具有稳定双折射的法拉第效应检测线圈制造技术

一种光纤的法拉第效应检测线圈具有非常小的线性和圆双折射，能在较宽的温度范围内保持稳定。线圈由有效线性拍长为１００米或更长的旋转光纤制成，并且在形成线圈后对之退火。线圈提高了对与载流电缆有关的磁场的鉴别能力，可把该线圈包括在干涉度量式或者偏振测量式光学电流传感器（ＯＣＴ）中。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
1.专利
本专利技术一般涉及用于诸如电力线的电流传感器，尤其涉及这样的光纤线圈(optical fiber coil)，它们根据法拉第效应，利用干涉测量或偏振测量技术，检测与电流有关的磁场。2.
技术介绍
光纤敏感于磁场是本领域已知的，并且越来越多地被用作电源设备的光学电流传感器(optical current transducer)(OCT)。典型的OCT使用一种做成线圈状的单模光纤，线圈围绕着导电体。由于磁光“法拉第”效应，通过光纤的光将根据流过导体的电流的变化而发生偏振改变。美国专利第5,051,577号对场敏(field-sensitive)光纤作了进一步的讨论，该专利已转让给3M公司(3M公司是本专利技术的受让人)。由于线性双折射(1inear birefringence)的增大，使光媒质线圈对外界磁场更敏感并且使偏振光信号畸变，所以更不适于在法拉第效应的传感器中使用。由于用数匝光纤形成线圈会引入物理应力，使双折射进一步增大，所以在选择光纤时要特别小心。由于降低线性双折射的传统技术只将双折射效应降低到一较低的程度而不完全消除它们，所以传统技术的成功是有局限的。一种降低线性双折射的方法是从预制件中完全拉制光纤后使光纤扭转(“扭转光纤”twisted fiber)。扭转过程有效地平均了双折射快轴和慢轴，产生较低的线性双折射，但没有完全消除它。由几位作者甚至建议使圆双折射(circular birefringence)最大，从而压过线性双折射(参见美国专利第4,255,018号和第4,949,038号，英国专利申请第2,104,213号，以及摄影光学仪器工程师协会(SPIE)会刊第985期第138-150页)，由于圆双折射会随时间在大范围内变化并且影响传感器的精度，需要更频繁地校正，所以这实际上是一个重大的缺点。圆双折射一般还依赖于温度，因此温度的变化会导致检测线圈输出的偏振方向有较大的改变。第二种方法是从加热的预制件中同时旋转和拉制光纤(“旋转光纤”，spunfiber)。可选择旋转间距(spin pitch)与非旋转光纤拍长(beat-length)的比例，使线性双折射较低并对外界应力不敏感。但如《光波技术杂志》第9卷，第8期，第1031-1037页(附图说明图11)所述，该方法常常使非常依赖于温度的圆双折射(以及因线圈绕制而引起的线性双折射)大大增加。温度灵敏度也是美国专利第4,563,639号的内容。第三种降低线性双折射的传统方法是减少或消除光纤线圈中存在的内应力。这些应力可能是在制造期间由施加到光纤上的弯曲力或横向压力所产生的，也可来自形成线圈时引起的应力。因此通过在发生应力减弱的温度下使线圈退火，可提高场敏光纤线圈的性能。能够降低线性和圆双折射，但不能消除。用上述任何方法生产的已降低线性双折射的光纤和线圈仍呈现出不希望有的特征。例如，对线圈退火不能消除由于几何非对称而产生的线性双折射。如英国专利申请第2,101,762号所描述的，在拉制时被旋转的光纤在被制成线圈后会呈现出引起的线性双折射。另外，扭转光纤的旋转间距受光纤断裂强度(frac-ture strength)的限制。因此，希望用场敏光纤线圈克服这些问题，其中线性和圆双折射都能忽略，并且能在较宽的温度范围内保持如此，从而生产出灵敏度最佳的法拉第效应传感器。
技术实现思路
本专利技术提供一种法拉第效应检测线圈和一种用于制造这种线圈的方法，其中线圈检测与载流导体有关的磁场变化的能力有所提高，该线圈包括一光纤，光纤的截面径向对称，形成一匝或多匝，其圆双折射不大于4°/m，而且线性双折射不大于15°/m。可将新型的线圈与传统的部件结合，形成光学电流传感器(OCT)。OCT最佳性能的获得需首先选择截面几何形状受到控制的光纤，它具有非常低的线性和圆双折射。在受控的条件下从加热旋转的预制件中拉制出的光纤适于该目的。在绕成线圈后，对其热处理，以退火消除在制作线圈期间所产生的应力。如果光纤已经没有几何不对称，那么这种热处理可以较成功地消除线性双折射。之后，本专利技术经退火后的线圈具有用作法拉第效应传感器中检测元件的优秀性能。与现有技术中所揭示的那些不同，使用本专利技术光纤线圈的传感器表现出较高的准确度和稳定性，从而当其经受相邻强磁场时，电流灵敏度在较宽的温度范围内不变。旋转光纤的有效线性拍长最好大于100米。附图概述参照附图，将更加理解本专利技术，其中图1是本专利技术中使用新型法拉第效应线圈的光学电流传感器的示意图； 图2是依照本专利技术的光纤形成过程的示意图；图3是用于在退火期间保持光纤为线圈的管式护套(tubular housing)的侧视图；图4是本专利技术光学电流传感器中图3所示管式护套和形成线圈组件的其他部件的正视图。本专利技术的较佳实施例参照图1，本专利技术旨在提供一种包括新型法拉第检测线圈12的光学电流传感器10。在工作过程中，线圈12环绕一带电流的导体14例如电力电缆，从而提供一种用于检测与流过电缆14的任何电流有关的磁场变化的装置。这可通过检查通过线圈12的光信号的偏振状况来实现。在所描述的实施例中，常规激光器或其他光源16发出的光被送入第一偏振光纤18的一端，其另一端通过接头20接至对磁场敏感的光纤线圈12的输入端。线圈12的输出端通过另一个接头22接至第二偏振光纤24，光通过第二偏振光纤24到达常规的光电探测器26。最好熔合每个接头20和接头22，以避免空气接口并有助于保持光学对准和机械稳定性。在熔合第二接头22之前，应当测试来自场敏线圈12的光的偏振状态，以便当电缆14中没有电流流动时，出射光的偏振轴相对于第二偏振光纤24的偏振轴成一所需的角度，最好约45°。然后，电缆14中电流的变化将导致穿过线圈12的磁场的变化，并且场敏光纤线圈的特征将使于接头22处进入第二偏振光纤24的偏振激光的旋转角发生相应的变化，从而影响到达探测器26的光量。参照图2，成功制造本专利技术的光纤线圈要求对预制件28仔细选择，并控制光纤的形成过程。可以用改进的化学汽相沉积(MCVD)技术生产合适的预制件，并且应当由壁厚均匀且同心度好的石英管制成。较佳的光纤折射率分布是匹配包层(阶跃折射率)单模光纤。其他可能的折射率分布包括凹陷内包层设计和“W”型设计。锗比磷和硼更适于用作纤芯掺杂物，因为后者在退火期间会发生迁移(改变纤芯的折射率分布)。已经发现氟-磷-硅酸盐的包层组合物在掺杂较轻的包层区域中的稳定性是令人满意的。单层丙烯酸酯涂层比硅酮-丙烯酸酯双涂层要好，因为后者会在退火过程后留下二氧化硅残留物而形成局部缺陷。目前还认为，应将纤芯中任何掺杂物的浓度保持为最小，并且在制造预制件期间使用慢塌缩态(slow collapse phase)将更有助于生产同心度和径向对称性更好的光纤，从而把它们的残余几何双折射降至最低。应当避免使用需将外管塌缩在预制件上的技术。在从预制件28拉制光纤的过程中，因为目前还没有利用退火技术消除因形状引起的线性双折射的已知方法，所以控制光纤截面的几何对称性是很重要的。当从加热的预制件28拉制光纤30时，旋转加热预制件28，可获得几何对称性最佳的纤芯。旋转间距宜小于非旋转光纤拍长的0.04倍，并且最好小于非旋转光学拍长的0.005倍。本专利技术使用非旋转光纤拍长大于约0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用法拉第效应检测磁场变化的部件，其特征在于，包括一纤芯截面大致径向对称的光纤，光纤被制成一具有线性双折射和圆双折射的线圈，所述线性双折射小于约１５°／ｍ，并且所述圆双折射小于约４°／ｍ。２．如权利要求１所述的部件，其特征在于，所述光纤由一预制件构成，所述预制件的非旋转光纤拍长大于约０．５米；并且在从所述预制件中拉制所述光纤时，旋转所述光纤，旋转间距小于所述非旋转光纤拍长的０．０４倍。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：戴尔R卢茨，特雷弗W麦克杜格尔，威廉L泰勒，韦恩F瓦尔纳，罗伯特A万德马赫，
申请(专利权)人：美国三M公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]