CN113176666B - 全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，包括：在45°对轴熔接之前，先将波片光纤末端与一段单模跳线进行熔接，并将单模跳线插入偏振态检测仪；然后进行λ/4波片的制作，先将延迟光纤环与波片光纤进行45°对轴熔接，并利用后端偏振态检测仪对λ/4波片的制作进行实时监测，降低45°对轴熔接误差；再利用一维位移台、光纤卡头、光纤切割刀和电子显微镜对熔接后的光纤进行长度截取，完成λ/4波片的制作。该制作优化方法利用熔接机手动旋转马达及偏振态检测仪实时观测，可有效减小45°对轴熔接误差，同时将切割刀等仪器组合实现1/4拍长的精准截取，分辨率可达1μm，进一步促进了FOCT的应用。

Description

全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法

技术领域

本发明涉及光纤电流传感技术领域，特别涉及一种全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法。

背景技术

λ/4波片作为光纤电流互感器(Fiber optic current transformer,FOCT)的关键器件之一，它的作用是将正交的线偏振光转换为用于传感的两模式正交的圆偏振光，再利用法拉第旋光效应实现电流检测，圆偏振光的质量会直接决定电流的检测准确度，也就意味着λ/4波片的性能会极大地影响FOCT的精度。所以为有效提高FOCT的精度至满足0.2S级(误差低于0.2％)，在进行相关补偿之前，必须优化λ/4波片的制作工艺来提升其性能。

目前，λ/4波片的制作工艺主要存在两大误差：一是波片光纤与输入保偏光纤的45°对轴熔接误差，二是λ/4波片的自身长度截取误差。对于第一种误差，一般利用保偏光纤熔接机的自动对轴来完成45°对轴熔接，对轴角度可以控制在45°±0.7°，这样的结果导致波片的性能及FOCT精度都无法提升。对于第二种误差，由于λ/4波片的长度为毫米级，且熔接点无法肉眼识别，若仅仅依靠微量位移台无法精准截取1/4拍长，加上如光纤的摆放不平整等因素，使得长度截取更难控制。基于上述两种误差，使得波片的性能无法进一步提升，即使进行了相关补偿，也限制了FOCT的精度无法达到0.2S级。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，该方法降低了λ/4波片的45°对轴熔接误差和长度截取误差，提高了λ/4波片的性能及FOCT的精度。

为达到上述目的，本发明实施例提出了全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，包括以下步骤：步骤S101，将波片光纤的末端与单模跳线熔接，以将所述单模跳线插入偏振态检测仪；步骤S102，将延迟光纤环的一端和所述波片光纤的首端分别用光纤夹具进行固定，放入熔接机中进行45°熔接，待完成初步自动对准后先暂停熔接操作；步骤S103，对所述熔接机的任一侧光纤进行马达手动旋转，旋转时观察所述偏振态检测仪中的偏振度(Degree of Polarization，DOP)和偏振消光比(Polarization Extinction Ratio，PER)是否满足预设熔接要求，若满足则进行放电熔接；步骤S104，将熔接后的光纤放置在光纤切割刀上，同时将所述熔接后的光纤的一端固定在一维位移台上；步骤S105，在所述光纤切割刀的正上方放置一个电子显微镜，通过所述电子显微镜确定所述熔接后的光纤的熔接点和画出待截取长度；步骤S106，将所述熔接点向右移动超过所述待截取长度，再利用所述一维位移台将所述熔接点平移回所述待截取长度后，对所述熔接后的光纤进行切割，得到λ/4波片。

本发明实施例的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，在45°对轴熔接过程可实时监测并控制PER的变化，极大的降低了45°对轴熔接的误差，且制作灵活，可有效提高制作效率；由于延迟光纤环与波片熔接后，光纤会发生略微的缩短，即使光纤在夹具中的位置不发生变化，但熔接点并不完全对应在切割刀正上方，因此熔接后的光纤的长度截取过程在电子显微镜的辅助下，可清晰确定熔接点位置，又可避免光纤摆放位置不平整等因素误差，降低了长度截取误差，且电子显微镜的精度为1μm，与仅依靠位移台来确定长度的方式相比较，λ/4波片的精度得到极大提高。

另外，根据本发明上述实施例的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述延迟光纤环的另一端通过光纤法兰与起偏器连接，通过所述起偏器将宽谱光源发出的自然光变成线偏振光，进而以观察所述偏振态检测仪的数据。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在所述延迟光纤环与所述波片光纤对准后，手动调节所述熔接机的马达旋转所述延迟光纤环或所述波片光纤。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述预设熔接要求为：所述偏振度为最大值，即趋近于1时，所述偏振消光比达到最小值，即趋近于0。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述显微镜的焦距对准所述光纤切割刀的刀口。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述一维位移台放置在所述光纤切割刀的左侧，其中，所述一维位移台上设有光纤卡头，以固定所述熔接后的光纤的一端。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待截取长度L为：

其中，L_p为所述波片光纤的拍长。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的λ/4波片的整体制作结构示意图；

图3是本发明一个实施例的λ/4波片的长度截取仪器组合示意图；

图4是本发明一个实施例的λ/4波片制作完成后的偏振态检测仪结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法。

首先，本发明实施例中的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，采用以下元件：宽谱光源1、起偏器2、延迟光纤环3、波片光纤4、单模跳线5、偏振态检测仪6、光纤法兰7、一维位移台8、光纤卡头9、光纤切割刀10和电子显微镜11。

图1是本发明一个实施例的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法的流程图。

如图1所示，该全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法包括以下步骤：

在步骤S101中，将波片光纤4的末端与单模跳线5熔接，以将单模跳线5插入偏振态检测仪6。

具体地，如图2所示，在45°对轴熔接之前，先将波片光纤4的末端与一段单模跳线5进行熔接即第一熔接点12，并将单模跳线5插入偏振态检测仪6。需要说明的是，本发明实施例中没有采取利用裸纤适配器将裸光纤与偏振态测量仪直接连接的方式，因为该方式会导致光纤与接口连接不稳定，会增加实验难度，因此本发明实施例中采取了更为稳定的方法，将波片光纤4与一段单模跳线5熔接，通过单模跳线5插入偏振态测量仪6中进行观测。

在步骤S102中，将延迟光纤环3的一端和波片光纤4的首端分别用光纤夹具进行固定，放入熔接机中进行45°熔接，待完成初步自动对准后先暂停熔接操作。

在步骤S103中，对熔接机的任一侧光纤进行马达手动旋转，旋转时观察偏振态检测仪6中的偏振度和偏振消光比是否满足预设熔接要求，若满足则进行放电熔接。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在延迟光纤环3与波片光纤4对准后，手动调节熔接机的马达旋转延迟光纤环3或波片光纤4。

进一步地，在本发明的一个实施例中，预设熔接要求为：偏振度为最大值，即趋近于1时，偏振消光比达到最小值，即趋近于0。

具体地，如图2所示，将切割后的延迟光纤环3和波片光纤4用光纤夹具固定放入熔接机中45°熔接，待初步自动对准后暂停熔接操作，使宽谱光源1发出的自然光经过起偏器2后变成线偏振光，利用光纤法兰7将起偏器2与一段延迟光纤环3连接得到第二熔接点13，利用后端偏振态检测仪6对λ/4波片的制作进行实时监测，由于熔接机自动对轴的误差导致PER较大，因此本发明实施例需要手动调节熔接机的马达，对任一侧光纤进行旋转，旋转的同时观察偏振态检测仪6中PER的变化，当输出的线偏振光的偏振度为最大值(趋近于1)，偏振消光比达到最小值(趋近于0)，即直至满足要求DOP≈1，PER﹤0.9时，进行放电熔接，此过程即为精准45°对轴熔接，降低了45°对轴熔接的误差。

在步骤S104中，将熔接后的光纤放置在光纤切割刀10上，同时将熔接后的光纤的一端固定在一维位移台8上。

进一步地，在本发明的一个实施例中，显微镜的焦距对准光纤切割刀10的刀口。

进一步地，在本发明的一个实施例中，一维位移台8放置在光纤切割刀10的左侧，其中，一维位移台8上设有光纤卡头9，以固定熔接后的光纤的一端。

在步骤S105中，在光纤切割刀10的正上方放置一个电子显微镜11，通过电子显微镜11确定熔接后的光纤的熔接点和画出待截取长度。

在步骤S106中，将熔接点向右移动超过待截取长度，再利用一维位移台8将熔接点平移回待截取长度后，对熔接后的光纤进行切割，得到λ/4波片。

具体地，如图3所示，将熔接后的光纤和一侧夹具一同取下放置于光纤切割刀10上，由于光纤熔接前后在夹具中的位置未发生变化，所以此时熔接点理应正对在刀的位置，然而由于熔接过程中光纤的熔化，熔接点并不完全对应在切割刀正上方，熔接点会发生略微偏移，因此若完全依靠夹具来确定熔接点会造成无法消除的误差。所以本发明实施例选择在切割刀正上方放置一个电子显微镜11，焦距对准刀口，左侧放置一个带有光纤卡头9的一维位移台8，将熔接后的光纤的一端固定在光纤卡头9上，再利用一维位移台8实现光纤的移动。通过电子显微镜11可明显看到熔接点的位置，并使用电子显微镜11的测量工具画出熔接后的光纤待切割长度，将熔接点向右移动超过该长度，再利用一维位移台8将熔接点平移回该长度点，即再用一维位移台8测量一次长度，再进行切割即可实现精确的长度截取，得到λ/4波片。

其中，待截取长度L为：

其中，L_p为波片光纤4的拍长，由于光纤长度与温度效应成正比，因此本发明实施例为保证温度误差最小，所截取的光纤长度选取了最短的(1/4拍长)，即m取1，

但并具体限定于此，本领域技术人员可根据实际情况选择m取1,3,5,……等不同的值，以可以满足具体实验要求。此外，本领域技术人员也应尽量选取L_p较大的光纤，以降低制作难度。

进一步地，本发明实施例将得到λ/4波片利用裸纤适配器插入偏振态检测仪6中，其输出光的偏振度和偏振消光比应和截取光纤前保持一致(DOP≈1，PER﹤0.9)。此时通过偏振态检测仪6中的邦加球和斯托克斯矢量来观测λ/4波片的输出圆偏振光的质量好坏，以此判定长度的截取误差，圆偏振光的斯托克斯矢量的表达公式为：

因此，本发明实施例通过偏振态检测仪6在整个λ/4波片的制作过程中的实时监测，就可制作出性能优异的λ/4波片。

因此，本发明实施例提出的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法的基本工作流程为：宽谱光源1发出的自然光经过起偏器2后变成线偏振光，利用光纤法兰7将起偏器2与一段延迟光纤环3连接。在45°对轴熔接之前，先将波片光纤4末端与一段单模跳线5进行熔接，并将单模跳线5插入偏振态检测仪6；然后进行λ/4波片的制作，先将延迟光纤环3与波片光纤4进行45°对轴熔接，并利用后端偏振态检测仪6对λ/4波片的制作进行实时监测，降低45°对轴熔接误差；然后利用一维位移台8，光纤卡头9，光纤切割刀10和电子显微镜11对熔接后的光纤进行长度截取，即完成了λ/4波片的制作。

下面通过一个具体实施例对本发明提出的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法进一步说明。

首先将切割后的延迟光纤环3(熊猫保偏光纤)和波片光纤4(椭圆芯保偏光纤)用光纤夹具固定放入光纤熔接机(S183PMⅡ)中45°熔接。选择手动熔接程序，待两段光纤自动对准后，手动调节熔接机的马达，对任一侧光纤进行旋转，旋转的同时观察偏振态检测仪6(EPA01)中PER的变化，得到DOP和PER参数如下：DOP＝0.9703，PER＝0.1606。最后进行放电熔接，此过程即为精准45°对轴熔接；

如图3所示，将熔接后的光纤和一侧夹具一同取下放置于光纤切割刀10上，光纤切割刀10正上方放置一个电子显微镜11，焦距对准刀口，左侧放置一个带有光纤卡头9的一维位移台8，将熔接后的光纤一端固定在光纤卡头9上，再利用一维位移台8实现光纤的移动。通过电子显微镜11可明显看到熔接点的位置，并使用电子显微镜11的测量工具画出熔接后的光纤待切割长度，将熔接点向右移动超过该长度，再利用一维位移台8将熔接点平移回该长度点，进行切割即可实现精确的长度截取。根据公式(1)可知，为保证温度误差最小，所截取的光纤长度应选取最短的(1/4拍长)。此外，也应尽量选取L_p较大的光纤，以降低制作难度。因此本次波片光纤4选用Lp＝20mm的椭圆芯保偏光纤，所以待截取长度L＝5mm。

需要说明的时，由于截取误差的存在，电子显微镜11的测量工具实际画出长度为4.969mm，切割完毕后熔接后的光纤长度略微长于5mm，多次实验后本领域技术人员可根据个人误差做出实际调整。又由于λ/4波片制作完成后需与传感光纤熔接，熔接的过程会导致光纤变短，因此波片截取长度要较预设长度5mm长一点，不同的熔接机导致的误差不同，一般为3-5μm。

将截取后的波片光纤4，即制成的λ/4波片利用裸纤适配器插入偏振态检测仪6中，其输出光的DOP和PER和截取光纤前保持一致：DOP＝0.9703，PER＝0.1606。此时观测偏振态检测仪6中的邦加球和斯托克斯矢量：S0＝1，S1＝-0.0056，S2＝-0.176，S3＝-0.9701，如图4所示，与公式(2)进行比较可知，本发明实施例制成的λ/4波片的圆偏振光质量非常好。最后可将截取后的波片光纤4再次与一段传感光纤(低双折射的保圆光纤)进行熔接，就完成了完整的λ/4波片制作。

由于光纤截取过程是在电子显微镜11的辅助下，可避免光纤摆放位置不平整等因素误差，且电子显微镜11的精度为1μm，与仅依靠位移台来确定长度的方式相比较，λ/4波片的精度得到极大提高。

因此通过本发明实施例可对λ/4波片的45°对轴熔接和长度截取进行精确控制，满足0.2S级FOCT的精度要求，且制作灵活，可有效提高制作效率。

综上，本发明实施例提出的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，在45°对轴熔接过程可实时监测并控制PER的变化，极大的降低了45°对轴熔接的误差，且制作灵活，可有效提高制作效率；熔接后的光纤的长度截取过程在电子显微镜的辅助下，可清晰确定熔接点位置，又可避免光纤摆放位置不平整等因素误差，降低了长度截取误差，且电子显微镜的精度为1μm，与仅依靠位移台来确定长度的方式相比较，λ/4波片的精度得到极大提高。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S101，将波片光纤的末端与单模跳线熔接，以将所述单模跳线插入偏振态检测仪；

步骤S102，将延迟光纤环的一端和所述波片光纤的首端分别用光纤夹具进行固定，放入熔接机中进行45°熔接，待完成初步自动对准后先暂停熔接操作；

步骤S103，对所述熔接机的任一侧光纤进行马达手动旋转，旋转时观察所述偏振态检测仪中的偏振度和偏振消光比是否满足预设熔接要求，若满足则进行放电熔接，其中，所述预设熔接要求为：所述偏振度为最大值，即趋近于1时，所述偏振消光比达到最小值，即趋近于0；

步骤S104，将熔接后的光纤放置在光纤切割刀上，同时将所述熔接后的光纤的一端固定在一维位移台上；

步骤S105，在所述光纤切割刀的正上方放置一个电子显微镜，通过所述电子显微镜确定所述熔接后的光纤的熔接点和画出待截取长度；

步骤S106，将所述熔接点向右移动超过所述待截取长度，再利用所述一维位移台将所述熔接点平移回所述待截取长度后，对所述熔接后的光纤进行切割，得到λ/4波片。

2.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，所述延迟光纤环的另一端通过光纤法兰与起偏器连接，通过所述起偏器将宽谱光源发出的自然光变成线偏振光，进而以观察所述偏振态检测仪的数据。

3.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，在所述延迟光纤环与所述波片光纤对准后，手动调节所述熔接机的马达旋转所述延迟光纤环或所述波片光纤。

4.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，所述显微镜的焦距对准所述光纤切割刀的刀口。

5.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，所述一维位移台放置在所述光纤切割刀的左侧，其中，所述一维位移台上设有光纤卡头，以固定所述熔接后的光纤的一端。

6.根据权利要求1所述的全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法，其特征在于，所述待截取长度L为：

其中，L_p为所述波片光纤的拍长。

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