專利名稱：用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電流傳感器中的傳感光纖，具體地說，是一種用于高電壓線路中 測量大電流和進(jìn)行繼電保護(hù)的反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖。
背景技術(shù)：
在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，長距離傳輸電力的容量急劇增大，為了減少電力傳輸?shù)?損耗，提高傳輸電壓是一個有效的辦法。目前在高壓線路中測量電流和進(jìn)行繼電保護(hù)的均 是采用由硅鋼片和漆包銅線繞制的電流互感器。隨著線路電壓的不斷提高，這種電流互感 器在絕緣上遇到了極大的困難，而制作光纖的石英材料本身就是良好的絕緣體，所以用光 纖制成的電流互感器理論上可以在任意高的電壓下使用，是目前使用的電流互感器的理想 替代品。全光纖電流互感器是利用光纖的法拉第效應(yīng)，并采用薩格奈克(Sagnac)干涉的 形式，目前這種傳感器的傳感光纖均有兩部分組成，光纖1/4波片和圓保偏光纖。光纖1/4 波片，它是把傳輸光纜中的線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光；圓保偏光纖，它是利用法拉第效應(yīng)傳 感信號的傳感段光纖，它通常有一定的長度，并繞成一個光纖環(huán)。被傳感電流的通電導(dǎo)體就 穿過此光纖環(huán)，當(dāng)通電導(dǎo)體內(nèi)有電流流過時，其周圍就產(chǎn)生磁場，由法拉第效應(yīng)該磁場使得 圓保偏光纖環(huán)內(nèi)的圓偏振光產(chǎn)生一定的相位變化，再通過光纖1/4波片，把圓偏振光的相 位變化轉(zhuǎn)換成線偏振光的相位變化，最后通過薩格奈克干涉檢測出此相位的變化，就測量 到了通電導(dǎo)體內(nèi)流過的電流了。光纖1/4波片人們普遍采用線保偏光纖1/4拍長的長度與傳輸光纜的線保偏光纖 成旋轉(zhuǎn)45°焊接而成，而目前商品的線保偏光纖的拍長一般為4毫米左右，所以要對1毫米 左右的光纖旋轉(zhuǎn)45°焊接其精確度很難保證。申請?zhí)枮?1112680. 9，名稱為“具有多種偏 振態(tài)變換功能的寬帶光纖波片”的專利申請中提出利用旋扭光纖來制作光纖1/4波片，即采 用線保偏光纖使其一端不旋鈕，然后在光纖熔融狀態(tài)下，把加熱源沿光纖長度方向移動并 同時開始把光纖由緩慢到快速旋轉(zhuǎn)直到最高速旋轉(zhuǎn)為止，這種旋扭光纖在不轉(zhuǎn)端沿主軸方 向注入線偏振光時在高速旋扭端能測到一個近似于圓的圓偏振光。當(dāng)然也可以用制好的保 偏光纖坯棒用旋轉(zhuǎn)拉絲的方法來制作上述光纖1/4波片，只是該種光纖波片在要求把線偏 振光變換成橢圓度優(yōu)于0.9的圓偏振光時，在光纖熔融的快轉(zhuǎn)端必須高速旋轉(zhuǎn)，這樣的高 速旋轉(zhuǎn)會造成光纖非常大的損耗，所以這樣的高速旋轉(zhuǎn)光纖段在實(shí)際應(yīng)用上只能有數(shù)厘米 的長短。圓保偏光纖亦稱低雙折光纖或者超低雙折射光纖。在上世紀(jì)80年代就有人提出 把線保偏光纖坯棒邊拉絲邊旋轉(zhuǎn)來制作圓保偏光纖，所以這種光纖又叫spun光纖。目前這 種spun光纖在國外已成了一個系列商品，這種spun光纖橢圓度最高能達(dá)到0.8以上。(橢 圓度是指在光纖輸入端注入圓偏振光，在它的輸出端用檢偏器測到最小和最大兩個正交方 向的光功率的比值)。為了進(jìn)一步消除超低雙折射光纖內(nèi)的殘余雙折射，即提高圓保偏光 纖內(nèi)傳輸光的橢圓度，申請?zhí)枮?1132102. 4，名稱為“實(shí)用保持圓偏振態(tài)光纖及其制備方法”的專利申請中提出采用三應(yīng)力的spun光纖來制作圓保偏光纖，甚至有人提出采用多應(yīng) 力的spun光纖來制作圓保偏光纖。三應(yīng)力和多應(yīng)力的spun光纖能大大降低旋轉(zhuǎn)速度，從 而降低光纖在熔融旋轉(zhuǎn)時的損耗，并且能夠傳輸很圓的圓偏振光，再加上前述的旋扭光纖 1/4波片或者呈45°焊接的光纖1/4波片，這兩者能組成光纖電流傳感器的較理想的傳感 光纖，但是三應(yīng)力和多應(yīng)力光纖目前沒有商品可買，必須自己燒棒，拉絲制作，而且這種光 纖的制備工藝復(fù)雜，必須具有保偏光纖制棒機(jī)和旋轉(zhuǎn)光纖拉絲機(jī)這兩臺價格昂貴的大型設(shè) 備。由于這種傳感光纖用量非常之少，所以這兩臺價格昂貴的設(shè)備利用率很低，造成資源浪 費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種用于反射式全光纖電流傳感器中的 傳感光纖，其制作簡單、成本低。法拉第效應(yīng)的公式為 其中H為被傳感的磁場，L為磁場內(nèi)受傳感的光纖長度，V為光纖的費(fèi)爾德 (Verdet)常數(shù)，0為光纖內(nèi)光波電場偏轉(zhuǎn)的角度，在圓偏振光中0就是光波變化的相位。 采用同樣的線保偏光纖，當(dāng)用不同的轉(zhuǎn)速將光纖進(jìn)行熔融旋轉(zhuǎn)時，仍能傳感磁場，僅僅是當(dāng) 轉(zhuǎn)速降低時，傳感磁場的靈敏度有所降低，換言之轉(zhuǎn)速高的光纖能傳輸橢圓度大的圓偏振 光，因而具有較大的費(fèi)爾德系數(shù)，轉(zhuǎn)速低的光纖只能傳輸橢圓度小的橢圓偏振光，則具有較 小的費(fèi)爾德系數(shù)。實(shí)際上當(dāng)光纖熔融開始起轉(zhuǎn)時，該起轉(zhuǎn)段光纖已經(jīng)能夠傳感磁場了，只 不過費(fèi)爾德系數(shù)非常小罷了，在一條傳感光纖中當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度不同時，即在同一條光纖中每 一小段光纖的費(fèi)爾德系數(shù)不一樣時并不影響傳感的效果，所以可以把費(fèi)爾德系數(shù)看作是變
量，上式可以改寫為0=1^/^/。當(dāng)傳感靈敏度過低時，可以適當(dāng)延長傳感光纖的長度L來進(jìn)
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行補(bǔ)償，這樣光纖電流傳感器的傳感光纖不需要目前使用的光纖1/4波片和圓保偏光纖的 概念，也不需要許多人一直追求的把光纖1/4波片做得線偏振光變換成圓偏振光變換得更 好(如把線偏振光變換成橢圓度0. 9以上的圓偏振光)，以及具有更好的保圓特性的圓保偏 光纖(如采用三應(yīng)力或多應(yīng)力旋轉(zhuǎn)光纖，它們能傳輸橢圓度0. 95以上的圓偏振光)。本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案予以解決用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，包括線保偏光纖，所述線保偏光纖 依次包含一不旋轉(zhuǎn)段、一起轉(zhuǎn)段和勻速旋轉(zhuǎn)段，在所述勻速旋轉(zhuǎn)段的末端面鍍有反射膜。本發(fā)明所述勻速旋轉(zhuǎn)段長度通常為1-3米，一般不能小于80厘米；所述的反射膜 可以是介質(zhì)反射膜，也可以是金屬反射膜。由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明只需把一根線保偏光纖在熔融狀態(tài)隨著加熱源的 移動由不旋轉(zhuǎn)開始緩慢地到中低速旋轉(zhuǎn)，并基本保持該中低轉(zhuǎn)速熔融旋轉(zhuǎn)光纖1-3米，最 后在旋轉(zhuǎn)光纖的末端面鍍上反射膜即可，熔融光纖的旋轉(zhuǎn)速度及光纖內(nèi)偏振光的橢圓度也 不要求統(tǒng)一規(guī)定。整條光纖從熔融旋轉(zhuǎn)開始到結(jié)束都是傳感光纖，不需要區(qū)分哪一段是偏 振變換光纖(波片光纖)，哪一段光纖是傳感段光纖(圓保偏光纖)。
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與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果1 把X方向的線偏振光在這種熔融旋轉(zhuǎn)光纖的不轉(zhuǎn)端對準(zhǔn)其X方向主軸注入時， 其反射光會變成Y方向的線偏振光從正交的Y方向主軸輸出。同樣把Y方向的線偏振光在 不轉(zhuǎn)端對準(zhǔn)Y方向主軸注入時，其反射光會變成X方向的線偏振光在X方向主軸輸出，這種 特性的傳感光纖非常適合于用在反射式光纖電流傳感器中，而且在采用不同熔融旋轉(zhuǎn)速度 制成的這種光纖都具有上述特性。正是由于發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象，才導(dǎo)致提出采用這樣簡單的 方法來制作光纖電流傳感器中的傳感光纖。而且這一點(diǎn)也是申請?zhí)枮?1112680. 9，名稱為 “具有多種偏振態(tài)變換功能的寬帶光纖波片”的專利中利用旋扭光纖來制作光纖1/4波片時 沒有提及的。2 基本概念也不同在傳感段光纖內(nèi)不需要傳輸圓偏振光也能穩(wěn)定地傳感電流， 這就大大降低了制作傳感段光纖的難度，同時也不需要光纖1/4波片的概念，這就省去了 光纖1/4波片這個很難制作的器件，整條光纖內(nèi)傳輸光的橢圓度不需要統(tǒng)一規(guī)定。3:在整條光纖中把費(fèi)爾德常數(shù)看成是變量的費(fèi)爾德系數(shù)，這樣在起轉(zhuǎn)段光纖和勻 速旋轉(zhuǎn)段光纖在制作過程中其轉(zhuǎn)速稍有不穩(wěn)定，也不影響傳感器的正常工作。4:由于降低了光纖在熔融狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，其損耗可以大大降低，傳感光纖制作的 成品率就大大提高。5:可以購買市售的線雙折射光纖來熔融旋轉(zhuǎn)制作，不需要價格昂貴的制棒和拉絲 設(shè)備，使得制造成本大大降低。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1不旋轉(zhuǎn)段；2起轉(zhuǎn)段；3勻速旋轉(zhuǎn)段；4反射膜
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖1所示，用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，在線保偏光纖中依次 包含不旋轉(zhuǎn)段1、起轉(zhuǎn)段2和勻速旋轉(zhuǎn)段3，在勻速旋轉(zhuǎn)段3的末端面鍍有反射膜4。線保偏光纖的不旋轉(zhuǎn)段1是用來和傳輸線保偏光纜對軸焊接的，其長度任意，只 要能焊接就可以了，起轉(zhuǎn)段2是光纖在熔融時由不轉(zhuǎn)開始到勻速旋轉(zhuǎn)，這段光纖長度通常 在幾厘米到十幾厘米，勻速旋轉(zhuǎn)段光纖3是基本保持勻速旋轉(zhuǎn)，其長度一般在1-3米；反射 膜4可以是介質(zhì)反射膜，也可以是金屬反射膜，如金、銀、鋁、銅等任意金屬。本發(fā)明制作可這樣進(jìn)行把市售的線保偏光纖(可以是任意應(yīng)力雙折射型和幾何 雙折射型的線保偏光纖)去除涂敷層后，在自制的熔融旋轉(zhuǎn)設(shè)備上進(jìn)行熔融旋轉(zhuǎn)。預(yù)先加 熱光纖數(shù)秒鐘，然后起轉(zhuǎn)光纖并同時沿長度方向以恒定速度移動加熱源，光纖由起轉(zhuǎn)并緩 慢加速旋轉(zhuǎn)一直到以中低速的旋轉(zhuǎn)速率均速地旋轉(zhuǎn)，這段光纖一般要幾厘米到十幾厘米， 然后勻速地旋轉(zhuǎn)熔融光纖約1-3米。具體多少轉(zhuǎn)速最合適，除了要考慮加熱源沿光纖移動 的速度以外，主要取決于該自制設(shè)備在熔轉(zhuǎn)光纖時光纖的穩(wěn)定性，若在熔轉(zhuǎn)時光纖上下左右跳動很厲害則會使得光纖在熔轉(zhuǎn)完后損耗很大，此時必須降低轉(zhuǎn)速并同時降低加熱源移 動的速度。仔細(xì)調(diào)整好光纖轉(zhuǎn)速和加熱源移動的速度，能使得制作好的傳感光纖損耗較小， 并在不轉(zhuǎn)端沿光纖主軸注入線偏振光時在旋轉(zhuǎn)光纖的末端測到的是橢圓偏振光。它的橢圓 度要求在0. 3-0. 6左右。轉(zhuǎn)速過低，橢圓度小于0.3，會造成傳感靈敏度下降。轉(zhuǎn)速過高，橢 圓度大于0. 6，雖然能提高傳感靈明度，但可能會造成光纖損耗過大反而不利于傳感。而它 的方位角無需考慮。具體的長度是多少還要考慮所傳感的最大電流值是多少。如最大傳感 電流為2000A，則旋轉(zhuǎn)光纖的總長度在1-2米就可以了。如最大傳感電流降低，則傳感光纖 的總長度要延長至3米。為了使得該熔旋的光纖有一定的強(qiáng)度，在熔融旋轉(zhuǎn)結(jié)束以后還需 要把光纖進(jìn)行高溫退火處理。并涂上涂敷層，最后在旋轉(zhuǎn)光纖的末端面上鍍上反射膜，并繞 成直徑約12-16厘米左右的光纖環(huán)，一般為2至4圈，并最好整條旋轉(zhuǎn)段光纖繞成整數(shù)圈以 提高抗工頻磁場干擾的能力。使用時只需把不轉(zhuǎn)端光纖與線保偏傳輸光纜對軸焊接。當(dāng)傳輸光纜的x方向 線偏振光進(jìn)入旋轉(zhuǎn)光纖時變成右旋橢圓偏振光(按光纖不同旋轉(zhuǎn)速度，其橢圓度一般為 0. 3-0. 6)，該橢圓偏振光在傳感段光纖內(nèi)傳輸?shù)耐瑫r，由法拉第效應(yīng)傳感到通電導(dǎo)體產(chǎn)生
的磁場，并產(chǎn)生相位差
。該右旋橢圓偏振光被旋轉(zhuǎn)光纖末端的反射膜反射后變成
左旋橢圓偏振光返回，它同樣產(chǎn)生法拉第偏轉(zhuǎn)角9，并出射回到線保偏光纜時變成y方向 的線偏振光，此時它攜帶的法拉第偏轉(zhuǎn)相位為2 e。同樣當(dāng)線保偏光纜y方向的線偏振光進(jìn) 入旋轉(zhuǎn)光纖后變成左旋橢圓偏振光，并也攜帶著2 0的相位差變成x方向的線偏振光出射 返回到傳輸線保偏光纜中，然后這返回的x，y方向偏振光攜帶著4 0的信息通過傳輸光纜 回傳到薩格奈克干涉回路，由干涉光路和光電探測器檢測出此4 0的信息。這樣就得到了 被測量的通電導(dǎo)體的電流了。但是，上述的具體實(shí)施方式
只是示例性的，是為了更好的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所 作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。
權(quán)利要求
用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，包括線保偏光纖，其特征在于所述線保偏光纖依次包含一不旋轉(zhuǎn)段、一起轉(zhuǎn)段和勻速旋轉(zhuǎn)段，在所述勻速旋轉(zhuǎn)段的末端面鍍有反射膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，其特征在于 所述勻速旋轉(zhuǎn)段長度為1-3米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，其特征在 于所述反射膜可為介質(zhì)反射膜或金屬反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，其特征在于 所述金屬反射膜可為鋁、銀、金、銅。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，包括線保偏光纖，線保偏光纖依次包含一不旋轉(zhuǎn)段、一起轉(zhuǎn)段和勻速旋轉(zhuǎn)段，在勻速旋轉(zhuǎn)段的末端面鍍有反射膜。本發(fā)明制作簡單、成本低。
文檔編號G02B6/02GK101876723SQ20091026210
公開日2010年11月3日 申請日期2009年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月19日
發(fā)明者姚竑杰 申請人:姚竑杰