专利名称：传感光纤、传感光纤环及直通型全光纤电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感光纤。本发明还涉及一种由该传感光纤制成的传感光纤环， 以及应用该传感光纤环的直通型全光纤电流传感器。
背景技术：
全光纤电流传感器正在高压输电网和电力智能网中开始得到了使用，但其长期稳定性和抗干扰能力是决定其实用性及被广泛应用的最关键指标。目前国内对全光纤电流传感器进行研究的单位可能超过了 20家，极大多数技术方案是从光纤陀螺技术中移植过来的，传感光纤环几乎都采用了所谓的四分之一波片，加超低双折射单模光纤。尽管个别企业的全光纤电流传感器已经进入生产和挂网运行阶段，但产品性能的重复性和长期稳定性还面临着严峻的考验。实际上，从国外进口来的超低双折射光纤在被弯曲做成光纤环后，就产生了额外的线双折射，而这种线双折射强烈依赖于温度，加上光纤本身受外界振动等因素的影响，使得所传输的光偏振特性极不稳定。全光纤电流传感器的原理是基于光的法拉第效应(Faraday Effect)，并可表述为 θ = Vf Η(1λ，其中H是被传感的磁场，L是磁场内传感光纤的长度，V为传感光纤的费尔德
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(Verdet)系数，θ为光纤内光波电场偏转的角度。申请号为200910262107. 2的中国发明专利公开了一种用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤，其原材料为线双折射保偏光纤，依次包含一不旋转段、一起转段和勻速旋转段。在该专利中，传感光纤存在一段“起转段”(也可以称为螺旋速率上升段)，尽管经过一定长度L后，传感光纤从起转段过渡到勻速旋转段(螺旋速率勻速段)，然而在螺旋速率上升段内，其费尔德系数不再是一个常数，而是沿光纤方向随螺旋速率增加而缓慢增加
的，故前述公式转化为0= Pf7^a。假定将长度为L的传感光纤做成一个传感光纤环，那么
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上述公式就变为0 = f/Hi的回路积分，由于费尔德系数依赖于L的位置，因而光波的变化
相位也会依赖于该闭合回路内(即环内)导电棒的位置。同时当环外存在外磁场或导电
母线时^ = 的积分值也不再为零，使得该传感光纤环不具备抗干扰能力。因此利用
该传感光纤做成的反射式传感光纤环不可能完全隔离外场干扰或影响。根据该专利中提到的，所述传感光纤的勻速旋转段(螺旋速率勻速段)长度为1-3米，也就是说传感光纤环中只包含1-3圈的传感光纤，由于目前传感光纤环的直径一般在30cm左右，而起转段(螺旋速率上升段)的长度通常在25-40cm(具体由螺旋前该线双折射保偏光纤的拍长来大致确定)，因此这段螺旋速率上升段占总长的12%至30%左右。经试验表明，这类传感光纤环不仅没有抗干扰能力，而且一旦做成环，当电流母线处在环内不同位置时，被测电流值显示有波动，这种波动高达2^-5 ^为了减小实际测量电流的波动和外场的干扰，唯一的方法是增加传感光纤环内光纤的圈数，使得螺旋速率上升段的长度与螺旋速率勻速段的长度之比越小越好。但无论如何，增加传感光纤的圈数只能改善传感光纤环的抗干扰能力，不能完全克服或消除外场的干扰和测试电流值对电流母线位置的依赖。假如外场是几十万安培的雷电，则会对电力网系统产生严重的干扰和隐患。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种传感光纤，其抗外场干扰，可消除测试电流值对电流母线位置的依赖。本发明还提供一种由该传感光纤制成的传感光纤环，以及应用了该传感光纤环的直通型全光纤电流传感器。为解决上述技术问题，本发明的传感光纤为被退线极化的线双折射保偏光纤，所述传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同。进一步地，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的最小旋转螺距与螺旋速率勻速段的最小螺距相等，且最小螺距大于等于未螺旋前所述线双折射保偏光纤拍长的0. 5 倍。所述螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的长度大于等于所述未螺旋前线双折射保偏光纤拍长的50倍。进一步地，所述螺旋速率上升段的螺旋速率从零增至预定的最高螺旋速率，所述螺旋速率勻速段的螺旋速率保持预定的最高螺旋速率，所述螺旋速率下降段的螺旋速率从预定的最高螺旋速率降至零。所述螺旋速率上升段的螺旋速率为缓变上升，螺旋速率下降段的螺旋速率为缓变下降。本发明的传感光纤环由一传感光纤绕制而成，所述传感光纤为被退线极化的线双折射保偏光纤，该传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同；所述螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点位于传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的直径位置在空间上重合，所述螺旋速率上升段的终点与旋转速率下降段的终点位于传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的直径位置在空间上重
I=I O本发明的直通型全光纤电流传感器，包括光源、3 X 3线双折射保偏光纤耦合器、线偏振器、线双折射保偏光纤和传感光纤环；所述光源连接到所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端，所述3X 3线双折射保偏光纤耦合器的两个保偏光纤输出端分别和两个线偏振器连接，所述两个线偏振器的另一端分别通过线双折射保偏光纤连接到传感光纤环的两端；所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的一单模光纤输出端空置或接探测器， 剩余两个单模光纤输入端分别通过两个探测器与信号处理器相连接；所述传感光纤环由一传感光纤绕制而成，所述传感光纤为被退线极化的线双折射保偏光纤，该传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同；所述螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点位于传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的直径位置在空间上重合，所述螺旋速率上升段的终点与旋转速率下降段的终点位于传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的直径位置在空间上重合。
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本发明的传感光纤，因其在整根传感光纤内任意对称位置的螺旋速率相同(即螺距相同)，因而费尔德系数也是相同的，其制成的传感光纤环中螺旋速率上升段和螺旋速率下降段在空间直径位置上完全重合，使得重合区域内任意位置的总费尔德系数是一样的， 亦即重合区域任意位置单位长度内光纤中所产生的总光场偏转量与螺旋速率勻速段单位长度内光纤中所产生的光场偏转量是完全相等的。这时，光纤传感环完全等同于一个闭合回路，保证了抗干扰性和被测电流的准确度和稳定性。本发明的传感光纤环用于直通型全光纤电流传感器中，首先是不再需要前述专利中的反射镜，不仅可以提高传感光纤环的可靠性，而且可以提高制环的效率。其次，也不再需要反射式全光纤电流传感器中的偏振分/合路器，这样也提高了光信号处理系统的可靠性，减少了因器件接入所增加的熔接点，因而减少了因熔接点带来的光路光信号损耗和光偏振质量的下降。再次，利用类似性能的螺旋型传感光纤，直通型全光纤电流传感器结构的温度特性只有反射型全光纤电流传感器结构的一半，可以大大降低对传感环温度补偿的要求和精度。
下面结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明图1是本发明的传感光纤的结构示意图；图2是本发明中，传感光纤的螺旋速率变化规律示意图，其中以线性变化为例；图3是本发明的传感光纤环的结构示意图；图4是本发明的直通型全光纤电流传感器的结构示意图。其中附图标记说明如下1为螺旋速率上升段；2为螺旋速率勻速段；3为螺旋速率下降段。
具体实施例方式本发明的传感光纤是一根被退线极化的线双折射保偏光纤。这根传感光纤的特点是依次包含一螺旋速率上升段1、一螺旋速率勻速段2和一螺旋速率下降段3，如图1所示， 其中螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同。 整根传感光纤具体可以描述为从螺旋速率为零开始，经长度Ll后缓变上升达到预定的最高螺旋速率(此段即为螺旋速率上升段)，接着保持预定的最高螺旋速率(此段即为螺旋速率勻速段)，其长度为L2，然后再经过L3的长度后，使螺旋速率缓变下降从预定的最高螺旋速率降到零(此段即为螺旋速率下降段)，图2以线性变化率为例。在上述结构中，螺旋速率上升段1的长度Ll和螺旋速率下降段3的长度L3相等， 或者尽可能相等，而且螺旋速率上升段1和螺旋速率下降段3中相互对称位置的螺旋速率变化率绝对值相同。螺旋速率上升段1起点与螺旋速率下降段3终点的螺距相同，螺旋速率上升段1终点与螺旋速率下降段3起点的螺距相同。因此，在整根传感光纤内，任意对称位置的螺旋速率相同(即螺距相同)，因而费尔德系数也是相同的。此外，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的最小旋转螺距或螺旋速率勻速段的最小螺距不小于未螺旋前所述线双折射保偏光纤的拍长的0. 5倍，否则将导致光传输损耗急剧增大。螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的长度应不短于所述未螺旋前该线双折射保偏光纤拍长的50倍。
由上述传感光纤绕制而成的传感光纤环中，螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点位于传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的直径位置在空间上重合， 所述螺旋速率上升段的终点与旋转速率下降段的终点位于传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的直径位置在空间上重合，如图3所示。从理论上具体描述如下，假定费尔德系数与归一化螺旋速率(RU))成正比关系 (这里R(λ )可以是任意慢变化螺旋速率的函数)，那么螺旋速率上升段任意处的费尔德系数可以表示为VupU) =VmaxXR(X),其中Vmax为最大预定螺旋速率时的费尔德系数。这样螺旋速率下降段任意处费尔德系数可以表示为VD_( λ) =7.(^( λ))。由于螺旋速率上升段1和螺旋速率下降段3在传感光纤环中按上面描述在空间直径位置上是完全重叠的，因此在这一位置重合区域中所产生的总光场偏转为
θ = θυρ+ eDown = f Vup (λ). HdX+ [ VDown (λ). Hdk = f (Vup (λ) + VD_ (λ)). Hdl = Vhiax [ Hdk其与螺旋速率勻速段2的光纤在相同长度内所产生的光场偏转量是完全相等的， 这样做成的传感光纤环完全等同于一个闭合回路，这一点对于能否制成抗干扰环是至关重要的。将上述传感光纤环应用于直通型全光纤电流传感器(发明专利号为 ZL200810043138.4，名称为“保偏光纤耦合器、其制备方法及全光纤电流传感器”)中，所述直通型全光纤电流传感器包括光源、3 X 3线双折射保偏光纤耦合器、线偏振器、线双折射保偏光纤和传感光纤环，如图4所示，这里不再需要四分之一波片。传感光纤环的螺旋速率上升段1之前连接一段无螺旋的线双折射保偏光纤，螺旋速率下降段3之后同样连接一段无螺旋的线双折射保偏光纤，如图4所示，以便传感光纤直接与直通型全光纤电流传感器中的线双折射保偏光纤相连接(熔接)。所述光源连接到所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端，所述 3 X 3线双折射保偏光纤耦合器的两个保偏光纤输出端分别和两个线偏振器连接，所述两个线偏振器的另一端分别通过线双折射保偏光纤连接到传感光纤环的两端；所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的单模光纤输出端空置或接探测器，剩余两个单模光纤输入端分别通过两个光探测器与信号处理器相连接。在由本发明的传感光纤制成的传感光纤环中，必须保证螺旋速率上升段和螺旋速率下降段的空间直径位置互相重叠，以确保重叠后任意处的总费尔德系数为一个常数，且与螺旋速率勻速段光纤的费尔德系数一样。只有这样，才能确保抗干扰和被测电流的准确度和稳定性。需要说明的是，图3中为简化起见只画了二整圈有效传感光纤。在实际各类应用中，螺旋速率勻速段2的长度L2大于或远大于螺旋速率上升段1的长度Ll (或螺旋速率下降段的长度U)，因而传感光纤环内的光纤可能从一圈到几十圈不等。这种传感光纤环用于直通型全光纤电流传感器中，除了拥有上述所说的重要优点外，还有着其它诸多优点。首先，不再需要申请号为200910262107. 2，名称为“用于反射式全光纤电流传感器中的传感光纤”的专利中的反射镜，不仅可以提高光纤传感环的可靠性， 同时可以提高制环的效率，因为镀膜(金属膜或介质膜)的质量和性能直接关系到传感环的温度特性和长期稳定性。其次，不再需要申请号为200810043138. 4，名称为“保偏光纤耦合器、其制备方法及全光纤电流传感器”专利中反射式所需的偏振分/合路器，这样也提高了光信号处理系统的可靠性，减少了因器件接入所增加的熔接点，因而也减少因熔接带来的光路光信号损耗和光偏振质量的下降。再次，利用类似性能的螺旋型光纤，直通型结构的温度特性只有反射型结构的一半，则可大幅降低对传感环温度补偿的要求和精度。
以上通过具体实施例对本发明的内容进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。对本领域的技术人员来说，本发明的保护范围还包括那些在不脱离本发明原理的情况下所作出的各种变形和改进。
权利要求
1.一种传感光纤，所述传感光纤为被退线极化的线双折射保偏光纤，其特征在于所述传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同。
2.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于所述螺旋速率勻速段的最小螺距大于等于未螺旋前所述线双折射保偏光纤拍长的0. 5倍；所述螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的长度大于等于所述未螺旋前线双折射保偏光纤拍长的50倍。
3.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于所述螺旋速率上升段的螺旋速率从零增至预定的最高螺旋速率，所述螺旋速率勻速段的螺旋速率保持预定的最高螺旋速率， 所述螺旋速率下降段的螺旋速率从预定的最高螺旋速率降至零，其中，螺旋速率上升段和螺旋速率勻速段之间、螺旋速率勻速段和螺旋速率下降段之间的螺旋速率均平稳过渡。
4.根据权利要求1所述的传感光纤，其特征在于所述螺旋速率上升段的螺旋速率为缓变上升，螺旋速率下降段的螺旋速率为缓变下降，螺旋速率上升段或螺旋速率下降段的长度应大于等于所述未螺旋前该线双折射保偏光纤拍长的50倍。
5.一种传感光纤环，其特征在于所述传感光纤环由一传感光纤绕制而成，所述传感光纤为被退线极化的线双折射保偏光纤，该传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同；所述螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点位于传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的直径位置在空间上重合，所述螺旋速率上升段的终点与旋转速率下降段的终点位于传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的直径位置在空间上重合。
6.一种直通型全光纤电流传感器，其特征在于包括光源、3X3线双折射保偏光纤耦合器、线偏振器、线双折射保偏光纤和传感光纤环；所述光源连接到所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的保偏光纤输入端，所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的两个保偏光纤输出端分别和两个线偏振器连接，所述两个线偏振器的另一端分别通过线双折射保偏光纤连接到传感光纤环的两端；所述3X3线双折射保偏光纤耦合器的单模光纤输出端空置或接探测器，剩余两个单模光纤输入端分别通过两个探测器与信号处理器相连接；所述传感光纤环由一传感光纤绕制而成，所述传感光纤为被退线极化的线双折射光纤，该传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率勻速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为沿光纤方向的对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同；所述螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点位于传感光纤环的不同圈上，两个起点位于所在环的位置在空间上重合，所述螺旋速率上升段的终点与旋转速率下降段的终点位于传感光纤环的不同圈上，两个终点位于所在环的位置在空间上重合。
全文摘要
本发明公开了一种传感光纤，所述传感光纤依次包含一螺旋速率上升段、一螺旋速率匀速段和一螺旋速率下降段，所述螺旋速率上升段和螺旋速率下降段为对称结构，二者长度相等且螺旋速率对称相同。本发明还公开一种由所述传感光纤制成的传感光纤环，其螺旋速率上升段的起点和螺旋速率下降段的起点在空间直径位置上重合，螺旋速率上升段的终点与螺旋速率下降段的终点在空间直径位置上重合。本发明的传感光纤，任意对称位置的螺距相同，其制成的传感光纤环等同于一个闭合回路，保证了传感光纤环的抗干扰性和被测母线电流的准确度和稳定性。本发明另公开一种直通型全光纤电流传感器。
文档编号G02B6/024GK102393546SQ20111033124
公开日2012年3月28日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者黄勇 申请人:黄勇