CN111989600A - 具有拼接头保护的拼接光纤、具有这种拼接光纤的电流传感器和用于保护拼接光纤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拼接光纤(2)、一种光纤电流传感器、以及一种保护拼接光纤(2)免受机械应力和/或湿气影响的方法，拼接光纤包括在端部处通过拼接而连接的第一保偏光纤和第二保偏光纤(3a、3b)。保护管(7)围绕拼接光纤(2)布置在拼接光纤(2)的拼接部段(3)中。保护管(7)的第一端部(11a)和第二端部(11b)通过第一密封装置和第二密封装置(9)密封至拼接光纤(2)以用于保护拼接头(3)。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求的拼接光纤、包括这种拼接光纤的光纤电流传感器以及用于保护拼接光纤的拼接头的方法。
背景技术
许多光纤应用需要将光纤接合。对于涉及保偏(PM)光纤的应用，仅当光纤轴在接合部处较好地对准时才能够保持光偏振状态，这是因为偏振消光比(PER)，即代表偏振串扰的功率比的数字，是由X＝tan2α给出的，其中，α是角度错位。
这样的一个应用是光纤电流传感器(FOCS)。FOCS使用光偏振来测量电流。FOCS系统利用法拉第效应，法拉第效应将载流导体周围产生的磁场转换为在围绕导体卷绕的光纤内部传播的光的正交圆偏振之间的相移(phase shift)。光是在光电单元(或次级转换器，SC)中产生和检测的，而无源感测光纤容纳在布置于载流导体周围的传感器头(或初级转换器，PC)中。光在PC与SC之间的PM光纤线缆中往复传送。
在安装FOCS系统期间，PC和SC分别安装在其各自的位置处，并且PC与SC之间的PM光纤线缆必须在现场接合。由于PM光纤线缆中的光偏振状态携带电流引起的法拉第相移，因此对法拉第相移的任何畸变、例如由于光纤接合部引起的畸变将直接导致被测电流的变化。从理论上能够发现，根据以下公式，FOCS电流测量比例因子S受光纤接合部处的PER影响：
对于X＜＜1，
其中，X是接合部处的PER，并且S0是不具有接合部时的比例因子。
尽管可以在安装时通过对FOCS系统进行适当的重新定标来补偿固定的电流测量比例因子偏移(例如，由具有稳定PER的接合部引起的偏移)，但无法补偿操作期间的接合部PER变化，因此会增加电流测量误差。由于接合部通常与SC并置在仪器柜中，因此接合部的温度将与SC的温度相同，通常为-25℃至65℃。为了在所有指定条件下保持接合部PER稳定，接合部处的PM光纤轴错位必须保持恒定，并且接合部的封装方法不得导致过大的PER变化。
对于IEC 0.2级电流互感器，在额定电流下所需的电流测量精度为±0.2％。所允许的来自PM光纤接合部的贡献必须比整个FOCS系统所允许的最大精度小得多。例如，典型的系统误差预算分配给光纤接合部±0.03％，这意味着接合部的PER变化必须保持在±0.015％以下。
存在用于将光纤接合的已知方法。实现PM光纤接合的一种直接方法是使用一对成角度键接的光纤连接器。然而，这种方法对于0.2级系统(计量精度)极具挑战性，这是因为：为了实现所需的±0.015％的PER极限，PM光纤连接器之间的角度错位必须保持稳定在±0.7°之内。连接器内对光纤的封装应力也应当在所有指定温度下保持稳定。经验表明，即使在进行复杂的连接器预测试和配对的情况下，基于连接器的PM光纤接合方法对于计量精度的FOCS产品而言仍是过于不可靠或过于昂贵的。
另一种光纤接合方法是在PM光纤之间形成拼接头(splice)。在拼接过程中，首先剥去两侧的PM光纤端部的包覆层并进行清洁；随后，使光纤端部在拼接机中被劈开并熔接在一起。拼接是现场安装光纤通信设备的标准过程。与FOCS应用的区别在于：光通信系统中的拼接头通常位于单模光纤之间，而FOCS系统中的拼接头位于PM光纤之间，这需要光纤的精确角度对准，进而需要更复杂且更昂贵的拼接机。在拼接之后，PM光纤之间的相对角度对准是固定的，使得当环境条件发生变化时，其PER将不再变化。
未包覆的裸露光纤的两个短部段位于拼接光纤的拼接位置的两侧。裸露光纤部段的长度取决于拼接机的型号及其设置，通常在拼接头的每一侧上为4mm至25mm。由于以下多种原因，必须对裸露光纤部段和拼接头进行密封和保护：i)拼接位置的机械强度比正常光纤的机械强度低，并且拼接位置在应力或张力下容易断裂，这是因为不再存在提高强度的包覆层；ii)裸露的光纤表面包含微裂纹，如果暴露于湿气中，微裂纹通常会生长并导致光纤过早损坏。如前所述，对于FOCS应用，保护方法也不得引起过多的温度相关的PER变化。
市场上的商用拼接头保护器主要设计用于保护单模光纤拼接头。这些保护器广泛用于光纤通信行业，为拼接头提供了良好的机械强度和密封品质。大多数FOCS制造商还在计量级FOCS系统中使用这种保护器。
具有多种变型的最常见设计由双管收缩套筒组成，双管收缩套筒在管之间具有强度元件。外管是热收缩管，而内管由热熔粘合剂比如乙烯醋酸乙烯酯(EVA)制成。强度元件通常是沿着管长度伸延的钢棒。双管在裸露的光纤部段上分开，并且在拼接头保护器烘箱(通常作为拼接机中的附件提供)中被加热。在加热下，内管熔化，而外管径向收缩，从而在冷却之后形成围绕光纤和钢制强度元件的固体塑料筒状件。适当应用的拼接头保护器套筒在机械上是坚固的，并且光纤受到较好保护而免受环境影响。此外，实施方式简单明了，并且不需要对易损材料进行特殊处理。
在另一种拼接头保护器设计的情况下，光纤布置在覆盖有粘合剂的夹层金属板之间，并且拼接头保护器利用特殊的手工工具简单地压接在一起。
所有上述商用拼接头保护器的一个普遍问题是施加在光纤上的应力。整个裸露的光纤部段都被粘合剂和封装材料紧紧包围，这会挤压光纤并显著劣化PER。此外，由于塑料的热膨胀系数(对于EVA为180×10-6K-1)、不锈钢的热膨胀系数(～10×10-6K-1)和光纤的熔融石英的热膨胀系数(0.59×10-6K-1)相差很大，因而随着温度的变化，应力和PER的变化也很大。在测试中，对于计量级FOCS系统，没有任何商用拼接头保护器在指定温度范围内提供可靠的低PER变化。
保护光纤拼接头的另一种常用方法是用直径与原始包覆层直径相似的材料重新包覆裸露的光纤部段。典型的重新包覆材料是提供与原始光纤包覆层相似的粘合性和机械性能的紫外线固化的丙烯酸酯。该方法的缺点除了需要昂贵的UV光纤重新包覆机和高品质的拼接机以确保高强度的拼接头之外，还包括重新包覆材料的敏感的储存和使用条件以及相对较短的保存期限。
US 4784458 A1公开了单模保偏光纤之间的拼接接合部。
WO 03/096090 A1公开了偏振保持光纤联接件的制造方法。
发明内容
因此，本发明的目的是：针对所述缺点、特别是考虑到在需要计量精度的应用中利用拼接光纤，改善拼接光纤中的拼接头保护。
该目的通过独立权利要求中提出的本发明来解决。
本发明的第一方面涉及一种拼接光纤，该拼接光纤包括第一保偏光纤和第二保偏光纤，第一保偏光纤和第二保偏光纤在第一保偏光纤和第二保偏光纤的端部中的一个端部处通过拼接头或通过拼接彼此连接，从而在第一保偏光纤和第二保偏光纤的连接点处形成拼接头。保护管围绕拼接光纤布置，并且至少包围拼接光纤的包括拼接头的未包覆部段。保护管的第一端部和第二端部通过第一密封装置和第二密封装置密封至拼接光纤，以保护拼接头免受机械应力和/或湿气的影响。在本文中，保护管的长度可以使得拼接光纤的包括拼接头的未包覆部段以及拼接光纤的位于未包覆部段的每个端部处的包覆部段布置在保护管的内部。在实施例中，保护管的长度或总长度可以使得从保护管的第一端部和/或从第一密封装置到拼接头的位置的第一距离、以及从拼接头的位置到保护管的第二端部和/或到第二密封装置的第二距离大于或等于预定的最小距离Lm。所述最小距离Lm被选择成满足以下等式：
其中，X0是拼接头的最大保证偏振消光比，特别地，X0是通过拼接或通过所采用的拼接过程保证的拼接头的最大偏振消光比，Xs是最大保证偏振消光比，特别地是光在拼接光纤的内部、在保护管的密封端部处、在保护管的相应端部处、和/或在保护管的第一端部和第二端部处的最大保证偏振消光比，特别地，Xs是通过所采用的密封过程保证的在第一密封装置和/或第二密封装置处的拼接光纤的最大偏振消光比，A(L)是保偏光纤的长度的相干函数，并且特别地是光学功率谱(例如连接至或待连接至拼接光纤的光源的光学功率谱)的傅立叶变换，并且Xm是预定的最大允许偏振消光比变化，特别地，其中，Xm≤0.02％或0.1％、特别地在-40℃至85℃或-20℃至55℃的温度范围内Xm≤0.02％或0.1％，更特别地，其中，X0≤-30dB或-25dB且/或Xs≤-30dB或-40dB、特别地在-40℃至85℃或-20℃至55℃的温度范围内X0≤-30dB或-25dB且/或Xs≤-30dB或-40dB。
根据本发明的第一方面的拼接光纤可以通过包括以下步骤的方法获得：
利用拼接过程将第一保偏光纤和第二保偏光纤在第一保偏光纤和第二保偏光纤的端部中的一个端部处通过拼接头连接，该拼接过程保证拼接头的最大偏振消光比为X0；
将保护管围绕拼接光纤布置，使得保护管至少包围拼接光纤的包括拼接头的未包覆部段，特别地，其中，保护管的长度使得拼接光纤的包括拼接头的未包覆部段以及拼接光纤的位于未包覆部段的每个端部处的包覆部段布置在保护管的内部；
利用密封过程将保护管的第一端部和第二端部通过第一密封装置和第二密封装置密封至拼接光纤，该密封过程保证拼接光纤在第一密封装置和/或第二密封装置处的最大偏振消光比为Xs；
其中，保护管的长度或所述长度使得从保护管的第一端部和/或从第一密封装置到拼接头的位置的第一距离以及从拼接头的位置到保护管的第二端部和/或到第二密封装置的第二距离大于或等于预定的最小距离Lm，其中，最小距离Lm被选择成满足以下等式：
其中，A(L)是保偏光纤的长度的相干函数，并且是光学功率谱(特别是连接至或待连接至拼接光纤的光源的光学功率谱)的傅立叶变换，并且Xm是预定的最大允许偏振消光比变化，特别地，其中，Xm≤0.02％或0.1％、特别地在-40℃至85℃或-20℃至55℃的温度范围内Xm≤0.02％或0.1％，更特别地，其中，X0≤-30dB或-25dB且/或Xs≤-30dB或-40dB、特别地在-40℃至85℃或-20℃至55℃的温度范围内X0≤-30dB或-25dB且/或Xs≤-30dB或-40dB。
根据本发明的第一方面的拼接光纤的优点在于：该拼接光纤通过将拼接光纤的拼接头密封在保护管的内部而保护拼接头免受机械应力和/或湿气影响。保护管仅在其端部处密封至拼接光纤减少了拼接光纤上的应力、特别是拼接光纤的由于拼接过程而未包覆并且因此更易受机械应力影响的拼接部段上的应力。以此方式，拼接头周围的未包覆部段无需重新包覆即可得到保护，从而简化了保护过程。此外，通过根据上述等式确定保护管的长度，温度相关的PER变化可以进一步减小至使得拼接光纤能够用于计量精度应用的程度。这和拼接头与密封点之间的潜在干扰(interference)有关，并且在结合图2进行描述时将变得更加明显。
在一特别优选的实施例中，保护管的长度被选择成使得拼接光纤的包括拼接头的未包覆部段以及拼接光纤的位于未包覆部段的每个端部处的包覆部段布置在保护管的内部，特别地使得在光纤的未包覆部段与保护管之间横向于拼接光纤延伸的空间被空气或另一种气体填充和/或使得拼接光纤的未包覆部段没有第一密封装置和/或第二密封装置的任何部分和/或没有粘合剂。该措施有利地使得可以仅在光纤的被包覆层保护的部段上施加密封装置，从而将未包覆部段上的机械应力减至最小。
在一优选的实施例中，保护管由热膨胀系数基本上等于拼接光纤的热膨胀系数的材料制成，该材料优选地为熔融的二氧化硅或石英。由于保护管和拼接光纤两者都在安装位置暴露于温度变化，因此该措施确保保护管和拼接光纤在温度相关的膨胀或收缩方面具有基本相同的行为，从而将光纤中的应力和与应力有关的PER的温度相关的变化降至最低。
在实施例中，第一密封装置和第二密封装置中的至少一者包括外双收缩套筒，该外双收缩套筒适于在暴露于热时径向收缩，从而将容纳有拼接光纤的包括拼接头的部段的保护管密封以免受湿气的影响。
优选地，第一密封装置和第二密封装置的外双收缩套筒各自包括外管和内管。保护管的第一端部和第二端部布置在相应的第一外双收缩套筒和第二外双收缩套筒的内管和外管之间。该措施还增加了保护管的稳定性，使得保护管停留在预期的位置处而不能沿拼接光纤的纵向方向移位。
在一优选的实施例中，第一密封装置和第二密封装置中的至少一者包括毛细套筒，该毛细套筒围绕拼接光纤的一部段部分地布置在保护管的内部。毛细套筒在面向拼接头的第一端处通过内双收缩套筒密封至拼接光纤，并且在第二端处通过相应的外双收缩套筒的内管密封。
优选地，毛细套筒的所述第一端布置在相应的内双收缩套筒的内管与外管之间，特别地，其中，毛细套筒被选择成在纵向方向上比第二外双收缩套筒的内管长。
优选地，内双收缩套筒和外双收缩套筒各自包括内管和外管。外管由在施加热时能够径向收缩的材料制成，并且内管由在施加热时能够熔化的粘合剂材料制成。在实施例中，所有双收缩套筒的内管和外管的材料的特性使得：在通过施加热具有预定温度的加热过程期间，内管在外管开始收缩之前熔化。该可选措施是有利的，这是因为将粘合剂材料用于内管进一步增加了保护管内部的光纤的稳定性。在粘合剂完全冷却之后，粘合剂有助于进行紧密密封同时使应力均匀分布于光纤上，并且粘合剂用作光纤的额外的支撑。
有利地，不需要增强元件、特别是平行于拼接光纤伸延的金属棒作为用于增加拼接光纤的机械强度的额外的支撑元件。
本发明的第二方面涉及一种用于测量载流导体中的电流的光纤电流传感器。光纤电流传感器(FOCS)包括根据本发明的第一方面的拼接光纤。光纤电流传感器还包括适于围绕导体布置的初级转换器。初级转换器连接至拼接光纤的第一保偏光纤。此外，提供了次级转换器，该次级转换器包括光电单元并且连接至拼接光纤的第二保偏光纤，以用于产生进入第二保偏光纤的光并检测来自第二保偏光纤的光。
在实施例中，第一密封装置和第二密封装置中的至少一者包括注入到保护管的第一端部和第二端部中的粘合剂。
根据本发明的FOCS具有上述优点以及另外的重要优点，即，该FOCS能够通过避免可比较的已知FOCS所表现出的与温度有关的显著PER变化而在0.2级系统中提供极其精确的电流测量。
本发明的第三方面涉及一种用于保护特别是本发明的第一方面的拼接光纤的拼接头免受机械应力和/或湿气影响的方法，其中拼接光纤通过连接两个保偏光纤而形成。该方法包括以下步骤：
在步骤a)中，将拼接光纤定位到保护管中。保护管的长度使得拼接头在保护管的内部定位成与保护管的第一端部和第二端部相距预定的最小距离。
此后，在第一替代方案中，接着进行步骤b)，该步骤b)包括：通过对围绕保护管的第一端部的一部分和拼接光纤的一部分布置的第一外双收缩套筒施加热、从而使第一外双收缩套筒收缩到所述部分上，将保护管的第一端部围绕拼接光纤密封。随后，在步骤c)中，在保护管的第二端部的区域中将毛细套筒(13)围绕拼接光纤的一部分密封。通过对围绕毛细套筒的最靠近拼接头的一端的一部分和围绕拼接光纤的一部分布置的内双收缩套筒施加热，将毛细套筒至少部分地定位在保护管的内部。最后，在步骤d)中，通过对围绕保护管的第二端部的一部分和拼接光纤的一部分布置的第二外双收缩套筒施加热、从而使第二外双收缩套筒收缩到所述部分上，将保护管的第二端部围绕拼接光纤密封。
在第二替代方案中，在保护管的第一端部和第二端部两者处应用前述的密封步骤c)和d)。换言之，在第二替代方案中，第一替代方案的步骤b)由也应用于保护管的第一端部的步骤c)和d)代替。
在第三替代方案中，在保护管的第一端部和第二端部两者处将粘合剂材料注入到保护管中。
根据本发明的第三方面的方法的优点在于：该方法提供了对拼接光纤的拼接头的简单保护。如上所述，拼接过程需要强制性地去除待接合光纤的一部段的包覆层，从而不可避免地降低了拼接光纤的沿着该部段的机械强度。拼接光纤的简单性在于不需要对所述部段进行复杂的重新包覆。因此，不需要昂贵的UV重新包覆设备，从而也降低了安装成本。
该方法的另一个优点在考虑对光纤的裸露部段进行重新包覆的已知替代方法时变得明显。在该替代方法中，将直接压力施加到拼接光纤的未包覆部段上，这导致PER增大。由于增大的PER的位置紧靠拼接位置，因此对计量应用而言，由于在结合图2的描述中考虑的干扰效应，相关联的温度相关的PER变化是不可接受的。这种PER变化只能通过使用昂贵的优质拼接机保证非常低的PER拼接头来减少。另外，重新包覆材料的精细施加和存储条件以及对昂贵的光纤重新包覆机的需求进一步限制了重新包覆方法的适用性。在本发明中，由于两个与保护有关的应力点位于距拼接头至少Lm的距离处，该距离足以使与干扰有关的PER变化保持小于计量应用允许范围。此外，该应用仅需要中等品质的拼接机和拼接烘箱。
该方法的与该方法的步骤c)中的毛细套筒的使用有关的又一个优点在于：在第二端部(以及在上述的第二替代方案中的第一端部)处的密封部的冷却期间，直接作用在毛细套筒的相对于拼接头的远端处的部分上的第二外双收缩套筒趋于使毛细套筒内部的密封光纤向右移位(参见图4)。同时，直接作用在毛细套筒的靠近拼接头的一端处的部分上的内双收缩套筒趋于使毛细套筒内部的密封光纤向左移位(参见图4)。两种效应相互抵消，因此在密封部冷却之后，密封光纤相对于保护管留在大约相同的位置处。这使得在密封之后光纤与保护管之间的相对运动最小化，从而使光纤上的应力最小化。
在该方法的一优选的实施例中，将保护管的第二端部围绕拼接光纤密封的步骤在保护管的第一端部围绕拼接光纤的密封完成之后的预定时间间隔之后执行。优选地，预定时间间隔至少等于保护管的第一端部处的相应的外双收缩套筒或粘合剂的最少冷却时间。这有利地减小了光纤的布置在保护管内部的部分上的机械应力，原因在于用于密封第一端部的套筒或粘合剂在冷却过程中的纵向收缩将在第二端部的密封之前已经结束。换言之，由于拼接光纤可穿过尚未密封的第二端部自由移位，光纤可以自由移位直到保护管的第一端部的密封部的冷却过程完成为止。因此，在密封第一端部之后的等待时间消除了在密封第一端部期间光纤移位的任何负面影响。
优选的是，在方法步骤a)之前执行准备步骤a’)。准备步骤a’)包括：通过对相应的外双收缩套筒进行预热，使第一外双收缩套筒附接至保护管的第一端部并且使第二外双收缩套筒附接至保护管的第二端部，使得相应的外双收缩套筒的自由端部保持敞开。这简化了根据本发明的拼接光纤的现场安装，因为由保护管与外套筒构成的这种预制保护元件可以简单地插到要保护的拼接光纤上并密封在该拼接光纤上。
有利地，根据本发明的第二方面的拼接光纤用于光学测量设备(如所提及的用于FOCS，但不限于FOCS)中或者用于光纤通信设备中。
有利地，根据本发明的第三方面的光纤电流传感器被用于测量AC或DC电流、特别地测量高达600kA的DC电流、特别地在断路器、变电站或铝生产设施中测量AC或DC电流。
附图说明
本发明的实施例、其他优点和应用根据从属权利要求、权利要求的组合以及以下结合附图的描述得出。附图中示出的是：
图1示出了根据本发明的用于测量由电流导体承载的电流的装置中的光纤电流传感器的示意图；
图2示出了根据本发明的受保护的拼接光纤的示意性截面图；
图3和图4示出了根据本发明的用于拼接光纤中的拼接头保护的密封替代方案的示意性截面图。
在附图中，相同的附图标记表示相同或相似作用的部件。
具体实施方式
术语“拼接光纤”是指通过使用拼接方法将两条光纤接合而获得的光纤。出于简化的原因，拼接光纤被认为是一般性的术语，并且因此可以包括根据本发明的保护结构，但是根据上下文还可以仅指已经进行了拼接的事实。特别地，该术语还应强调的是，对于本发明的目的而言，在应用根据本发明的拼接头保护之前，是否已经以任何方式处理了拼接光纤的拼接部段都是无关紧要的。
术语“偏振消光比”，PER，是指作为保偏光纤中不期望的偏振状态的光强度与保偏光纤中期望的偏振状态的光强度之比的常规定义；即，偏振消光比越小，则期望的偏振状态在保偏光纤(例如，包括诸如拼接头之类的瑕疵)中保存得越好。偏振消光比变化被定义为在指定环境条件比如温度范围内偏振消光比的绝对变化。
图1示出了根据本发明的光纤电流传感器1的示意图，该光纤电流传感器1处于用于测量由电流导体4承载的电流C的装置中。根据本发明的受保护的拼接光纤具有附图标记2并且由第一保偏光纤3a和第二保偏光纤3b形成，第一保偏光纤3a和第二保偏光纤3b在一个端部处通过拼接过程接合在一起。拼接头3形成两条光纤3a、3b的接合部。在该图的右侧，第一光纤3a在另一端部处连接至初级转换器(PC)5，并且第二光纤3b在其另一端部处连接至次级转换器(SC)6。次级转换器6包括光电单元6a，该光电单元6a光学地驱动拼接光纤2，即，光电单元6a发送用以传播到拼接光纤2中的光并接收来自拼接光纤2的光。应当理解的是，次级转换器6还包括用于信号处理和信号分析的所有其他必要的设备，并且连接至或包括已知的用户接口。
初级转换器5包括光纤5a，光纤5a连接至第一保偏光纤3a的一部分，并且围绕电流导体4布置。测量基于在开始时说明的已知原理，并且因此在此不再详细说明。
图2示出了根据本发明的受保护的拼接光纤2的示意性截面图。保护管7围绕拼接光纤2布置，该保护管7在其每个端部(在此为第一端部11a和第二端部11b)处通过密封装置9附接至拼接光纤2。在该图中，密封装置9以示例性方式表示，并且是结合图3和图4说明的特定实施例的位置标志符。
一方面，保护管直径被选择成大到足以在拼接光纤2与保护管7之间的长度差异较小的情况下允许光纤适度弯曲而不会使弯曲的光纤几乎不能压到内壁上。另一方面，保护管的直径被选择成小到足以使得在密封期间可以容易地使拼接光纤2保持居中。优选的保护管直径介于1mm与25mm之间，更优选地介于1mm与5mm之间。
在实施例中，第一PM光纤3a和第二PM光纤3b中的一者在拼接之前插入到保护管7中，使得保护管7可以沿着相应的PM光纤自由地移位。在拼接之后，将保护管7移位到其指定的位置，在该位置处，保护管7封围拼接光纤2的拼接头3和未包覆部段8a。替代性地，也可以设想使用能够夹持到已经拼接的光纤2上的保护管7，只要保护管7由适于夹持的材料制成并且同时满足其他要求(比如，与拼接光纤2的热膨胀系数相似的热膨胀系数)即可。在将PM光纤3a、3b分别连接至初级转换器5和次级转换器6之前对PM光纤3a、3b进行拼接的应用中，在将拼接光纤2的一个端部连接至指定的转换器5或6之前，将保护管7插到该端部上。
在将保护管7围绕拼接光纤2密封之前可以执行的另一可选步骤是在拼接光纤2的未包覆部段8a上施加疏水性物质(例如，硅烷溶液3M AP115)。这样的处理用于防止湿气侵蚀玻璃。
从图中可以看出，如上所述，优选地仅在拼接光纤2的包覆部段8b上施加密封。
拼接头3在保护管7的内部定位成与保护管7的相应端部11b、11a相距距离L1和L2，总长度为L0。在图2的示例性实施例中，这些距离L1和L2优选地是相等的，但是距离L1和L2可以是不相等的，只要距离L1和L2中的最短距离不小于最小长度Lm即可，最小长度Lm的确定将在下文中详细地推导。
根据本发明的第一方面，保护管7的长度L0和拼接头3到保护管7的各个端部11a、11b的距离L1、L2被选择成满足以下等式：
其中，X0是拼接头3的最大保证偏振消光比，Xs是保护管7的相应端部11a、11b处的最大保证偏振消光比，A(L)是保偏光纤3a、3b的长度的相干函数，并且Xm是预定的最大允许偏振消光比变化。
在通过本文所述的保护管7保护拼接头的情况下，开始时提到的偏振串扰发生在三个不同的位置处。第一位置是拼接头3本身，其中，偏振串扰由于拼接过程期间PM光纤3a、3b的轴的错位而发生。最大可保证PER取决于所使用的拼接设备。对于中档品质的拼接机，在不是特别小心的情况下，达到-30dB的值是常见的，而即使小心通常也难以保证优于-35dB的值。拼接头本身的PER在所有温度下都是稳定的。
在拼接光纤3、或者第一保偏光纤3a和第二保偏光纤3b中、在拼接头保护管7的两个端部11a、11b处也会发生偏振串扰，其中，密封材料对拼接光纤2的包覆部段8b施加应力。在低温下，随着粘合剂和包覆层变硬，应力和PER通常会增大。对于应用在商用PANDA光纤上的双收缩套筒(结合图3和图4进行描述)，实验表明，在-25℃至80℃的温度范围内，可以预期到最大-50dB的PER，其中，在较低温度下PER甚至更高。在将普通粘合剂施加到商用PANDA光纤上的情况下的测试表现出相似的值。
保护管7的密封端部11a、11b处的(拼接光纤2内部的光的)-50dB的最大PER(对应于相应电流传感器的最大的0.002％的比例因子增加)初看似乎是无害的；然而，在考虑受保护的拼接光纤2的PER时，必须将光纤和保护组件作为整体来考虑，这特别意味着必须考虑各个PER位置之间的任何干扰影响。
假设拼接头3的PER为X0，并且在密封端部11a、11b处的PER分别为X1和X2，具有X1的密封端部11b与具有X0的拼接位置之间的距离为L1，并且拼接位置与具有X2的密封端部11a之间的距离为L2。考虑到干扰，密封的拼接头保护器的整体PER计算如下：
其中，φ1，2＝2πL1，2/LB表示拼接头3与密封端部11a、11b之间的PM光纤部段中的差分偏振相移，LB是PM光纤拍长，并且A(L)是PM光纤长度L的相干函数。
物理上，相干函数A(L)是光学功率谱的傅立叶变换；因此，其宽度(称为相干长度)与光谱带宽成反比。对于以波长λ0为中心具有FWHM带宽Δλ1/2的高斯光谱，相干函数是高斯函数
A(L)＝exp[-(L/ΔLc)2/2]
其中，相干长度为ΔLc＝KLbλ0/Δλ1/2，并且
例如，超辐射发光二极管源在1310nm处具有35nm的FWHM带宽Δλ1/2。商用PANDA PM1300光纤具有3.6mm的拍长LB。对于该系统，PANDA光纤中的相干长度为ΔLc＝50mm，这意味着PANDA光纤中在距偏振串扰位置50mm处相干度A(L)降至e-1/2＝61％。
为简单起见，假设L1＝L2＝L、φ1＝φ2＝φ和X1＝X2＝Xs，使得整体PER可以写成
例如，取Xs≤-50dB＝0.001％。因此，Xs的温度变化和第二干扰项|2XsA(2L)cos2φ|＜2XsA(2L)＜2Xs对整体PER的影响可忽略不计。此外，考虑到X0是常数，影响整体PER的温度变化的唯一重要项是
为了减少其温度变化，必须使指定温度范围内的相移φ＝2πL/LB的变化最小化，或者抑制干扰幅度
对于前一种方法，可以调节拼接位置3与密封端部11a、11b之间的距离L。商用PANDA PM 1300光纤的拍长温度系数cb＝dLb/LbdT约为6.5×10-4K-1。在上面给出的光源和光纤参数以及ΔT＝90K(SC温度范围为-25℃至65℃)的情况下，如果L＝Lb/(2cbΔT)＝31mm，则φ(T)变化将已经达到π(对应于振荡周期的一半，或者例如在最小值与最大值之间的全幅度变化)。使L为该值的一小部分是不切实际的，这是因为拼接过程需要剥离光纤包覆层，这在每一侧留下了长度达到25mm的裸露的光纤部段8a。密封材料也需要覆盖许多毫米的包覆光纤，以确保可靠的隔离。
对于后一种方法，唯一的可调变量也是L，但是在这种情况下，距离L越长，相干函数A(L)越小。以背景技术部分中给出的误差预算为例，为使受保护的拼接头3的比例因子变化保持在±0.03％以下，PER变化必须小于±0.015％。这意味着
使用最坏情况下的值X0＝-30dB和Xs＝-50dB，为达到目标，适用以下条件：A(L)<Am＝0.375。使用上面给出的光源和光纤参数，这可得出最小的拼接头密封部间距
如果可以保证较低的拼接头PER(例如，使用可靠的PER控制例程或使用高品质的拼接机)，则可以减小最小拼接头密封部间距Lm。
拼接头的最大保证偏振消光比X0取决于所使用的拼接机的品质和操作条件。对于中档的拼接机，在不是特别小心的情况下，达到-30dB或-25dB的值是常见的，而即使小心通常也难以保证优于-35dB的值。对于高端机器，通常可实现-40dB的值。密封端部的最大保证偏振消光比Xs取决于密封方法或过程和/或所使用的材料以及所需的温度范围，这是因为所使用的材料可能在低温下收缩和/或硬化。对于一些双收缩套筒，在较大的温度范围内可以达到-50dB的值；对于其他密封材料或过程，例如，对于注入到保护管端部中的粘合剂，小于或等于-40dB或者甚至-30dB的值是常见的。整个受保护的拼接部段的最大允许偏振消光比变化Xm由整个光纤电流传感器系统所需的精度、系统中的拼接头的数量以及系统中的其他部件的可能比例因子变化来确定。例如，0.2级电流传感器的精度必须小于±0.2％，这包括所有部件的影响。根据其他部件的性能，如果系统中只有一个受保护的拼接部段，则其最大允许偏振消光比变化可以为0.015％。如果在同一系统中有两个统计独立的受保护的拼接部段，则每个拼接部段的最大允许偏振消光比变化将为0.011％。对于其他应用，Xm可能小于或等于0.02％或者甚至0.1％。拼接头暴露于的典型温度范围是-40℃至85℃或-20℃至55℃的温度范围。
图3和图4示出了根据本发明的用于拼接光纤2中的拼接头保护的密封替代方案的示意性截面图。两个图中示出的保护管7的两个端部的密封装置9反映了前述的根据本发明的第三方面的方法的第一替代方案，而图4的密封部应用于保护管7的两个端部处反映了根据本发明的第三方面的方法的第二替代方案。图中未示出第三替代方案(用粘合剂密封)。第三替代方案涉及在两个端部11a、11b处将粘合剂注入到保护管7中，其中优选地，等待直到保护管的第一端部11a处的粘合剂完全冷却之后才在保护管7的第二端部11b处注入粘合剂。
图3示出了处于密封状态的保护管7的第一端部11a。第一保偏光纤3a被示出为具有剥离包覆层以便进行拼接过程的部分8a和保持被包覆的部分8b。第一外双收缩套筒10被示出为在受热之后处于收缩状态，并且第一外双收缩套筒10由外管10a和内管10b组成。内管10b在热施加期间熔化，并且外管10a围绕内管10b和保护管7的第一端部11a收缩，从而形成密封以免受湿气和/或机械应力的影响。另外，这种类型的双收缩套筒改善了PM光纤3a的稳定性，PM光纤3a在内管10b冷却之后可牢固坐置。
图4示出了处于密封状态的保护管7的第二端部11b。第二保偏光纤3b被示出为具有剥离包覆层以便进行拼接过程的部分8a和保持被包覆的部分8b。第二外双收缩套筒12被示出为在受热之后处于收缩状态，并且第二外双收缩套筒12由外管12a和内管12b组成。内管12b在热施加期间部分地熔化，并且外管12a围绕内管12b和保护管7的第二端部11b收缩，从而形成密封以免受湿气和/或机械应力的影响。另外，这种类型的双收缩套筒改善了PM光纤3b的稳定性，PM光纤3b在内管12b冷却之后可牢固坐置。如已经描述的，事先将毛细套筒13引入并固定在第二外双收缩套筒12的内部。内双收缩套筒14将毛细套筒13的面向拼接头的一端(在图中为其左侧端部)密封至第二保偏光纤3b。正如外双收缩套筒12的情况那样，内双收缩套筒14也具有外管14a和内管14b，管的行为类似于针对第二外双收缩套筒12所说明的。在此，内管围绕PM光纤3b的包覆部段8b的一部分熔化。优选的是，一个或多个毛细套筒13被选择为在纵向方向上比第二外双收缩套筒12的内管12b长。毛细套筒13有利地用作用于PM光纤3b的位于密封位置处的部分的增强元件，并且还保护其免于内管12b与PM光纤的直接接触。
优选地，根据本发明的第三方面的方法的密封步骤b)和d)实施成使得保护管7的所述端部11a、11b位于相应的第一外双收缩套筒10和第二外双收缩套筒12的内管10b、12b与外管10a、12a之间。类似地，图4的替代方案的密封步骤c)也实施成使得毛细套筒13的所述端位于相应的内双收缩套筒14的内管14b与外管14a两者之间。
毛细套筒13还具有开始时提到的优点，下面将对此进行更详细的说明。热收缩管通常在加热下首先径向收缩，然后在冷却时进一步纵向收缩。在两个端部处都用双收缩套筒10、12密封的保护管7中，这种行为意味着保护管7的端部11a、11b处的PM光纤3a、3b在冷却期间将由双收缩套筒10、12拉入到保护管7中，从而导致保护管7内的拼接光纤2弯曲或者甚至略微卷绕，这潜在地增加了拼接头上的应力。为了防止该问题，在一优选的实施例中，保护管7的仅一个端部(例如，第一端部11a)利用图3的双收缩套筒10密封，而保护管7的第二端部11b利用内外两个双收缩套筒14、12以及毛细套筒13来密封。保护管7的第二端部11b利用较大的双收缩套筒12密封到容纳PM光纤3b的毛细套筒13上。毛细套筒13的内端(图中的左侧端)利用较小的内双收缩套筒14密封到PM光纤3b上，而外端(图中的右侧端)是敞开的。在应用中，首先对保护管7的第一端部11a进行加热和密封。接下来，在第一端部11a完全冷却之后，对保护管7的第二端部11b进行加热。在冷却期间，较小的内收缩套筒14和较大的外收缩套筒12两者分别在长度上收缩，其中，较小的内收缩套筒14将密封光纤带入毛细套筒13中(带向图中的右侧)，而较大的外收缩套筒12将毛细套筒13带入保护管7中(带向图中的左侧)。净效应在很大程度上彼此抵消，从而在密封部冷却之后，将密封的拼接光纤2相对于保护管7保持在大致相同的位置处。
如所提及的，根据本发明的第三方面的方法的方法步骤b)至d)优选地仅在拼接光纤的包覆部段上执行，以便减小拼接光纤2的未包覆部段上的机械应力。
本发明的方法的步骤a)优选地实施成使得拼接光纤2的纵向轴线与保护管7的纵向轴线基本相同。换言之，PM光纤3a、3b优选地在保护管7的内部居中。
根据本发明的拼接光纤具有许多优点。根据本发明的拼接光纤为拼接头提供了良好的保护以免受机械应力和/或湿气的影响。特别地，由于本发明的不同措施而引起的PER变化的减小使得通过拼接光纤传输的光偏振状态的保真度显著提高，这使得FOCS应用中的测量精度显著提高。
关于根据本发明的方法，第一替代方案由于其在密封品质、简单性和成本节约之间的良好折衷而是优选的。第二替代方案比较复杂，但是可以在管的两个端部处提供更好的保护。第三替代方案提供了最快且花费最低的解决方案，但代价是从拼接光纤上的应力的角度而言密封品质较低。
尽管示出并描述了本发明的当前优选的实施例，但是应当清楚地理解的是，本发明不限于此，而是可以在所附权利要求的范围内以各种方式具体体现和实践。因此，诸如“优选”或“特别”或“特别地”或“有利地”等术语仅表示可选的和示例性的实施例。
附图标记列表
1＝光纤电流传感器(FOCS)
2＝拼接光纤
3＝拼接头
3a＝第一保偏(PM)光纤
3b＝第二保偏(PM)光纤
4＝电流导体
5＝FOCS的初级转换器
5a＝初级转换器的光纤
6＝FOCS的次级转换器
7＝保护管
8a＝拼接光纤的未包覆部段
8b＝拼接光纤的包覆部段
9＝密封部
10＝第一外双收缩套筒
10a＝第一外双收缩套筒的外管
10b＝第一外双收缩套筒的内管
11a＝保护管的第一端部
11b＝保护管的第二端部
12＝第二外双收缩套筒
12a＝第二外双收缩套筒的外管
12b＝第二外双收缩套筒的内管
13＝毛细套筒
14＝内双收缩套筒
14a＝内双收缩套筒的外管
14b＝内双收缩套筒的内管
C＝电流方向
L0＝保护管的总长度
L1＝从拼接头到保护管的第一端部的距离
L2＝从拼接头到保护管的第二端部的距离
Claims (18)
1.一种拼接光纤(2)，包括第一保偏光纤(3a)和第二保偏光纤(3b)，所述第一保偏光纤(3a)和所述第二保偏光纤(3b)在所述第一保偏光纤(3a)和所述第二保偏光纤(3b)的端部中的一个端部处通过拼接而彼此连接，从而在所述第一保偏光纤(3a)和所述第二保偏光纤(3b)的连接点处形成拼接头(3)，其中保护管(7)围绕所述拼接光纤(2)布置，并且至少包围所述拼接光纤(2)的包括所述拼接头(2)的未包覆部段，其中所述保护管(7)的第一端部和第二端部通过第一密封装置和第二密封装置(9)密封至所述拼接光纤(2)，以保护所述拼接头(3)免受机械应力和/或湿气的影响，
其中所述保护管(7)的长度(L0)使得所述拼接光纤(2)的包括所述拼接头(3)的未包覆部段(8a)以及所述拼接光纤(2)的位于所述未包覆部段(8a)的每个端部处的包覆部段布置在所述保护管(7)的内部。
2.根据权利要求1所述的拼接光纤，其中所述保护管的长度(L0)使得从所述保护管(7)的所述第一端部(11a)和/或从所述第一密封装置到所述拼接头的位置的第一距离(L1)以及从所述拼接头的位置到所述保护管(7)的所述第二端部(11b)和/或到所述第二密封装置的第二距离(L2)大于或等于预定的最小距离Lm，其中所述最小距离Lm被选择成满足以下等式：
其中X0是所述拼接头(3)的最大保证偏振消光比，Xs是所述保护管(7)的密封端部(11a、11b)处的最大保证偏振消光比，A(L)是保偏光纤(3a、3b)的长度的相干函数并且是光学功率谱的傅里叶变换，并且Xm是预定的最大允许偏振消光比变化，特别地，其中X0≤-25dB，Xs≤-30dB，并且Xm≤0.1％。
3.根据权利要求1或2所述的拼接光纤，其中所述保护管(7)由热膨胀系数基本上等于所述第一保偏光纤(3a)和所述第二保偏光纤(3b)的热膨胀系数的材料制成，特别地由熔融的二氧化硅或石英制成。
4.根据前述权利要求中一项所述的拼接光纤，其中所述保护管(7)的直径在1mm与25mm之间的范围内，特别地在1mm与5mm之间的范围内。
5.根据前述权利要求中一项所述的拼接光纤，其中所述第一密封装置和所述第二密封装置(9)中的至少一者包括外双收缩套筒(10；12)，所述外双收缩套筒(10；12)适于在暴露于热时径向收缩，从而将容纳有所述拼接光纤(2)的包括所述拼接头(3)的部段的所述保护管(7)密封以免受湿气的影响。
6.根据权利要求5所述的拼接光纤，其中所述第一密封装置(9)的第一外双收缩套筒(10；12)和/或所述第二密封装置(9)的第二外双收缩套筒(10；12)各自包括外管(10a；12a)和内管(10b；12b)，其中所述保护管(7)的所述第一端部和所述第二端部布置在相应的所述第一外双收缩套筒(10；12)和所述第二外双收缩套筒(10；12)的所述内管(10b；12b)与所述外管(10a；12a)之间。
7.根据前述权利要求中一项所述的拼接光纤，其中所述第一密封装置和所述第二密封装置(9)中的至少一者包括毛细套筒(13)，所述毛细套筒(13)围绕所述拼接光纤(2)的一部段部分地布置在所述保护管(7)的内部，其中所述毛细套筒(13)在面向所述拼接头(3)的第一端处通过内双收缩套筒(14)密封至所述拼接光纤(2)，并且在第二端处通过相应的外双收缩套筒(12)的所述内管(12b)密封。
8.根据权利要求7所述的拼接光纤，其中所述毛细套筒(13)的所述第一端布置在相应的内双收缩套筒(14)的内管(14b)与外管(14a)之间，特别地，其中所述毛细套筒(13)被选择成在纵向方向上比所述第二外双收缩套筒(12)的所述内管(12b)长。
9.根据权利要求5至8中一项所述的拼接光纤，其中所述双收缩套筒(10、12、14)中的至少一者的所述外管(10a、12a、14a)由在施加热时能够径向收缩的材料制成，并且所述内管(10b、12b、14b)由在施加热时能够熔化的粘合剂材料制成，特别地，其中双收缩套筒的所述内管和所述外管的材料的特性使得：在通过施加热具有预定温度的加热过程期间，所述内管在所述外管开始收缩之前部分地熔化。
10.一种拼接光纤、特别是根据前述权利要求中一项所述的拼接光纤，所述拼接光纤能够通过包括以下步骤的方法获得：
利用拼接过程将第一保偏光纤和第二保偏光纤在所述第一保偏光纤和所述第二保偏光纤的端部中的一个端部处通过拼接头连接，所述拼接过程保证所述拼接头的最大偏振消光比为X0；
将保护管围绕所述拼接光纤布置，使得所述保护管至少包围所述拼接光纤的包括所述拼接头的未包覆部段，特别地，其中所述保护管的长度使得所述拼接光纤的包括所述拼接头的未包覆部段以及所述拼接光纤的位于所述未包覆部段的每个端部处的包覆部段布置在所述保护管的内部；
利用密封过程将所述保护管的第一端部和第二端部通过第一密封装置和第二密封装置密封至所述拼接光纤，所述密封过程保证所述拼接光纤在所述第一密封装置和/或所述第二密封装置处的最大偏振消光比为Xs；
其中所述保护管的长度或所述长度使得从所述保护管的所述第一端部和/或从所述第一密封装置到所述拼接头的位置的第一距离以及从所述拼接头的位置到所述保护管的所述第二端部和/或到所述第二密封装置的第二距离大于或等于预定的最小距离Lm，其中所述最小距离Lm被选择成满足以下等式：
其中A(L)是所述保偏光纤的长度的相干函数，并且是光学功率谱的傅立叶变换、特别是连接至或待连接至所述拼接光纤的光源的光学功率谱的傅立叶变换，并且Xm是预定的最大允许偏振消光比变化。
11.一种根据权利要求1至10中一项所述的拼接光纤(2)在光纤通信设备中或光学测量设备中的用途。
12.一种用于测量载流导体(4)中的电流(C)的光纤电流传感器(1)，所述光纤电流传感器(1)包括根据权利要求1至10中任一项所述的拼接光纤(2)，并且所述光纤电流传感器(1)还包括：
初级转换器(5)，所述初级转换器(5)适于围绕所述导体(4)布置，其中所述初级转换器(5)连接至所述拼接光纤(2)的所述第一保偏光纤(3a)，以及
次级转换器(6)，所述次级转换器(6)包括光电单元(6a)并且连接至所述拼接光纤(2)的所述第二保偏光纤(3b)，用于产生用以传播到所述第二保偏光纤(3b)中的光并检测来自所述第二保偏光纤(3b)的光。
13.一种根据权利要求12所述的光纤电流传感器用于测量AC或DC电流、特别地测量高达600kA的DC电流、特别地在断路器、变电站或铝生产设施中测量AC或DC电流的用途。
14.一种用于保护根据权利要求1至10中任一项所述的拼接光纤(2)的拼接头(3)免受机械应力和/或湿气影响的方法，其中所述拼接光纤(2)通过连接两个保偏光纤(3a、3b)而形成，所述方法包括：
步骤a)将所述拼接光纤(2)定位到所述保护管(7)中，其中所述保护管(7)的长度(L)使得所述拼接头(3)在所述保护管(7)的内部定位成与所述保护管(7)的第一端部(11a)和第二端部(11b)至少相距预定的最小距离(Lm)；
步骤b)通过对围绕所述保护管(7)的所述第一端部(11a)的一部分和所述拼接光纤(2)的一部分布置的第一外双收缩套筒(10)施加热、从而使所述第一外双收缩套筒(10)收缩到所述部分上，将所述保护管(7)的所述第一端部(11a)围绕所述拼接光纤(2)密封；以及随后
步骤c)在所述保护管(7)的所述第二端部(11b)的区域中将毛细套筒(13)围绕所述拼接光纤(2)的一部分密封，其中通过对围绕所述毛细套筒(13)的最靠近所述拼接头(3)的一端的一部分和围绕所述拼接光纤(2)的一部分布置的内双收缩套筒(14)施加热，将所述毛细套筒(13)至少部分地定位在所述保护管(7)的内部；以及
步骤d)通过对围绕所述保护管(7)的第二端部(11b)的一部分和所述拼接光纤(2)的一部分布置的第二外双收缩套筒(12)施加热、从而使所述第二外双收缩套筒(12)收缩到所述部分上，将所述保护管(7)的所述第二端部(11b)围绕所述拼接光纤(2)密封；
或者：
省去步骤b)并且在所述保护管(7)的所述第一端部(11a)和所述第二端部(11b)两者处应用所述密封步骤c)和d)，
或者：
省去步骤b)、c)和d)并且替代地在所述保护管(7)的所述第一端部(11a)和所述第二端部(11b)两者处将粘合剂材料注入到所述保护管(7)中。
15.根据权利要求14所述的方法，其中在方法步骤a)之前执行准备步骤a’)，所述准备步骤a’)包括：
a’)通过对相应的外双收缩套筒(10)进行预热，使所述第一外双收缩套筒(10)附接至所述保护管的所述第一端部并且使所述第二外双收缩套筒(12)附接至所述保护管的所述第二端部，使得相应的外双收缩套筒的自由端部保持敞开。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中在所述步骤a)之前，在所述拼接光纤(2)的包括所述拼接头的未包覆部段(8a)上施加疏水性物质、特别是硅烷溶液。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中仅在所述拼接光纤(2)的包覆部段(8b)上执行方法步骤a)至d)或者施加所述粘合剂。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中将所述保护管(7)的所述第二端部(11b)围绕所述拼接光纤(2)密封的步骤在所述保护管(7)的所述第一端部(11a)围绕所述拼接光纤(2)的密封完成后的预定时间间隔之后执行，特别地，其中所述预定时间间隔至少等于所述保护管(7)的所述第一端部(11a)处的相应的外双收缩套筒(10)或粘合剂的最少冷却时间。
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