本發明涉及一種用于光纖電流傳感器中的新型大包層傳感光纖及其光纖傳感環。

背景技術：

隨著電力系統電壓等級的提高和傳輸容量的增大，繼電保護系統的穩定運行越來越重要。傳統電磁式電流互感器有著不可避免的缺陷，如絕緣結構復雜、造價高、尺寸大等。與其相比，全光纖電流互感器具有一系列優點，如測量范圍寬、靈敏度高、尺寸小、安全性高等。因此，全光纖電流互感技術受到業界的高度關注，得到迅速發展。

全光纖式光學電流互感器是利用法拉第效應來測量電流。利用光纖作為信號傳遞的媒質，將光纖形成閉合回路環繞通電導體作為傳感頭。其結構簡單、重量輕、體積小，測量靈敏度可以通過改變光纖環數來調節。傳感光纖及其光纖傳感環是電流傳感器的重要組成部分，本發明主要解決傳統傳感光纖和光纖傳感環，易受外部溫度、振動影響而導致工作穩定性差的問題。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是，提供一種用于光纖電流傳感器的傳感光纖及其光纖傳感環，使其既能減小外部溫度和振動對光纖偏振態的影響，又能有效地固定和保護器件。

本發明為解決上述問題所采用的技術方案為：

一種新型大包層傳感光纖，所述傳感光纖為長拍長保偏光子晶體光纖，光纖從頭到尾進行扭轉處理，其包層介于300～800μm之間并且外部有涂覆層。所述傳感光纖由一根保偏光纖旋轉形成，具有四分之一波片和傳感光纖的功能；由預制棒直接扭轉拉絲形成或由長拍長光子晶體光纖后期扭轉形成；扭轉速率模型采用復合非線性函數數學模型；旋轉速率從低速段到高速段，速度隨時間變化比較平緩；而轉速到達高速段后轉速則趨于飽和，不存在過沖的問題并且減小了電機抖動的影響。

按上述方案，扭轉以后光纖的最小螺距介于0.2～2mm之間。

按上述方案，所述的長拍長保偏光子晶體光纖的拍長介于8～18mm之間。

一種新型光纖傳感環，包括石英基底層(4)、新型大包層傳感光纖(2)、石英上包層(5)、外部保護骨架(7)；石英基底層(4)設置有凹槽(6)，新型大包層傳感光纖(2)位于凹槽(6)內，石英上包層(5)位于石英基底層(4)上，其將凹槽(6)及新型大包層傳感光纖(2)覆蓋，與石英基底層(4)形成一個整體，該整體結構的中心開設有通孔(3)，外部保護骨架(7)將該整體結構包圍。

采用超快激光技術對石英(二氧化硅)基底層刻蝕出凹槽。所刻離通孔最近的凹槽離通孔中心的距離在7.5cm以上，兩個凹槽的間距在1mm以上，凹槽圈數在5圈以上；凹槽的彎曲起點和終點在同一側，確保正好是整數圈；將新型大包層傳感光纖放入上述的凹槽中，使光纖繞數圈后，首尾端對齊，形成整數的圈數。分層逐步填充石英粉末基材，通過超快激光燒蝕技術將傳感光纖固定在凹槽內。重復上述步驟，直到凹槽被完全填滿。退火釋放應力之后，磨平粗糙部分；鉆出中心通孔，放入外部保護骨架內固定封裝即可。

按上述方案，所述石英基底層加上傳感光纖，再加上石英上包層，其整體厚度在2mm～4mm之間。

按上述方案，所述的凹槽深度在1～2mm之間，寬度在130～135μm之間。

本發明的有益效果在于：

1、使用了復合非線性函數數學模型；扭轉速率從低速段到高速段，速度隨時間變化比較平緩；而轉速到達高速段后轉速則趨于飽和，不存在過沖的問題并且減小了電機抖動的影響；

2、采用大包層保偏長拍長光子晶體傳感光纖，光纖的溫度穩定性好；因此溫度對光纖形態以及光纖偏振態的影響小；

3、采用超快激光增材技術，固化石英粉末，將光纖固定在基底層中，使石英的膨脹系數和光纖的膨脹系數接近；減少了外部溫度、振動對光纖傳感環的偏振態的影響，有效地固定和保護了器件，且制作和使用更為方便。

附圖說明

圖1為本發明的一個實施例中復合非線性函數數學模型圖。

圖2為本發明一個實施例的傳感光纖及光纖傳感環結構圖。

其中，1—光纖傳感環，2—傳感光纖，3—通孔，4—石英基底層，5—石英上包層，6—凹槽，7—外部保護骨架。

具體實施方式

下面結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細的說明。

取一段較粗大包層保偏長拍長光子晶體光纖棒，拍長介于8～18mm之間，包層直徑介于900～1000μm之間，將其固定在高速旋轉的電機上；按照圖1所示的復合非線性函數數學模型，對光纖進行加熱和扭轉拉制，使其四分之一波片和傳感功能一體化；復合非線性函數數學模型的表達式為：τ(z)＝2π*a*atan((5*z)⁽³⁾)⁽³⁾/0.001；其中：a是變系數，這里取值為1；τ(z)表示旋轉率函數，z是光纖的軸向移動距離。

設定扭轉拉制形成的較細扭轉大包層保偏長拍長光子晶體光纖的直徑為800μm，所取的一段較粗的大包層保偏長拍長光子晶體光纖的直徑是1mm；由于較粗的大包層保偏長拍長光子晶體光纖的直徑小于預制棒的直徑，因此進行加熱和扭轉拉制形成光纖時，制作的設備和工藝要簡單很多,對光纖加熱僅需普通加熱源即可達到所需的光纖熔點溫度。由于較粗的大包層保偏長拍長光子晶體光纖的質量非常小，只要在拉絲過程中保持扭轉光纖在加熱區的部位，并且轉速達到17r/s時，就可以穩定地拉出扭轉光纖；同時進行光纖涂覆和收纖。由于扭轉較細大包層保偏長拍長光子晶體光纖就是新型大包層傳感光纖，并且光纖傳感環中一般使用該光纖的長度在30米以上，故只要20米長的較粗大包層保偏長拍長光子晶體光纖就可以拉出30多米長的新型大包層傳感光纖。

光纖傳感環如圖2所示，包括石英基底層(4)、新型大包層傳感光纖(2)、石英上包層(5)、外部保護骨架(7)；石英基底層(4)設置有凹槽(6)，新型大包層傳感光纖(2)位于凹槽(6)內，石英上包層(5)位于石英基底層(4)上，其將凹槽(6)及新型大包層傳感光纖(2)覆蓋，與石英基底層(4)形成一個整體，該整體結構的中心開設有通孔(3)；外部保護骨架(7)將該整體結構包圍；外部保護骨架(7)開設有與通孔(3)對應的穿孔；通過將電纜穿過通孔(穿孔)進行電纜的電流大小測試。

取一段上述的新型大包層傳感光纖，在光纖尾端鍍上高反射率介質膜(傳感光纖尾端既可以鍍高反射率膜，也可以不鍍膜。鍍膜時，膜既可以是金屬膜，也可以是介質膜；反射率高于95％。不鍍膜時，光纖尾端要進行切削處理，使其具有低反射率的功能。)。

將石英玻璃基片在稀硫酸中煮5～6個小時，放到超聲清洗機中去除表面雜質后；通過超快激光刻蝕技術，在石英玻璃基片上刻蝕出，深度在1～2mm之間，寬度在130～135μm之間的凹槽；所刻離通孔最近的凹槽離通孔中心的距離在7.5cm以上；兩個凹槽的間距在1mm以上，凹槽圈數在5圈以上；凹槽的彎曲起點和終點在同一側，確保正好是整數圈。

將上述新型大包層傳感光纖，放置于圖2中6所示的凹槽中。之后，再通過超快激光增材技術，對石英粉末固化，使新型大包層傳感光纖完全固定于凹槽內。最后，再通過上述技術增長出圖2中5所示的一層1～2mm左右的石英晶體上包層。所述的光纖傳感環的石英基底層安上新型大包層傳感光纖，再增長出石英上包層；總的厚度控制在2～4mm之間，使光纖外部的石英晶體熱應力對新型大包層傳感光纖產生的附加線雙折射影響降到最小。

將上述傳感環放到150～200℃左右的烘箱中，烘烤48小時以上，充分釋放應力；然后，將傳感環的粗糙部分進行打磨加工、鉆通孔；之后，安裝于圖2中7所示的具有防潮、密封功能的外部保護骨架中。

本發明依托復合非線性函數數學模型的光纖扭轉技術，使得新型大包層傳感光纖的制作難度降低，溫度和振動穩定性得以提高。又由于使用了石英基底層和上包層，使它的膨脹系數和光纖的比較接近；對光纖進行封裝時，既可以很好的固定，又可以有效地提高溫度和振動穩定性。所以，其保護并不限于上述實施例。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的范圍和精神，例如：使用不同芯徑的光纖，設置不同的基片厚度、不同的超快激光設備等。倘若這些該動和變形屬于本發明權利要求及其等同技術范圍內，則本發明也意圖包含這些改動和變形在內。