专利名称：一种全光纤四分之一波片的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电领域，特别属于一种全光纤型的四分之一波片的 制作方法。
背景技术：
互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定 的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直
接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量；此外，互感器除用 作测量外还可以作继电保护器。
传统的电流互感器其结构基本与变压器相似，都具有体积大、重 量大、成本高、维护难、磁饱和、动态范围小等缺点，难以满足新一 代电力系统自动化、电网数字化的发展需要，因此当解决光纤传感技 术发展的桎梏后，全光纤结构干涉仪式电流互感器成为各国互感器开 发研究的重点。
全光纤结构干涉仪式电流互感器，由光电单元、光纤电流感应单 元和信号处理单元连接构成；其中光电单元用于产生用于检测的光信 号，并且接受载有电场信息的检测光信号输出给信号处理单元；光纤 电流传感单元利用光电单元产生的光信号检测流过传感线圈一次电 流导体中的电流，并返回检测光信号；信号处理单元将检测光信号进 行电路处理，最终输出一次电流的相关数据，交给合并单元输出。由于采用光纤等轻质材料，无需灌油，并且大量使用集成原件，因此与 传统型电流互感器相比，在体积、重量上具有明显优势外，并且其性 能具有以下优点
1. 动态范围大，适于精确测量；电流互感器具有很宽的动态范围， 其额定电流可测到几安培到几千安培，保护电路更是可达到几万安 培。这样的动态范围使得一个电流互感器即可替代传统型需要多个互
感器以满足测量和保护的要求；
2. 频率响应范围宽；经试验证明光纤电流互感器能测出高压电线 上的谐波，还能进行电流暂态、高频大电流和直流的测量；
3. 能够实现数字、模拟双输出，满足现代电网数字化、智能化、 自动化发展的需要。
需要特别指出的是光电单元产生的光信号为线偏振光，在进入位 于电流互感器高压区的光纤传感线圈前，需要一组原件将传输光路中 的线偏振光和传感头中的圆偏振光进行相互转化，以满足在电场中圆 偏振光受到Faraday作用产生相位延迟，获得相关的一次电流信息。 这个原件就是四分之一波片，是光纤电流互感器的关键器件。
传统的四分之一波片都是由分立元件或者单轴晶体制成的，他们 对于全光纤结构的电流互感器应用具有两个无法解决的弱点首先， 他们难以与光纤连接，难以接入全光纤结构的光路部分；其次他们体 积大，难于接入光纤传感头并进行工程化安装，因此全光纤电流传感 器中一般不允许用分立元件来组成光路，需特制光纤四分之一波片器 件的。此外，相对于传统型四分之一波片，全光纤结构的四分之一波片成本低也是一个很大的优势。
目前国外所采用的是通过高压电弧融化光纤并进行扭转45°而 达到制作波片的目的，具体来说是使用椭圆芯保偏光纤做四分之一波
片，先和低双折射敏感光纤焊接，然后在5cm长度内扭转45° ，再 进行高压打火熔融使之扭转，扭转区大约500 ym，因此可适当增加 长度。实际制作时可比要求的稍长，然后用焊接机的电弧加热光纤， 使掺杂的锗元素渗透进包层，减弱双折射，达到精密调节的目的，可 调节延迟25° 。 1/4拍长控制可通过加温保偏光纤改变双折射而精确 控制(如图1)。这种方案虽然能够保证四分之一波片的质量，但是 无论是设备复杂，成本高，并且工艺上需要参杂元素，因此可行性不 咼。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全光纤四分之一波片的制 作方法，它能够在不干扰一次电流感应并且绝缘的前提下，提高测量 精度，降低互感器重量和体积。
为解决上述技术问题，本发明的一种全光纤四分之一波片的制作 方法，其包括如下步骤(光路为传输光纤一四分之一波片一单模光
纤)
1. 光纤的选择，选择长拍长保偏光纤，以合理放大保偏光纤 能够切割的波片长度；
2. 波片的焊接，将光纤传输段保偏光纤与波片光纤主轴对准 后，旋转45°后焊接，并可以通过消光比测试仪实时监控。当保偏 光纤中所透射的光之光强最大且消光比最低时焊接成功，该物理量表征两端光纤主轴对准且透射光为圆偏振光；
3. 将焊接好的光纤利用特制模具从波片端切割为四分之一拍
长，并用消光比测试仪检测波片质量，若透射的光之光强最大且消光
比最低，则于传感头部分单模光纤对接；
4. 利用特制热縮套管对制作四分之一波片所产生的两个焊点 进行保护，以保证波片能够抗氧化长时间使用。
所述步骤(2)、 (3)中，焊接时可以通过消光比测试仪实时监控。
本发明的优点如下
1. 制作工艺简单，无须进行元素参杂，因此普通工人经过简单培 训就能进行操作；
2. 制作可靠性高，可以利用消光比测试仪进行实时监控，可以提 高波片的焊接成功率；
3. 制作成本低，波片结构简单，仅仅一米光纤就能制作多组波片；
4. 制作设备简单，仅需使用光纤焊接机、切割刀等普通的光纤设 备，无须额外增加波片制作成本。
以下将结合附图和实施例对本发明作进一歩说明。
图1是现有电弧扭转式四分之一波片制作工艺图。
图2是本发明环形全光纤电流互感器光学系统结构示意图。
图3是本发明四分之一波片原理图。
图4是本发明全光纤结构四分之一波片制作工艺图。
具体实施例方式
参看图2说明本发明萨格奈克干涉仪式环形全光纤电流互感器 光学系统结构。如同大多数光学电流互感器一样，萨格奈克(Sagnac)干涉仪式 全光纤电流互感器也是根据Faraday效应制成。当一光束传播方向平 行于邻近磁场方向的时候，那么，光束的偏振状态中圆形分量必将产 生与磁场强度成正比的相位移。该相位移的极性取决于磁场相对于光 束传播的方向。这就是说，这种现象是非互易光学过程。S卩，光束正 反两次通过石英光纤芯后的总偏振转角不为零，而是两次旋转角的叠 加。若通过N次，则总旋转角增大N倍。在环形干涉仪的光纤线圈内 沿相反方向传播时，也会检测到一个相位差A^。因此，在萨格奈克 干涉仪式结构的光纤电流互感器中，这一相位差A&等于两倍的(单
个方向传播的线偏振光)法拉第旋转角^:
A 0F = 2^. = // 丄
式中，V为石英光纤芯材料的维尔德常数，H是平行于光束传播 方向的磁场矢量，L是透明介质光纤芯的长度。
在环绕导电体的光纤环中，透明介质光纤芯的长度L构成圆圈。 根据安培环路定律，沿着闭合环路积分，得出产生磁场H的电流I
的光纤电流互感器 中的光路。通过测量顺时针与逆时针方向传播的相干的两束光干涉的 光强度，间接地测量出导线中的电流I。图中，光源1是SLD光源， 它发出来的光进入第 个3dB光纤耦合器2，在经过一段短距离传输光纤4，输送给集成光芯片3实现起偏、分光、合光、相位调制等功
能。集成光芯片3将第一个3dB光纤耦合器2发送来的光转换成两束 被调制的线偏振光，分别以顺时针和逆时针方向传播。当顺时针方向 行进的光经过长距离传输光纤4后由四分之一波片5将线偏振光变换 成圆偏振光。这个方向传播的圆偏振光，穿越电流传感光纤线圈6进 入另一端四分之一波片5。此时，四分之一波片5又起到把圆偏振光 变换成线偏振光的作用，反向亦然。电流传感光纤线圈6环绕着一次 电流导体7。在传感光纤线圈6中，两束相同的圆偏振光在相反方向 上传播时受到因一次电流所感生磁场的Fraday效应产生了非互易相 位差。当第二次经过四分之一波片5后，两束含有一次电流信息的线 偏振光在集成光芯片3中合并后而发生干涉。携带着一次电流信息的 光信号再次通过耦合器2，被光探测器检测到，经信号处理单元9输
出用户所需要的数字/模拟信号。
其中1、 2、 3、 4、 8属于光电单元；5、 6属于光纤电流感应单 元；9属于信号处理单元；7为所测的一次电流导体。
参照图3是本发明四分之一波片原理图.
波片是从椭圆芯保偏光纤上平行于主轴方向截下的薄片，A为波 片的快轴，4为波片的慢轴。若平面偏振光垂直入射波片，且其振动 面j (振动方向与传播方向所确定的平面)与波片的快轴成a角，则 在波片内入射光被分解成振动方向互为垂直的两束平面偏振光，称为 o光和e光。它们的传播方向一致，但在晶体内因传播速度不同而产 生一定的相位差，当它们经过厚度为d的波片时，相应的相位差为
警U
式中入为入射光波长，/7和M。分别为波片对o光和e光的折射显然，通过波片后的的偏振光，将是沿同一方向传播的两个平面 偏振光叠加的结果。由于o光和e光的振幅不等，有一定相位差，且 振动方向互相垂直， 一般合成为椭圆偏振光。椭圆的形状随o光和e 光的相位差值的不同而改变。对于同种波片，决定椭圆形状的因素是 入射光的振动方向与波片光轴的夹角a以及波片的厚度。
若AO二 (2k+l)兀/2， k二l、 2、 3…，则称为1/4波片(或入/4
片)，其最小厚度为
这时一般从波片透射出的光为椭圆偏振光，且当a二Ji/4时，透 射光为圆偏振光。
图3中，当线偏振光振动方向与四分之一波片的光轴方向成45 °时，则可以通过该波片实现线偏振光与圆偏振光间的转化，并且这 是一个互易的过程。
参照图4是本发明全光纤结构四分之一波片制作工艺图。本发明 所采用的方案一段长拍长的保偏光纤与传输光路的保偏光纤主轴对 准后，旋转45°焊接；然后以焊点开始，将长拍长保偏光纤切割成 四分之一拍长后再与传感头单模光纤主轴对准焊接。焊接时通过消光 比测试仪实时监控。
光纤四分之一波片的制作难点在于拍长测试的困难；保偏光纤 小尺寸的切割；低损耗小尺寸光纤的焊接及焊点损耗的控制；短距离
双焊点保护。上述难点可以通过特殊模具的制作以及先进悍接机的熟 练操作便能够很好得到克服，实践可行性高，且制作波片成品率高， 可靠性高。
最后应说明的是，以上具体实施例仅用于说明本发明而并非限制
本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述实例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然 可以对本发明进行修改或者等同替换；而一切不脱离本发明的精神和 范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当 中。
权利要求
1、一种全光纤四分之一波片的制作方法，其特征在于包括如下步骤(1)选择长拍长保偏光纤制作四分之一波片；(2)波片的焊接波片与传输光路保偏光纤相焊接；(3)波片的切割、焊接波片与传感光路单模光纤相焊接；(4)波片焊点的保护。
2、 根据权利要求书1所述的全光纤的四分之一波片制作方法，其特 征在于所述步骤(2)、 (3)中，焊接时可以通过消光比测试仪实时监控。
全文摘要
本发明公开了一种全光纤四分之一波片的制作方法，萨格奈克干涉仪式全光纤电流互感器，包括传感光路、从110kV～550kV～1000kV高电压部位至电站控制室的传输光纤、信号处理电子电路、合并单元的接口电路等模块，符合IEC 60044-8标准，适用于输变电行业以及其它测量大电流的场合。全光纤电流传感器是通过电流对敏感线圈中(表头)的圆偏振光的相位改变而实现电流传感的，全光纤电流互感器中实现线偏振光与圆偏振光相互转换的关键部件四分之一波片的制作方法，其步骤是选波片、波片与传输光路及传感光路焊接、焊点保护。
文档编号G02B5/30GK101620287SQ200810040208
公开日2010年1月6日 申请日期2008年6月30日 优先权日2008年6月30日
发明者宇 崔, 李佳程, 李荣翔, 白洁雁, 靓 薛, 茵 陈, 陈殿印 申请人:上海新跃仪表厂