本發(fā)明涉及一種用于光纖電流傳感器中的新型大包層傳感光纖及其光纖傳感環(huán)。

背景技術(shù)：

隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的提高和傳輸容量的增大，繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行越來越重要。傳統(tǒng)電磁式電流互感器有著不可避免的缺陷，如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、尺寸大等。與其相比，全光纖電流互感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量范圍寬、靈敏度高、尺寸小、安全性高等。因此，全光纖電流互感技術(shù)受到業(yè)界的高度關(guān)注，得到迅速發(fā)展。

全光纖式光學(xué)電流互感器是利用法拉第效應(yīng)來測(cè)量電流。利用光纖作為信號(hào)傳遞的媒質(zhì)，將光纖形成閉合回路環(huán)繞通電導(dǎo)體作為傳感頭。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、體積小，測(cè)量靈敏度可以通過改變光纖環(huán)數(shù)來調(diào)節(jié)。傳感光纖及其光纖傳感環(huán)是電流傳感器的重要組成部分，本發(fā)明主要解決傳統(tǒng)傳感光纖和光纖傳感環(huán)，易受外部溫度、振動(dòng)影響而導(dǎo)致工作穩(wěn)定性差的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種用于光纖電流傳感器的傳感光纖及其光纖傳感環(huán)，使其既能減小外部溫度和振動(dòng)對(duì)光纖偏振態(tài)的影響，又能有效地固定和保護(hù)器件。

本發(fā)明為解決上述問題所采用的技術(shù)方案為：

一種新型大包層傳感光纖，所述傳感光纖為長(zhǎng)拍長(zhǎng)保偏光子晶體光纖，光纖從頭到尾進(jìn)行扭轉(zhuǎn)處理，其包層介于300～800μm之間并且外部有涂覆層。所述傳感光纖由一根保偏光纖旋轉(zhuǎn)形成，具有四分之一波片和傳感光纖的功能；由預(yù)制棒直接扭轉(zhuǎn)拉絲形成或由長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖后期扭轉(zhuǎn)形成；扭轉(zhuǎn)速率模型采用復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型；旋轉(zhuǎn)速率從低速段到高速段，速度隨時(shí)間變化比較平緩；而轉(zhuǎn)速到達(dá)高速段后轉(zhuǎn)速則趨于飽和，不存在過沖的問題并且減小了電機(jī)抖動(dòng)的影響。

按上述方案，扭轉(zhuǎn)以后光纖的最小螺距介于0.2～2mm之間。

按上述方案，所述的長(zhǎng)拍長(zhǎng)保偏光子晶體光纖的拍長(zhǎng)介于8～18mm之間。

一種新型光纖傳感環(huán)，包括石英基底層(4)、新型大包層傳感光纖(2)、石英上包層(5)、外部保護(hù)骨架(7)；石英基底層(4)設(shè)置有凹槽(6)，新型大包層傳感光纖(2)位于凹槽(6)內(nèi)，石英上包層(5)位于石英基底層(4)上，其將凹槽(6)及新型大包層傳感光纖(2)覆蓋，與石英基底層(4)形成一個(gè)整體，該整體結(jié)構(gòu)的中心開設(shè)有通孔(3)，外部保護(hù)骨架(7)將該整體結(jié)構(gòu)包圍。

采用超快激光技術(shù)對(duì)石英(二氧化硅)基底層刻蝕出凹槽。所刻離通孔最近的凹槽離通孔中心的距離在7.5cm以上，兩個(gè)凹槽的間距在1mm以上，凹槽圈數(shù)在5圈以上；凹槽的彎曲起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一側(cè)，確保正好是整數(shù)圈；將新型大包層傳感光纖放入上述的凹槽中，使光纖繞數(shù)圈后，首尾端對(duì)齊，形成整數(shù)的圈數(shù)。分層逐步填充石英粉末基材，通過超快激光燒蝕技術(shù)將傳感光纖固定在凹槽內(nèi)。重復(fù)上述步驟，直到凹槽被完全填滿。退火釋放應(yīng)力之后，磨平粗糙部分；鉆出中心通孔，放入外部保護(hù)骨架內(nèi)固定封裝即可。

按上述方案，所述石英基底層加上傳感光纖，再加上石英上包層，其整體厚度在2mm～4mm之間。

按上述方案，所述的凹槽深度在1～2mm之間，寬度在130～135μm之間。

本發(fā)明的有益效果在于：

1、使用了復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型；扭轉(zhuǎn)速率從低速段到高速段，速度隨時(shí)間變化比較平緩；而轉(zhuǎn)速到達(dá)高速段后轉(zhuǎn)速則趨于飽和，不存在過沖的問題并且減小了電機(jī)抖動(dòng)的影響；

2、采用大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體傳感光纖，光纖的溫度穩(wěn)定性好；因此溫度對(duì)光纖形態(tài)以及光纖偏振態(tài)的影響?。?/p>

3、采用超快激光增材技術(shù)，固化石英粉末，將光纖固定在基底層中，使石英的膨脹系數(shù)和光纖的膨脹系數(shù)接近；減少了外部溫度、振動(dòng)對(duì)光纖傳感環(huán)的偏振態(tài)的影響，有效地固定和保護(hù)了器件，且制作和使用更為方便。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型圖。

圖2為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的傳感光纖及光纖傳感環(huán)結(jié)構(gòu)圖。

其中，1—光纖傳感環(huán)，2—傳感光纖，3—通孔，4—石英基底層，5—石英上包層，6—凹槽，7—外部保護(hù)骨架。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

取一段較粗大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖棒，拍長(zhǎng)介于8～18mm之間，包層直徑介于900～1000μm之間，將其固定在高速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)上；按照?qǐng)D1所示的復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型，對(duì)光纖進(jìn)行加熱和扭轉(zhuǎn)拉制，使其四分之一波片和傳感功能一體化；復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型的表達(dá)式為：τ(z)＝2π*a*atan((5*z)⁽³⁾)⁽³⁾/0.001；其中：a是變系數(shù)，這里取值為1；τ(z)表示旋轉(zhuǎn)率函數(shù)，z是光纖的軸向移動(dòng)距離。

設(shè)定扭轉(zhuǎn)拉制形成的較細(xì)扭轉(zhuǎn)大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖的直徑為800μm，所取的一段較粗的大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖的直徑是1mm；由于較粗的大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖的直徑小于預(yù)制棒的直徑，因此進(jìn)行加熱和扭轉(zhuǎn)拉制形成光纖時(shí)，制作的設(shè)備和工藝要簡(jiǎn)單很多,對(duì)光纖加熱僅需普通加熱源即可達(dá)到所需的光纖熔點(diǎn)溫度。由于較粗的大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖的質(zhì)量非常小，只要在拉絲過程中保持扭轉(zhuǎn)光纖在加熱區(qū)的部位，并且轉(zhuǎn)速達(dá)到17r/s時(shí)，就可以穩(wěn)定地拉出扭轉(zhuǎn)光纖；同時(shí)進(jìn)行光纖涂覆和收纖。由于扭轉(zhuǎn)較細(xì)大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖就是新型大包層傳感光纖，并且光纖傳感環(huán)中一般使用該光纖的長(zhǎng)度在30米以上，故只要20米長(zhǎng)的較粗大包層保偏長(zhǎng)拍長(zhǎng)光子晶體光纖就可以拉出30多米長(zhǎng)的新型大包層傳感光纖。

光纖傳感環(huán)如圖2所示，包括石英基底層(4)、新型大包層傳感光纖(2)、石英上包層(5)、外部保護(hù)骨架(7)；石英基底層(4)設(shè)置有凹槽(6)，新型大包層傳感光纖(2)位于凹槽(6)內(nèi)，石英上包層(5)位于石英基底層(4)上，其將凹槽(6)及新型大包層傳感光纖(2)覆蓋，與石英基底層(4)形成一個(gè)整體，該整體結(jié)構(gòu)的中心開設(shè)有通孔(3)；外部保護(hù)骨架(7)將該整體結(jié)構(gòu)包圍；外部保護(hù)骨架(7)開設(shè)有與通孔(3)對(duì)應(yīng)的穿孔；通過將電纜穿過通孔(穿孔)進(jìn)行電纜的電流大小測(cè)試。

取一段上述的新型大包層傳感光纖，在光纖尾端鍍上高反射率介質(zhì)膜(傳感光纖尾端既可以鍍高反射率膜，也可以不鍍膜。鍍膜時(shí)，膜既可以是金屬膜，也可以是介質(zhì)膜；反射率高于95％。不鍍膜時(shí)，光纖尾端要進(jìn)行切削處理，使其具有低反射率的功能。)。

將石英玻璃基片在稀硫酸中煮5～6個(gè)小時(shí)，放到超聲清洗機(jī)中去除表面雜質(zhì)后；通過超快激光刻蝕技術(shù)，在石英玻璃基片上刻蝕出，深度在1～2mm之間，寬度在130～135μm之間的凹槽；所刻離通孔最近的凹槽離通孔中心的距離在7.5cm以上；兩個(gè)凹槽的間距在1mm以上，凹槽圈數(shù)在5圈以上；凹槽的彎曲起點(diǎn)和終點(diǎn)在同一側(cè)，確保正好是整數(shù)圈。

將上述新型大包層傳感光纖，放置于圖2中6所示的凹槽中。之后，再通過超快激光增材技術(shù)，對(duì)石英粉末固化，使新型大包層傳感光纖完全固定于凹槽內(nèi)。最后，再通過上述技術(shù)增長(zhǎng)出圖2中5所示的一層1～2mm左右的石英晶體上包層。所述的光纖傳感環(huán)的石英基底層安上新型大包層傳感光纖，再增長(zhǎng)出石英上包層；總的厚度控制在2～4mm之間，使光纖外部的石英晶體熱應(yīng)力對(duì)新型大包層傳感光纖產(chǎn)生的附加線雙折射影響降到最小。

將上述傳感環(huán)放到150～200℃左右的烘箱中，烘烤48小時(shí)以上，充分釋放應(yīng)力；然后，將傳感環(huán)的粗糙部分進(jìn)行打磨加工、鉆通孔；之后，安裝于圖2中7所示的具有防潮、密封功能的外部保護(hù)骨架中。

本發(fā)明依托復(fù)合非線性函數(shù)數(shù)學(xué)模型的光纖扭轉(zhuǎn)技術(shù)，使得新型大包層傳感光纖的制作難度降低，溫度和振動(dòng)穩(wěn)定性得以提高。又由于使用了石英基底層和上包層，使它的膨脹系數(shù)和光纖的比較接近；對(duì)光纖進(jìn)行封裝時(shí)，既可以很好的固定，又可以有效地提高溫度和振動(dòng)穩(wěn)定性。所以，其保護(hù)并不限于上述實(shí)施例。顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神，例如：使用不同芯徑的光纖，設(shè)置不同的基片厚度、不同的超快激光設(shè)備等。倘若這些該動(dòng)和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)范圍內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。