CN102854565A - 光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置及其控制方法，属于光纤传感器技术领域。所述的装置是在现有的光纤切割刀的本体上通过导轨台、导轨、卡槽平台连接微分尺实现的；控制方法基于精密控制装置严格控制波片的长度，首先调整微分尺到第一固定位置；安装光纤夹具分别切割保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤，切割后以45°对轴熔接；然后将保偏延迟光缆处的光纤夹具安装在夹具卡槽上，调整微分尺到第二固定位置；切割后与低双折射传感光纤熔接，至此制作完成光纤λ/4波片。本发明提供精密控制装置制作光纤λ/4波片的分辨率达10μm，能够精确控制波片的长度，相位延迟角度，满足0.2S等级的光纤电流互感器温度自补偿的精度需求。

Description

光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置及其控制方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种光纤λ/4波片相位延迟角度的控制装置。 

背景技术

光纤λ/4波片是光纤电流互感器的关键光路器件，也是光纤电流互感器的重要温度误差源，其误差特征参量为相位延迟角度。光纤电流互感器传感单元的温度误差源包括光纤λ/4波片相位延迟角度和低双折射传感光纤Verdet常数，一般通过精确调整波片相位延迟角度的工作区间，使得波片引起的温度误差与低双折射传感光纤的Verdet常数导致的温度误差相互抵消，这种温度自补偿的方法有效提高了互感器传感单元的温度稳定性，但补偿的精度取决于光纤λ/4波片相位延迟角度工作区间的控制。 

发明内容

本发明提供一种精确控制光纤λ/4波片相位延迟角度的装置，大大提高了光纤电流互感器温度自补偿的精度。 

光纤λ/4波片的作用是将偏振光波进行线圆转换，相位延迟角度 

是λ/4波片的特征参数，表达式为： 

其中， 

L_B是保偏光纤的拍长，L为λ/4波片截取的物理长度。 

由式（1）可以看出，光纤λ/4波片的相位延迟角度 

取决于波片的物理长度，只要λ/4波片的长度可控，即可控制相位延迟角度。但是为了保证光纤λ/4波片的温度稳定性，一般采用温度性能好的保偏光纤截取其拍长的1/4或者3/4得到，波片长度在2~8mm量级，对该量级的波片长度进行精确控制成为制约光纤电流互感器温度自补偿精度的难题。 

本发明提供一种光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置及其控制方法，所述的装置是在现有的光纤切割刀（型号为ERICSSON EFC 11）的本体上设置微分尺实现的，所述的微分尺通过导轨台、导轨、卡槽平台连接在本体上。 

所述的本体上的切割刀下方加工一个底座，在底座上具有螺钉孔，分别用于螺钉固定连接导轨台和卡槽平台。所述的卡槽平台的高度低于切割刀的高度。 

所述的导轨台通过导轨槽与导轨配合组装，微分尺的一端穿过导轨台左侧固定架上的通孔到达导轨上的盲孔，并固定连接在导轨台和导轨上。所述的导轨上安装有夹具卡槽，上面 固定光纤夹具。安装后，光纤夹具紧靠卡槽平台的第二台阶面上，光纤依次穿过导轨上的V型槽A、卡槽平台上的V型槽B和本体上的V型槽C，并在V型槽B和V型槽C处进行压紧固定，并在V型槽B和V型槽C之间实现切割。 

基于上述的精密控制装置，本发明提供了一种精密控制光纤λ/4波片相位延迟角度的控制方法，具体的控制方法是基于本发明的精密控制装置严格控制波片的长度，具体控制方法的步骤如下： 

第一步，旋转所精密控制装置的微分尺到第一固定位置； 

第二步，分别将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤一端用两个光纤夹具固定好，放入夹具卡槽中，光纤夹具的右端紧靠卡槽台面上的第二台阶面；将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤切割后以45°对轴熔接； 

第三步，打开制作λ/4波片的保偏光纤处的光纤夹具，保偏延迟光缆处的光纤夹具不动； 

第四步，根据事先计算好的λ/4波片长度L，在微分尺第一固定位置的基础上，增加L个刻度，到达第二固定位置； 

第五步，将保偏延迟光缆连同光纤夹具一同放入夹具卡槽中，光纤夹具的右端紧靠卡槽台面上的第二台阶面；切割后的切割面与低双折射传感光纤熔接；光纤λ/4波片至此制作完成。 

本发明的优点在于： 

本发明提供的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置带微分头，用于制作光纤λ/4波片，分辨率达10μm，能够精确控制波片的长度，相位延迟角度，满足0.2S等级的光纤电流互感器温度自补偿的精度需求。 

附图说明

图1为本发明提供的精密控制装置的整体装配结构示意图； 

图2为本发明的精密控制装置中的本体的结构示意图； 

图3为本发明的精密控制装置中的导轨台的结构示意图； 

图4为本发明的精密控制装置中的导轨的结构示意图； 

图5为本发明的精密控制装置中的卡槽平面的结构示意图； 

图6为本发明的精密控制装置中的夹具卡槽的结构示意图； 

图7A～图7C为精密控制方法中光纤的切割过程示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。 

本发明提供的精密控制装置如图1所示，装置包括光纤切割刀103和设置在光纤切割刀本体1上的精确控制长度的微分尺2，所述的微分尺2通过导轨台3、导轨4、卡槽平台5连 接在本体1上。 

如图2所示，在所述的本体1上的切割刀103下方加工一个底座101，在底座101上具有螺钉孔102，分别用于螺钉固定连接导轨台3和卡槽平台5。所述的卡槽平台5的高度低于切割刀103的高度。 

如图3所示，所述的导轨台3为长方体底座，在长方体底座的上表面上加工有微分尺2的固定架301和导轨槽302，所述的固定架301与导轨槽302不连接，中间加工有空隙，在固定架301上具有左右通孔303，并且通孔303的最低点的高度高于导轨槽302的上表面。所述的导轨槽302为左右相通的燕尾槽，用于与导轨4的燕尾相配合，实现导轨4在导轨3上的左右滑动。所述通孔303的最低点高于导轨槽302的上表面。 

所述的导轨4如图4所示，导轨4具有燕尾状底座401，与导轨台3上的燕尾状导轨槽302相配合实现安装。燕尾状底座401上方为一体成型的长方体台面402，长方体台面402上表面分为三个部分，最左端具有微分尺固定盲孔403，中间为矩形凹槽405，所述的夹具卡槽404直接安装在长方体台面402上的一个矩形凹槽405上，夹具卡槽404用于固定光纤夹具；所述的夹具卡槽404如图6所示，将所述的夹具卡槽404通过螺钉连接的方式固定在矩形凹槽405内。所述的夹具卡槽404与夹具之间采用磁性连接，因此在夹具卡槽404的底部设置磁性材料。所述的导轨4的右端上平面上开有V型槽A406，V型槽A406左右贯通。微分尺2穿过通孔303进入盲孔403，并通过螺钉固定，在固定架301和长方体台面402上分别设置螺钉孔，用于螺钉连接固定微分尺2。 

所述的卡槽平台5如图5所示，所述的卡槽平台5为长方体结构加工而成，上表面具有四个台阶面，从左向右依次为第一台阶面501、第二台阶面502、第三台阶面503和第四台阶面504，其中最左侧的第一台阶面501为平面，导轨4的右端可以在第一台阶面501的表面移动；第二台阶面502高于第一台阶面501，用于限定光纤夹具的右端位置；第三台阶面503高于第二台阶面502，并且在第三台阶面503上表面设置V型槽B505，用于限定光纤位置，并于切割刀本体1上的夹持机构配合，固定光纤；第四台阶面504为平面，第四台阶面的左右长度要保证光纤切割刀的移动切割。所述V型槽B505的最低点高于第二台阶面502的上表面。导轨4上的V型槽A406、卡槽平台5上的V型槽B505均与本体1上的V型槽C6同轴共线，并且均与微分尺2的移动方向同轴共线。 

在卡槽平台5的前后侧面具有一个通孔506，通孔506用于与本体1上的切割刀控制按钮配合，使得切割刀控制按钮在通孔506内上下位移，实现对切割刀的前后移动，进而切割光纤。 

基于上述的精密控制装置，本发明提供了一种精密控制光纤λ/4波片相位延迟角度的控制方法，具体的控制方法是基于本发明的精密控制装置严格控制波片的长度，具体控制方法 的步骤如下： 

第一步，旋转所精密控制装置的微分尺2到第一固定位置，微分尺会带动导轨4在导轨台3上左右移动，进而调整光纤切割刀的光纤夹具和切点位置，保证光纤夹具中光纤经切割刀切割后，放置在熔接机上的位置合适，即便于两段光纤的熔接； 

第二步，分别将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤一端用两个光纤夹具固定好，放入夹具卡槽404中，确保夹具的右端紧靠卡槽台面上的第二台阶面502。此过程中保持微分尺第一步调好的刻度，即微分尺2保持第一固定位置不变；光纤切割后，将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤以45°对轴熔接，如图7A所示。 

第三步，第二步中的45°对轴熔接结束后，光纤熔接机释放应力后，打开制作λ/4波片的保偏光纤处的光纤夹具，保偏延迟光缆处的光纤夹具不动； 

第四步，根据事先计算好的λ/4波片长度L，在第一步所调整微分尺第一固定位置的基础上，增加L个刻度，到达第二固定位置，如图7B所示，切割刀距离45度熔接点的距离为λ/4波片长度L。； 

第五步，将保偏延迟光缆连同光纤夹具一同放入夹具卡槽404中，同样确保夹具在夹具卡槽404的最右端，即夹具的最右端紧靠第二台阶面502。切割后，放置在光纤熔接机上，与低双折射传感光纤熔接，因为低双折射传感光纤为单模传感光纤，因此该熔点没有对轴角度要求，如图7C。 

光纤λ/4波片至此制作完成，波片长度控制精度为10μm，通过精确控制λ/4波片长度即控制了相位延迟角度。光纤电流互感器中的λ/4波片是全光纤波片，是截取保偏光纤的1/4拍长制成。对于目前使用的1310nm、12mm拍长的椭芯光纤，λ/4波片长度为3mm，要精确控制波片的长度，需要对现有的光纤切割刀进行结构改进，本发明提供的光纤切割刀对λ/4波片的截取长度可以准确控制在0.05mm以内，能够保证0.2S级测量准确度的要求。 

Claims (8)

1.光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的装置是在现有的光纤切割刀的本体上设置微分尺实现的，所述的微分尺通过导轨台、导轨、卡槽平台连接在本体上；

所述的本体上的切割刀下方加工一个底座，在底座上具有螺钉孔，分别用于螺钉固定连接导轨台和卡槽平台；

所述的导轨台通过导轨槽与导轨配合组装，微分尺的一端穿过导轨台左侧固定架上的通孔到达导轨上的盲孔，并固定连接在导轨台和导轨上；所述的导轨上安装有夹具卡槽，上面固定光纤夹具；安装后，光纤夹具紧靠卡槽平台的第二台阶面上，光纤依次穿过导轨上的V型槽A、卡槽平台上的V型槽B和本体上的V型槽C，并在V型槽B和V型槽C处进行压紧固定，在V型槽B和V型槽C之间实现切割。

2.根据权利要求1所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的卡槽平台的高度低于切割刀的高度。

3.根据权利要求1所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的导轨台为长方体底座，在长方体底座的上表面上加工有微分尺的固定架和导轨槽，所述的固定架与导轨槽不连接，中间加工有空隙，在固定架上具有左右贯通的通孔，并且通孔的最低点的高度高于导轨槽的上表面；所述的导轨槽为左右相通的燕尾槽，用于与导轨的燕尾相配合，实现导轨在导轨上的左右滑动。

4.根据权利要求1所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的导轨具有燕尾状底座，燕尾状底座上方为一体成型的长方体台面，长方体台面上表面分为三个部分，最左端具有微分尺固定盲孔，中间为矩形凹槽，所述的矩形凹槽是直接在长方体台面上加工用于安装夹具卡槽，夹具卡槽用于固定光纤夹具；所述的夹具卡槽通过螺钉连接的方式固定在矩形凹槽内；所述的导轨的右端上平面上开有V型槽A，V型槽A左右贯通；微分尺穿过通孔进入盲孔，并通过螺钉固定。

5.根据权利要求4所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的夹具卡槽与光纤夹具之间采用磁性连接，因此在夹具卡槽的底部设置磁性材料。

6.根据权利要求1所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的卡槽平台为长方体结构加工而成，上表面具有四个台阶面，从左向右依次为第一台阶面、第二台阶面、第三台阶面和第四台阶面，其中最左侧的第一台阶面为平面；第二台阶面高于第一台阶面，用于限定光纤夹具的右端位置；第三台阶面高于第二台阶面，并且在第三台阶面上表面设置V型槽，用于限定光纤位置，并与切割刀本体上的夹持机构配合，固定光纤；第四台阶面为平面，第四台阶面的长度要保证光纤切割刀的移动切割。

7.根据权利要求1所述的光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制装置，其特征在于：所述的V型槽B的最低点高于第二台阶面的上表面；导轨上的V型槽A、卡槽平台上的V型槽B均与本体上的V型槽C同轴共线，并且均与微分尺的移动方向同轴共线。

8.一种光纤λ/4波片相位延迟角度的精密控制方法，其特征在于：通过控制λ/4波片的长度实现精密控制，具体的步骤如下：

第一步，旋转精密控制装置的微分尺到第一固定位置；

第二步，分别将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤一端用两个光纤夹具固定好，放入夹具卡槽中，光纤夹具的右端紧靠卡槽台面上的第二台阶面；将保偏延迟光缆与制作λ/4波片的保偏光纤切割后以45°对轴熔接；

第三步，打开制作λ/4波片的保偏光纤处的光纤夹具，保偏延迟光缆处的光纤夹具不动；

第四步，根据事先计算好的λ/4波片长度L，在微分尺第一固定位置的基础上，增加L个刻度，到达第二固定位置；

第五步，将保偏延迟光缆连同光纤夹具一同放入夹具卡槽中，光纤夹具的右端紧靠卡槽台面上的第二台阶面；切割后的切割面与低双折射传感光纤熔接；光纤λ/4波片至此制作完成。

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