应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法与流程

本发明涉及光纤电流互感器技术领域，特别是指一种应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法。

背景技术：

近年来，随着社会经济的快速发展，以及超高压超高电流在运输过程的出现，对智能电网的要求越来越高，传统的电磁感应式结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点，全光纤电流互感器以其轻便、安全、准确等优越的性能越来越得到行业的认可。目前，光纤电流互感器(fiber optical current transformer,FOCT)都不能完全解决外界温度对光纤互感器精度的影响，光在光纤中传播的双折射现象也是不能彻底解决。

伴随经济的快速发展，特别是中东部地区用电负荷和用电量的急剧增长，以及西电东输，随着超高压超高电流在运输过程的出现，对智能电网的要求越来越高。传统的电磁感应式结构已逐渐暴露出与之不相适应的弱点

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法，简单高效的制备满足使用需要的应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒。

基于上述目的本发明提供的一种应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法，包括：

采用气相沉积工艺制作预设纤芯折射率的初预制棒；

根据预设的光纤尺寸和所述初预制棒的芯子尺寸，得到拉丝时预制棒的外径目标值；

根据所述拉丝时预制棒的外径目标值，采用套棒工艺制成最终使用的预制棒。

在一些实施方式中，所述气相沉积工艺为外汽相沉积法、汽相轴向沉积法、改良的化学气相沉积法、等离子气相沉积法中的一种或多种的组合。

在一些实施方式中，当所述气相沉积工艺为外汽相沉积法时，沉积速率为20～30g/min。

从上面所述可以看出，本发明提供的应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法，能够简单高效的制备满足使用需要的应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法流程图；

图2为磁光玻璃FR.5和FR-2的V值与温度之间的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法。参考图1，为本发明实施例的应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法流程图。

所述应用于光纤电流互感器的逆磁光纤芯棒制备方法，包括：

步骤1：采用气相沉积工艺制作预设纤芯折射率的初预制棒；

步骤2：根据预设的光纤尺寸和所述初预制棒的芯子尺寸，得到拉丝时预制棒的外径目标值；

步骤3：根据所述拉丝时预制棒的外径目标值，采用套棒工艺制成最终使用的预制棒。

光纤电流互感器是一种基于法拉第磁光效应，并以光纤为测量和传输介质的电流测量设备。与传统的电磁式电流互感器相比，其具有绝缘性能好、抗电磁干扰能力强、动态范围宽、安全性高等特点。目前制约FOCT实际应用的主要因素是环境温度和线性双折射对其测量精度的影响，因此，设法减小环境温度和线性双折射的影响对FOCT的实用化具有重要意义。

研发对温度不敏感的逆磁光纤

逆磁玻璃即玻璃中的原子没有永久的电子轨道磁矩，在外加磁场的作用下，只会产生与磁场方向相反的极小的诱导磁矩。在外加磁场下，一般光学玻璃的大部分网络形成体和网络修饰体离子，如Si⁴⁺、Na⁺、Ca²⁺、Pb²⁺及Ba²⁺，所有的电子都以配对，具有惰性气体的电子层结构，显示出逆磁性。1985年，Kazuo Shiraishi等研究了逆磁玻璃FR-2和顺磁玻璃FR-5在10到90℃范围内的Verdet常数随温度的变化曲线，从其绘出的图中可以很清楚的看出，顺磁玻璃FR-5的Verdet常数随温度变化是一条斜线，V值随温度增大而减小；而逆磁玻璃FR.2的Verdet常数随温度变化很小，几乎是一条水平的直线，如图2所示。

逆磁玻璃的V值除了热膨胀的作用，受温度影响很小，如果把逆磁玻璃做成光纤的形式，由于光纤做的很长，就会把逆磁玻璃的Verdet常数的温度效应放大，因此应该从最基础的玻璃组成上来降低玻璃的Verdet常数的温度系数。我们在这个基础上进一步研发逆磁光纤。

提高逆磁光纤的法拉第效应(Verdent常数)

法拉第效应是磁场引起介质折射率变化而产生的旋光现象，实验结果表明，光在磁场的作用下通过介质时，光波偏振面转过的角度(磁致旋光角)与光在介质中通过的长度L及介质中磁感应强度在光传播方向上的分量B成正比，即:

θ＝VBL

式中V称为费尔德常数，它表征物质的磁光特性。

Borrelli N.F.16J研究了锗硅酸盐玻璃中不同PbO含量对玻璃Verdet常数的影响，最后得出了结论：随着PbO含量的增加，Verdet常数会逐渐增大；而随着入射光波长的不断增大，Verdet常数逐渐减小。之后在1998年，c.B.Pedroso等在室温下，对组成为Bi₂0₃.CdO.Ge0₂(BCG)及Bi₂0₃.PbO.Ge0₂.B₂0₃(BPGB)的几种玻璃的磁光性能进行了测试。结果表明玻璃的Verdet常数随着玻璃中重金属氧化物的含量的增加而变大，对三元系统BCG随着重金属含量的增加，Verdet常数的增加会有一个饱和值，而对于四元系统BPGB却没有出现类似的饱和值。当BPGB中各组分含量为60mol％Bi₂0₃，10mol％PbO，22mol％Ge0₂，8mol％B₂0₃，玻璃有最大的V值47.09rad/T-m。

研究不同频率的光在光纤内的双折射现象

在给定的工作波长上，只传输单一的基膜的光纤，称为单模光纤。如在阶跃型光纤中只传播HE¹¹模或者LP⁰¹模。单模光纤中，LP⁰¹模有两种正交的偏振状态，其横向电场分别沿x轴方向和y轴方向，分别记为LP01^x模和LP01^y模。如果光纤是理想的，即其截面为标准的同心圆，折射率分布也是理想对称的，则这两个正交的模式位相常数完全相等，传输特性完全一样。这样的一对模式称为简并模。实际的光纤纤芯的几个形状可能不再是标准的圆柱，纤芯的折射率也可能因内部残余应力、扭曲等因素的影响而非理想的轴对称分布。这种非理想的状态导致LP01_x模和LP01_y模的相位常数β_x和β_y不相等，从而导致这两个正交的偏振状态模式在传输过程中产生附加的相位差，这就是单模光纤的双折射现象。单模光纤产生双折射现象的原因大致有三种：其一是光纤纤芯的截面不是理想的圆。这种由于纤芯截面的几何形状的变异引起的双折射可以称为几何双折射。其二是光纤中的应力引起的双折射，当光纤在两个正交的方向上受到不相等的横向应力时，光纤的折射率分布将呈各向异性，从而导致应力折射率。光纤所受到的应力主要是光纤从预制棒制作到拉丝，在到加护套，成揽等一系列工艺过程引起的。其三是由于光纤受到外加电磁场的影响，折射率分布发生变化，例如，光纤受到纵向磁场作用时将产生圆双折射，光纤中两个旋向相反的圆偏振波以不同的速度传播。

具体实施方案包括：

逆磁玻璃制作与检测

选取TeO₂、PbO和H₃BO₃三种化合物，H₃BO₃的摩尔比例固定为2％(H₃BO₃主要作用的粘合剂)，TeO₂和PbO按不同的比例混合均匀，放入马弗炉中烧制，多次烧制，确定合适的温度；同时也确定最佳TeO₂、PbO的摩尔比，打磨玻璃样品，测试Verdet常数，以及样品的折射率，以及膨胀系数，温度居里点等。通过样品每次各种参数的测试，微调热处理的温度和三种化合物的成份，然后确定纤芯和反射层的成份。

逆磁光纤的拉制

磁光光纤的制作方法主要一下三部分：

芯棒制备：

光纤预制棒制造技术普遍采用气相沉积工艺，如：OVD(外汽相沉积法)、VAD(汽相轴向沉积法)、MCVD(改良的化学气相沉积法)、PCVD(等离子气相沉积法)四种。这些工艺大都采用“两步法”：

第一步：通过MCVD等方法生产出所需要的纤芯折射率的初预制棒，也叫芯棒；

第二步：利用需要拉制的光纤尺寸，以及制得的芯棒的芯子尺寸，得到最后拉丝时预制棒的外径，最后通过套棒等工艺制成最后的预制棒。

芯棒再处理：

在芯棒拉丝前必须对其进行处理，这主要是因为两个原因：第一，如果芯棒符合设计尺寸，如满足芯包比的情况下可以直接拉丝，但是拉丝前必须对芯棒进行表面处理；第二，如果芯棒的芯包比不符合光纤的设计参数，必须要对芯棒进行套棒处理。众所周知，预拉制光纤的强度和强度分布，强烈地取决于初始光纤预制棒的质量，特别它的表面质量。由于预制棒表面存在的裂纹和杂质粒子，在高于600℃的温度下拉成光纤后，会遗留在光纤表面，形成裂纹和微晶缺陷。因此，为克服这一问题，以制备连续长度且高强度光纤，必须在拉制工序之前，愈合和消除这些表面缺陷。

芯棒拉丝：

为防止已处理好的预制棒被“再次污染”，最好将预制棒立刻拉丝。若不能立即拉丝，则应将处理好的预制棒悬挂在无尘密封容器中，隔绝污染源。我们实验室使用的是光纤拉丝塔。光纤预制棒的拉丝塔由五个基本部分构成：(1)光纤预制棒馈送系统；(2)加热系统；(3)拉丝设备；(4)各参数控制系统；(5)水冷却和气体保护及控制系统。五者之间精确的配合构成完整拉丝工艺。具体的机械和电气设备与系统包括：机械系统有拉丝塔架、送棒及调心装置、石墨加热炉、激光测径仪、牵引装置、水气管路系统等；电气部分有送棒控制及调心控制系统、加热炉控制系统、外径测控系统、牵引控制系统、冷却水及保护气体控制系统、人机界面、PLC信号处理系统等。利用实验室的拉丝塔，通过调整拉丝的温度、设置送料速度及牵引速度，就能够将之前制得的预制棒拉制成需要的光纤。

在制备光纤预制棒时，衬底管的选择非常重要：如果衬底管本身的OH^-1和金属杂质含量高的话势必会在制得的光纤中带来较大的基底损耗。为了避免这种损耗，实验室采用的衬底管是德国Heraeus公司生产的石英玻璃管，它釆用的是火焰水解法，其产品指标为OH<1ppm，实际生产的平均值仅为0.1-0.15ppm，全部金属杂质含量约为5ppm。

尽管Heraeus管的纯度己经很高，但是经过长时间的存放，管子内外壁不可避免的会粘有杂质，因此在做预制棒前对衬底管的清洗显得尤为重要。一般清洗分为氢氟酸泡洗，“清水”漂洗两步。氢氟酸泡洗是指将Heraeus管浸入一个充满氢氟酸的水槽，浸泡时间大概10分钟左右。目的是把微渗透于管子内外壁的杂质通过氢氟酸的腐烛清除掉，避免在制作预制棒期间杂质扩散至芯层部分，带来不必要的损耗。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。