CN201589873U - 用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，包括线保偏光纤，线保偏光纤依次包含一不旋转段、一起转段和匀速旋转段，在匀速旋转段的末端面镀有反射膜。本实用新型制作简单、成本低。

Description

用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤

技术领域

本实用新型涉及一种电流传感器中的传感光纤，具体地说，是一种用于高电压线路中测量大电流和进行继电保护的反射式全光纤电流传感器中的传感光纤。

背景技术

在经济高速发展的今天，长距离传输电力的容量急剧增大，为了减少电力传输的损耗，提高传输电压是一个有效的办法。目前在高压线路中测量电流和进行继电保护的均是采用由硅钢片和漆包铜线绕制的电流互感器。随着线路电压的不断提高，这种电流互感器在绝缘上遇到了极大的困难，而制作光纤的石英材料本身就是良好的绝缘体，所以用光纤制成的电流互感器理论上可以在任意高的电压下使用，是目前使用的电流互感器的理想替代品。

全光纤电流互感器是利用光纤的法拉第效应，并采用萨格奈克(Sagnac)干涉的形式，目前这种传感器的传感光纤均有两部分组成，光纤1/4波片和圆保偏光纤。光纤1/4波片，它是把传输光缆中的线偏振光转换成圆偏振光；圆保偏光纤，它是利用法拉第效应传感信号的传感段光纤，它通常有一定的长度，并绕成一个光纤环。被传感电流的通电导体就穿过此光纤环，当通电导体内有电流流过时，其周围就产生磁场，由法拉第效应该磁场使得圆保偏光纤环内的圆偏振光产生一定的相位变化，再通过光纤1/4波片，把圆偏振光的相位变化转换成线偏振光的相位变化，最后通过萨格奈克干涉检测出此相位的变化，就测量到了通电导体内流过的电流了。

光纤1/4波片人们普遍采用线保偏光纤1/4拍长的长度与传输光缆的线保偏光纤成旋转45°焊接而成，而目前商品的线保偏光纤的拍长一般为4毫米左右，所以要对1毫米左右的光纤旋转45°焊接其精确度很难保证。申请号为01112680.9，名称为“具有多种偏振态变换功能的宽带光纤波片”的专利申请中提出利用旋扭光纤来制作光纤1/4波片，即采用线保偏光纤使其一端不旋钮，然后在光纤熔融状态下，把加热源沿光纤长度方向移动并同时开始把光纤由缓慢到快速旋转直到最高速旋转为止，这种旋扭光纤在不转端沿主轴方向注入线偏振光时在高速旋扭端能测到一个近似于圆的圆偏振光。当然也可以用制好的保偏光纤坯棒用旋转拉丝的方法来制作上述光纤1/4波片，只是该种光纤波片在要求把线偏振光变换成椭圆度优于0.9的圆偏振光时，在光纤熔融的快转端必须高速旋转，这样的高速旋转会造成光纤非常大的损耗，所以这样的高速旋转光纤段在实际应用上只能有数厘米的长短。

圆保偏光纤亦称低双折光纤或者超低双折射光纤。在上世纪80年代就有人提出把线保偏光纤坯棒边拉丝边旋转来制作圆保偏光纤，所以这种光纤又叫spun光纤。目前这种spun光纤在国外已成了一个系列商品，这种spun光纤椭圆度最高能达到0.8以上。(椭圆度是指在光纤输入端注入圆偏振光，在它的输出端用检偏器测到最小和最大两个正交方向的光功率的比值)。为了进一步消除超低双折射光纤内的残余双折射，即提高圆保偏光纤内传输光的椭圆度，申请号为01132102.4，名称为“实用保持圆偏振态光纤及其制备方法”的专利申请中提出采用三应力的spun光纤来制作圆保偏光纤，甚至有人提出采用多应力的spun光纤来制作圆保偏光纤。三应力和多应力的spun光纤能大大降低旋转速度，从而降低光纤在熔融旋转时的损耗，并且能够传输很圆的圆偏振光，再加上前述的旋扭光纤1/4波片或者呈45°焊接的光纤1/4波片，这两者能组成光纤电流传感器的较理想的传感光纤，但是三应力和多应力光纤目前没有商品可买，必须自己烧棒，拉丝制作，而且这种光纤的制备工艺复杂，必须具有保偏光纤制棒机和旋转光纤拉丝机这两台价格昂贵的大型设备。由于这种传感光纤用量非常之少，所以这两台价格昂贵的设备利用率很低，造成资源浪费。

实用新型内容

为解决现有技术存在的问题，本实用新型提出一种用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，其制作简单、成本低。

法拉第效应的公式为：

$\mathrm{\θ}=V\underset{0}{\overset{L}{\∫}}\mathrm{Hdl}$

其中H为被传感的磁场，L为磁场内受传感的光纤长度，V为光纤的费尔德(Verdet)常数，θ为光纤内光波电场偏转的角度，在圆偏振光中θ就是光波变化的相位。采用同样的线保偏光纤，当用不同的转速将光纤进行熔融旋转时，仍能传感磁场，仅仅是当转速降低时，传感磁场的灵敏度有所降低，换言之转速高的光纤能传输椭圆度大的圆偏振光，因而具有较大的费尔德系数，转速低的光纤只能传输椭圆度小的椭圆偏振光，则具有较小的费尔德系数。实际上当光纤熔融开始起转时，该起转段光纤已经能够传感磁场了，只不过费尔德系数非常小罢了，在一条传感光纤中当旋转速度不同时，即在同一条光纤中每一小段光纤的费尔德系数不一样时并不影响传感的效果，所以可以把费尔德系数看作是变量，上式可以改写为

当传感灵敏度过低时，可以适当延长传感光纤的长度L来进行补偿，这样光纤电流传感器的传感光纤不需要目前使用的光纤1/4波片和圆保偏光纤的概念，也不需要许多人一直追求的把光纤1/4波片做得线偏振光变换成圆偏振光变换得更好(如把线偏振光变换成椭圆度0.9以上的圆偏振光)，以及具有更好的保圆特性的圆保偏光纤(如采用三应力或多应力旋转光纤，它们能传输椭圆度0.95以上的圆偏振光)。

本实用新型可通过以下技术方案予以解决：

用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，包括线保偏光纤，所述线保偏光纤依次包含一不旋转段、一起转段和匀速旋转段，在所述匀速旋转段的末端面镀有反射膜。

本实用新型所述匀速旋转段长度通常为1-3米，一般不能小于80厘米；所述的反射膜可以是介质反射膜，也可以是金属反射膜。

由于采用以上技术方案，本实用新型只需把一根线保偏光纤在熔融状态随着加热源的移动由不旋转开始缓慢地到中低速旋转，并基本保持该中低转速熔融旋转光纤1-3米，最后在旋转光纤的末端面镀上反射膜即可，熔融光纤的旋转速度及光纤内偏振光的椭圆度也不要求统一规定。整条光纤从熔融旋转开始到结束都是传感光纤，不需要区分哪一段是偏振变换光纤(波片光纤)，哪一段光纤是传感段光纤(圆保偏光纤)。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1：把X方向的线偏振光在这种熔融旋转光纤的不转端对准其X方向主轴注入时，其反射光会变成Y方向的线偏振光从正交的Y方向主轴输出。同样把Y方向的线偏振光在不转端对准Y方向主轴注入时，其反射光会变成X方向的线偏振光在X方向主轴输出，这种特性的传感光纤非常适合于用在反射式光纤电流传感器中，而且在采用不同熔融旋转速度制成的这种光纤都具有上述特性。正是由于发现了这种现象，才导致提出采用这样简单的方法来制作光纤电流传感器中的传感光纤。而且这一点也是申请号为01112680.9，名称为“具有多种偏振态变换功能的宽带光纤波片”的专利中利用旋扭光纤来制作光纤1/4波片时没有提及的。

2：基本概念也不同：在传感段光纤内不需要传输圆偏振光也能稳定地传感电流，这就大大降低了制作传感段光纤的难度，同时也不需要光纤1/4波片的概念，这就省去了光纤1/4波片这个很难制作的器件，整条光纤内传输光的椭圆度不需要统一规定。

3：在整条光纤中把费尔德常数看成是变量的费尔德系数，这样在起转段光纤和匀速旋转段光纤在制作过程中其转速稍有不稳定，也不影响传感器的正常工作。

4：由于降低了光纤在熔融状态下的转速，其损耗可以大大降低，传感光纤制作的成品率就大大提高。

5：可以购买市售的线双折射光纤来熔融旋转制作，不需要价格昂贵的制棒和拉丝设备，使得制造成本大大降低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明：

图1是本实用新型的结构示意图。

图中：

1不旋转段；2起转段；3匀速旋转段；4反射膜

具体实施方式

下面根据附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，在线保偏光纤中依次包含不旋转段1、起转段2和匀速旋转段3，在匀速旋转段3的末端面镀有反射膜4。

线保偏光纤的不旋转段1是用来和传输线保偏光缆对轴焊接的，其长度任意，只要能焊接就可以了，起转段2是光纤在熔融时由不转开始到匀速旋转，这段光纤长度通常在几厘米到十几厘米，匀速旋转段光纤3是基本保持匀速旋转，其长度一般在1-3米；反射膜4可以是介质反射膜，也可以是金属反射膜，如金、银、铝、铜等任意金属。

本实用新型制作可这样进行：把市售的线保偏光纤(可以是任意应力双折射型和几何双折射型的线保偏光纤)去除涂敷层后，在自制的熔融旋转设备上进行熔融旋转。预先加热光纤数秒钟，然后起转光纤并同时沿长度方向以恒定速度移动加热源，光纤由起转并缓慢加速旋转一直到以中低速的旋转速率均速地旋转，这段光纤一般要几厘米到十几厘米，然后匀速地旋转熔融光纤约1-3米。具体多少转速最合适，除了要考虑加热源沿光纤移动的速度以外，主要取决于该自制设备在熔转光纤时光纤的稳定性，若在熔转时光纤上下左右跳动很厉害则会使得光纤在熔转完后损耗很大，此时必须降低转速并同时降低加热源移动的速度。仔细调整好光纤转速和加热源移动的速度，能使得制作好的传感光纤损耗较小，并在不转端沿光纤主轴注入线偏振光时在旋转光纤的末端测到的是椭圆偏振光。它的椭圆度要求在0.3-0.6左右。转速过低，椭圆度小于0.3，会造成传感灵敏度下降。转速过高，椭圆度大于0.6，虽然能提高传感灵明度，但可能会造成光纤损耗过大反而不不利于传感。而它的方位角无需考虑。具体的长度是多少还要考虑所传感的最大电流值是多少。如最大传感电流为2000A，则旋转光纤的总长度在1-2米就可以了。如最大传感电流降低，则传感光纤的总长度要延长至3米。为了使得该熔旋的光纤有一定的强度，在熔融旋转结束以后还需要把光纤进行高温退火处理。并涂上涂敷层，最后在旋转光纤的末端面上镀上反射膜，并绕成直径约12-16厘米左右的光纤环，一般为2至4圈，并最好整条旋转段光纤绕成整数圈以提高抗工频磁场干扰的能力。

使用时只需把不转端光纤与线保偏传输光缆对轴焊接。当传输光缆的x方向线偏振光进入旋转光纤时变成右旋椭圆偏振光(按光纤不同旋转速度，其椭圆度一般为0.3-0.6)，该椭圆偏振光在传感段光纤内传输的同时，由法拉第效应传感到通电导体产生的磁场，并产生相位差

该右旋椭圆偏振光被旋转光纤末端的反射膜反射后变成左旋椭圆偏振光返回，它同样产生法拉第偏转角θ，并出射回到线保偏光缆时变成y方向的线偏振光，此时它携带的法拉第偏转相位为2θ。同样当线保偏光缆y方向的线偏振光进入旋转光纤后变成左旋椭圆偏振光，并也携带着2θ的相位差变成x方向的线偏振光出射返回到传输线保偏光缆中，然后这返回的x，y方向偏振光携带着4θ的信息通过传输光缆回传到萨格奈克干涉回路，由干涉光路和光电探测器检测出此4θ的信息。这样就得到了被测量的通电导体的电流了。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims (4)

1.用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，包括线保偏光纤，其特征在于：所述线保偏光纤依次包含一不旋转段、一起转段和匀速旋转段，在所述匀速旋转段的末端面镀有反射膜。

2.根据权利要求1所述的用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，其特征在于：所述匀速旋转段长度为1-3米。

3.根据权利要求1或2所述的用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，其特征在于：所述反射膜可为介质反射膜或金属反射膜。

4.根据权利要求3所述的用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，其特征在于：所述金属反射膜可为铝、银、金、铜。

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