一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法技术

本发明专利技术是一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法。本发明专利技术属于全光纤电流传感设计技术技术领域，本方法设置光纤的截面结构有多层空气孔；根据折射率导引型手性光子晶体光纤中PMMA中灰黄霉素的浓度，确定光纤的手性参数；确定光纤的空气填充比的取值范围，并任取满足要求的数值作为光纤最终的空气填充比大小；根据得到的光纤的手性参数和空气填充比，确定光纤的晶格常数的取值范围，并任取满足要求的数值作为光纤最终的晶格常数大小。本发明专利技术采用性光子晶体光纤传感环方案的光纤电流互感器系统的比差为0.235％，证明了设计的手性光子晶体光纤参数设计的合理性，并表明了光纤电流互感器系统电流测量准确度提升程度。

【技术实现步骤摘要】
一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法
本专利技术涉及全光纤电流传感设计
，是一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法。
技术介绍
光纤电流互感器是一种基于法拉第旋光效应的光纤类传感器，由于其具有绝缘性好，可靠性高，宽频域和良好的暂态特性等优点被广泛的应用于电力传输行业和电解铝行业，这些行业都对光纤电流互感器的电流测量提出了高精度的要求。其中主要限制系统准确度的因素是源于系统光纤传感环的不理想。偏振光在理想的光纤传感环中以圆偏振光的形式传输，但光纤由于其制作工艺的不理想会存在残余的线性双折射，这会导致偏振光的偏振面发生一个旋转，产生一个与法拉第效应无法区分的误差信号，使得光在系统传输的过程中产生偏振误差，进而降低了系统测量电流的准确度。因此，为了提高系统测量电流的准确度，需要考虑增加光纤传感环的圆双折射或者减小其残余线性双折射。现有的主流方案为采用采用旋转熊猫型硅基保偏光纤作为系统的光纤传感环。这种光纤是将熊猫型硅基线保偏光纤的两根应力丝在熔融状态下围绕着纤芯进行拉伸并匀速旋转，由于平均效应使得离轴旋转应力丝引起的有效圆双折射增强。然而，这种光纤现在还存在一些问题。第一，光纤应力丝旋转速率是不均匀的，这也就意味着其螺距也是不均匀的，这会使得光纤中存在残余的线性双折射。第二，光纤在拉丝的过程中存在着极大的应力，这种应力随着时间的推移会引起纤芯的光弹特性发生变化，这会使得其线性双折射的抑制效果逐渐减弱。光纤中存在的这些问题都限制了系统准确度的进一步提升。因此，需要寻找一种新型的高度保圆偏光纤提高光纤电流互感器系统电流测量的准确度。
技术实现思路
本专利技术为减小光纤电流互感器系统中由于光纤传感环存在残余线性双折射而引入的偏振误差，进而提高光纤电流互感器系统电流测量准确度，本专利技术提供了一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，本专利技术提供了以下技术方案：一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，包括以下步骤：步骤1：采用折射率导引型手性光子晶体光纤，设置光纤的截面结构有多层空气孔，；步骤2：根据折射率导引型手性光子晶体光纤中PMMA中灰黄霉素的浓度，确定光纤的手性参数；步骤3：根据得到的光纤的手性参数和和确定的晶格常数，确定光纤的空气填充比的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的空气填充比大小；步骤4：根据得到的光纤的手性参数和空气填充比，确定光纤的晶格常数的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的晶格常数大小。优选地，所述步骤1具体为：设置光纤的截面结构共有5层空气孔，光纤截面的每一层空气孔均为正六边形排列，光纤中心的最内层空气孔为第1层空气孔，光纤中心的最外层空气孔为第5层空气孔，从最内层到最外层层数编号逐层递增；对于第1层空气孔来说，包含的所有的6个空气孔到光纤中心的距离为Λ，且对于整个光纤横截面上的空气孔其距离均相等，为Λ，所有空气孔均为圆孔且直径均相等均为d，将光纤空气孔的直径大小与其晶格常数的比值与定义光纤的空气填充比，为d/Λ。优选地，所述步骤2具体为：当PMMA中灰黄霉素的浓度为0.067g/cm时，对应的旋光率δ0采用Boltzmann公式表示，通过下式表示对应的旋光率δ0：其中，B1和B2均为常数，B1＝1.46×104°·nm2/mm，B2＝1.82×1010°·nm4/mm；根据旋光率δ0确定手性参数，通过下式确定手性参数ξ0：k0＝2π/λ其中，k0为光波矢，λ为光源的光波长。优选地，所述步骤3具体为：在确定的手性参数和空气孔到光纤中心的距离下，通过二维手性平面波展开法计算出不同空气填充比下手性光子晶体光纤导模和空间填充模的有效折射率，当光纤基模的有效折射率大于空间填充模的有效折射率且光纤高阶模的有效折射率小于空间填充模的有效折射率时，保证光在光纤中进行单模传输，将空气填充比设计为满足所有空气填充比的数值。优选地，所述步骤4具体为：在确定的手性参数和空气填充比下，通过二维手性平面波展开法计算出不同晶格常数下手性光子晶体光纤导模和空间填充模的有效折射率，当光纤基模的有效折射率大于空间填充模的有效折射率且光纤高阶模的有效折射率小于空间填充模的有效折射率时，能够保证光在光纤中进行单模传输，将晶格常数设计为满足所有晶格常数的数值。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术本方案代替了原有的硅基扭转保圆偏光纤传感环方案，不仅具有成本低的优点，还通过对手性光子晶体光纤传感环结构参数的优化设计提升了光纤电流互感器系统电流测量的准确度，使得系统的比差从4.5％降低到了0.235％。采用硅基扭转熊猫型保圆偏光纤传感环方案的光纤电流互感器系统的比差为4.5％，而采用性光子晶体光纤传感环方案的光纤电流互感器系统的比差为0.235％，该结果有力的证明了本专利设计的手性光子晶体光纤参数设计的合理性，并表明了光纤电流互感器系统电流测量准确度提升程度。附图说明图1为光纤截面结构示意图；图2为晶体光纤导模和空间填充模的有效折射率随光纤的空气填充比的变化关系图；图3为晶体光纤导模和空间填充模的有效折射率随光纤的晶格常数的变化关系图；图4为手性光子晶体光纤传感环的光纤电流互感器系统和采用硅基扭转保圆偏光纤传感环的光纤电流互感器系统的比差随被测电流之间的变化关系。具体实施方式以下结合具体实施例，对本专利技术进行了详细说明。具体实施例一：本专利技术提供一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，具体为：一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，包括以下步骤：步骤1：采用折射率导引型手性光子晶体光纤，设置光纤的截面结构有多层空气孔，确定空气孔到光纤中心的距离；所述步骤1具体为：设置光纤的截面结构共有5层空气孔，光纤截面的每一层空气孔均为正六边形排列，光纤中心的最内层空气孔为第1层空气孔，光纤中心的最外层空气孔为第5层空气孔，从最内层到最外层层数编号逐层递增，空气孔A1，A2，…，A6为第1层空气孔，空气孔B1，B2，…，B12为第2层空气孔，空气孔C1，C2，…，C18为第3层空气孔，空气孔D1，D2，…，D24为第4层空气孔，空气孔E1，E2，…，E30为第5层空气孔；对于第1层空气孔来说，包含的所有的6个空气孔A1，A2，…，A6到光纤中心的距离为Λ，且对于整个光纤横截面上的空气孔其距离均相等，为Λ，所有空气孔均为圆孔且直径均相等均为d，将光纤空气孔的直径大小与其晶格常数的比值与定义光纤的空气填充比，为d/Λ。优选地，空气孔到光纤中心的距离Λ取为4μm。步骤2：根据折射率导引型手性光子晶体光纤中PMMA中灰黄霉素的浓度，确定光纤的手性参数；所述步骤2具体为：当PMMA中灰黄霉素的浓度为0.067g/cm时，对本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，其特征是：包括以下步骤：/n步骤1：采用折射率导引型手性光子晶体光纤，设置光纤的截面结构有多层空气孔；/n步骤2：根据折射率导引型手性光子晶体光纤中PMMA中灰黄霉素的浓度，确定光纤的手性参数；/n步骤3：根据得到的光纤的手性参数和确定的晶格常数，确定光纤的空气填充比的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的空气填充比大小；/n步骤4：根据得到的光纤的手性参数和空气填充比，确定光纤的晶格常数的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的晶格常数大小。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：采用折射率导引型手性光子晶体光纤，设置光纤的截面结构有多层空气孔；
步骤2：根据折射率导引型手性光子晶体光纤中PMMA中灰黄霉素的浓度，确定光纤的手性参数；
步骤3：根据得到的光纤的手性参数和确定的晶格常数，确定光纤的空气填充比的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的空气填充比大小；
步骤4：根据得到的光纤的手性参数和空气填充比，确定光纤的晶格常数的取值范围，并任取一数值作为光纤最终的晶格常数大小。


2.根据权利要求1所述的一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，其特征是：所述步骤1具体为：
设置光纤的截面结构共有5层空气孔，光纤截面的每一层空气孔均为正六边形排列，光纤中心的最内层空气孔为第1层空气孔，光纤中心的最外层空气孔为第5层空气孔，从最内层到最外层层数编号逐层递增；
对于第1层空气孔来说，包含的所有的6个空气孔到光纤中心的距离为Λ，且对于整个光纤横截面上的空气孔其距离均相等，为Λ，所有空气孔均为圆孔且直径均相等均为d，将光纤空气孔的直径大小与其晶格常数的比值与定义光纤的空气填充比，为d/Λ。


3.根据权利要求1所述的一种基于650nm波段的光纤电流互感器光纤传感环的设计方法，其特征是：所述步骤2具体为：
当PMMA中灰黄霉素的浓度为0.067g/...

【专利技术属性】
技术研发人员：王国臣，高鸿泽，高伟，李社，于飞，王梓丞，苗伟琪，王茁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23