專利名稱：一種全光纖四分之一波片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電領(lǐng)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(shù)：
互感器是輸電線路中不可缺少的重要設(shè)備，其作用就是按一定 的比例關(guān)系將輸電線路上的高電壓和大電流數(shù)值降到可以用儀表直
接測量的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，以便于用儀表直接進(jìn)行測量；此外，互感器除用 作測量外還可以作繼電保護(hù)器。
傳統(tǒng)的電流互感器其結(jié)構(gòu)基本與變壓器相似，都具有體積大、重 量大、成本高、維護(hù)難、磁飽和、動態(tài)范圍小等缺點(diǎn)，難以滿足新一 代電力系統(tǒng)自動化、電網(wǎng)數(shù)字化的發(fā)展需要，因此當(dāng)解決光纖傳感技 術(shù)發(fā)展的桎梏后，全光纖結(jié)構(gòu)干涉儀式電流互感器成為各國互感器開 發(fā)研究的重點(diǎn)。
全光纖結(jié)構(gòu)干涉儀式電流互感器，由光電單元、光纖電流感應(yīng)單 元和信號處理單元連接構(gòu)成；其中光電單元用于產(chǎn)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(chǎn)生的光信號檢測流過傳感線圈一次電 流導(dǎo)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(jìn) 行電路處理，最終輸出一次電流的相關(guān)數(shù)據(jù)，交給合并單元輸出。由于采用光纖等輕質(zhì)材料，無需灌油，并且大量使用集成原件，因此與 傳統(tǒng)型電流互感器相比，在體積、重量上具有明顯優(yōu)勢外，并且其性 能具有以下優(yōu)點(diǎn)
1. 動態(tài)范圍大，適于精確測量；電流互感器具有很寬的動態(tài)范圍， 其額定電流可測到幾安培到幾千安培，保護(hù)電路更是可達(dá)到幾萬安 培。這樣的動態(tài)范圍使得一個電流互感器即可替代傳統(tǒng)型需要多個互
感器以滿足測量和保護(hù)的要求；
2. 頻率響應(yīng)范圍寬；經(jīng)試驗(yàn)證明光纖電流互感器能測出高壓電線 上的諧波，還能進(jìn)行電流暫態(tài)、高頻大電流和直流的測量；
3. 能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字、模擬雙輸出，滿足現(xiàn)代電網(wǎng)數(shù)字化、智能化、 自動化發(fā)展的需要。
需要特別指出的是光電單元產(chǎn)生的光信號為線偏振光，在進(jìn)入位 于電流互感器高壓區(qū)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(jìn)行相互轉(zhuǎn)化，以滿足在電場中圓 偏振光受到Faraday作用產(chǎn)生相位延遲，獲得相關(guān)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(guān)鍵器件。
傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的電流互感器應(yīng)用具有兩個無法解決的弱點(diǎn)首先， 他們難以與光纖連接，難以接入全光纖結(jié)構(gòu)的光路部分；其次他們體 積大，難于接入光纖傳感頭并進(jìn)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(tǒng)型四分之一波片，全光纖結(jié)構(gòu)的四分之一波片成本低也是一個很大的優(yōu)勢。
目前國外所采用的是通過高壓電弧融化光纖并進(jìn)行扭轉(zhuǎn)45°而 達(dá)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(nèi)扭轉(zhuǎn)45° ，再 進(jìn)行高壓打火熔融使之扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)區(qū)大約500 ym，因此可適當(dāng)增加 長度。實(shí)際制作時可比要求的稍長，然后用焊接機(jī)的電弧加熱光纖， 使摻雜的鍺元素滲透進(jìn)包層，減弱雙折射，達(dá)到精密調(diào)節(jié)的目的，可 調(diào)節(jié)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(zhì)量，但是 無論是設(shè)備復(fù)雜，成本高，并且工藝上需要參雜元素，因此可行性不 咼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)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(yīng)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(shù)問題，本發(fā)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(zhǔn) 后，旋轉(zhuǎn)45°后焊接，并可以通過消光比測試儀實(shí)時監(jiān)控。當(dāng)保偏 光纖中所透射的光之光強(qiáng)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(zhǔn)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(zhì)量，若透射的光之光強(qiáng)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(chǎn)生的兩個焊點(diǎn) 進(jìn)行保護(hù)，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(shí)時監(jiān)控。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下
1. 制作工藝簡單，無須進(jìn)行元素參雜，因此普通工人經(jīng)過簡單培 訓(xùn)就能進(jìn)行操作；
2. 制作可靠性高，可以利用消光比測試儀進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，可以提 高波片的焊接成功率；
3. 制作成本低，波片結(jié)構(gòu)簡單，僅僅一米光纖就能制作多組波片；
4. 制作設(shè)備簡單，僅需使用光纖焊接機(jī)、切割刀等普通的光纖設(shè) 備，無須額外增加波片制作成本。


以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一歩說明。
圖1是現(xiàn)有電弧扭轉(zhuǎn)式四分之一波片制作工藝圖。
圖2是本發(fā)明環(huán)形全光纖電流互感器光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明四分之一波片原理圖。
圖4是本發(fā)明全光纖結(jié)構(gòu)四分之一波片制作工藝圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖2說明本發(fā)明薩格奈克干涉儀式環(huán)形全光纖電流互感器 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如同大多數(shù)光學(xué)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(jù)Faraday效應(yīng)制成。當(dāng)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(tài)中圓形分量必將產(chǎn) 生與磁場強(qiáng)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(xiàn)象是非互易光學(xué)過程。S卩，光束正 反兩次通過石英光纖芯后的總偏振轉(zhuǎn)角不為零，而是兩次旋轉(zhuǎn)角的疊 加。若通過N次，則總旋轉(zhuǎn)角增大N倍。在環(huán)形干涉儀的光纖線圈內(nèi) 沿相反方向傳播時，也會檢測到一個相位差A(yù)^。因此，在薩格奈克 干涉儀式結(jié)構(gòu)的光纖電流互感器中，這一相位差A(yù)&等于兩倍的(單
個方向傳播的線偏振光)法拉第旋轉(zhuǎn)角^:
A 0F = 2^. = // 丄
式中，V為石英光纖芯材料的維爾德常數(shù)，H是平行于光束傳播 方向的磁場矢量，L是透明介質(zhì)光纖芯的長度。
在環(huán)繞導(dǎo)電體的光纖環(huán)中，透明介質(zhì)光纖芯的長度L構(gòu)成圓圈。 根據(jù)安培環(huán)路定律，沿著閉合環(huán)路積分，得出產(chǎn)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(qiáng)度，間接地測量出導(dǎo)線中的電流I。圖中，光源1是SLD光源， 它發(fā)出來的光進(jìn)入第 個3dB光纖耦合器2，在經(jīng)過一段短距離傳輸光纖4，輸送給集成光芯片3實(shí)現(xiàn)起偏、分光、合光、相位調(diào)制等功
能。集成光芯片3將第一個3dB光纖耦合器2發(fā)送來的光轉(zhuǎn)換成兩束 被調(diào)制的線偏振光，分別以順時針和逆時針方向傳播。當(dāng)順時針方向 行進(jìn)的光經(jīng)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(jìn) 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(huán)繞著一次 電流導(dǎo)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(yīng)產(chǎn)生了非互易相 位差。當(dāng)?shù)诙谓?jīng)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(fā)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(jīng)信號處理單元9輸
出用戶所需要的數(shù)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(yīng)單 元；9屬于信號處理單元；7為所測的一次電流導(dǎo)體。
參照圖3是本發(fā)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(nèi)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(nèi)因傳播速度不同而產(chǎn) 生一定的相位差，當(dāng)它們經(jīng)過厚度為d的波片時，相應(yīng)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(jié)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(dāng)a二Ji/4時，透 射光為圓偏振光。
圖3中，當(dāng)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(shí)現(xiàn)線偏振光與圓偏振光間的轉(zhuǎn)化，并且這 是一個互易的過程。
參照圖4是本發(fā)明全光纖結(jié)構(gòu)四分之一波片制作工藝圖。本發(fā)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(zhǔn)后，旋轉(zhuǎn)45°焊接；然后以焊點(diǎn)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(zhǔn)焊接。焊接時通過消光 比測試儀實(shí)時監(jiān)控。
光纖四分之一波片的制作難點(diǎn)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(diǎn)損耗的控制；短距離
雙焊點(diǎn)保護(hù)。上述難點(diǎn)可以通過特殊模具的制作以及先進(jìn)悍接機(jī)的熟 練操作便能夠很好得到克服，實(shí)踐可行性高，且制作波片成品率高， 可靠性高。
最后應(yīng)說明的是，以上具體實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而并非限制
本發(fā)明所描述的技術(shù)方案；因此，盡管本說明書參照上述實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然 可以對本發(fā)明進(jìn)行修改或者等同替換；而一切不脫離本發(fā)明的精神和 范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng) 中。
權(quán)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(diǎn)的保護(hù)。
2、 根據(jù)權(quán)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(shí)時監(jiān)控。
全文摘要
本發(fā)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(biāo)準(zhǔn)，適用于輸變電行業(yè)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(shí)現(xiàn)電流傳感的，全光纖電流互感器中實(shí)現(xiàn)線偏振光與圓偏振光相互轉(zhuǎn)換的關(guān)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(diǎn)保護(hù)。
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(yōu)先權(quán)日2008年6月30日
發(fā)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