專利名稱：一種全光纖四分之一波片的制作方法
技術領域：
本發明涉及光電領域，特別屬于一種全光纖型的四分之一波片的 制作方法。
背景技術：
互感器是輸電線路中不可缺少的重要設備，其作用就是按一定 的比例關系將輸電線路上的高電壓和大電流數值降到可以用儀表直
接測量的標準數值，以便于用儀表直接進行測量；此外，互感器除用 作測量外還可以作繼電保護器。
傳統的電流互感器其結構基本與變壓器相似，都具有體積大、重 量大、成本高、維護難、磁飽和、動態范圍小等缺點，難以滿足新一 代電力系統自動化、電網數字化的發展需要，因此當解決光纖傳感技 術發展的桎梏后，全光纖結構干涉儀式電流互感器成為各國互感器開 發研究的重點。
全光纖結構干涉儀式電流互感器，由光電單元、光纖電流感應單 元和信號處理單元連接構成；其中光電單元用于產生用于檢測的光信 號，并且接受載有電場信息的檢測光信號輸出給信號處理單元；光纖 電流傳感單元利用光電單元產生的光信號檢測流過傳感線圈一次電 流導體中的電流，并返回檢測光信號；信號處理單元將檢測光信號進 行電路處理，最終輸出一次電流的相關數據，交給合并單元輸出。由于采用光纖等輕質材料，無需灌油，并且大量使用集成原件，因此與 傳統型電流互感器相比，在體積、重量上具有明顯優勢外，并且其性 能具有以下優點
1. 動態范圍大，適于精確測量；電流互感器具有很寬的動態范圍， 其額定電流可測到幾安培到幾千安培，保護電路更是可達到幾萬安 培。這樣的動態范圍使得一個電流互感器即可替代傳統型需要多個互
感器以滿足測量和保護的要求；
2. 頻率響應范圍寬；經試驗證明光纖電流互感器能測出高壓電線 上的諧波，還能進行電流暫態、高頻大電流和直流的測量；
3. 能夠實現數字、模擬雙輸出，滿足現代電網數字化、智能化、 自動化發展的需要。
需要特別指出的是光電單元產生的光信號為線偏振光，在進入位 于電流互感器高壓區的光纖傳感線圈前，需要一組原件將傳輸光路中 的線偏振光和傳感頭中的圓偏振光進行相互轉化，以滿足在電場中圓 偏振光受到Faraday作用產生相位延遲，獲得相關的一次電流信息。 這個原件就是四分之一波片，是光纖電流互感器的關鍵器件。
傳統的四分之一波片都是由分立元件或者單軸晶體制成的，他們 對于全光纖結構的電流互感器應用具有兩個無法解決的弱點首先， 他們難以與光纖連接，難以接入全光纖結構的光路部分；其次他們體 積大，難于接入光纖傳感頭并進行工程化安裝，因此全光纖電流傳感 器中一般不允許用分立元件來組成光路，需特制光纖四分之一波片器 件的。此外，相對于傳統型四分之一波片，全光纖結構的四分之一波片成本低也是一個很大的優勢。
目前國外所采用的是通過高壓電弧融化光纖并進行扭轉45°而 達到制作波片的目的，具體來說是使用橢圓芯保偏光纖做四分之一波
片，先和低雙折射敏感光纖焊接，然后在5cm長度內扭轉45° ，再 進行高壓打火熔融使之扭轉，扭轉區大約500 ym，因此可適當增加 長度。實際制作時可比要求的稍長，然后用焊接機的電弧加熱光纖， 使摻雜的鍺元素滲透進包層，減弱雙折射，達到精密調節的目的，可 調節延遲25° 。 1/4拍長控制可通過加溫保偏光纖改變雙折射而精確 控制(如圖1)。這種方案雖然能夠保證四分之一波片的質量，但是 無論是設備復雜，成本高，并且工藝上需要參雜元素，因此可行性不 咼。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種全光纖四分之一波片的制 作方法，它能夠在不干擾一次電流感應并且絕緣的前提下，提高測量 精度，降低互感器重量和體積。
為解決上述技術問題，本發明的一種全光纖四分之一波片的制作 方法，其包括如下步驟(光路為傳輸光纖一四分之一波片一單模光
纖)
1. 光纖的選擇，選擇長拍長保偏光纖，以合理放大保偏光纖 能夠切割的波片長度；
2. 波片的焊接，將光纖傳輸段保偏光纖與波片光纖主軸對準 后，旋轉45°后焊接，并可以通過消光比測試儀實時監控。當保偏 光纖中所透射的光之光強最大且消光比最低時焊接成功，該物理量表征兩端光纖主軸對準且透射光為圓偏振光；
3. 將焊接好的光纖利用特制模具從波片端切割為四分之一拍
長，并用消光比測試儀檢測波片質量，若透射的光之光強最大且消光
比最低，則于傳感頭部分單模光纖對接；
4. 利用特制熱縮套管對制作四分之一波片所產生的兩個焊點 進行保護，以保證波片能夠抗氧化長時間使用。
所述步驟(2)、 (3)中，焊接時可以通過消光比測試儀實時監控。
本發明的優點如下
1. 制作工藝簡單，無須進行元素參雜，因此普通工人經過簡單培 訓就能進行操作；
2. 制作可靠性高，可以利用消光比測試儀進行實時監控，可以提 高波片的焊接成功率；
3. 制作成本低，波片結構簡單，僅僅一米光纖就能制作多組波片；
4. 制作設備簡單，僅需使用光纖焊接機、切割刀等普通的光纖設 備，無須額外增加波片制作成本。


以下將結合附圖和實施例對本發明作進一歩說明。
圖1是現有電弧扭轉式四分之一波片制作工藝圖。
圖2是本發明環形全光纖電流互感器光學系統結構示意圖。
圖3是本發明四分之一波片原理圖。
圖4是本發明全光纖結構四分之一波片制作工藝圖。
具體實施例方式
參看圖2說明本發明薩格奈克干涉儀式環形全光纖電流互感器 光學系統結構。如同大多數光學電流互感器一樣，薩格奈克(Sagnac)干涉儀式 全光纖電流互感器也是根據Faraday效應制成。當一光束傳播方向平 行于鄰近磁場方向的時候，那么，光束的偏振狀態中圓形分量必將產 生與磁場強度成正比的相位移。該相位移的極性取決于磁場相對于光 束傳播的方向。這就是說，這種現象是非互易光學過程。S卩，光束正 反兩次通過石英光纖芯后的總偏振轉角不為零，而是兩次旋轉角的疊 加。若通過N次，則總旋轉角增大N倍。在環形干涉儀的光纖線圈內 沿相反方向傳播時，也會檢測到一個相位差A^。因此，在薩格奈克 干涉儀式結構的光纖電流互感器中，這一相位差A&等于兩倍的(單
個方向傳播的線偏振光)法拉第旋轉角^:
A 0F = 2^. = // 丄
式中，V為石英光纖芯材料的維爾德常數，H是平行于光束傳播 方向的磁場矢量，L是透明介質光纖芯的長度。
在環繞導電體的光纖環中，透明介質光纖芯的長度L構成圓圈。 根據安培環路定律，沿著閉合環路積分，得出產生磁場H的電流I
的光纖電流互感器 中的光路。通過測量順時針與逆時針方向傳播的相干的兩束光干涉的 光強度，間接地測量出導線中的電流I。圖中，光源1是SLD光源， 它發出來的光進入第 個3dB光纖耦合器2，在經過一段短距離傳輸光纖4，輸送給集成光芯片3實現起偏、分光、合光、相位調制等功
能。集成光芯片3將第一個3dB光纖耦合器2發送來的光轉換成兩束 被調制的線偏振光，分別以順時針和逆時針方向傳播。當順時針方向 行進的光經過長距離傳輸光纖4后由四分之一波片5將線偏振光變換 成圓偏振光。這個方向傳播的圓偏振光，穿越電流傳感光纖線圈6進 入另一端四分之一波片5。此時，四分之一波片5又起到把圓偏振光 變換成線偏振光的作用，反向亦然。電流傳感光纖線圈6環繞著一次 電流導體7。在傳感光纖線圈6中，兩束相同的圓偏振光在相反方向 上傳播時受到因一次電流所感生磁場的Fraday效應產生了非互易相 位差。當第二次經過四分之一波片5后，兩束含有一次電流信息的線 偏振光在集成光芯片3中合并后而發生干涉。攜帶著一次電流信息的 光信號再次通過耦合器2，被光探測器檢測到，經信號處理單元9輸
出用戶所需要的數字/模擬信號。
其中1、 2、 3、 4、 8屬于光電單元；5、 6屬于光纖電流感應單 元；9屬于信號處理單元；7為所測的一次電流導體。
參照圖3是本發明四分之一波片原理圖.
波片是從橢圓芯保偏光纖上平行于主軸方向截下的薄片，A為波 片的快軸，4為波片的慢軸。若平面偏振光垂直入射波片，且其振動 面j (振動方向與傳播方向所確定的平面)與波片的快軸成a角，則 在波片內入射光被分解成振動方向互為垂直的兩束平面偏振光，稱為 o光和e光。它們的傳播方向一致，但在晶體內因傳播速度不同而產 生一定的相位差，當它們經過厚度為d的波片時，相應的相位差為
警U
式中入為入射光波長，/7和M。分別為波片對o光和e光的折射顯然，通過波片后的的偏振光，將是沿同一方向傳播的兩個平面 偏振光疊加的結果。由于o光和e光的振幅不等，有一定相位差，且 振動方向互相垂直， 一般合成為橢圓偏振光。橢圓的形狀隨o光和e 光的相位差值的不同而改變。對于同種波片，決定橢圓形狀的因素是 入射光的振動方向與波片光軸的夾角a以及波片的厚度。
若AO二 (2k+l)兀/2， k二l、 2、 3…，則稱為1/4波片(或入/4
片)，其最小厚度為
這時一般從波片透射出的光為橢圓偏振光，且當a二Ji/4時，透 射光為圓偏振光。
圖3中，當線偏振光振動方向與四分之一波片的光軸方向成45 °時，則可以通過該波片實現線偏振光與圓偏振光間的轉化，并且這 是一個互易的過程。
參照圖4是本發明全光纖結構四分之一波片制作工藝圖。本發明 所采用的方案一段長拍長的保偏光纖與傳輸光路的保偏光纖主軸對 準后，旋轉45°焊接；然后以焊點開始，將長拍長保偏光纖切割成 四分之一拍長后再與傳感頭單模光纖主軸對準焊接。焊接時通過消光 比測試儀實時監控。
光纖四分之一波片的制作難點在于拍長測試的困難；保偏光纖 小尺寸的切割；低損耗小尺寸光纖的焊接及焊點損耗的控制；短距離
雙焊點保護。上述難點可以通過特殊模具的制作以及先進悍接機的熟 練操作便能夠很好得到克服，實踐可行性高，且制作波片成品率高， 可靠性高。
最后應說明的是，以上具體實施例僅用于說明本發明而并非限制
本發明所描述的技術方案；因此，盡管本說明書參照上述實例對本發明進行了詳細的說明，但是，本領域的普通技術人員應當理解，仍然 可以對本發明進行修改或者等同替換；而一切不脫離本發明的精神和 范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明的權利要求范圍當 中。
權利要求
1、一種全光纖四分之一波片的制作方法，其特征在于包括如下步驟(1)選擇長拍長保偏光纖制作四分之一波片；(2)波片的焊接波片與傳輸光路保偏光纖相焊接；(3)波片的切割、焊接波片與傳感光路單模光纖相焊接；(4)波片焊點的保護。
2、 根據權利要求書1所述的全光纖的四分之一波片制作方法，其特 征在于所述步驟(2)、 (3)中，焊接時可以通過消光比測試儀實時監控。
全文摘要
本發明公開了一種全光纖四分之一波片的制作方法，薩格奈克干涉儀式全光纖電流互感器，包括傳感光路、從110kV～550kV～1000kV高電壓部位至電站控制室的傳輸光纖、信號處理電子電路、合并單元的接口電路等模塊，符合IEC 60044-8標準，適用于輸變電行業以及其它測量大電流的場合。全光纖電流傳感器是通過電流對敏感線圈中(表頭)的圓偏振光的相位改變而實現電流傳感的，全光纖電流互感器中實現線偏振光與圓偏振光相互轉換的關鍵部件四分之一波片的制作方法，其步驟是選波片、波片與傳輸光路及傳感光路焊接、焊點保護。
文檔編號G02B5/30GK101620287SQ200810040208
公開日2010年1月6日 申請日期2008年6月30日 優先權日2008年6月30日
發明者宇 崔, 李佳程, 李榮翔, 白潔雁, 靚 薛, 茵 陳, 陳殿印 申請人:上海新躍儀表廠