本发明涉及一种采用高磁光系数传感光纤-即高费尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器，可以用光学的方法测量电流，特别是用于测量高压输电网的电流；也可以用于以光学方法测量其它物理量，如磁场等。
属于电力能源与光电子领域。
背景技术：
基于Faraday-磁光效应的电子式全光纤电流互感器(简记：光纤电流互感器；或缩写：FCT)属于无源型的电子式光学电流互感器，具有传统电磁式电流互感器无法比拟的优势。电子式全光纤电流互感器充份利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，安全，可靠，理论完善，性能优越，具有其它各种技术方案无法比拟的优势，是新一代光学电流互感器的发展方向，是智能电网必需的关键设备之一。
利用Faraday-磁光效应，处于交变磁场有效分量方向上的石英光纤中所传输光束的偏振面转动角度与该处磁场强度成比例。所谓高磁光系数传感光纤-即高费尔德常数光纤则具有较现用常规石英光纤高的比例系数，即有高的菲尔德常数-Verdet常数。
电子式全光纤电流互感器的优点
基于磁光效应制造的电子式全光纤电流互感器充份利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，具备如下重要优点：
-优异的电气绝缘性能：高低压电气完全隔离；
-抗杂散电磁场干扰；
-无铁磁饱和；
-频域宽度大；
-响应速度快；
-大动态范围内的高精度；
-高的谐波准确度；
-轻得多的重量；
-小得多的体积；
-无需油，纸，塑料，特殊气体等绝缘材料，保护环境；
-光纤输出数字信号；
-无燃烧，爆炸危险，具有高安全特性；
-不存在二次开路危险；
-运行及维修费用低；
-抗快速暂态过电压(VFTO)干扰；
-暂态特性好；
-可靠性强；
-集成化、智能化的优势；
上述重要的优点，很大程度上是依赖于其特定的光学结构：传感光纤与其余部分的光纤经过熔接，与很少几个在线运行的光纤器件结合而贯穿全光路，构成一根完整的光纤。其中关键的部分是闭合围绕载电流导体的传感光纤圈，它由传感光纤弯曲盘绕成若干圈后闭合而构成，决定了光纤电流互感器所获取电流(所生成磁场)对应的光信号的强度。只有信号强度足够，才可以保证测量的准确度。
尚未逾越的技术障碍
目前所研制出的FCT的性能已经接近实际应用的水平。然而还存在一些尚未逾越的技术障碍：这就是传感光纤圈的结构复杂，制作困难，材质脆弱，并且温度特性不够稳定；而且难以达到足够的一致性。使得电子式全光纤电流互感器的整体准确度，可靠性，稳定性，一致性都受到不利影响。具体如下：
-传感光纤圈的温度特性不够稳定，即主要由于传感光纤圈的输出信号随环境温度的变化而改变，因温度变化形成的误差造成FCT的整体误差难以降低到国家标准允许的程度以内；
-所制出的传感光纤圈一致性较差，且难以提高；
-制造工艺相当繁杂，艰难，成品率很低；
-所制出的传感光纤圈结构复杂，材质脆弱，牢固性差；
在FCT中，围绕载流导体闭合的传感光纤圈中服从安培定律：
θ：传感光纤中两束偏振光之间的相位差
(对应于待测电流的光信号)；
I：流过载流导体的电流(被测的电流)；
H：流过载流导体的电流产生的磁场强度；
N：闭合传感光纤圈的匝数
V：菲尔德常数
目前所普遍应用的关键的传感光纤，其成分都基于通讯中所应用的常规石英光纤的熔融石英材料制成，相应的菲尔德常数处于大约1微弧度/1安培·匝(1μrad/A.1)的数值上，对应的波长为：1310nm。在专门为磁场传感所制作的传感光纤中，尽管制作工艺以及光纤构造多种多样，但是由于所用材料相同，磁场传感光纤的菲尔德常数同样约为1μrad/A。但是在这个水平上获取的信号强度明显不足以保证全部测量电流范围中国家标准所要求的准确度。为了满足这个精度要求对应的信号强度，利用现有熔融石英材料旋光纤必须采用相当多匝数的光纤来制作传感光纤圈。
至今为止作为最佳选择，制作传感光纤圈的传感光纤都是采用熔融石英材料制作的特种光纤：旋光纤(spun fiber)，其材料为熔融石英，对应的表征磁光转换效益的菲尔德常数在波长1310nm处约为1μrad/(安培.匝)。尽管采用了非常复杂，极为困难的工艺及设备制作出昂贵的旋光纤，但因为其原材料都是用的熔融石英材料，都具有大致相同的菲尔德常数。
即使采用了熔融石英材料旋光纤，但是为制作能够提供足够信号强度的传感光纤圈，不得不采用了非常复杂的工艺技术，利用了结构很脆弱的专用器件，其结果：成品率非常低下，一致性很差，并且很难提高。
尽管如此，这种FCT测量的准确度仍然无法保证达到0.2s级别，而只能够达到0.2级。而且测量准确度在全温度区间(-40℃～+70℃)里保持在国家标准要求范围内还是十分困难，十分勉强的，各类测试中实际上勉强达到标准要求。
由于制作传感光纤圈时必须弯曲光纤使其成圆圈，这会改变光纤内部的应力分布，从而改变光纤内部的折射率分布，在光纤内部形成线性双折射，由此改变光纤中所传播光束的偏振态。这就改变了FCT所测信号的强度，因而造成了FCT测量结果的误差。
不仅如此，由于制造传感光纤圈不得不采用相当多匝数的传感光纤，并且这种传感光纤圈的直径受应用条件约束而不能够过大，所以多匝数小直径传感光纤圈就导致了光纤内部弯曲应力较大，对应的线性双折射也就较大。当外界温度变化时，这些光纤内部较大的应力及其对应的线性双折射会随外界温度而改变，更为难解决的是该线性双折射还会随外界温度的变化率而改变，最后导致电子式全光纤电流互感器(FCT)的准确度受到温度的影响，并且非常难于以数字补偿的方式克服此影响，使得FCT对于同一电流测出的信号也随环境温度变化。
线性双折射的变化率随环境温度的变化速率而变化使得线性双折射随温度变化的数值实际上难以重复出现，并且测试操作中的各种因素，以及测试经历过程都对其有影响。这就使得对线性双折射的误差作温度补偿变得异常复杂而且效果不稳定，不确定，以至于实际应用中无法可靠进行。
由于FCT工作的全温度区间高达110℃，所对应的误差数值足以显著影响国家标准规定的测试精确度，无法忽略。
因此增大传感光纤的菲尔德常数，使得在保证对相同待测电流传感出相同信号强度的前提下，尽量减少传感光纤圈的匝数，从而降低传感光纤因弯曲成圈而产生的线性双折射，以此显著降低因温度变化对光纤传感圈输出信号造成的误差，并且降低线性双折射随温度变化过程而变化对应的不稳定。由此方式FCT可以降低整体误差，提高全温度范围内的测试准确度。
本专利给出的技术方案
按照本专利设计制造的电子式全光纤电流互感器，不仅具备上述优点，而且还有特别的优势：
·整体结构精炼，轻便，紧凑，牢固；
·传感光纤圈构造简单，容易制作；
·长期运行可靠；
·抵抗振动和温度等干扰；
高可靠性，长寿命，低成本，可以在恶劣工作环境下长期使用。
本专利给出的方案：改变传感光纤所用材料的性质-增加传感光纤的磁光系数，即显著增大传感光纤的菲尔德常数。
应用本专利技术制出的特种光纤构成的传感光纤圈，能够既通过具有高费尔德常数的光纤提供足够信号强度以保证测量准确度，又可以减少传感光纤圈的匝数，以保证FCT温度稳定性等指标；同时还能够大大降低传感光纤圈的复杂程度，简化制作工艺，增加传感光纤圈的坚固程度，并且增强所制出传感光纤圈的一致性。
这样的特种光纤既要满足现用光纤的光学特征基本指标，又必须具有比常规光纤高很多的菲尔德常数，才能够利用这种高磁光系数光纤构成的传感光纤圈，制造出最终能够克服上述所有缺点的满足工程制造和实际电网运行应用要求的电子式全光纤电流互感器(FCT)。
提高其菲尔德常数的方法
本专利提出增高制作FCT传感圈所用光纤的磁光系数，即提高其菲尔德常数的技术方案。
高费尔德常数光纤带来的好处：
*增大测试信号的信噪比-允许达到0.2s级计量准确度；
*提高在大动态范围内提高精确度；
*减少光纤传感圈匝数，显著简化光纤传感圈结构；
*去除光纤传感圈内部复杂的封装构造及其脆弱又艰难的制作工艺；
*显著增加光纤传感圈测量精度随温度变化的稳定性；
*增强传感光纤圈内部结构的的牢固程度；
*取消或简化用于温度补偿的整套装置：
-光纤温度传感头；
-测温信号传输光纤；
-测温信号解调电子模块；
-测温光路及其光源；
-免去了复杂而又敏感的温度补偿系数调试，校对，预测试工作；
*使得FCT整体系统的可靠度，耐久度，牢固度，都显著提高；
*使FCT整体结构大为简化；
*降低FCT的成本；
*允许设计和制造测量低电流信号的FCT；
最终，采用高费尔德常数传感光纤会使得电子式全光纤电流互感器成为真正可以应用于高压电力网中的产品及商品。
为获取高费尔德常数传感光纤，要对制造石英光纤以及玻璃光纤的材料进行掺杂。
附图说明
图1采用高磁光系数传感光纤的电子式全光纤电流互感器(FCT)示意图；
具体实现措施
目前的状况
现今制作FCT通常所用的传感光纤是熔融石英旋光纤，并且是单模光纤。FCT光源的波长为1310nm，其光束所通过的芯层(core)以及包层(cladding)所用的材料一般为不同成份杂质以适当配比掺杂的SiO2(二氧化硅)；这些石英光纤都具有大约为1μrad/A.匝的菲尔德系数。
选取掺杂材料
目前已经制作出的费尔德常数V值比较高的光学材料主要是磁光玻璃。
磁光玻璃可以分为两类：顺磁玻璃和逆磁玻璃。
在(1)式中，费尔德常数V值为正值的磁光玻璃是逆磁材料，V值为负值的磁光玻璃则是顺磁材料。
顺磁玻璃具有较大的Verdet常数，但是对温度的依赖性大，Verdet常数基本与温度成反比关系。
而逆磁玻璃虽然Verdet常数相对较小，但对温度依赖性很小，因而可以制作更稳定的磁光器件，以在特殊环境下应用。
为了制作高磁光系数-高菲尔德常数的顺磁玻璃，需要利用稀土元素铽(Tb)；以及其它各种可以增高费尔德常数的掺杂元素或化合物，如：镨Pr，铯Ce，镉Nd，镝Dy，...等等，及其化合物。
为了制作高磁光系数-高菲尔德常数的逆磁玻璃，需要利用各种可以增高费尔德常数的掺杂元素或它们的化合物，如：铅Pb，硼B，锗Ge，碲Te，锑Sb，铋Bi，Tl铊，...等等，及其化合物。
制作高费尔德常数掺杂石英传感光纤所用的光纤预制坯需要掺杂的元素及其化合物与磁光玻璃所需要的逆磁或顺磁掺杂材料成份类似，但是所对应浓度数值会有不同。
为了达到FCT在大气环境温度中运行的要求，在掺杂光纤的选择上应该尽量选用其菲尔德常数的温度特性很稳定的逆磁材料掺杂的光纤，对应的这类光纤的菲尔德常数经估算在1310nm处大约为：～0.015min/Osd.cm；从上述计算可以得出对应的国际单位制的菲尔德常数值约为：～5.5μrad/A.匝。FCT中相应的具有足够待测电流信号强度的掺杂光纤传感圈匝数可以对应取为：2匝。
实现的方法
逆磁性的法拉第磁旋光玻璃(Diamagnetic Faraday Rotators Glass)，其灵敏度比较高，旋光特性(Verdet Constant费尔德常数)几乎不受环境温度(-55-+135摄氏度)变化的影响。因此制作具有较高菲尔德常数的传感光纤选择逆磁性材料较为适当。
由于现有的逆磁材料主要是以磁光玻璃形态存在，而制作掺杂石英光纤预制坯以及拉制石英光纤的技术与设备，工艺都相对复杂得多，且成本也高的多，所以从制作逆磁材料玻璃光纤的预制坯开始比较容易；随后可以再进行玻璃光纤的拉制。再对所获取的玻璃光纤费尔德常数V值进行测试，以确定掺杂配比，掺杂成份，等各类工艺参数。
掺杂的技术
现有的逆磁玻璃材料已经做过很多研究和试验，首先要确定必需的菲尔德常数数值范围，同时考虑所制作出玻璃光纤所必需的光学，机械，热力学特征，再计算或依据经验估算出基本的掺杂成份，掺杂材料的配比与数量；以及加工逆磁材料玻璃光纤的预制坯工艺的必要参数；以及最后拉制玻璃光纤的各个条件。
对于熔融石英光纤预制坯的制作则较为复杂。应该在逆磁玻璃光纤的研制有些经验和基础后再开展。可以考虑采用MOCVD(有机金属化学气相沉积)等技术制作。
选取适度高费尔德常数
为获取高费尔德常数传感光纤，必需选取适度的制作玻璃材料或者石英材料掺杂浓度比例。
因为过大的掺杂材料比例浓度会降低光纤的优异特征及磁光性能，所以应保留光纤的优异特征如：很低的光强衰减，热稳定性高，化学稳定性好，较高的抗拉与抗弯曲强度，良好的柔韧度，。。。等等，以及良好的磁光性能及成玻性，而不用过大的掺杂材料比例浓度去获取过高的费尔德常数。
对于国家标准规定的220kV电压等级的FCT，其额定电流为1200A。对于这样的待测电流数值，掺杂光纤的费尔德常数在波长为1310nm处达到不低于约：3μrad/A.匝就可用于额定电流1200A的FCT，即达到不低于约0.009min/Osd.cm就够用。
如果在此数值水平仍然无法很好地保留掺杂光纤优异特征以及良好的磁光性能及成玻性，可以考虑再降低掺杂浓度使得掺杂光纤的费尔德常数不低于约2μrad/A.匝，即不低于约0.006min/Osd.cm；这样的掺杂光纤也能够应用于额定电流1200A的FCT。
在逆磁共掺杂光纤的费尔德常数达不到上述最低数值的情况下，可采用顺磁材料共掺杂制作高菲尔德常数光纤；并在信号处理单元增加对应的数字补偿功能以便消除顺磁材料菲尔德常数随温度的变化。
在国家标准规定的110kV电压等级的对应额定电流较小如600A(或更小)的FCT中，也可采用顺磁材料共掺杂制作的高菲尔德常数光纤；以及在较大浓度逆磁材料掺杂才能满足高费尔德常数但是却无法保留掺杂光纤良好的光学和其它物理性能时，可改用低掺杂浓度顺磁材料共掺杂制作的高菲尔德常数光纤以保留掺杂光纤良好的光学和其它物理性能；这两种情况都需要在信号处理单元对应增加数字补偿功能以便消除顺磁材料菲尔德常数随温度的变化。
研发的阶段；
A试制逆磁及顺磁材料的玻璃光纤预制坯；
确定目标参数；
-适当高的费尔德常数
在波长为1310nm处对应国际单位制的菲尔德常数值范围，约为：5.5±2.5μrad/A.匝；折合为传感光纤圈的匝数：1～3匝；处于可接受范围内。
应该注意，过份高的菲尔德常数值是不能够接受的，也是不需要的。例如，超过大约10μrad/A.匝的菲尔德常数值时，对应的掺杂浓度就可以降低一些。
掺杂光纤的费尔德常数在波长为1310nm处达到不低于约3μrad/A.匝就能够应用于额定电流1200A的FCT；若在此数值水平仍然无法很好地保留掺杂光纤优异特征以及良好的磁光性能，还可以再降低掺杂浓度使得掺杂光纤的费尔德常数不低于约2μrad/A.匝也能够应用。
掺杂浓度这个参数的选取与控制可以由计算和经验完成，其对应菲尔德常数的数值处于上述范围内即可。
材料的特性；
-光学参数范围
对玻璃光纤预制坯掺杂一般会增大用它所拉制光纤内所通过光束的损耗。但是因传感光纤圈匝数减少而大大缩短了光束必须通过掺杂光纤的长度，所以光束在逆磁玻璃光纤内的单位长度传播损耗值允许适当高于现用的熔融石英旋光纤的单位长度损耗值。这一点在制作逆磁玻璃光纤预制坯时就必须考虑到；当然最好低于或接近于此数值水平。
-力学热学参数范围
考虑到玻璃光纤预制坯将用于拉制光纤，且所得光纤必须满足绕制传感光纤圈，则对玻璃光纤预制坯的结构强度及力学热学特征应满足拉制光纤的要求。同时应该考虑到满足玻璃光纤与石英光纤熔接的条件。
B拉制玻璃光纤
确定光纤类型
从制作磁光玻璃光纤预制坯工序开始进行掺杂。预制坯工序完成后进行拉制光纤。希望获得单模的传感掺杂光纤，因为与其匹配，熔接的都是单模光纤，同类型光纤熔接时熔接处的损耗比较小。
若是单模玻璃光纤的拉制比较困难，可以先拉制多模的掺杂玻璃光纤。利用这些多模玻璃光纤进行测试，以确定掺杂磁光材料的配比及工艺。随后再对玻璃光纤的类型做改进。
C玻璃光纤应有性能；
用于制作传感光纤圈的掺杂玻璃光纤应当在1310nm波长具有尽量低的光束传播损耗；与和它熔接的石英光纤接近的模场半径；良好的力热学性能以保证熔接处能适应于全温度区间内FCT的正常运行；掺杂玻璃光纤的费尔德常数值要处于上述给出值范围内；还要保有一般光纤的其它优点，如柔软性以便绕制成传感圈；又如抗拉性以保证传感圈强度。
高费尔德常数掺杂光纤可以由玻璃光纤预制坯掺杂形成，也可以由熔融石英光纤预制坯掺杂形成；这两类光纤中进行掺杂的区域都是光束传播所通过的的芯层(core)部份。
在逆磁共掺杂光纤的费尔德常数过低而达不到上述最低数值(2μrad/A.匝)的情况下，可采用顺磁材料共掺杂制作高菲尔德常数光纤；并在信号处理单元增加对应的数字补偿功能以便消除顺磁材料菲尔德常数随温度的变化。
在额定电流较小如600A(或更小)的FCT中；以及在较大浓度逆磁材料掺杂才能满足高费尔德常数但是却无法保留掺杂光纤良好的光学和其它物理性能时，可改用低掺杂浓度顺磁材料共掺杂制作的高菲尔德常数光纤以保留掺杂光纤良好的光学和其它物理性能；这两种情况都需要在信号处理单元对应增加数字补偿功能以便消除顺磁材料菲尔德常数随温度的变化。
同时掺杂掺杂玻璃光纤外层也同样应为具有良好性能的有机材料涂覆层。
D掺杂逆磁及顺磁玻璃光纤性能测试；
用于制作传感光纤圈的掺杂玻璃光纤应当在1310nm波长处进行测试。测试主要内容有：
-掺杂玻璃光纤费尔德常数值；
-该费尔德常数值随温度的变化率；
-掺杂玻璃光纤中光束传播损耗；
-熔接点造成的附加光束传播损耗；
-掺杂玻璃光纤中各处费尔德常数的均匀性(即掺杂的均匀性)；
判定掺杂逆磁玻璃光纤的综合性能是否达到制作FCT传感光纤圈的要求指标。如达到则适用于FCT整机研制，否则就要从步骤A开始再研究，优化。
E掺杂逆磁及顺磁石英光纤预制坯的试制；
重复对玻璃光纤所进行的所有上述研制过程，并且依据石英光纤特点进行调节，优化，直到获得具有适当高的费尔德常数的，同时保持单模石英光纤其它优异特征的逆磁掺杂石英单模光纤时为止。
高费尔德常数传感光纤用于整机制作
整机性能总体设计；
在FCT整机结构框图中传感光纤圈的布局如图所示(图1)。
国家标准中对于220kV电压等级的额定电流定为：1200A。在FCT利用常规熔融石英光纤制成的传感圈中，为了达到测量0.2级的准确度，并且同时不至于带来过高的线性双折射，也就是传感光纤圈尽量取圈数少些的考虑下，常取传感光纤圈匝数为8匝左右。尽管如此，这种FCT测量的准确度仍然无法保证达到0.2s级别。而且测量准确度在全温度区间里保持在标准要求范围内还是十分困难。
在对于同样的待测电流数值，如1200A的额定电流，获取同样强度传感信号的前提下，对应此额定电流，采用了高费尔德常数的掺杂光纤所制作的传感光纤圈需要绕制的匝数最佳不大于2匝，一般的也不宜大于4匝；比目前所应用各类石英光纤的传感光纤圈需要绕制的匝数少得多。这就允许极大地优化传感光纤圈设计。
传感光纤圈设计；
利用逆磁高费尔德常数光纤可以大大简化传感光纤圈的结构和设计；同时改善其性能，尤其是提高对于温度变化时的稳定性和一致性；并且使得传感光纤圈的制作工艺难度显著减低。
此外还可以改进传感光纤圈的其它性能，如抗振性能，抗外界强磁场干扰性能，传感光纤圈的可靠性，等等。
传感光纤圈制作；
采用高费尔德常数掺杂光纤的传感光纤圈只需要绕制很少的匝数，这类传感光纤圈与安置于其中的光纤盘都易于做到结构简洁，易于完成传感光纤圈的闭合要求，易于保证温度稳定性，易于实现不同传感光纤圈之间的一致性，并且能够用精确，坚固，可靠，容易的方式安置在光纤盘中。
构成传感光纤圈的光纤四分之一波片的两段尾纤的非线保偏光纤一端可以直接熔接相连于一段高费尔德常数的掺杂光纤，并且用此段高费尔德常数的掺杂光纤绕制构成传感光纤圈；若不直接熔接相连于掺杂光纤，则传感光纤圈非掺杂光纤部分由于具有相对较低的费尔德常数，会造成传感光纤圈灵敏度在不同方位安置时的不均衡，所以必须尽量取短些，并且将此部分对应于外界干扰磁场可以忽略的方位作安置。
既然逆磁高费尔德常数光纤的菲尔德常数是现用石英光纤的5～10倍(具体数值需要实际测试给定)，则仅仅采用1～3匝构造的传感光纤圈就可以满足FCT对于磁光效应产生信号强度的要求。这就大大简化了制造工艺，消除了现用的繁杂，脆弱，成品率极低，一致性极差的工艺流程和结构，使得FCT整机性能受益甚多，有望达到和完全满足现实工程应用的苛求，使得FCT真正走进高端电力设备市场，成为智能电网的坚强支点。
传感光纤圈测试；
测试主要围绕传感光纤圈的温度特性开展。依据国家标准规定的温度循环测试流程，传感光纤圈的温度特性应该能够很好的，游刃有余的满足上述标准的苛求。
整机性能改进；
通过对制造传感光纤的原材料进行逆磁或顺磁的磁光物质掺杂而增大传感光纤的菲尔德常数，使得在保证对相同待测电流传感出相同信号强度的前提下大大减少传感光纤圈的匝数，可以显著降低因温度变化对传感光纤圈输出信号造成的误差和对应的不稳定。由此方式也就使得FCT可以降低整体误差，提高运行全温度范围内的测试准确度，与此同时FCT整机性能，如对于待测电流的测量准确度，FCT整机的稳定性，长期可靠性，一致性，结构的坚固程度等，都有显著提高。
所以采用高费尔德常数传感光纤制作传感光纤圈成为电子式全光纤电流互感器FCT改善对于温度变化的稳定性以提高测量准确度，并提高整机上述诸多性能的必然选项。