本发明专利技术涉及一种高磁光系数‑即高菲尔德常数的传感光纤，可以用于电子式全光纤电流互感器(FCT)以光学方法测量待测电流，特别是测量高压输电网的电流。本发明专利技术将适当浓度的逆磁或顺磁材料掺杂高菲尔德常数光纤制作的传感光纤圈用于FCT，则在增强所测信号强度以提高FCT测量准确度的同时可以减少传感光纤圈匝数以增加FCT温度稳定性等指标；还能够大大降低传感光纤圈结构的复杂程度和制造工艺难度，并增加传感光纤圈的牢固性及一致性；使电子式全光纤电流互感器性能获得显著改善从而达到电力工业实际应用需求。本发明专利技术给出的高菲尔德常数传感光纤可用于以光学方法快速测量复杂极端条件中的磁场，例如在可控核聚变所用托卡马克装置中的迅变强磁场；也能够快速测量电磁弹射，电磁武器等各类型大脉冲(或浪涌)交直流大电流所对应的迅变强磁场。
【技术实现步骤摘要】
一种可改善全光纤电流互感器性能的高磁光系数光纤
本专利技术涉及一种高磁光系数传感光纤，即高菲尔德(Verdet)常数传感光纤，可以应用在全光纤电流互感器中实现以光学方法测量待测电流生成的信号，特别适合用于测量高压输电网的电流；也可以用于以光学方法快速测量复杂极端条件中的磁场，例如在可控核聚变托卡马克装置中的迅变强磁场。关键词：特种光纤；全光纤电流互感器；迅变强磁场传感；属于光学材料，电力与能源领域。
技术介绍
基于Faraday磁光效应的电子式全光纤电流互感器(简记：全光纤电流互感器；简记为：FCT)属于无源型的电子式光学电流互感器，具有传统电磁式电流互感器无法比拟的优势。全光纤电流互感器充份利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，安全，可靠，理论完善，性能优越，具有其它各种技术方案无法比拟的优势，是新一代光学电流互感器的发展方向，它与电子式光学电压互感器相互结合应用，将构成智能大电网必需的新型高端关键设备。全光纤电流互感器的原理是Faraday磁光效应，即光纤中所传输光束的偏振面转动角度与传输光束所在处磁场有效分量成比例的效应。全光纤电流互感器中目前实际应用的传感光纤是光通讯工业中的熔融石英光纤(简记为：常规光纤)，或者是在此基础上对其光学传输特性改进后的传感光纤，如低双折射率光纤，椭圆芯光纤，以及近期出现的旋光纤(都记作改进型光纤)等等。所有这些用作传感的改进型光纤，从其化学结构成份来看，都是与常规光纤相同的；从其对磁场的传感系数即菲尔德(Verdet)常数来看也是与常规光纤相同，都是在大约每安培匝电流对应1微弧度(1μrad/A.1匝)的程度上。所谓高磁光系数，即高菲尔德常数传感光纤是指其磁光系数即菲尔德常数值比常规光纤的菲尔德常数值显著高出的传感光纤。全光纤电流互感器的优点基于磁光效应制造的全光纤电流互感器充分利用了现代光电和光纤传感技术的优异特性，具备如下一系列重要优点：优异的电气绝缘性能；高低压电气完全隔离；抗杂散电磁场干扰；无铁磁饱和；频域宽度大；响应速度快；大动态范围内的高精度；高的谐波准确度；轻得多的重量；小得多的体积；无需油，纸，塑料，特殊气体等绝缘材料；保护环境；光纤输出数字信号；无燃烧，爆炸危险，具有高安全特性；不存在二次开路危险；运行及维修费用低；抗快速暂态过电压(VFTO)干扰；暂态特性好；可靠性强；集成化、智能化的优势；上述一系列重要优点，很大程度上是依赖于传感光纤：它与其余部分的光纤经过熔接，与很少几个在线运行的光纤器件结合而贯穿全光路，构成一根完整的光纤。其中关键的部分是闭合围绕载电流导体的传感光纤圈，它由一根传感光纤弯曲盘绕成若干圈后闭合而构成。传感光纤圈决定了全光纤电流互感器所获取电流(所生成磁场)对应光信号的强度。只有信号强度足够，才可以保证测量的准确度。尚未逾越的技术障碍目前所研制出的全光纤电流互感器，即FCT的性能已经接近实际工程应用的水平。然而还存在一些尚未逾越的技术障碍：这就是传感光纤圈的结构过份复杂，制作工艺极其困难，器件结构十分脆弱，造出成品的效益低下，并且这些成品的温度特性很不稳定；而且无法保证成品间的一致性。即使改进型光纤的应用也未能够克服上述技术障碍。这就使全光纤电流互感器的整体准确度，可靠性，稳定性，一致性都受到非常不利的影响。具体如下：-传感光纤圈的温度特性不够稳定，即主要由于传感光纤圈的输出信号随环境温度的变化而改变，因温度变化形成的误差造成FCT的整体误差难以降低到国家电力标准允许的程度以内；-所制出的传感光纤圈一致性较差，且难以提高；-制造工艺相当繁杂，艰难，成品率很低；-所制出的传感光纤圈结构复杂，材质脆弱，牢固性差；-对于制作工艺和经验依赖性过大；-即使应用所谓改进型光纤后FCT的整体性能可以达到国家标准要求，但是十分困难，在各类测试中实际都是在特定条件下勉强地达到标准要求，因此尚不具备对于产品的工程化要求。在FCT中，围绕载流导体闭合的传感光纤圈中服从安培定律：θ＝∮VH.dx＝VNI(1)θ：传感光纤中两束偏振光之间的相位差(对应于电流的光信号)；I：流过载流导体的电流(被测的电流)；H：流过载流导体的电流产生的磁场强度；N：传感光纤圈的匝数V：菲尔德(Verdet)常数(磁光系数，即V值)；目前所普遍用于制作传感光纤圈的常规光纤，其成分都基于常规光纤的熔融石英材料制成，相应的菲尔德常数处于大约1微弧度/1安培.1匝(1μrad/A.1匝)的数值上，对应的波长为：1310nm。在专门为传感光纤圈所制作的改进型传感光纤中，尽管制作工艺以及光纤构造多种多样，但是由于所用材料相同，传感光纤圈用改进型传感光纤的菲尔德常数同样约为1μrad/A.1匝。但是在这个水平上传感获取的电流信号强度明显太弱，不足以保证全部测量电流范围中国家标准所要求的准确级。为了达到这个准确级必需的信号强度，利用熔融石英材料制作的旋光纤所构成传感光纤圈必须有很多匝数。至今为止作为制作传感光纤圈所用传感光纤的最佳选择，都是光学传输性能改进过的采用熔融石英材料制作的旋光纤(spunfiber)，它的菲尔德常数在波长1310nm处约为1μrad/(安培.1匝)。尽管采用了非常复杂，极为困难的工艺及设备制作出昂贵的旋光纤，但因为其原材料都是用的熔融石英材料，所以旋光纤具有与常规光纤相同的菲尔德常数。因此这种FCT测量的准确度仍然无法保证达到0.2准确级别。而且测量准确度在全温度区间(-40℃～+70℃)里保持在国家标准要求范围内还是十分困难，十分勉强的，各类测试中实际上都是在特定条件下才刚能达到标准要求。其原因在于：由于制作传感光纤圈时必须弯曲光纤使其成闭合圆圈，这就会改变光纤内部的应力分布，从而改变光纤内部的折射率分布，在光纤内部形成线性双折射，由此改变光纤中所传播光束的偏振态。其结果是改变了FCT所测信号的强度，因而造成了FCT测量结果的误差。不仅如此，由于制造传感光纤圈必须采用相当多匝数的传感光纤，并且这种传感光纤圈的直径受应用条件约束而不能够过大，所以多匝数小直径传感光纤圈就导致了光纤内部弯曲应力较大，对应的线性双折射也就较大。当外界温度变化时，这些光纤内部较大的应力及其对应的线性双折射会随外界温度而改变，更难解决的是该线性双折射还会随外界温度的变化率而改变，最后导致全光纤电流互感器(FCT)的准确度受到温度的影响，甚至会受到温度随时间变化速率的影响；也就是受到温度变化历史的影响。因此非常难于以数字补偿的方式克服此影响，使得FCT对于同一电流测出的信号也随环境温度变化。线性双折射随环境温度的变化速率而变化的结果为：线性双折射随温度变化的数值实际上难以在同一温度再现，并且测试操作中的各种因素，以及测试经历过程都对其有影响。这就使得对线性双折射的误差作温度补偿变得异常复杂而且效果不稳定，不确定，以至于实际应用中无法可靠进行。由于FCT工作的全温度区间高达本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种用于电子式全光纤电流互感器的高磁光系数光纤，即高菲尔德(Verdet)常数传感光纤，包括：/n传感光纤；所述传感光纤，或者是逆磁掺杂或者是顺磁材料掺杂的玻璃光纤；或者是逆磁掺杂或者是顺磁材料掺杂的熔融石英光纤；其特征在于：所述玻璃光纤或者石英光纤能将待测电流生成的信号传感到所述传感光纤中通过的光束；/n传感单元：所述传感单元包括：采用逆磁材料掺杂或顺磁材料掺杂的所述传感光纤绕制而成的传感光纤圈；由特定光纤组合制成的光纤四分之一波片；封装所述传感光纤圈的光纤盘，以及防护用的外壳；/n光电及信号处理单元：所述光电及信号处理单元包括光源，对光束作调制、处理和延迟的光学器件；光电探测器以及信号处理和输出电路；/n由所述光电及信号处理单元中光源发出的光束通过所述传感光纤进入所述传感单元的所述传感光纤圈；待测电流所生成的信号在所述传感光纤圈中传感到所述传感光纤中通过的光束，所述光电及信号处理单元对此光束中所传感信号进行处理而获得待测电流数值；/n其特征在于：经过逆磁材料掺杂或顺磁材料掺杂后所述传感光纤的菲尔德常数值远高于目前电子式全光纤电流互感器所应用的未作这类掺杂的各种石英光纤的菲尔德常数值。/n...
【技术特征摘要】
1.一种用于电子式全光纤电流互感器的高磁光系数光纤，即高菲尔德(Verdet)常数传感光纤，包括：
传感光纤；所述传感光纤，或者是逆磁掺杂或者是顺磁材料掺杂的玻璃光纤；或者是逆磁掺杂或者是顺磁材料掺杂的熔融石英光纤；其特征在于：所述玻璃光纤或者石英光纤能将待测电流生成的信号传感到所述传感光纤中通过的光束；
传感单元：所述传感单元包括：采用逆磁材料掺杂或顺磁材料掺杂的所述传感光纤绕制而成的传感光纤圈；由特定光纤组合制成的光纤四分之一波片；封装所述传感光纤圈的光纤盘，以及防护用的外壳；
光电及信号处理单元：所述光电及信号处理单元包括光源，对光束作调制、处理和延迟的光学器件；光电探测器以及信号处理和输出电路；
由所述光电及信号处理单元中光源发出的光束通过所述传感光纤进入所述传感单元的所述传感光纤圈；待测电流所生成的信号在所述传感光纤圈中传感到所述传感光纤中通过的光束，所述光电及信号处理单元对此光束中所传感信号进行处理而获得待测电流数值；
其特征在于：经过逆磁材料掺杂或顺磁材料掺杂后所述传感光纤的菲尔德常数值远高于目前电子式全光纤电流互感器所应用的未作这类掺杂的各种石英光纤的菲尔德常数值。
2.根据权利要求1应用所述高菲尔德常数传感光纤的电子式全光纤电流互感器(简记为：FCT)，其特征在于：所述传感单元的所述传感光纤圈是采用逆磁或顺磁材料掺杂的所述高菲尔德常数传感光纤制成。
3.根据权利要求1和权利要求2所述传感单元的传感光纤圈采用的是高菲尔德常数的掺杂光纤，其特征在于：所述高菲尔德常数传感光纤在制作所述传感光纤时掺入特定的逆磁或顺磁掺杂元素或化合物成份，并且取恰当的份量及配比。
4.根据权利要求1和权利要求3的所述传感单元的所述传感光纤圈采用的是所述高菲尔德常数传感光纤，其特征在于：在制作所述传感光纤时或者掺入实现逆磁性特性所必需的各种可以增高菲尔德常数的共掺杂元素或它们的化合物，如：铅Pb，硼B，锗Ge，碲Te，锑Sb，铋Bi，Tl铊，...等等；或者掺入实现顺磁性光学材料所必需的铽(Tb)元素及其化合物；以及其它各种可以增高菲尔德常数的掺杂元素或化合物，如：镨Pr，铯...
【专利技术属性】
技术研发人员：湾世伟，湾晓文，
申请(专利权)人：湾晓文，
类型：发明
国别省市：江苏;32
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