专利名称：具有稳定双折射的法拉第效应检测线圈的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明一般涉及用于诸如电力线的电流传感器，尤其涉及这样的光纤线圈(optical fiber coil)，它们根据法拉第效应，利用干涉测量或偏振测量技术，检测与电流有关的磁场。
2.背景技术光纤敏感于磁场是本领域已知的，并且越来越多地被用作电源设备的光学电流传感器(optical current transducer)(OCT)。典型的OCT使用一种做成线圈状的单模光纤，线圈围绕着导电体。由于磁光“法拉第”效应，通过光纤的光将根据流过导体的电流的变化而发生偏振改变。美国专利第5,051,577号对场敏(field-sensitive)光纤作了进一步的讨论，该专利已转让给3M公司(3M公司是本发明的受让人)。
由于线性双折射(1inear birefringence)的增大，使光媒质线圈对外界磁场更敏感并且使偏振光信号畸变，所以更不适于在法拉第效应的传感器中使用。由于用数匝光纤形成线圈会引入物理应力，使双折射进一步增大，所以在选择光纤时要特别小心。由于降低线性双折射的传统技术只将双折射效应降低到一较低的程度而不完全消除它们，所以传统技术的成功是有局限的。一种降低线性双折射的方法是从预制件中完全拉制光纤后使光纤扭转(“扭转光纤”twisted fiber)。扭转过程有效地平均了双折射快轴和慢轴，产生较低的线性双折射，但没有完全消除它。由几位作者甚至建议使圆双折射(circular birefringence)最大，从而压过线性双折射(参见美国专利第4,255,018号和第4,949,038号，英国专利申请第2,104,213号，以及摄影光学仪器工程师协会(SPIE)会刊第985期第138-150页)，由于圆双折射会随时间在大范围内变化并且影响传感器的精度，需要更频繁地校正，所以这实际上是一个重大的缺点。圆双折射一般还依赖于温度，因此温度的变化会导致检测线圈输出的偏振方向有较大的改变。
第二种方法是从加热的预制件中同时旋转和拉制光纤(“旋转光纤”，spunfiber)。可选择旋转间距(spin pitch)与非旋转光纤拍长(beat-length)的比例，使线性双折射较低并对外界应力不敏感。但如《光波技术杂志》第9卷，第8期，第1031-1037页(
图11)所述，该方法常常使非常依赖于温度的圆双折射(以及因线圈绕制而引起的线性双折射)大大增加。温度灵敏度也是美国专利第4,563,639号的内容。
第三种降低线性双折射的传统方法是减少或消除光纤线圈中存在的内应力。这些应力可能是在制造期间由施加到光纤上的弯曲力或横向压力所产生的，也可来自形成线圈时引起的应力。因此通过在发生应力减弱的温度下使线圈退火，可提高场敏光纤线圈的性能。能够降低线性和圆双折射，但不能消除。
用上述任何方法生产的已降低线性双折射的光纤和线圈仍呈现出不希望有的特征。例如，对线圈退火不能消除由于几何非对称而产生的线性双折射。如英国专利申请第2,101,762号所描述的，在拉制时被旋转的光纤在被制成线圈后会呈现出引起的线性双折射。另外，扭转光纤的旋转间距受光纤断裂强度(frac-ture strength)的限制。因此，希望用场敏光纤线圈克服这些问题，其中线性和圆双折射都能忽略，并且能在较宽的温度范围内保持如此，从而生产出灵敏度最佳的法拉第效应传感器。
发明内容
本发明提供一种法拉第效应检测线圈和一种用于制造这种线圈的方法，其中线圈检测与载流导体有关的磁场变化的能力有所提高，该线圈包括一光纤，光纤的截面径向对称，形成一匝或多匝，其圆双折射不大于4°/m，而且线性双折射不大于15°/m。可将新型的线圈与传统的部件结合，形成光学电流传感器(OCT)。
OCT最佳性能的获得需首先选择截面几何形状受到控制的光纤，它具有非常低的线性和圆双折射。在受控的条件下从加热旋转的预制件中拉制出的光纤适于该目的。在绕成线圈后，对其热处理，以退火消除在制作线圈期间所产生的应力。如果光纤已经没有几何不对称，那么这种热处理可以较成功地消除线性双折射。之后，本发明经退火后的线圈具有用作法拉第效应传感器中检测元件的优秀性能。与现有技术中所揭示的那些不同，使用本发明光纤线圈的传感器表现出较高的准确度和稳定性，从而当其经受相邻强磁场时，电流灵敏度在较宽的温度范围内不变。旋转光纤的有效线性拍长最好大于100米。
附图概述参照附图，将更加理解本发明，其中图1是本发明中使用新型法拉第效应线圈的光学电流传感器的示意图；
图2是依照本发明的光纤形成过程的示意图；图3是用于在退火期间保持光纤为线圈的管式护套(tubular housing)的侧视图；图4是本发明光学电流传感器中图3所示管式护套和形成线圈组件的其他部件的正视图。
本发明的较佳实施例参照图1，本发明旨在提供一种包括新型法拉第检测线圈12的光学电流传感器10。在工作过程中，线圈12环绕一带电流的导体14例如电力电缆，从而提供一种用于检测与流过电缆14的任何电流有关的磁场变化的装置。这可通过检查通过线圈12的光信号的偏振状况来实现。在所描述的实施例中，常规激光器或其他光源16发出的光被送入第一偏振光纤18的一端，其另一端通过接头20接至对磁场敏感的光纤线圈12的输入端。线圈12的输出端通过另一个接头22接至第二偏振光纤24，光通过第二偏振光纤24到达常规的光电探测器26。
最好熔合每个接头20和接头22，以避免空气接口并有助于保持光学对准和机械稳定性。在熔合第二接头22之前，应当测试来自场敏线圈12的光的偏振状态，以便当电缆14中没有电流流动时，出射光的偏振轴相对于第二偏振光纤24的偏振轴成一所需的角度，最好约45°。然后，电缆14中电流的变化将导致穿过线圈12的磁场的变化，并且场敏光纤线圈的特征将使于接头22处进入第二偏振光纤24的偏振激光的旋转角发生相应的变化，从而影响到达探测器26的光量。
参照图2，成功制造本发明的光纤线圈要求对预制件28仔细选择，并控制光纤的形成过程。可以用改进的化学汽相沉积(MCVD)技术生产合适的预制件，并且应当由壁厚均匀且同心度好的石英管制成。较佳的光纤折射率分布是匹配包层(阶跃折射率)单模光纤。其他可能的折射率分布包括凹陷内包层设计和“W”型设计。锗比磷和硼更适于用作纤芯掺杂物，因为后者在退火期间会发生迁移(改变纤芯的折射率分布)。已经发现氟-磷-硅酸盐的包层组合物在掺杂较轻的包层区域中的稳定性是令人满意的。单层丙烯酸酯涂层比硅酮-丙烯酸酯双涂层要好，因为后者会在退火过程后留下二氧化硅残留物而形成局部缺陷。目前还认为，应将纤芯中任何掺杂物的浓度保持为最小，并且在制造预制件期间使用慢塌缩态(slow collapse phase)将更有助于生产同心度和径向对称性更好的光纤，从而把它们的残余几何双折射降至最低。应当避免使用需将外管塌缩在预制件上的技术。
在从预制件28拉制光纤的过程中，因为目前还没有利用退火技术消除因形状引起的线性双折射的已知方法，所以控制光纤截面的几何对称性是很重要的。当从加热的预制件28拉制光纤30时，旋转加热预制件28，可获得几何对称性最佳的纤芯。旋转间距宜小于非旋转光纤拍长的0.04倍，并且最好小于非旋转光学拍长的0.005倍。本发明使用非旋转光纤拍长大于约0.5米的预制件。根据该非旋转光纤拍长，尽管也例举了旋转间距为2厘米的情况，其旋转速率为500rpm且拉制速度约10米/分钟，但是光纤旋转间距可小至2.5毫米。可以通过测量被选光纤的有效拍长来确定由纤芯几何非对称性所产生的线性双折射的大小。大的有效拍长是因形状引起的双折射非常低的良好指示。现有技术的非旋转光纤的拍长范围一般在1/2和50米之间。已发现旋转光纤的有效线性拍长Leff为Leff＝(Li×Lt)/〔(4Li2＋Lt2)0.5－2Li〕，其中Li＝以米为单位的非旋转光纤的固有线性拍长＝2π/Δβi，Lt＝以米为单位的光纤旋转间距＝2π/ξ，Δβi＝以弧度/米为单位的非旋转光纤的固有线性双折射，以及ξ＝以弧度/米为单位的光纤扭转率(twist rate)。本发明中所用光纤的Leff值最好至少为100米。依照本发明制备的两根光纤样品所产生的有效线性拍长大于120米。下表列出了两例产生良好结果的光纤规格。
表1
尽管Leff值大(线性双折射低)的光纤对于提供这样的电流检测线圈是最有用的，即电流检测线圈对与电缆所产生的原始信号无关的随机磁场不敏感，但是仍有必要把因应力引起的(stress-induced)线性和圆双折射降至最低，以在扩展的温度范围和时间间隔内稳定光纤线圈的灵敏度。本发明所提供的进步已使光纤线圈传感器的灵敏度从-40℃至100℃保持一致的水平。
再参照图3，依照下述方法通过在制成线圈后对光纤退火，使应力引起的双折射最小。在退火之前，应将光纤置于适当的溶剂例如丙酮中浸泡，或者通过机械方法剥除光纤，以清除光纤上的任何涂层。然后用传统技术使己干净的光纤退火；但是，在本较佳实施例中，光纤退火使用二氧化硅或石英制成的盘管(coiledtube)或支撑架(holder)32。将光纤30穿过支撑架32，然后将支撑架放在炉中；可将支撑架吊在炉中或者放在适当的衬垫例如二氧化硅平板上。美国专利申请第_______号(约于1994年2月11日与本申请同时提交)揭示了支撑架32的细节以及关于其他类型线圈制品和支撑架的信息，该申请通过援引包括在此。退火过程最好在充有空气的炉或窑中进行，温度范围为550～1250℃，最好为850～1050℃。将线圈支撑架放至炉中后，实际可使线圈温度的上升与炉子加热一样快；但是在5～24小时的保温时间后，应当小心控制炉子冷却的速率，尤其在通过玻璃的转变温度时要小心控制，每小时温度下降宜小于25℃，并且最好约为每小时18℃。退火后用这种方式冷却线圈一直能生产出具有所需线性和圆双折射大小的传感器线圈，如表2所示，它们是在室温下测得的。
表2
应将这些数字与现有光纤的双折射值比较。未经退火的线圈，甚至那些用旋转光纤制作的线圈，一般其圆双折射的范围为5°/m至4200°/m，以及线性双折射的范围为45°/m至600°/m。另外，如表3所示，在扩展的温度范围中线圈的双折射极其稳定。
表3
在相关的研究中，将依照本发明制造的光纤制成线圈，但随后不进行退火。该过程包括选择在直结构(未制成线圈)时第一次测量的旋转光纤。如表4所示，直光纤呈现出很小的线性和圆双折射。如传感器元件中使用的那样，将光纤绕成一直径为10.5厘米的单圈结构，再进行双折射的测量记录。在该结构中，圆双折射仍保持相当小；但是，应力引起的线性双折射迅速增大，比依照本发明在制成后进行退火的任何线圈要大得多。由于未退火线圈对相邻的磁场影响的灵敏度提高，所以线性双折射的增大增加了法拉第效应的检测误差。
表4
由此，本领域的技术人员将意识到，可利用这里所述的对于用旋转光纤制成的线圈退火，可提供性能接近灵敏度理论极限的OCT。上述双折射值这样小，以致对于大多数电力电缆检测应用来说可以忽略。
退火步骤结束后，可接下来对检测线圈进行测试，并制成法拉第效应电流传感器的组件(偏振测量式或者干涉度量式)，比如图4所示的组件34。在所述的实施例中，组件34把支撑架32固定在组件上。光纤线圈的端部与两根偏振光纤18和24的端部相接(熔接)。用两根管子(最好用石英)保护偏振光纤。可用较大的石英管40和42使管子36和38与支撑架32的端部对准，并保护接头。
尽管参照具体的实施例描述了本发明，但是该描述并不意味着在局限的意义上理解。对所揭示实施例的各种变化以及本发明的其他实施例对于参阅本发明描述的本领域的技术人员将是显而易见的。例如，可将本发明与美国专利第5,051,577号的原理或者其他类似的设计结合，提供一种高级OCT。因此，可以预料，不脱离所附权利要求书所确定的本发明的精神或范围便可进行这样的变化。
权利要求
1.一种利用法拉第效应检测磁场变化的部件，其特征在于，包括一纤芯截面大致径向对称的光纤，光纤被制成一具有线性双折射和圆双折射的线圈，所述线性双折射小于约15°/m，并且所述圆双折射小于约4°/m。
2.如权利要求1所述的部件，其特征在于，所述光纤由一预制件构成，所述预制件的非旋转光纤拍长大于约0.5米；并且在从所述预制件中拉制所述光纤时，旋转所述光纤，旋转间距小于所述非旋转光纤拍长的0.04倍。
3.如权利要求1所述的部件，其特征在于，在扩展的温度范围中，所述线性双折射和所述圆双折射的变化小于20％。
4.如权利要求1所述的部件，其特征在于，在扩展的温度范围中，所述圆双折射的变化小于约1°/m。
5.如权利要求1所述的部件，其特征在于，在扩展的温度范围中，所述线性双折射的变化小于约5°/m。
6.如权利要求1所述的部件，其特征在于，所述光纤具有无二氧化硅的单层丙烯酸酯涂层。
7.一种利用权利要求1所述部件的光学电流传感器，其特征在于，还包括发光装置，它与所述光纤线圈的第一端相连，用于发送偏振状态已知的光信号；以及检测装置，它与所述光纤线圈的第二端相连，在光信号通过所述线圈后，用于检测所述光信号的偏振状态。
8.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述旋转间距小于所述非旋转光纤拍长的0.005倍。
9.一种光学电流传感器，其特征在于，包括光纤，它被制成具有线性双折射和圆双折射的的法拉第效应检测线圈，在扩展的温度范围中，所述线性双折射和所述圆双折射的变化都小于20％；发光装置，它与所述光纤线圈的第一端相连，用于发送偏振状态已知的光信号；以及检测装置，它与所述光纤线圈的第二端相连，在光信号经过所述线圈后，用于检测所述光信号的偏振状态。
10.如权利要求9所述的光学电流传感器，其特征在于，所述光纤具有匹配包层光纤折射率分布。
11.如权利要求9所述的光学电流传感器，其特征在于，所述光纤具有只掺有锗的纤芯。
12.如权利要求9所述的光学电流传感器，其特征在于，所述线圈的有效线性拍长至少为100米。
13.如权利要求9所述的光学电流传感器，其特征在于，在所述扩展的温度范围中，所述线性双折射小于大约15°/m，在所述扩展的温度范围中，所述圆双折射小于大约4°/m。
14.如权利要求13所述的光学电流传感器，其特征在于，在所述扩展的温度范围中，所述圆双折射的变化小于大约1°/m。
15.如权利要求13所述的光学电流传感器，其特征在于，在所述扩展的温度范围中，所述线性双折射的变化小于大约5°/m。
16.一种制造光纤法拉第效应检测线圈的方法，其特征在于，包括下列步骤获得纤芯截面大致径向对称的旋转光纤；由所述光纤形成一线圈；在550℃至1250℃范围内的某一温度下，使所述线圈退火；并且以低于25℃每小时的速率冷却所述线圈。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述退火步骤在850℃至1050℃范围内的某一温度下进行。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述冷却步骤以大约18℃/小时的速率进行。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述获得旋转光纤的步骤由下列步骤完成选择一壁厚均匀的石英管；通过改进的化学汽相沉积法，只用锗作为纤芯掺杂物，从所述石英管制备匹配包层折射率分布的预制件；以及在从所述预制件拉制所述光纤的同时，加热并旋转所述预制件。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括用无二氧化硅的丙烯酸酯单涂层涂覆所述光纤的步骤。
21.如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述预制件的非旋转光纤拍长至少为0.5米；并且以小于所述非旋转光纤拍长之0.04倍的旋转间距旋转所述预制件。
全文摘要
一种光纤的法拉第效应检测线圈具有非常小的线性和圆双折射，能在较宽的温度范围内保持稳定。线圈由有效线性拍长为100米或更长的旋转光纤制成，并且在形成线圈后对之退火。线圈提高了对与载流电缆有关的磁场的鉴别能力，可把该线圈包括在干涉度量式或者偏振测量式光学电流传感器(OCT)中。
文档编号G01R15/24GK1142265SQ95191901
公开日1997年2月5日 申请日期1995年1月31日 优先权日1994年3月3日
发明者戴尔·R·卢茨, 特雷弗·W·麦克杜格尔, 威廉·L·泰勒, 韦恩·F·瓦尔纳, 罗伯特·A·万德马赫 申请人:美国3M公司