CN107843758A - 一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法，光纤电流传感器包括依次连接的第一单模光纤、第一过渡区、锥腰、第二过渡区和第二单模光纤；所述锥腰及过渡区为二模光纤，过渡区为锥形结构；所述二模光纤部分位于玻璃管中，并填充有磁流体。该光纤电流传感器透射谱的干涉强度随着外加磁场的增加而增大，通过光电探测器探测光信号的变化，再通过信号处理得到相应的电流变化，从而实现对电流的传感。本发明的电流传感器的灵敏度可达到103.4dB/A，该微纳光纤电流传感器有着质轻价廉、制作简单、体积小、易于操作等优点，在电流传感方面具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于光纤电流传感器技术领域，尤其涉及一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法。
背景技术
电流是电力系统的重要参数，对电流的精确测量是一项非常重要的任务，根据测量的结果，可以得到该电力系统中计量、控制和继电保护等重要信息，因此对测量工具提出了很高的要求。现在对电流的测量主要采用的是以电磁感应原理为基础的电流互感器，它原理简单，可靠性高，不易损坏，但面对超高压测量时，常规的电流互感器很难适应。在当今世界各国经济的迅速发展对电力的需求日益增大以及电力传输容量也急剧增大的情况下，传统的基于电磁感应的电流传感器显露出一些弊端：如存在绝缘、磁饱和及电磁干扰、动态范围小、不易运输和安装组件复杂等问题。针对这些问题，人们提出了很多的解决办法，其中最为行之有效的是利用光纤传感技术。在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质，光波在光纤中传输时强度和频率相对稳定，且损耗较低。光纤电流传感器因为利用光纤作为传感头，所以在绝缘、抗电磁干扰以及可靠安全等方面有着显著的优势。
目前，人们研究设计的光纤电流传感器主要有以下两种：磁场传感器型电流传感器和块状光纤型光学电流传感器。磁场传感器型电流传感器，又叫磁致伸缩效应光学电流传感器，一般是将磁致伸缩材料粘贴或镀在单模光纤上，材料在磁场作用下其轴向尺寸发生变化，使得光纤尺寸产生相应的微小变化，从而引起光纤中光的相位发生改变。块状光纤型即磁光材料型光学电流传感器，它是利用磁光材料的法拉第效应，在磁场的作用下，使在介质中沿磁场方向传播的平面偏振光的偏振面发生旋转，从而使出射光强发生变化。因此，只要测得入射、出射两束光的光强大小，便可得到磁场强度的变化，根据电磁原理知识进一步可以得到电流的大小。全光纤型电流传感器是将光纤缠绕在被测通电导体周围，同样是利用光纤的法拉第效应，通过测量由于通电导体在周围产生的磁场使得光纤中产生微小的法拉第旋转角来间接的测量电流。
上述两种类型的光纤电流传感器在实现电流传感理论上是可行的，但是实用中暴露出了一些缺点，比如说：在磁致伸缩效应光学电流传感器中光纤不仅对外界温度敏感，而且对振动非常敏感，虽然对两条干涉臂做到尽可能匹配，可对外界缓变温度起到一定的补偿作用，但振动的影响并没有特别好的方法消除。而全光型电流传感器由于光纤内部存在线性双折射，测量精度和长期稳定性会受到影响。
国外有科研机构提出通过连续扭曲实芯光子晶体光纤，使其展现出纯圆形双折射特性，从而实现电流传感，参见Current sensing using circularlybirefringenttwisted solid-core photonic crystal fiber，Max Planck Institutefor the Science of Light，Guenther-ScharowskyStrasse，191058Erlangen,Germany。圆形双折射是能抵抗外部干扰的稳定性的重要指标，即通过扭曲光纤保持光的圆偏振状态。由于理想的PCF具有零线性双折射，它的电流灵敏度是最佳的，而且输出光的偏振态总是线性的，旋转角可以精确测量，使其成为基于法拉第效应的理想电流传感器。这项工作很好的解决了传统利用法拉第效应的光纤电流传感器稳定性差的问题，但是在圆双折射扭转的实芯光子晶体光纤的制作上存在很大的难度，并且光子晶体光纤成本较高。
发明内容
发明目的：针对以上问题，本发明提出一种二模拉锥光纤电流传感器及制备方法。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种光纤电流传感器，包括依次连接的第一单模光纤、第一过渡区、锥腰、第二过渡区和第二单模光纤；所述锥腰及过渡区为二模光纤，过渡区为锥形结构；所述二模光纤部分位于玻璃管中，并填充有磁流体。
一种光纤电流传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)将剥去涂覆层的二模光纤熔接在单模光纤中间，放置在拉锥机夹具上，使二模光纤部分处于中间位置；
(2)启动拉锥运行程序，将二模光纤部分置于氢气中加热，同时向两侧拉伸，形成锥形结构；
(3)将二模光纤部分穿入玻璃管中，然后将磁流体填入其中，包覆在拉制的光纤周围。
有益效果：本发明的电流传感器的灵敏度可达到103.4dB/A，该微纳光纤电流传感器有着质轻价廉、制作简单、体积小、易于操作等优点，在电流传感方面具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明光纤电流传感器示意图；
图2是未拉伸光纤与拉锥二模光纤光谱比较图；
图3是本发明光纤电流传感器实验装置图；
图4是光纤传感器在施加不同电流强度时的光谱图；
图5是施加不同电流强度时对应光谱强度变化的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
如图1所示是本发明所述的二模拉锥光纤电流传感器，通过将一段二模光纤熔接到单模光纤中进行拉锥，形成新型的电流传感器，大大增加了其透射谱对比度。
该电流传感器单模包括依次连接的第一单模光纤1、第一过渡区2、锥腰3、第二过渡区4和第二单模光纤5，锥腰及过渡区为二模光纤，过渡区为锥形结构，锥腰及过渡区运用光纤拉锥技术拉制二模光纤形成。二模光纤部分位于玻璃管中，并填充有磁流体，磁流体是一种液态磁性物质，选择磁流体磁性材料作为电磁转换的媒质，相比于与其它的磁性材料来说，液态对于减小外界振动等干扰有着独特的优势。该光纤电流传感器透射谱的干涉强度随着外加磁场的增加而增大，通过光电探测器探测光信号的变化，再通过信号处理得到相应的电流变化，从而实现对电流的传感。
与单纯的拉制普通单模光纤相比，由于制作微纳光纤是在非绝热条件下，原光纤的纤芯、包层尺寸发生改变，在微纳光纤中会激发出一系列的高阶模，因此存在基模与高阶模之间的耦合，从而导致干涉现象的发生。
微纳光纤的制作是由光纤拉锥机火焰拉锥来完成的，光纤传感器的主要加工步骤如下：
第一步：将一段2厘左右长的剥去涂覆层的普通二模光纤熔接在单模光纤中间，将其放置在拉锥机夹具上，使二模部分尽量处于中间的位置。
第二步：通过控制氢气流量以及拉伸速度来控制锥区长度，锥腰直径以及过渡区形状等。采用氢气流量为160SCCM，夹具运行速度为400μm/s的模式，接着启动电脑中拉锥机的运行程序，机器自动将二模部分置于氢气火焰下加热，同时向两侧拉伸，形成最终的锥形结构。
与传统的火焰拉锥法单模光纤相比，加入了一段二模光纤，通过比较未拉伸和拉伸所得微纳光纤的光谱，如图2所示，可以发现相对于前者，本发明可以明显提高透射谱的干涉对比度，使其满足作为电流传感器的基本要求。
第三步：将制成的微纳光纤进行封装，首先将微纳光纤穿入直径为500μm的玻璃管中，然后将磁流体填入其中，包覆在拉制的微纳光纤周围。
如图3所示是光纤电流传感器实验装置图，将玻璃管的两端用紫外固化胶密封固定在一个载玻片上，将放有样本的载玻片放置于磁场发生装置的两相向而对的电磁铁中间，通过改变外加磁场的大小，并利用特斯拉计记录，用光谱仪实时监测光谱的变化。
通过观察传感器透射谱，可以发现随着电流的增大透射谱的强度有一个整体变小的趋势，尤其对应着小的电流强度，这种变化趋势尤为明显，如图4所示，锥腰直径15微米的微纳光纤传感头在施加不同电流强度时得到的光谱。通过计算对应的电流灵敏度最大能达到189.35dB/A，在这一过程中同样出现了dip向着长波长方向漂移，也可以得到相应的灵敏度为45nm/A，这对小电流的测量是非常灵敏的。而随着电流强度的增大，相应产生更大的磁场，使得磁流体出现了饱和现象，这是由磁流体的性质决定的。
如图5所示是追踪其dip所得的拟合曲线，其拟合相关系数R＝0.9808，所得电流敏感度为103.4dB/A。在电流变化从0到0.18A的范围内，该传感器的灵敏度可达到103.4dB/A。
该微纳光纤电流传感器有着质轻价廉、制作简单、体积小、抗外界干扰等优点，在电流传感方面具有广阔的应用前景。
Claims (5)
1.一种光纤电流传感器，其特征在于：包括依次连接的第一单模光纤、第一过渡区、锥腰、第二过渡区和第二单模光纤；所述锥腰及过渡区为二模光纤，过渡区为锥形结构；所述二模光纤部分位于玻璃管中，并填充有磁流体。
2.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述锥腰及过渡区运用光纤拉锥技术拉制二模光纤形成。
3.根据权利要求1所述的光纤电流传感器，其特征在于：所述光纤电流传感器透射谱的干涉强度随着外加磁场的增加而增大。
4.一种光纤电流传感器的制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)将剥去涂覆层的二模光纤熔接在单模光纤中间，放置在拉锥机夹具上，使二模光纤部分处于中间位置；
(2)启动拉锥运行程序，将二模光纤部分置于氢气中加热，同时向两侧拉伸，形成锥形结构；
(3)将二模光纤部分穿入玻璃管中，然后将磁流体填入其中，包覆在拉制的光纤周围。
5.根据权利要求4所述的光纤电流传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过控制氢气流量和拉伸速度，来控制锥区长度、锥腰直径及过渡区形状。
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