CN106950643B - 一种新型大包层传感光纤及其光纤传感环 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型大包层传感光纤及其光纤传感环。光纤由长拍长保偏光子晶体光纤从头到尾经扭转处理形成，扭转以后光纤的最小螺距介于0.2～2mm之间。光纤的包层介于300～800μm之间。传感环包括石英基底层、传感光纤、石英上包层、外部保护骨架等。采用超快激光加工技术，对一体化传感光纤进行整体定型。退火释放应力之后，磨平粗糙部分；钻出中心通孔，放入外部保护骨架内固定封装即可。石英基底层的膨胀系数和光纤接近，封装成传感环后，既减少了外部温度和振动对一体化光纤偏振态的影响，又有效地固定和保护了一体化光纤。本发明制作精度高，使用方便。

Description

一种新型大包层传感光纤及其光纤传感环
技术领域
本发明涉及一种用于光纤电流传感器中的新型大包层传感光纤及其光纤传感环。
背景技术
随着电力系统电压等级的提高和传输容量的增大，继电保护系统的稳定运行越来越重要。传统电磁式电流互感器有着不可避免的缺陷，如绝缘结构复杂、造价高、尺寸大等。与其相比，全光纤电流互感器具有一系列优点，如测量范围宽、灵敏度高、尺寸小、安全性高等。因此，全光纤电流互感技术受到业界的高度关注，得到迅速发展。
全光纤式光学电流互感器是利用法拉第效应来测量电流。利用光纤作为信号传递的媒质，将光纤形成闭合回路环绕通电导体作为传感头。其结构简单、重量轻、体积小，测量灵敏度可以通过改变光纤环数来调节。传感光纤及其光纤传感环是电流传感器的重要组成部分，本发明主要解决传统传感光纤和光纤传感环，易受外部温度、振动影响而导致工作稳定性差的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种用于光纤电流传感器的传感光纤及其光纤传感环，使其既能减小外部温度和振动对光纤偏振态的影响，又能有效地固定和保护器件。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案为：
一种新型大包层传感光纤，所述传感光纤为长拍长保偏光子晶体光纤，光纤从头到尾进行扭转处理，其包层介于300～800μm之间并且外部有涂覆层。所述传感光纤由一根保偏光纤旋转形成，具有四分之一波片和传感光纤的功能；由预制棒直接扭转拉丝形成或由长拍长光子晶体光纤后期扭转形成；扭转速率模型采用复合非线性函数数学模型；旋转速率从低速段到高速段，速度随时间变化比较平缓；而转速到达高速段后转速则趋于饱和，不存在过冲的问题并且减小了电机抖动的影响。
按上述方案，扭转以后光纤的最小螺距介于0.2～2mm之间。
按上述方案，所述的长拍长保偏光子晶体光纤的拍长介于8～18mm之间。
一种新型光纤传感环，包括石英基底层(4)、新型大包层传感光纤(2)、石英上包层(5)、外部保护骨架(7)；石英基底层(4)设置有凹槽(6)，新型大包层传感光纤(2)位于凹槽(6)内，石英上包层(5)位于石英基底层(4)上，其将凹槽(6)及新型大包层传感光纤(2)覆盖，与石英基底层(4)形成一个整体，该整体结构的中心开设有通孔(3)，外部保护骨架(7)将该整体结构包围。
采用超快激光技术对石英(二氧化硅)基底层刻蚀出凹槽。所刻离通孔最近的凹槽离通孔中心的距离在7.5cm以上，两个凹槽的间距在1mm以上，凹槽圈数在5圈以上；凹槽的弯曲起点和终点在同一侧，确保正好是整数圈；将新型大包层传感光纤放入上述的凹槽中，使光纤绕数圈后，首尾端对齐，形成整数的圈数。分层逐步填充石英粉末基材，通过超快激光烧蚀技术将传感光纤固定在凹槽内。重复上述步骤，直到凹槽被完全填满。退火释放应力之后，磨平粗糙部分；钻出中心通孔，放入外部保护骨架内固定封装即可。
按上述方案，所述石英基底层加上传感光纤，再加上石英上包层，其整体厚度在2mm～4mm之间。
按上述方案，所述的凹槽深度在1～2mm之间，宽度在130～135μm之间。
本发明的有益效果在于：
1、使用了复合非线性函数数学模型；扭转速率从低速段到高速段，速度随时间变化比较平缓；而转速到达高速段后转速则趋于饱和，不存在过冲的问题并且减小了电机抖动的影响；
2、采用大包层保偏长拍长光子晶体传感光纤，光纤的温度稳定性好；因此温度对光纤形态以及光纤偏振态的影响小；
3、采用超快激光增材技术，固化石英粉末，将光纤固定在基底层中，使石英的膨胀系数和光纤的膨胀系数接近；减少了外部温度、振动对光纤传感环的偏振态的影响，有效地固定和保护了器件，且制作和使用更为方便。
附图说明
图1为本发明的一个实施例中复合非线性函数数学模型图。
图2为本发明一个实施例的传感光纤及光纤传感环结构图。
其中，1—光纤传感环，2—传感光纤，3—通孔，4—石英基底层，5—石英上包层，6—凹槽，7—外部保护骨架。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细的说明。
取一段较粗大包层保偏长拍长光子晶体光纤棒，拍长介于8～18mm之间，包层直径介于900～1000μm之间，将其固定在高速旋转的电机上；按照图1所示的复合非线性函数数学模型，对光纤进行加热和扭转拉制，使其四分之一波片和传感功能一体化；复合非线性函数数学模型的表达式为：τ(z)＝2π*a*atan((5*z)(3))(3)/0.001；其中：a是变系数，这里取值为1；τ(z)表示旋转率函数，Z是光纤的轴向移动距离。
设定扭转拉制形成的较细扭转大包层保偏长拍长光子晶体光纤的直径为800μm，所取的一段较粗的大包层保偏长拍长光子晶体光纤的直径是1mm；由于较粗的大包层保偏长拍长光子晶体光纤的直径小于预制棒的直径，因此进行加热和扭转拉制形成光纤时，制作的设备和工艺要简单很多,对光纤加热仅需普通加热源即可达到所需的光纤熔点温度。由于较粗的大包层保偏长拍长光子晶体光纤的质量非常小，只要在拉丝过程中保持扭转光纤在加热区的部位，并且转速达到17r/s时，就可以稳定地拉出扭转光纤；同时进行光纤涂覆和收纤。由于扭转较细大包层保偏长拍长光子晶体光纤就是新型大包层传感光纤，并且光纤传感环中一般使用该光纤的长度在30米以上，故只要20米长的较粗大包层保偏长拍长光子晶体光纤就可以拉出30多米长的新型大包层传感光纤。
光纤传感环如图2所示，包括石英基底层(4)、新型大包层传感光纤(2)、石英上包层(5)、外部保护骨架(7)；石英基底层(4)设置有凹槽(6)，新型大包层传感光纤(2)位于凹槽(6)内，石英上包层(5)位于石英基底层(4)上，其将凹槽(6)及新型大包层传感光纤(2)覆盖，与石英基底层(4)形成一个整体，该整体结构的中心开设有通孔(3)；外部保护骨架(7)将该整体结构包围；外部保护骨架(7)开设有与通孔(3)对应的穿孔；通过将电缆穿过通孔(穿孔)进行电缆的电流大小测试。
取一段上述的新型大包层传感光纤，在光纤尾端镀上高反射率介质膜(传感光纤尾端既可以镀高反射率膜，也可以不镀膜。镀膜时，膜既可以是金属膜，也可以是介质膜；反射率高于95％。不镀膜时，光纤尾端要进行切削处理，使其具有低反射率的功能。)。
将石英玻璃基片在稀硫酸中煮5～6个小时，放到超声清洗机中去除表面杂质后；通过超快激光刻蚀技术，在石英玻璃基片上刻蚀出，深度在1～2mm之间，宽度在130～135μm之间的凹槽；所刻离通孔最近的凹槽离通孔中心的距离在7.5cm以上；两个凹槽的间距在1mm以上，凹槽圈数在5圈以上；凹槽的弯曲起点和终点在同一侧，确保正好是整数圈。
将上述新型大包层传感光纤，放置于图2中6所示的凹槽中。之后，再通过超快激光增材技术，对石英粉末固化，使新型大包层传感光纤完全固定于凹槽内。最后，再通过上述技术增长出图2中5所示的一层1～2mm左右的石英晶体上包层。所述的光纤传感环的石英基底层安上新型大包层传感光纤，再增长出石英上包层；总的厚度控制在2～4mm之间，使光纤外部的石英晶体热应力对新型大包层传感光纤产生的附加线双折射影响降到最小。
将上述传感环放到150～200℃左右的烘箱中，烘烤48小时以上，充分释放应力；然后，将传感环的粗糙部分进行打磨加工、钻通孔；之后，安装于图2中7所示的具有防潮、密封功能的外部保护骨架中。
本发明依托复合非线性函数数学模型的光纤扭转技术，使得新型大包层传感光纤的制作难度降低，温度和振动稳定性得以提高。又由于使用了石英基底层和上包层，使它的膨胀系数和光纤的比较接近；对光纤进行封装时，既可以很好的固定，又可以有效地提高温度和振动稳定性。所以，其保护并不限于上述实施例。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神，例如：使用不同芯径的光纤，设置不同的基片厚度、不同的超快激光设备等。倘若这些该动和变形属于本发明权利要求及其等同技术范围内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (7)

1.一种新型大包层传感光纤，其特征在于：所述传感光纤为长拍长保偏光子晶体光纤，光纤从头到尾进行扭转处理，其包层介于300～800μm之间并且外部有涂覆层；所述传感光纤由一根保偏光纤旋转形成，具有四分之一波片和传感光纤的功能；由预制棒直接扭转拉丝形成或由长拍长光子晶体光纤后期扭转形成；扭转速率模型采用复合非线性函数数学模型；旋转速率从低速段到高速段，速度随时间变化比较平缓；而转速到达高速段后转速则趋于饱和；
复合非线性函数数学模型的表达式为：
τ(z)＝2π*a*atan((5*z)(3))(3)/0.001；其中：a是变系数，这里取值为1；
τ(z)表示旋转率函数，Z是光纤的轴向移动距离。
2.根据权利要求1所述的一种新型大包层传感光纤，其特征在于：扭转以后光纤的最小螺距介于0.2～2mm之间。
3.根据权利要求2所述的一种新型大包层传感光纤，其特征在于：所述的长拍长保偏光子晶体光纤的拍长介于8～18mm之间。
4.一种新型光纤传感环，其特征在于：包括石英基底层(4)、新型大包层传感光纤(2)、石英上包层(5)、外部保护骨架(7)；石英基底层(4)设置有凹槽(6)，新型大包层传感光纤(2)位于凹槽(6)内，石英上包层(5)位于石英基底层(4)上，其将凹槽(6)及新型大包层传感光纤(2)覆盖，与石英基底层(4)形成一个整体，该整体结构的中心开设有通孔(3)，外部保护骨架(7)将该整体结构包围。
5.根据权利要求4所述的一种新型光纤传感环，其特征在于：采用超快激光技术对石英基底层(4)刻蚀出凹槽(6)，所刻离通孔(3)最近的凹槽离通孔中心的距离在7.5cm以上，两个凹槽的间距在1mm以上，凹槽圈数在5圈以上；凹槽的弯曲起点和终点在同一侧，确保正好是整数圈；将新型大包层传感光纤(2)放入上述的凹槽中，使光纤绕数圈后，首尾端对齐，形成整数的圈数；分层逐步填充石英粉末基材，通过超快激光烧蚀技术将传感光纤(2)固定在凹槽(6)内；重复上述步骤，直到凹槽被完全填满；退火释放应力之后，磨平粗糙部分；钻出中心通孔(3)，放入外部保护骨架(7)内固定封装。
6.根据权利要求5所述的一种新型光纤传感环，其特征在于：所述石英基底层加上传感光纤，再加上石英上包层，其整体厚度在2mm～4mm之间。
7.根据权利要求6所述的一种新型光纤传感环，其特征在于：所述的凹槽深度在1～2mm之间，宽度在130～135μm之间。
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