind.
Der erste der beiden Photodetektoren, 13, misst direkt das aus der Lichtquelle 8 kommende Licht und stellt so ein Referenzsignal zur Verfügung. Der zweite Photodetektor, 14, misst das aus dem Interferometer kommende Licht. Beide Messsignale enthalten die Schwebungsfrequenz aus den beiden optischen Frequenzen (bA und CDB stehen dadurch in geeigneter Weise für eine elektronische Weiterverarbeitung zur Verfügung (die in der Figur nicht gezeigt ist).
Als Lichtquelle 8 kann z. B. ein HeNe-Laser mit Zeeman Aufspaltung für die Erzeugung der beiden Polarisationen mit unterschiedlichen optischen Frequenzen eingesetzt werden.
Für praktische Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, eine Laserdiode mit akusto-optischer Frequenzverschiebung zu verwenden, insbesondere in einer vollständig mit Lichtleitfasern realisierten Version, wie sie z. B. von W. P. Risk et al. Fiber-optic frequency shifter using a surface acoustic wave incident at an oblique angle , Opt. Lett. 11, 1986, S. 115-117, beschrieben wird.
Für die Anwendung einer niederfrequenten Phasenmodulation mit gleichzeitiger Quadratur-Detektion, wie sie z. B. in dem Artikel von A. Bertholds und R. Dändliker, Microprocessor-based phase determination for high-resolution optical sensors , Electron. Lett. 21, 1985, 65-67 dargestellt ist, dient die in Fig. 3b wiedergegebene Ausführungsform des erfindungsgemässen Stromwandlers.
Das Licht aus der monochromatischen Lichtquelle 8 wird zunächst in einem zweiten polarisierenden Strahlteiler 15 in zwei linear und orthogonal zueinander polarisierte Komponenten zerlegt, von denen die eine einen Phasenmodulator 16 durchläuft. Anschliessend werden beide Komponenten in einem Einkopplungs-Strahlteiler 17 wieder vereinigt und gelangen über den Auskopplungs-Strahlteiler 6 und den ersten polarisierenden Strahlteiler 5 in bereits beschriebener Weise in das Interferometer.
Auf beiden Seiten des Auskopplungs-Strahlteilers 6 ist jeweils eine Gruppe von drei Photodetektoren 18a, 1 8b, 1 8c bzw. 19a, l9b, 19c angeordnet. Die erste Gruppe von Photodetektoren, 18a-c, misst das von der Lichtquelle 8 kommende, modulierte Licht; die zweite Gruppe von Photodetektoren, 19a-c, misst das aus dem Interferometer kommende Licht.
In beiden Gruppen ist jeweils ein Photodetektor (18b bzw.
l9b) vorhanden, der das einfallende Licht zu Referenzzwecken direkt misst. Die anderen beiden Photodetektoren jeder Gruppe (1 8a, 1 8c bzw. 19a, 1 9c) sind jeweils hinter in Quadratur zueinander stehenden Polarisatoren 20, 21 bzw.
22, 23 angeordnet.
Als Phasenmodulator 16 kommt z. B. ein Piezostrecker in Betracht, wie er dem Fachmann geläufig ist.
Eine interne Phasenmodulation des Sagnac-Interferometers, die bei faseroptischen Gyroskopen allgemein üblich ist (siehe z. B. das bereits genannte Buch von P. Culshaw), ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3c verwirklicht, wo der Phasenmodulator 16 direkt hinter dem polarisierenden Strahlteiler 5 in eine der optischen Verbindungen, und zwar auf Erdpotential, eingefügt ist.
Schliesslich soll darauf hingewiesen werden, dass eine Detektion des Faraday-Effekts durch Kompensation mit Hilfe einer zweiten Spule verwirklicht werden kann, die der eigentlichen Sensorspule 2 gleicht und anstelle des Phasenmodulators 16 aus Fig. 3c auf Erdpotential in das Interferometer eingesetzt wird. Mittels geeigneter Polarisierer und Detektoren am Ein- und Ausgang des Interferometers können dann die für maximale Empfindlichkeit bei Nulldurchgang und Intensitätskompensation am besten geeigneten Messsignale erhalten werden.
Insgesamt erhält man mit der Erfindung einen faseroptischen Stromwandler, der hinsichtlich der Messwerterzeugung und Verarbeitung besonders günstige Eigenschaften aufweist.
DESCRIPTION
The invention relates to non-conventional current transformers based on the exploitation of the Faraday effect. In particular, it relates to a fiber-optic current transformer with a sensor coil wound around an electrical conductor made of an optical fiber, a light source, a beam splitter, which divides the light beam coming from the light source into two partial beams, which are sent in the opposite direction with circular polarization in the same direction, and an evaluation device, in which the phase change of the two partial beams caused by the magnetic field around the current conductor is evaluated after emerging from the sensor coil.
It has long been known (see, for example, DE-OS 3 141 325) to use optical fibers for measuring large currents which are wound around the current conductor parallel to the magnetic field of the currents and which, via the Faraday effect, form a circularly polarized light beam, that is sent through the optical fiber impress a phase change that is a function of the current to be measured.
It is also known (see e.g. Culshaw, Optical fiber sensing and signal processing, Peter Peregrinus Ltd., London, 1984, pp. 105-112) to use Sagnac interferometer-type fiber optic gyroscopes in which the phase difference is measured between two partial beams passing in opposite directions through a sensor coil as a function of a rotation of the sensor coil.
The combination of these two principles has led to a fiber optic current transformer of the type mentioned at the outset, which is described in detail in FR-A-2 461 956 and the corresponding US Pat. No. 4,370,612. In the fiber-optic current converter described, laser light is broken down into two partial beams in a beam splitter, which are sent in opposite directions through the sensor coil, reunited in the same beam splitter and fed to a photodetector.
Since the measurable effect is comparatively small, special modulation and detection methods (for example heterodyne detection) are preferably used in such a fiber-optic current transformer. In the known interferometric current transformer, however, the use of such methods is extremely complex since the optical parameters of the partial beams are not clearly defined and therefore cannot be distinguished from one another.
It is an object of the invention to provide an interferometric fiber optic current transformer in which the partial beams are accessible independently of one another for modulation and detection purposes outside the interferometer.
The object is achieved in a fiber-optic current transformer of the type mentioned at the outset in that means are provided in order to transmit the two opposing partial beams outside the sensor coil in the form of oscillation modes which are polarized linearly and orthogonally to one another.
The essence of the invention is therefore to determine the required partial beams outside the sensor coil with respect to the polarization plane in such a way that they can be clearly distinguished and manipulated independently of one another.
According to a preferred embodiment of the invention, the means comprise two quarter-wave plates at the ends of the sensor coil, which quarter-wave plates couple linear polarized light arriving at the sensor coil as circularly polarized light into the sensor coil and convert circularly polarized light that is coupled out from the sensor coil into linearly polarized light. The beam splitter for generating the partial beams is also a polarizing beam splitter.
According to an advantageous development of the invention, an optical connection is provided between the polarizing beam splitter and the quarter-wave plates, which bridges the potential difference between the sensor coil and the light source or the evaluation device and is designed such that the polarization plane of a continuous light beam is retained and no additional Phase difference between the two opposing partial beams arises.
Further exemplary embodiments result from the dependent claims.
The invention will now be described below with reference to exemplary embodiments in connection with the drawing and explained in more detail. Show it:
1 shows the basic structure of a fiber optic current transformer according to a preferred embodiment of the invention,
2a shows the effect of the quarter-wave plates from FIG. 1 arranged at the ends of the sensor coil,
2b an exclusively fiber optic implementation of a quarter wave plate,
3a shows the structure of a fiber-optic current converter according to a development of the arrangement from FIG. 1 with heterodyne detection,
3b shows the structure of a fiber optic current transformer according to a development of the arrangement from FIG. 1 with phase modulation and quadrature detection, and
3c shows the structure of a fiber-optic current transformer according to a development of the arrangement from FIG. 1 with internal phase modulation.
1 shows the basic structure of a fiber optic current transformer according to a preferred exemplary embodiment of the invention.
An optical fiber is arranged in one or more windings in the form of a sensor coil 2 around a current conductor 1, which carries the current I to be measured and has an essentially circular magnetic field H around it. The circularly polarized light passing through the sensor coil 2 undergoes a phase shift in the optical fiber due to the Faraday effect.
It is characteristic of the interferometric arrangement of FIG. 1 that the sensor coil 2 is traversed in opposite directions by two co-circularly polarized partial beams A and B (indicated by the filled and unfilled direction and rotation arrows along the optical fiber in FIG. 1). In the example, the partial beam A runs from left to right through the sensor coil 2, the partial beam B runs in the opposite direction.
A quarter-wave plate 3a or 3b is arranged at each of the two ends of the sensor coil 2. The two quarter-wave plates 3a, 3b have the task of converting linearly polarized light arriving in the direction of the sensor coil 2 into circularly polarized and conversely converting circularly polarized light emerging from the sensor coil 2 into linearly polarized. In this way, outside of the sensor coil 2, the partial beams A and B are not available in the circularly polarized, but in the linearly polarized oscillation mode and can thus be manipulated particularly easily.
By suitable orientation of the quarter-wave plates 3a, 3b, the polarization planes of the partial beams A and B can be selected orthogonally to one another in their linearly polarized form. In FIG. 1 (as in FIGS. 3a-c), this is indicated by a double arrow for a polarization plane lying in the drawing plane and by a circle for a polarization plane arranged perpendicular to the drawing plane.
The partial beams A, B polarized orthogonally to one another originate from a polarizing beam splitter 5, which splits a light beam emerging from a light source 8 and containing both polarizations accordingly.
A decoupling beam splitter 6 is arranged between the light source 8 and the polarizing beam splitter 5 and laterally reflects the two partial beams A and B after they have passed through the sensor coil 2 and have been combined again in the polarizing beam splitter 5, where the magnetic field-induced phase shift is measured and evaluated.
In the usual application of the fiber optic current transformers in the area of high and highest currents, the sensor coil 2 is regularly at a high electrical potential, while the measuring device consisting of the light source 8, beam splitters 5 and 6 and evaluation device 7 itself is mostly at earth potential.
To bridge these potential differences, the partial beams A and B emerging from the polarizing beam splitter 5 are each forwarded via a corresponding optical connection 4a or 4b to the quarter-wave plates 3a and 3b. The partial beams emerging from the sensor coil 2 also return to the polarizing beam part 5 via the same optical connections 4a and 4b.
The optical connections 4a, 4b are designed in such a way that a linearly polarized light beam passing through them maintains their plane of polarization. This is preferably achieved in that they are designed as highly linear birefringent single-mode optical fibers.
These single-mode optical fibers are now arranged between the polarizing beam splitter 5 and quarter-wave plates 3a, 3b in such a way that the linearly polarized oscillation mode used coincides with the corresponding polarization planes of the polarizing beam splitter 5. In this way, the opposing, linearly polarized partial beams A, B are transmitted as one and the same vibration mode between sensor coil 2 and ground potential in an optical connection.
As already mentioned, the quarter-wave plates 3a, 3b are used to convert the linearly polarized vibration modes into circularly polarized and vice versa. The effect of the same quarter-wave plate on opposite modes of the same polarization is shown in Fig. 2a.
The quarter-wave plate in the two partial figures of FIG. 2a with the two main axes labeled 0 and f / 2 is rotated by 45 ° with respect to the vibration plane of the linearly polarized vibration modes indicated by the double arrows. In the left partial image, the linearly polarized light beam falls on the quarter-wave plate and leaves it left-handed circularly polarized, since the proportion of the incoming light is delayed in phase by a quarter wavelength parallel to the (r / 2) axis. In the right partial image, a left circularly polarized light beam strikes the quarter-wave plate and leaves it linearly polarized, the plane of polarization coinciding with that of the left partial image.
In this way, the opposing partial beams A, B always have the same polarization plane in their linearly polarized oscillation mode in an optical connection 4a or 4b.
The quarter-wave plates 3a, 3b can be realized very easily according to FIG. 2b by means of a curved optical fiber 9, the bending-induced birefringence being used in a weakly birefringent fiber. The bend is created using a circular loop with radius R. The loop accordingly lies in a tilting plane 10 which is tilted by 45 °. Further details of this realization can be found in an article by H.C. Lefevre, Single-mode fiber fractional wave devices and polarization controllers, Electron. Lett. 16, 778 (1980).
In order to make the fiber-optic current converter as insensitive as possible to changes in amplitude or drift, there are various possibilities for modulation and detection, which are shown as exemplary embodiments in FIGS. 3a, b and c.
A heterodyne detection (FIG. 3a) can be achieved by using a light source 8 which emits with two different optical frequencies C9A and OB, so that the two orthogonally linearly polarized partial beams A and B with correspondingly different frequencies O) A and oe fed to the interferometer.
The relative phase of the two oscillation modes is then obtained with the aid of two photodetectors 13 and 14 which are arranged on both sides of the coupling beam splitter 6, in each case behind a linear polarizer 11 or 12 rotated by 45 °.
The first of the two photodetectors, 13, directly measures the light coming from the light source 8 and thus provides a reference signal. The second photodetector, 14, measures the light coming from the interferometer. Both measurement signals contain the beat frequency from the two optical frequencies (bA and CDB are thus suitably available for further electronic processing (which is not shown in the figure).
As a light source 8 z. B. a HeNe laser with Zeeman splitting can be used to generate the two polarizations with different optical frequencies.
For practical applications, it is particularly advantageous to use a laser diode with acousto-optical frequency shift, in particular in a version realized entirely with optical fibers, as described, for. B. by W. P. Risk et al. Fiber-optic frequency shifter using a surface acoustic wave incident at an oblique angle, Opt. Lett. 11, 1986, pp. 115-117.
For the application of a low-frequency phase modulation with simultaneous quadrature detection, as z. B. in the article by A. Bertholds and R. Dändliker, Microprocessor-based phase determination for high-resolution optical sensors, Electron. Lett. 21, 1985, 65-67, the embodiment of the current transformer according to the invention shown in FIG. 3b is used.
The light from the monochromatic light source 8 is first broken down in a second polarizing beam splitter 15 into two linearly and orthogonally polarized components, one of which passes through a phase modulator 16. The two components are then combined again in a coupling beam splitter 17 and reach the interferometer via the coupling beam splitter 6 and the first polarizing beam splitter 5 in the manner already described.
A group of three photodetectors 18a, 18b, 18c and 19a, 19b, 19c is arranged on both sides of the coupling beam splitter 6. The first group of photodetectors, 18a-c, measures the modulated light coming from the light source 8; the second group of photodetectors, 19a-c, measures the light coming from the interferometer.
A photodetector (18b or
l9b) available, which measures the incident light directly for reference purposes. The other two photodetectors of each group (1 8a, 1 8c and 19a, 1 9c) are each behind polarizers 20, 21 and
22, 23 arranged.
As phase modulator 16 comes z. B. a piezo stretcher into consideration, as is known to the expert.
Internal phase modulation of the Sagnac interferometer, which is common in fiber optic gyroscopes (see e.g. the book by P. Culshaw already mentioned), is realized in the embodiment according to FIG. 3c, where the phase modulator 16 is directly behind the polarizing beam splitter 5 is inserted into one of the optical connections, namely to earth potential.
Finally, it should be pointed out that detection of the Faraday effect can be achieved by compensation with the aid of a second coil, which is similar to the actual sensor coil 2 and is inserted into the interferometer instead of the phase modulator 16 from FIG. 3c at ground potential. Suitable polarizers and detectors at the input and output of the interferometer can then be used to obtain the most suitable measurement signals for maximum sensitivity at zero crossing and intensity compensation.
Overall, the invention provides a fiber-optic current transformer which has particularly favorable properties with regard to the generation of measured values and processing.