CN101408559B - 一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法，在环形金属骨架上加工阿基米德螺旋线形状的沟槽，将敏感光纤绕制在沟槽内，利用光纤膏进行填充固定后，将沟槽密封，最后通过温度冲击及振动释放敏感光纤上的应力，使敏感光纤的状态达到稳定。本发明方法可以保证敏感光纤线圈即使在一定的扰动下也具有良好的稳定性，能够保证理想的测量精度；同时，本发明方法选用金属骨架降低了制造难度和成本，而且在工艺上容易实现绕制的一致性。

Description

一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法
技术领域
本发明涉及一种反射式光纤电流传感器，特别是一种用于反射式光纤电流传感器的敏感光纤线圈。
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，特别是反射式光纤电流传感器，由于其具有较好的互易性，因此性能更优。
在反射式光纤电流传感器中，敏感线圈内传输的左旋和右旋圆偏振光感应待测电流产生的磁场后会产生不同的相位变化，继而通过解调左旋和右旋圆偏振光波间的相位差得到待测电流的大小。为了保证电流测量值的准确性，要求敏感光纤在受到扰动(例如温度变化等)时，敏感光纤的双折射率变化仅与敏感光纤的材料相关，而不受其他外在应力的影响。否则，敏感光纤的双折射率将发生变化，导致解调得到的信号将包含误差，并且这种误差很难得到准确的补偿。而且在实际应用中，敏感光纤线圈通常需要支撑，即需要固定在某种材料制作的骨架结构上，这样当外界温度发生变化时，敏感光纤线圈与骨架结构都无可避免的会受到外在应力的影响，因此需要对敏感线圈进行必要的保护。
2005年第17次“Conference on Optical Fibre Sensors”中发表的文章“Fiber-optic dc current sensor for the electro-winning industry”公开了一种敏感线圈的制备方法，该方法将敏感光纤6固定在毛细管12内，并通过环氧环带13对毛细管进行固定，其截面如图1所示。该种方法所述的敏感线圈需要通过退火进行光纤去应力处理，并且光纤在毛细管内无法完全固定，因此其受到的应力会随着外界条件的变化而发生变化。
另外，敏感光纤线圈随温度变化产生的应力能够通过温控的方式补偿，而敏感线圈骨架受温度变化影响，导致结构形变带来的应力影响则取决于骨架结构的材料，材料膨胀率越大，骨架结构形变越严重，就可能对敏感光纤造成的应力越大，从而产生非线性导致难以补偿。金属材料具有良好的加工性和较低的成本，但是线膨胀系数大，因此用其制作线圈骨架又容易受到应力的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种稳定性好、可提高光纤电流传感器测量精度的反射式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：一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法，步骤如下：
(1)采用金属材料加工环形骨架，并在所述环形骨架的圆周方向上加工阿基米德螺旋线形状的沟槽；
(2)将膏状物均匀涂敷于沟槽内，涂敷时留出用于固定λ/4波片和反射镜的位置，λ/4波片和反射镜分别位于沟槽的起始处和终结处并且在骨架法线方向的投影重合；
(3)将敏感光纤沿沟槽盘绕，并保证不与沟槽接触，敏感光纤的一端连接反射镜，敏感光纤的另一端通过λ/4波片连接保偏光纤；
(4)利用膏状物对沟槽进行填充固定并密封，然后通过振动释放敏感光纤上的应力，使敏感光纤的状态达到稳定。
所述沟槽的截面为梯形或矩形，槽深1～5mm，槽宽1～5mm，槽间距2～10mm。
所述的λ/4波片和反射镜均采用刚性套管保护，并用硅橡胶固定在骨架上。
所述的膏状物粘度在粘度计为每分钟6转的转速时应大于5000cP，且在-40～70℃的温度范围内不会流动。
所述步骤(4)中振动的频率为20～2kHz，且总均方根加速度不小于1grms，振动方向为绕制平面上相互垂直的两个方向及垂直于绕制平面的一个方向。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明方法采用了金属骨架进行加工，具有稳定性好、抗冲击振动性能好、可批量加工且批量成本低的优点；
(2)采用沟槽设计后，可以通过膏状物固定敏感光纤的位置，避免了膏状物的微小流动和光纤位置移动引入的误差；
(3)采用保护管保护反射镜和四分之一波片，能够避免反射镜涂层受到损坏，同时使四分之一波片不会因切向应力而性能下降，同时有利于采用橡胶对四分之一波片和反射镜进行固定，保证相对位置的不变，保证线圈在法向的准确闭合；
(4)采用膏状物可以避免部分光纤直接接触金属骨架引起的局部温度不同和应力变化，保证线圈的应力均匀性和最小；
(5)对固定好的线圈进行工艺振动，可以使线圈在绕制过程中的局部大应力得到释放，同时使线圈的应力均匀化，保证线圈在后续使用中的稳定性。
附图说明
图1为采用现有方法制备的一种敏感线圈的结构图；
图2为采用本发明方法制备的敏感线圈的结构图；
图3为采用本发明方法制备的敏感线圈的沟槽的截面图。
具体实施方式
如图2所示，本发明采用密度相对较小，成本较低的铝合金加工环形敏感线圈骨架1，线圈骨架1表面进行阳极氧化处理，避免金属氧化对线圈的影响。在线圈骨架上加工有形状为阿基米德螺旋线的沟槽2，其径向截面为梯形或矩形，槽深1～5mm，槽宽1～5mm，槽间距2～10mm，一般选择槽深2mm，槽宽2mm，槽间距4mm。沟槽2圆周方向形状为阿基米德螺旋线，在螺旋线的起始处和终结处均有切线延伸，且垂直相交。
加工时，使用出口较小的注射器将光纤膏涂于沟槽2内，高度0.8～1.2mm，使用能且仅能伸入沟槽2内0.8～1.2mm的工具将光纤膏刮平，以保证光纤在绕制时处于一个平面上，避免受到额外的应力。
涂敷时除选用光纤膏外，还可以选用其它的膏状物，该种膏状物应具有一定的粘度，并保证在粘度计为每分钟6转的转速时大于5000cP，且在-40～70℃的温度范围内不会流动。敏感光纤6选用低线双折射光纤，其线双折射率小于10-6，保偏光纤4选用高线双折射光纤，其线双折射率大于10-5。
然后，利用保偏光纤熔接机，将保偏光纤4和敏感光纤6通过四分之一波片3连接，用胶带将四分之一波片3临时固定在沟槽2两切线相交的地方，将一端有反射镜5的敏感光纤6沿沟槽盘绕，光纤尽量落在沟槽2的中间位置，绕制后将反射镜5固定在四分之一波片3的上方，且保证两者在线圈的法线上重合，之后用硅橡胶固定于铝合金骨架上。
随后，利用光纤膏填充沟槽2剩下的高度，用铝合金盖板15和GD414橡胶将沟槽密封，并用螺钉将盖板固定在铝合金骨架上，形成的截面如图3所示，骨架1通过光纤膏14承载敏感光纤6，上有密封盖板15。
最后对线圈进行总均方根加速度不小于1grms的随机振动，振动频率20～2kHz，当振动总均方根加速度为2grms时，振动时间约10分钟，以释放绕制过程中引入的局部应力。
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 (2)

1.一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)采用金属材料加工环形骨架(1)，并在所述环形骨架(1)的圆周方向上加工阿基米德螺旋线形状的沟槽(2)，沟槽(2)的截面为梯形或矩形，槽深1～5mm，槽宽1～5mm，槽间距2～10mm；
(2)将膏状物均匀涂敷于沟槽(2)内，涂敷时留出用于固定λ/4波片(3)和反射镜(5)的位置，所述的膏状物粘度在粘度计为每分钟6转的转速时应大于5000cP，且在-40～70℃的温度范围内不会流动，λ/4波片(3)和反射镜(5)分别位于沟槽(2)的起始处和终结处并且在环形骨架(1)法线方向的投影重合；
(3)将敏感光纤(6)沿沟槽(2)盘绕，并保证不与沟槽(2)接触，敏感光纤(6)的一端连接反射镜(5)，敏感光纤(6)的另一端通过λ/4波片(3)连接保偏光纤(4)；
(4)利用膏状物对沟槽(2)进行填充固定并密封，然后通过振动释放敏感光纤(6)上的应力，使敏感光纤(6)的状态达到稳定，振动的频率为20～2kHz，且总均方根加速度不小于1grms，振动方向为绕制平面上相互垂直的两个方向及垂直于绕制平面的一个方向。
2.根据权利要求1所述的一种反射式光纤电流传感器的敏感线圈的制备方法，其特征在于：所述的λ/4波片(3)和反射镜(5)均采用刚性套管保护，并用硅橡胶固定在环形骨架(1)上。 
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