CN101303373B - 光纤电流传感器敏感线圈的制备方法 - Google Patents
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Abstract
光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，步骤为：(1)制备环形线圈骨架，使其外侧面具有粗糙度，同时在其外侧面制作角形支架，角形支架两边均与线圈骨架相切；(2)将光纤去除扭转，以释放应力；(3)将线圈骨架固定在水平轴上，使得线圈骨架的法线与水平轴的轴心重合，匀速旋转固定线圈骨架的水平轴将光纤固定到线圈骨架上；(4)在线圈骨架的圆周方向选取对称分布的点对光纤进行固定；(5)在光纤两端分别安装1/4波片和反射镜并固定于支架上，1/4波片和反射镜在线圈骨架法向的投影重合，在安装1/4波片的光纤末端连接保偏光缆；(6)将线圈置于温箱内，消除光纤固定过程中引入的应力；(7)将线圈固定在密闭的环状外壳内，并对其进行密封。
Description
技术领域
本发明涉及一种线圈的制备方法，特别是一种反射式光纤电流传感器敏感线圈的制备方法。
背景技术
光纤电流传感器是一种基于法拉第效应的、敏感导体内通过电流的光电传感器，由于其具有对高压绝缘，高安全性和可靠性，维护费用低等优势，因而具有很好的市场前景，目前已有部分产品开始应用。在研制和生产中，反射干涉式光纤电流传感器的主要问题是保证精度，也即比例因子的长期稳定，这一点主要是通过高质量的敏感线圈来保证。
2002年20卷第2期《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》中的文章“Temperature and Vibration Insensitive Fiber-Optic Current Sensor”公开了一种敏感线圈的制备方法，该方案中提到的敏感线圈骨架结构和制备方式如图1所示。该方案中敏感光纤11、第一1/4波片12和第二1/4波片13套在φ320/400μm的石英毛细管14中，与第一1/4波片12、第二1/4波片13相接的是椭圆芯光纤15，毛细管14中充入氮气16，以防止光纤长时间暴露在空气中被氧化和腐蚀，毛细管14用硅树脂密封在一个密闭的骨架中。该种方法制备的敏感线圈需要通过退火进行光纤去应力处理。
2005年5月23日～5月27日召开的第17次“Conference on Optical FibreSensors”中的文章“Fiber-optic dc current sensor for the electro-winningindustry”公开了一种敏感线圈的制备方法，使用该方法进行敏感线圈的制作时，光纤21也是固定在毛细管22内，并通过环氧环带23对毛细管进行固定，其截面如图2所示。该种方法制备的敏感线圈同样需要通过退火进行光纤去应力处理。
1997年公开号为CN1142265A的专利“具有稳定双折射的法拉第效应检测线圈”公开了另外一种敏感线圈地制备方法，该方法采用盘管31和支撑架32来固定光纤33，如图3所示，该种方法制备的线圈需要进行退火处理，退火需要很长的时间，并且会造成光纤变脆，从而使后续的熔接等处理变得艰难。
1996年11月21日申请、2004年1月14日授权的、授权公告号为CN1134668C的发明专利“带有弯曲双折射补偿的光纤电流传感器”提出了一种整体为方形、但是将四个角中的三个设计为具有净零弯曲感应双折射的骨架的敏感线圈制备方法，如图4所示。通过设置三个弯曲的方向，补偿三个角上弯曲引起的双折射。这一方法也是将光纤41固定在封装管42内，通过第一固连管43、第二固连管44固定封装管42。由于在封装管42制备好以后再将光纤41穿入，因而光纤42的扭曲不可避免，同时光纤41在封装管42内不能完全固定，因而会随仪表受到的振动而发生较小的位移，这些都会引起比例因子的变化。
由于光纤电流传感器的比例因子性能会随着敏感线圈的应力变化而变化，因而一个稳定的、线双折射较小的敏感光纤线圈显得尤为重要。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种简便易行、可以避免在制备过程中引入线双折射和扭转引起的圆双折射，同时固定和保护后长期稳定性好的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法。
本发明的技术解决方案是：光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，步骤如下：
(1)采用膨胀系数小于10-6的材料制备环形线圈骨架，并对线圈骨架的外侧面进行处理，使其具有粗糙度，同时在线圈骨架的外侧面制作角形支架，角形支架的两边均与线圈骨架相切；
(2)将预备绕制的光纤通过退扭机去除扭转，并将其水平放置以释放应力；
(3)将制备好的线圈骨架固定在一个水平轴上，使得线圈骨架的法线与水平轴的轴心重合，将光纤的一端固定在线圈骨架外侧面的一边，匀速旋转固定线圈骨架的水平轴，将光纤固定到线圈骨架上，旋转时保证光纤在线圈骨架外侧平行且间隔均匀；
(4)当光纤完全缠绕在线圈骨架的外侧面后，在线圈骨架的圆周方向选取对称分布的点对光纤进行固定；
(5)在光纤的两端分别安装1/4波片和反射镜并固定于支架上，固定时应使1/4波片和反射镜在线圈骨架法向的投影重合，同时在安装1/4波片的光纤末端连接保偏光缆；
(6)将步骤(5)得到的线圈置于温箱内，通过循环性的温度变化消除光纤固定过程中引入的应力；
(7)将步骤(6)得到的线圈固定在密闭的环状外壳内，并在环状外壳内充入惰性气体，将保偏光缆作为引出端，并对引出端进行密封。
所述线圈骨架的外侧面有平行的凹槽，用以限定光纤绕制在线圈骨架后的轴向位置，同时保护光纤免受外壳接触应力。
所述线圈骨架的材料为石英或殷钢。
所述步骤(3)中转动固定线圈骨架的水平轴的速度为100°/s～1°/s。
所述步骤(3)中光纤在线圈骨架外侧的间隔为0.25～5mm。
所述线圈骨架的形状为环形，外径20～200cm，内径比外径小3～20cm，在圆的法向方向高为1～10cm。
所述步骤(4)中安装并固定1/4波片和反射镜的方法为：在光纤的一端使用第一石英管安装反射镜，第一石英管在有光纤的一端固定，另一端用胶密封；在光纤的另一端使用第二石英管安装1/4波片，第二石英管在有光纤的一端不固定，另一端连接保偏光缆；第一石英管和第二石英管均固定在线圈支架上，并使得1/4波片和反射镜在线圈骨架法向的投影重合。
所述步骤(6)中温度变化的范围为：在5～100℃/min的变温速率下进行从-50℃～+80℃的温度循环变化。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明方法制备的敏感线圈，其敏感光纤绕制在骨架的外侧，绕制前可以释放敏感光纤的应力，绕制过程简单，处理后可以进一步释放应力，有利于保证比例因子的稳定；
2、本发明方法中在敏感线圈骨架外侧设置的凹槽，可以保护光纤免受外部骨架的接触应力；
3、本发明方法中制备线圈骨架时，骨架采用膨胀系数小于10-6的金属材料，更容易加工；
4、本发明方法在绕制光纤时，绕制过程中速度均匀且较小，给光纤引入的应力较小；
5、本发明方法在绕制光纤时，敏感光纤之间具有均匀的间隔，可以避免引入光纤之间的应力；
6、本发明的用于光纤电流传感器的敏感光纤线圈的制备方法，采用石英管对反射镜和1/4波片进行了保护，容易保证反射镜和1/4波片在线圈方向投影的重合，且避免受到外加应力；
7、本发明敏感线圈的制备方法不必采用退火处理，只需要进行多次高低温循环就可以释放应力，更加容易实现。
附图说明
图1为现有的采用环形毛细管保护光纤制作敏感线圈的示意图；
图2为现有的第二种采用毛细管保护光纤制作敏感线圈的截面示意图；
图3为现有的第三种采用弯曲毛细管保护光纤制作敏感线圈的示意图；
图4为现有的第四种采用方形毛细管保护光纤制作敏感线圈的示意图；
图5为本发明光纤电流传感器敏感线圈的制备方法示意图。
具体实施方式
如图5所示，为本发明光纤电流传感器敏感线圈的制备方法的示意图，图中1为线圈骨架，2为光纤，3为线圈骨架1的圆周方向选取的对称分布点，4为第一石英管，5为第二石英管，6为支架，7为保偏光纤。
首先采用膨胀系数小于10-6或接近光纤2的材料，如石英或殷钢，制备环形线圈骨架1，线圈骨架1的外径为20～200cm，骨架的内径比外径小3～20cm，骨架在圆的法向方向高为1～10cm，本发明实施例中选取线圈骨架1的外径为150cm，内径140cm，骨架在圆的法向方向高为4cm。在线圈骨架1的外侧面制作平行的凹槽，凹槽宽度为2cm，用以限定光纤2绕制在线圈骨架1后的轴向位置，同时在线圈骨架1的外侧面制作角形支架6，角形支架6选取环形线圈骨架2的外切正方形的一角。然后将预备绕制的光纤2通过退扭机去除扭转，并将其水平放置以释放应力
然后将制备好的线圈骨架1固定在一个水平轴上，使得线圈骨架1的法线与水平轴的轴心重合，将光纤2悬垂段的上端固定在线圈骨架1外侧靠近支架6的凹槽内，以50°/s的速度匀速旋转固定线圈骨架1的水平轴，同时将悬垂段的光纤2沿水平轴的轴向平移，以保证光纤2在线圈骨架1外侧的平行和1mm的间距，将光纤缠绕在线圈骨架1的外侧面凹槽内并形成整数圈。当光纤2完全缠绕在线圈骨架1的外侧面后，在线圈骨架1的圆周方向选取对称分布的32个点对光纤2进行固定，固定时选用牌号为GD414的硅橡胶。
随后在光纤2的两端分别安装1/4波片和反射镜并固定于支架6上，在光纤的一端使用第一石英管4安装反射镜，第一石英管4在有光纤的一端固定，另一端用胶密封；在光纤的另一端使用第二石英管5安装1/4波片，第二石英管5在有光纤的一端不固定，另一端连接保偏光缆7；第一石英管4和第二石英管5均固定在线圈支架6上，并使得1/4波片和反射镜在线圈骨架1法向的投影重合。完成后，将得到的线圈置于温箱内，通过循环性的温度变化消除光纤2固定过程中引入的应力，温度变化的范围为在5～100℃/min的变温速率下进行-50～+80℃的温度循环，本发明实施例中，对固定好的敏感线圈在-50～70℃的范围内进行存放，温箱内温度以5℃/min的速率变化，温度从低温到高温再到低温为一个循环，共存放30个循环。最后将线圈固定在密闭的阳极氧化后的铝合金外壳内，并在壳内充入氮气，以保护光纤面受湿气的侵蚀，将保偏光缆7作为引出端，并通过GD414硅橡胶对引出端进行密封。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)采用膨胀系数小于10-6的材料制备环形线圈骨架(1)，并对线圈骨架(1)的外侧面进行处理，使其具有粗糙度，同时在线圈骨架(1)的外侧面制作角形支架(6)，角形支架(6)的两边均与线圈骨架(1)相切；
(2)将预备绕制的光纤(2)通过退扭机去除扭转，并将其水平放置以释放应力；
(3)将制备好的线圈骨架(1)固定在一个水平轴上，使得线圈骨架(1)的法线与水平轴的轴心重合，将光纤的一端固定在线圈骨架(1)外侧面的一边，匀速旋转固定线圈骨架(1)的水平轴，将光纤固定到线圈骨架(1)上，旋转时保证光纤在线圈骨架(1)外侧平行且间隔均匀；
(4)当光纤(2)完全缠绕在线圈骨架(1)的外侧面后，在线圈骨架(1)的圆周方向选取对称分布的点(3)对光纤(2)进行固定；
(5)在光纤(2)的两端分别安装1/4波片和反射镜并固定于角形支架(6)上，固定时应使1/4波片和反射镜在线圈骨架(1)法向的投影重合，同时在安装1/4波片的光纤(2)末端连接保偏光缆(7)；
(6)将步骤(5)得到的线圈置于温箱内，通过循环性的温度变化消除光纤(2)固定过程中引入的应力；
(7)将步骤(6)得到的线圈固定在密闭的环状外壳内，并在环状外壳内充入惰性气体，将保偏光缆(7)作为引出端，并对引出端进行密封。
2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述线圈骨架(1)的外侧面有平行的凹槽，用以限定光纤(2)绕制在线圈骨架(1)后的轴向位置，同时保护光纤(2)免受外壳接触应力。
3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述线圈骨架(1)的材料为石英或殷钢。
4.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中转动固定线圈骨架(1)的水平轴的速度为100°/s～1°/s。
5.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中光纤在线圈骨架(1)外侧的间隔为0.25～5mm。
6.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述线圈骨架(1)的形状为环形，外径20～200cm，内径比外径小3～20cm，在圆的法向方向高为1～10cm。
7.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述步骤(5)中安装并固定1/4波片和反射镜的方法为：在光纤的一端使用第一石英管(4)安装反射镜，第一石英管(4)在有光纤的一端固定，另一端用胶密封；在光纤的另一端使用第二石英管(5)安装1/4波片，第二石英管(5)在有光纤的一端不固定，另一端连接保偏光缆(7)；第一石英管(4)和第二石英管(5)均固定在线圈角形支架(6)上，并使得1/4波片和反射镜在线圈骨架(1)法向的投影重合。
8.根据权利要求1所述的光纤电流传感器敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中温度变化的范围为：在5～100℃/min的变温速率下进行从-50℃～+80℃的温度循环变化。
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