專利名稱：傳感光纖、傳感光纖環(huán)及直通型全光纖電流傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感光纖。本發(fā)明還涉及一種由該傳感光纖制成的傳感光纖環(huán)， 以及應用該傳感光纖環(huán)的直通型全光纖電流傳感器。
背景技術：
全光纖電流傳感器正在高壓輸電網(wǎng)和電力智能網(wǎng)中開始得到了使用，但其長期穩(wěn)定性和抗干擾能力是決定其實用性及被廣泛應用的最關鍵指標。目前國內對全光纖電流傳感器進行研究的單位可能超過了 20家，極大多數(shù)技術方案是從光纖陀螺技術中移植過來的，傳感光纖環(huán)幾乎都采用了所謂的四分之一波片，加超低雙折射單模光纖。盡管個別企業(yè)的全光纖電流傳感器已經(jīng)進入生產和掛網(wǎng)運行階段，但產品性能的重復性和長期穩(wěn)定性還面臨著嚴峻的考驗。實際上，從國外進口來的超低雙折射光纖在被彎曲做成光纖環(huán)后，就產生了額外的線雙折射，而這種線雙折射強烈依賴于溫度，加上光纖本身受外界振動等因素的影響，使得所傳輸?shù)墓馄裉匦詷O不穩(wěn)定。全光纖電流傳感器的原理是基于光的法拉第效應(Faraday Effect)，并可表述為 θ = Vf Η(1λ，其中H是被傳感的磁場，L是磁場內傳感光纖的長度，V為傳感光纖的費爾德
Jo
(Verdet)系數(shù)，θ為光纖內光波電場偏轉的角度。申請?zhí)枮?00910262107. 2的中國發(fā)明專利公開了一種用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖，其原材料為線雙折射保偏光纖，依次包含一不旋轉段、一起轉段和勻速旋轉段。在該專利中，傳感光纖存在一段“起轉段”(也可以稱為螺旋速率上升段)，盡管經(jīng)過一定長度L后，傳感光纖從起轉段過渡到勻速旋轉段(螺旋速率勻速段)，然而在螺旋速率上升段內，其費爾德系數(shù)不再是一個常數(shù)，而是沿光纖方向隨螺旋速率增加而緩慢增加
的，故前述公式轉化為0= Pf7^a。假定將長度為L的傳感光纖做成一個傳感光纖環(huán)，那么
Jo
上述公式就變?yōu)? = f/Hi的回路積分，由于費爾德系數(shù)依賴于L的位置，因而光波的變化
相位也會依賴于該閉合回路內(即環(huán)內)導電棒的位置。同時當環(huán)外存在外磁場或導電
母線時^ = 的積分值也不再為零，使得該傳感光纖環(huán)不具備抗干擾能力。因此利用
該傳感光纖做成的反射式傳感光纖環(huán)不可能完全隔離外場干擾或影響。根據(jù)該專利中提到的，所述傳感光纖的勻速旋轉段(螺旋速率勻速段)長度為1-3米，也就是說傳感光纖環(huán)中只包含1-3圈的傳感光纖，由于目前傳感光纖環(huán)的直徑一般在30cm左右，而起轉段(螺旋速率上升段)的長度通常在25-40cm(具體由螺旋前該線雙折射保偏光纖的拍長來大致確定)，因此這段螺旋速率上升段占總長的12%至30%左右。經(jīng)試驗表明，這類傳感光纖環(huán)不僅沒有抗干擾能力，而且一旦做成環(huán)，當電流母線處在環(huán)內不同位置時，被測電流值顯示有波動，這種波動高達2^-5 ^為了減小實際測量電流的波動和外場的干擾，唯一的方法是增加傳感光纖環(huán)內光纖的圈數(shù)，使得螺旋速率上升段的長度與螺旋速率勻速段的長度之比越小越好。但無論如何，增加傳感光纖的圈數(shù)只能改善傳感光纖環(huán)的抗干擾能力，不能完全克服或消除外場的干擾和測試電流值對電流母線位置的依賴。假如外場是幾十萬安培的雷電，則會對電力網(wǎng)系統(tǒng)產生嚴重的干擾和隱患。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種傳感光纖，其抗外場干擾，可消除測試電流值對電流母線位置的依賴。本發(fā)明還提供一種由該傳感光纖制成的傳感光纖環(huán)，以及應用了該傳感光纖環(huán)的直通型全光纖電流傳感器。為解決上述技術問題，本發(fā)明的傳感光纖為被退線極化的線雙折射保偏光纖，所述傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同。進一步地，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的最小旋轉螺距與螺旋速率勻速段的最小螺距相等，且最小螺距大于等于未螺旋前所述線雙折射保偏光纖拍長的0. 5 倍。所述螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的長度大于等于所述未螺旋前線雙折射保偏光纖拍長的50倍。進一步地，所述螺旋速率上升段的螺旋速率從零增至預定的最高螺旋速率，所述螺旋速率勻速段的螺旋速率保持預定的最高螺旋速率，所述螺旋速率下降段的螺旋速率從預定的最高螺旋速率降至零。所述螺旋速率上升段的螺旋速率為緩變上升，螺旋速率下降段的螺旋速率為緩變下降。本發(fā)明的傳感光纖環(huán)由一傳感光纖繞制而成，所述傳感光纖為被退線極化的線雙折射保偏光纖，該傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為沿光纖方向的對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同；所述螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個起點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合，所述螺旋速率上升段的終點與旋轉速率下降段的終點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個終點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重
I=I O本發(fā)明的直通型全光纖電流傳感器，包括光源、3 X 3線雙折射保偏光纖耦合器、線偏振器、線雙折射保偏光纖和傳感光纖環(huán)；所述光源連接到所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的保偏光纖輸入端，所述3X 3線雙折射保偏光纖耦合器的兩個保偏光纖輸出端分別和兩個線偏振器連接，所述兩個線偏振器的另一端分別通過線雙折射保偏光纖連接到傳感光纖環(huán)的兩端；所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的一單模光纖輸出端空置或接探測器， 剩余兩個單模光纖輸入端分別通過兩個探測器與信號處理器相連接；所述傳感光纖環(huán)由一傳感光纖繞制而成，所述傳感光纖為被退線極化的線雙折射保偏光纖，該傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為沿光纖方向的對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同；所述螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個起點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合，所述螺旋速率上升段的終點與旋轉速率下降段的終點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個終點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合。
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本發(fā)明的傳感光纖，因其在整根傳感光纖內任意對稱位置的螺旋速率相同(即螺距相同)，因而費爾德系數(shù)也是相同的，其制成的傳感光纖環(huán)中螺旋速率上升段和螺旋速率下降段在空間直徑位置上完全重合，使得重合區(qū)域內任意位置的總費爾德系數(shù)是一樣的， 亦即重合區(qū)域任意位置單位長度內光纖中所產生的總光場偏轉量與螺旋速率勻速段單位長度內光纖中所產生的光場偏轉量是完全相等的。這時，光纖傳感環(huán)完全等同于一個閉合回路，保證了抗干擾性和被測電流的準確度和穩(wěn)定性。本發(fā)明的傳感光纖環(huán)用于直通型全光纖電流傳感器中，首先是不再需要前述專利中的反射鏡，不僅可以提高傳感光纖環(huán)的可靠性，而且可以提高制環(huán)的效率。其次，也不再需要反射式全光纖電流傳感器中的偏振分/合路器，這樣也提高了光信號處理系統(tǒng)的可靠性，減少了因器件接入所增加的熔接點，因而減少了因熔接點帶來的光路光信號損耗和光偏振質量的下降。再次，利用類似性能的螺旋型傳感光纖，直通型全光纖電流傳感器結構的溫度特性只有反射型全光纖電流傳感器結構的一半，可以大大降低對傳感環(huán)溫度補償?shù)囊蠛途取?br>

下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明圖1是本發(fā)明的傳感光纖的結構示意圖；圖2是本發(fā)明中，傳感光纖的螺旋速率變化規(guī)律示意圖，其中以線性變化為例；圖3是本發(fā)明的傳感光纖環(huán)的結構示意圖；圖4是本發(fā)明的直通型全光纖電流傳感器的結構示意圖。其中附圖標記說明如下1為螺旋速率上升段；2為螺旋速率勻速段；3為螺旋速率下降段。
具體實施例方式本發(fā)明的傳感光纖是一根被退線極化的線雙折射保偏光纖。這根傳感光纖的特點是依次包含一螺旋速率上升段1、一螺旋速率勻速段2和一螺旋速率下降段3，如圖1所示， 其中螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同。 整根傳感光纖具體可以描述為從螺旋速率為零開始，經(jīng)長度Ll后緩變上升達到預定的最高螺旋速率(此段即為螺旋速率上升段)，接著保持預定的最高螺旋速率(此段即為螺旋速率勻速段)，其長度為L2，然后再經(jīng)過L3的長度后，使螺旋速率緩變下降從預定的最高螺旋速率降到零(此段即為螺旋速率下降段)，圖2以線性變化率為例。在上述結構中，螺旋速率上升段1的長度Ll和螺旋速率下降段3的長度L3相等， 或者盡可能相等，而且螺旋速率上升段1和螺旋速率下降段3中相互對稱位置的螺旋速率變化率絕對值相同。螺旋速率上升段1起點與螺旋速率下降段3終點的螺距相同，螺旋速率上升段1終點與螺旋速率下降段3起點的螺距相同。因此，在整根傳感光纖內，任意對稱位置的螺旋速率相同(即螺距相同)，因而費爾德系數(shù)也是相同的。此外，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的最小旋轉螺距或螺旋速率勻速段的最小螺距不小于未螺旋前所述線雙折射保偏光纖的拍長的0. 5倍，否則將導致光傳輸損耗急劇增大。螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的長度應不短于所述未螺旋前該線雙折射保偏光纖拍長的50倍。
由上述傳感光纖繞制而成的傳感光纖環(huán)中，螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個起點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合， 所述螺旋速率上升段的終點與旋轉速率下降段的終點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個終點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合，如圖3所示。從理論上具體描述如下，假定費爾德系數(shù)與歸一化螺旋速率(RU))成正比關系 (這里R(λ )可以是任意慢變化螺旋速率的函數(shù))，那么螺旋速率上升段任意處的費爾德系數(shù)可以表示為VupU) =VmaxXR(X),其中Vmax為最大預定螺旋速率時的費爾德系數(shù)。這樣螺旋速率下降段任意處費爾德系數(shù)可以表示為VD_( λ) =7.(^( λ))。由于螺旋速率上升段1和螺旋速率下降段3在傳感光纖環(huán)中按上面描述在空間直徑位置上是完全重疊的，因此在這一位置重合區(qū)域中所產生的總光場偏轉為
θ = θυρ+ eDown = f Vup (λ). HdX+ [ VDown (λ). Hdk = f (Vup (λ) + VD_ (λ)). Hdl = Vhiax [ Hdk其與螺旋速率勻速段2的光纖在相同長度內所產生的光場偏轉量是完全相等的， 這樣做成的傳感光纖環(huán)完全等同于一個閉合回路，這一點對于能否制成抗干擾環(huán)是至關重要的。將上述傳感光纖環(huán)應用于直通型全光纖電流傳感器(發(fā)明專利號為 ZL200810043138.4，名稱為“保偏光纖耦合器、其制備方法及全光纖電流傳感器”)中，所述直通型全光纖電流傳感器包括光源、3 X 3線雙折射保偏光纖耦合器、線偏振器、線雙折射保偏光纖和傳感光纖環(huán)，如圖4所示，這里不再需要四分之一波片。傳感光纖環(huán)的螺旋速率上升段1之前連接一段無螺旋的線雙折射保偏光纖，螺旋速率下降段3之后同樣連接一段無螺旋的線雙折射保偏光纖，如圖4所示，以便傳感光纖直接與直通型全光纖電流傳感器中的線雙折射保偏光纖相連接(熔接)。所述光源連接到所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的保偏光纖輸入端，所述 3 X 3線雙折射保偏光纖耦合器的兩個保偏光纖輸出端分別和兩個線偏振器連接，所述兩個線偏振器的另一端分別通過線雙折射保偏光纖連接到傳感光纖環(huán)的兩端；所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的單模光纖輸出端空置或接探測器，剩余兩個單模光纖輸入端分別通過兩個光探測器與信號處理器相連接。在由本發(fā)明的傳感光纖制成的傳感光纖環(huán)中，必須保證螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的空間直徑位置互相重疊，以確保重疊后任意處的總費爾德系數(shù)為一個常數(shù)，且與螺旋速率勻速段光纖的費爾德系數(shù)一樣。只有這樣，才能確?？垢蓴_和被測電流的準確度和穩(wěn)定性。需要說明的是，圖3中為簡化起見只畫了二整圈有效傳感光纖。在實際各類應用中，螺旋速率勻速段2的長度L2大于或遠大于螺旋速率上升段1的長度Ll (或螺旋速率下降段的長度U)，因而傳感光纖環(huán)內的光纖可能從一圈到幾十圈不等。這種傳感光纖環(huán)用于直通型全光纖電流傳感器中，除了擁有上述所說的重要優(yōu)點外，還有著其它諸多優(yōu)點。首先，不再需要申請?zhí)枮?00910262107. 2，名稱為“用于反射式全光纖電流傳感器中的傳感光纖”的專利中的反射鏡，不僅可以提高光纖傳感環(huán)的可靠性， 同時可以提高制環(huán)的效率，因為鍍膜(金屬膜或介質膜)的質量和性能直接關系到傳感環(huán)的溫度特性和長期穩(wěn)定性。其次，不再需要申請?zhí)枮?00810043138. 4，名稱為“保偏光纖耦合器、其制備方法及全光纖電流傳感器”專利中反射式所需的偏振分/合路器，這樣也提高了光信號處理系統(tǒng)的可靠性，減少了因器件接入所增加的熔接點，因而也減少因熔接帶來的光路光信號損耗和光偏振質量的下降。再次，利用類似性能的螺旋型光纖，直通型結構的溫度特性只有反射型結構的一半，則可大幅降低對傳感環(huán)溫度補償?shù)囊蠛途取?
以上通過具體實施例對本發(fā)明的內容進行了詳細的說明，但這些并非構成對本發(fā)明的限制。對本領域的技術人員來說，本發(fā)明的保護范圍還包括那些在不脫離本發(fā)明原理的情況下所作出的各種變形和改進。
權利要求
1.一種傳感光纖，所述傳感光纖為被退線極化的線雙折射保偏光纖，其特征在于所述傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同。
2.根據(jù)權利要求1所述的傳感光纖，其特征在于所述螺旋速率勻速段的最小螺距大于等于未螺旋前所述線雙折射保偏光纖拍長的0. 5倍；所述螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的長度大于等于所述未螺旋前線雙折射保偏光纖拍長的50倍。
3.根據(jù)權利要求1所述的傳感光纖，其特征在于所述螺旋速率上升段的螺旋速率從零增至預定的最高螺旋速率，所述螺旋速率勻速段的螺旋速率保持預定的最高螺旋速率， 所述螺旋速率下降段的螺旋速率從預定的最高螺旋速率降至零，其中，螺旋速率上升段和螺旋速率勻速段之間、螺旋速率勻速段和螺旋速率下降段之間的螺旋速率均平穩(wěn)過渡。
4.根據(jù)權利要求1所述的傳感光纖，其特征在于所述螺旋速率上升段的螺旋速率為緩變上升，螺旋速率下降段的螺旋速率為緩變下降，螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的長度應大于等于所述未螺旋前該線雙折射保偏光纖拍長的50倍。
5.一種傳感光纖環(huán)，其特征在于所述傳感光纖環(huán)由一傳感光纖繞制而成，所述傳感光纖為被退線極化的線雙折射保偏光纖，該傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為沿光纖方向的對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同；所述螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個起點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合，所述螺旋速率上升段的終點與旋轉速率下降段的終點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個終點位于所在環(huán)的直徑位置在空間上重合。
6.一種直通型全光纖電流傳感器，其特征在于包括光源、3X3線雙折射保偏光纖耦合器、線偏振器、線雙折射保偏光纖和傳感光纖環(huán)；所述光源連接到所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的保偏光纖輸入端，所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的兩個保偏光纖輸出端分別和兩個線偏振器連接，所述兩個線偏振器的另一端分別通過線雙折射保偏光纖連接到傳感光纖環(huán)的兩端；所述3X3線雙折射保偏光纖耦合器的單模光纖輸出端空置或接探測器，剩余兩個單模光纖輸入端分別通過兩個探測器與信號處理器相連接；所述傳感光纖環(huán)由一傳感光纖繞制而成，所述傳感光纖為被退線極化的線雙折射光纖，該傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為沿光纖方向的對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同；所述螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個起點位于所在環(huán)的位置在空間上重合，所述螺旋速率上升段的終點與旋轉速率下降段的終點位于傳感光纖環(huán)的不同圈上，兩個終點位于所在環(huán)的位置在空間上重合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳感光纖，所述傳感光纖依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段為對稱結構，二者長度相等且螺旋速率對稱相同。本發(fā)明還公開一種由所述傳感光纖制成的傳感光纖環(huán)，其螺旋速率上升段的起點和螺旋速率下降段的起點在空間直徑位置上重合，螺旋速率上升段的終點與螺旋速率下降段的終點在空間直徑位置上重合。本發(fā)明的傳感光纖，任意對稱位置的螺距相同，其制成的傳感光纖環(huán)等同于一個閉合回路，保證了傳感光纖環(huán)的抗干擾性和被測母線電流的準確度和穩(wěn)定性。本發(fā)明另公開一種直通型全光纖電流傳感器。
文檔編號G02B6/024GK102393546SQ20111033124
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權日2011年10月27日
發(fā)明者黃勇 申請人:黃勇