CN114966955A - 一种传感器光纤及装配器具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感光纤及装配器具，包括：相连接的信号传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤；变螺距段保椭圆偏振光纤形成的螺旋结构位于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的外部，且所述变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的终点以及所述反射器在空间上重合，以使得各自形成闭合空间。本发明减少内部待测电流的移动或者外部信号对传感光纤的测量结果的影响，大大提高了传感光纤的测量精度，可靠性高且结构简单易实现，且不用通过设计复杂电路来实现漏磁补偿，有利于降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，具体而言，涉及一种传感器光纤及装配器具。
背景技术
传感光纤是全光纤电流传感器中的重要组件，在传感光纤中，需要将输入的光在线偏振光和椭圆偏振光之间进行转换，该转换过程由四分之一波片来完成。传统的四分之一波片是一段长度为光纤拍长1/4的光纤段，其加工的过程对切割精度要求很高，应用在系统中其偏振态的转换过程后受环境温度影响也较大，因此目前较为先进的做法是宽带四分之一波片，其本质是一段螺距变化的螺旋光纤，相较于传统的四分之一波片，其具有与传感光纤部分制作时一次成型，重复性好，对温度不敏感等特点，但由于其长度远远长于传统四分之一波片且其自身也具有电流传感特性，影响了传感光纤的闭环结构，使得电流测量值受被测导体位置或者外部磁场的变化而产生变化，从而影响系统的整体精度。
图1示出了现有技术中该种传感光纤的盘绕方式，黑色1′部分为传输光纤，第一部分为变螺距段2′，第二部分为均匀螺距段3′，变螺距段与均匀螺距段在一起同向盘绕重叠后，最终将反射端置于变螺距段的中心位置21′处。可以看出：在这种结构中，传感环内部被测电流的移动或者环外部信号的干扰都会影响到测量值，导致传感光纤的测量精度不高。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种传感光纤及装配器具，旨在解决现有传感光纤测量精度不高的问题。
一个方面，本发明提出了一种传感光纤，包括：相连接的信号传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤；其中，
所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的尾端上设置有反射器，且所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的中空部用于穿设待测通电导体；
所述变螺距段保椭圆偏振光纤以所述信号传输光纤的输出端为起始点绕设若干第一环状结构，形成变螺距螺旋结构；所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤以所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点为起始点绕设若干第二环状结构，形成螺距均匀的螺旋状本体部；
所述变螺距段保椭圆偏振光纤形成的螺旋结构位于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的外部，且所述变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的终点以及所述反射器在空间上重合，以使得各自形成闭合空间。
进一步地，上述传感光纤中，所述变螺距段光纤绕设的第一环状结构的直径小于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤绕设的第二环状结构的直径。
进一步地，上述传感光纤中，所述变螺距段保椭圆偏振光纤形成的变螺距螺旋结构的侧壁与所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的螺旋状本体部的侧壁外切或者相离。
进一步地，上述传感光纤中，所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤包括：相连接的本体部、起始段和尾部段；其中，
所述起始段为连接于所述变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和所述本体部第一圈第二环状结构边缘的弧状结构；所述尾部段为连接所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点与所述本体部最后一圈的过渡弧状结构。
进一步地，上述传感光纤中，所述起始段和所述尾部段沿轴向对称分布在所述本体部的两侧。
进一步地，上述传感光纤中，所述变螺距段保椭圆偏振光纤绕设的第一环状结构的半径大于等于2cm小于等于3.5cm。
进一步地，上述传感光纤中，所述均匀螺距段光纤的长度为20m~100m。
进一步地，上述传感光纤中，所述反射器件为反射膜。
进一步地，上述传感光纤中，所述变螺距段椭圆偏振光纤的螺距单调变化。
本发明中的传感光纤，通过将变螺距段保椭圆偏振光纤绕设在均匀螺距段保椭圆偏振光纤形成的螺旋结构的外部，将二者隔离，使得变螺距段保椭圆偏振光纤在一定程度上远离待测电流，从而有利于降低传感光纤受待测电流的影响程度；进一步，通过使变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和终点、均匀螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和终点以及反射器在空间上重合，以确保变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤各自形成闭合空间，进一步减少内部待测电流的移动或者外部信号对传感光纤的测量结果的影响，大大提高了传感光纤的测量精度，可靠性高且结构简单易实现，且不用通过设计复杂电路来实现漏磁补偿，有利于降低制造成本。
另一方面，本发明还提供了一种上述传感光纤的装配器具，包括：传感环本体和绕设机构；其中，
所述传感环本体的壁面上开设有第一环形槽，用以绕设均匀螺距段保椭圆偏振光纤，所述传感环本体的中空部分用以穿设待测通电导体；
所述绕设机构设置在所述传感环本体的一侧，且所述绕设机构呈实心圆盘状结构，其上开设有第二环形槽，用以绕设变螺距段保椭圆偏振光纤；
所述传感环本体和所述绕设机构之间的区域或者靠近所述绕设机构且远离所述传感环本体的一侧开设有光纤穿设通道，用以依次穿设信号传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤。
本发明提供的传感光纤装配器具，通过在传感环本体上绕设均匀螺距段光纤，在绕设机构中绕设变螺距段光纤，有利于消除磁场的影响，能固定和保护光纤，使得在一些较为恶劣的应用场景下，传感光纤结构不会发生形变位移甚至断裂。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为现有技术中传感光纤的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的传感光纤的一种绕设结构示意图；
图3为本发明实施例提供的传感光纤的又一种绕设结构示意图；
图4为本发明实施例提供的传感光纤的再一种绕设结构示意图；
图5为本发明实施例提供的传感光纤的装配器具的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
参阅图2至图4，本发明第一方面提供的传感光纤包括：相连接的信号传输光纤1、变螺距段保椭圆偏振光纤2和均匀螺距段保椭圆偏振光纤3；其中，所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的尾端上设置有反射器（图中未示出），且所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的中空部用于穿设待测通电导体；所述变螺距段保椭圆偏振光纤2以所述信号传输光纤1的输出端为起始点绕设若干第一环状结构，形成变螺距螺旋结构；所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3以所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的终点为起始点绕设若干第二环状结构，形成螺距均匀的螺旋状本体部；所述变螺距段保椭圆偏振光纤2形成的螺旋结构位于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的外部，且所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的起始点、所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的终点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的起始点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的终点以及所述反射器在空间上重合，以使得各自形成闭合空间。
具体而言，变螺距段光纤与均匀螺距段光纤可以一体成型，也可以熔接的方式连接在一起。所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的横截面呈第一环状结构；所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3绕的本体部的横截面呈第二环状结构。需要说明的是，图2至图4中的箭头方向代表了各段光纤的绕设方向。
变螺距段保椭圆偏振光纤2和均匀螺距段光纤以逆时针还是顺时针绕设均可，图中仅为示例性的说明。在本实施例的一种具体实施方式中，变螺距段保椭圆偏振光纤2和均匀螺距段椭圆偏振光纤3整体可以呈类“8”字形的绕设形式（如图2和图3所示）。
变螺距段保椭圆偏振光纤2盘绕设的第一环状结构可以为整数圈，均匀螺距段光纤的本体部绕设的第二环状结构可以为整数圈。第一环状结构的圈数和第二环状结构的圈数可以根据实际情况确定。
本实施例中，所述变螺距段椭圆偏振光纤的螺距单调变化。较具体的，各第一环状结构旋转的角速度线性增加，对应的螺距从不扭转部分的无限长螺距呈反比例下降至与均匀螺距段相同的螺距。
参阅图2-图4，在本实施例中的一种具体实施方式中，所述变螺距段保椭圆偏振光纤2形成的变螺距螺旋结构的侧壁与所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的螺旋状本体部的侧壁外切或者相离。
变螺距段保椭圆偏振光纤2形成的螺旋结构和均匀螺距段保椭圆偏振光纤3相互隔离开从而使得变螺距段保椭圆偏振光纤2不与均匀螺距段保椭圆偏振光纤3以相同的形式一同参与传感，并使得变螺距段保椭圆偏振光纤2在一定程度上远离被测电流，从而有利于降低传感光纤受待测电流的影响程度。
进一步的，由于光纤的直径仅为250微米，在本实施例的一种具体实施方式中，所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的起始点、所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的终点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的起始点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的终点以及所述反射器重合于空间上的一点，即传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤2、均匀螺距段保椭圆偏振光纤3之间的两个交接点与反射镜在空间上有交汇点4，以使得变螺距段保椭圆偏振光纤2和均匀螺距段保椭圆偏振光纤3各自形成闭合空间，进一步减少内部待测电流的移动或者外部信号对传感光纤的测量结果的影响。
本实施例中，反射器件可以为反射膜，其可以为镀在均匀螺距段保椭圆偏振光纤3尾端端面上的一层数厚度为微米级的反射膜。
本实施例中，传感光纤的制备方法可以为：先将信号传输光纤1经光纤穿设通道引入，沿第一方向开始绕设变螺距段保椭圆偏振光纤2的多圈第一环状结构直至终点，再以变螺距段保椭圆偏振光纤2的终点为起始点沿第二方向绕设均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的多圈第二环状结构直至终点。第一方向和第二方向即图中箭头所示的方向，两个方向可以相同，也可以相反。例如二者可以均为逆时针方向或者均为顺时针方向，也可以一个为顺时针方向、另一个为逆时针方向。
上述显然可以得出，本实施例中提供的传感光纤，通过将变螺距段保椭圆偏振光纤绕设在均匀螺距段保椭圆偏振光纤形成的螺旋结构的外部，将二者隔离，使得变螺距段保椭圆偏振光纤在一定程度上远离待测电流，从而有利于降低传感光纤受待测电流的影响程度；进一步，通过使变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和终点、均匀螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和终点以及反射器重合，以确保变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤各自形成闭合空间，进一步减少内部待测电流的移动或者外部信号对传感光纤的测量结果的影响，大大提高了传感光纤的测量精度，可靠性高且结构简单易实现，且不用通过设计复杂电路来实现漏磁补偿、减小外部干扰，有利于降低制造成本。
上述实施例中，所述变螺距段光纤绕设的第一环状结构的直径小于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3绕设的第二环状结构的直径。
具体而言，变螺距段保椭圆偏振光纤2绕设的第一环形结构可以通过自身抵消的方式有效降低自身的整体传感效应，第一环形结构的半径r越小，抵消漏磁的效果越显著。
尽管对第一环形结构的半径r的选择理论上是越小越能抵消漏磁影响，然而由于光纤固有的弯曲半径限制，为了降低对自身传感性能的影响，优选的，变螺距段保椭圆偏振光纤2中绕设的第一环状结构的半径r大于等于2cm小于等于3.5cm。变螺距段光纤的长度为30cm~60cm，实际中，变螺距段保椭圆偏振光纤2中绕设的第一环状结构的半径r一般不小于2cm，即如果是60cm长度的变螺距段，可以绕4圈。
本实施例中，均匀螺距段光纤的长度为20m~100m，这里的长度指的是光纤本身的长度，也指均匀螺距段形成的螺旋结构的总体周长。实际中，均匀螺距段光纤根据工程中被测电流的大小，测量精度的需要以及安装环境的限制有不同的长度一般在30m以上；均匀螺距段光纤均匀螺距段光纤绕设的第二环状结构的半径R需要根据具体的使用场景来确定，例如在小电流高精度测量的场景中，R可能只有5cm，而在类似电解铝行业等超大电流的测量中，R则可能在1m以上。
继续参阅图2至图4，上述实施例中，所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤3包括：相连接的本体部、起始段和尾部段；其中，所述起始段为连接于所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的起始点和所述本体部第一圈边缘的弧状结构；所述尾部段为连接所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的终点与所述本体部最后一圈的过渡弧状结构。
具体而言，本体部、起始段和尾部段可以重合（图2所示），此时，变螺距段保椭圆偏振光纤2形成的变螺距螺旋结构的侧壁与均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的螺旋状本体部的侧壁外切。
继续结合图3和图4，所述起始段和所述尾部段沿轴向对称分布在所述本体部的两侧。此时，变螺距段保椭圆偏振光纤2形成的变螺距螺旋结构的侧壁与均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的螺旋状本体部的侧壁相离，二者之间的距离可以根据实际情况确定。
进一步的，所述起始段与所述变螺距段保椭圆偏振光纤2的起始点或终点连接；所述尾部段的终点与所述起始段的起点在空间上重合，以确保变螺距段保椭圆偏振光纤2的起始点和终点、均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的起始点和终点以及反射器在空间上重合。
参阅图5，本发明还提供了一种用于装配上述各实施例中的传感光纤的装配器具，包括：传感环本体5和绕设机构6；其中，所述传感环本体5的壁面上开设有第一环形槽51，用以绕设均匀螺距段光纤，所述传感环本体5的中空部分用以穿设待测通电导体；所述绕设机构6设置在所述传感环本体5的一侧，且所述绕设机构6呈实心圆盘状结构，其上开设有第二环形槽61，用以绕设变螺距段光纤；所述传感环本体5和所述绕设机构6之间的区域或者靠近所述绕设机构6且远离所述传感环本体5的一侧开设有光纤穿设通道，用以依次穿设信号传输光纤1、变螺距段保椭圆偏振光纤2和均匀螺距段保椭圆偏振光纤3。
具体而言，所述第二环形槽61的直径小于所述第一环形槽51，以使得绕设形成的变螺距段保椭圆偏振光纤2的第一环状结构的直径小于绕设形成的均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的第二环状结构。
传感环本体5的一侧延伸设置有一凹设部a，该凹设部a中设置有盘型绕设机构6，凹设部的下方设置有连接座7，该连接座包括连接柱71和环形底座72，连接柱中部开设有光纤穿设通道b。绕设机构6与传感环本体5之间设置有连接部，连接部的形状可以根据实际情况确定，本实施例对其不作任何限定。
光纤穿设通道可以设置在传感环本体5和绕设机构6之间区域，也可以设置在传感环本体5和凹设部a交界的部位，具体实施时，可以根据传感光纤的结构设计匹配的装配器具，信号传输光纤1经光纤穿设通道引入，开始依次沿绕设机构6和传感环本体5分别绕设变螺距段保椭圆偏振光纤2的多圈第一环状结构和均匀螺距段保椭圆偏振光纤3的多圈第二环状结构。
综上，本发明提供的传感光纤装配器具，通过在传感环本体上绕设均匀螺距段光纤，在绕设机构中绕设变螺距段光纤，有利于消除磁场的影响，能固定和保护光纤，使得在一些较为恶劣的应用场景下，传感光纤结构不会发生形变位移甚至断裂。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种传感光纤，其特征在于，包括：相连接的信号传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤；其中，
所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的尾端上设置有反射器，且所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的中空部用于穿设待测通电导体；
所述变螺距段保椭圆偏振光纤以所述信号传输光纤的输出端为起始点绕设若干第一环状结构，形成变螺距螺旋结构；所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤以所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点为起始点绕设若干第二环状结构，形成螺距均匀的螺旋状本体部；
所述变螺距段保椭圆偏振光纤形成的螺旋结构位于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的外部，且所述变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的起始点、所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的终点以及所述反射器在空间上重合，以使得各自形成闭合空间。
2.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述变螺距段光纤绕设的第一环状结构的直径小于所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤绕设的第二环状结构的直径。
3.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述变螺距段保椭圆偏振光纤形成的变螺距螺旋结构的侧壁与所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤的螺旋状本体部的侧壁外切或者相离。
4.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述均匀螺距段保椭圆偏振光纤包括：相连接的本体部、起始段和尾部段；其中，
所述起始段为连接于所述变螺距段保椭圆偏振光纤的起始点和所述本体部第一圈第二环状结构边缘的弧状结构；所述尾部段为连接所述变螺距段保椭圆偏振光纤的终点与所述本体部最后一圈的过渡弧状结构。
5.根据权利要求4所述的传感光纤，其特征在于，所述起始段和所述尾部段沿轴向对称分布在所述本体部的两侧。
6.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述变螺距段保椭圆偏振光纤绕设的第一环状结构的半径大于等于2cm小于等于3.5cm。
7.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述均匀螺距段光纤的长度为20m~100m。
8.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述反射器件为反射膜。
9.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于，所述变螺距段椭圆偏振光纤的螺距单调变化。
10.一种用于装配上述权利要求1至9中任一项所述的传感光纤的装配器具，其特征在于，包括：传感环本体和绕设机构；其中，
所述传感环本体的壁面上开设有第一环形槽，用以绕设均匀螺距段保椭圆偏振光纤，所述传感环本体的中空部分用以穿设待测通电导体；
所述绕设机构设置在所述传感环本体的一侧，且所述绕设机构呈实心圆盘状结构，其上开设有第二环形槽，用以绕设变螺距段保椭圆偏振光纤；
所述传感环本体和所述绕设机构之间的区域或者靠近所述绕设机构且远离所述传感环本体的一侧开设有光纤穿设通道，用以依次穿设信号传输光纤、变螺距段保椭圆偏振光纤和均匀螺距段保椭圆偏振光纤。
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