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1668 IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS， VOL. 25， NO. 17， SEPTEMBER 1， 2013
基于特殊双折射光纤的光纤电流传感器
Nai Peng， Yong Huang， Shuangbao Wang， Tao Wen， Wen Liu， Qiang Zuo， 和 Lei Wang
摘要--构造了一种基于偏振旋转反射干涉仪的光纤电流传感器。通过对商用双折射光纤的加热和纺丝， 设计并实现了一种特殊的双折射光纤。与传统纤维相比， 该纤维集成了四分之一波板的功能。特别阐述了利用光纤制造电流传感器头的原理和工作原理。该传感器在 40° C–70°C 的温度范围内， 在温度依赖性 (0.008%/°C 的温度漂移) 上达到0.5% 的精度和良好的线性度。此外， 在简单的温度补偿下， 传感器的精度在广泛的电流和温度范围内超过plusmn;0.1%。
关键词—光纤电流传感器， 法拉第效应， 纺丝双折射光纤， 温度依赖性。
I.简介
利用法拉第效应和安培定律的光纤电流传感器 (FOCS) 具有固有绝缘、抗电磁干扰、重量轻等优点， 是一种很有前途的电力电流传感技术。行业。在基于偏振旋转反射干涉仪的 FOCS中， 电流基因产生磁场， 进而在传感光纤线圈中诱导右、左圆形极化状态之间的非互惠速度分裂 [1]-[3]。根据传感器的结构， 需要非常低的双折射或圆形双折射传感光纤， 如纺丝双折射纤维 [4]、[5]、[9]、退火纤维 [6]、[7]、低应力纤维 [8] 或螺旋包裹光纤 [10]。 此外， 传感光纤应保持恒定的灵敏度， 通常应置于恶劣的环境中， 如: 温度变化和身体振动， 需要提高传感纤维的温度。
2013年4月19日收到的手稿：2013年6月9日修订：2013年7月6日接受。2013年7月10日公布：当前版本的日期2013年8月5日。这项工作得到了中国国家高技术研究与发展计划在赠款2013AA050101 和2012年中国物联网发展专项基金项目的部分支持。
N.Peng和T.Wen分别与武汉光电国家实验室和光学电子信息学院合作， 武汉 430074， 中国武汉， 并与武汉菲伯法姆富华电气有限公司合作，武汉 430074，中国 (电邮: peng.nai@qq.com)。
Y. Huang在上海， 上海， 201210， 中国。
S. Wang，W . Liu，Q. Zuo， L. Wang 是武汉光电子国家实验室的光学和电子信息学院， 武汉 430074， 中国 (电子邮件: sb_wang@126.com)。
这封信中一个或多个数字的颜色版本可在 http://ieeexplore.ieee.org 在线查阅。
数字对象标识10.1109/LPT.20132272974
此外， 在 FOCS 中， 还需要四分之一波缓速器保持适当和稳定的偏振。正如在前面的几篇文献 [7] [11] 中所报道的， 传统的光纤四分之一波缓速器是一种短的椭圆芯光纤， 其双折射设置为连接 pm 纤维引线的轴45°。缓速器长度对应于纤维节拍长度的四分之一。在这里， 节拍长度约为 4 ~ 12 毫米， 四分之一波缓速器的温度依赖性及其对尺度因子的影响， 即对传感器精度的影响， 用于内在地补偿 verdet 常数与温度的变化。[7]， [15] 然而， 一般缓速器的长度很短， 节拍长度不是一个常数。此外， 椭圆光纤与传感光纤融合时， 缓速器的阻滞也会受到影响。以上限制使其难以获得精确的缓速器， 有必要找到替代品。在黄的研究中， 发现沿长度有可变扭转节距的旋转高双折射光纤在功能上与四分之一波缓速器相似。[12] Allen H. Rose 等人在偏振变换纤维 (PT 纤维) 之后命名了光纤， 他们从理论上和实验上研究了光纤的波长和温度依赖性。事实上， PT光纤比四分之一波缓速器具有更好的性能 [13]。
为了解决上述问题，我们首先实现了由可变自旋率自旋 HB 光纤 (相位缓速器区) 和不变自旋速率 HB 光纤 (传感区) 两段组成的新型光纤，再在FOCS中取得应用。它们之间没有融合拼接节点，并且不变自旋速率等于变量段的最大自旋速率。FOCS 的测试结果证明， 这种新型纤维能提供更好的稳定温度依赖性。在-40°C 至70°C 的简单温度补偿下， 精度显著提高。
II. 传感器配置
传感器配置 (如图1所示) 设计为偏振旋转反射干涉仪， 由超发光二极管 (SLD)、1x2 耦合器、光纤偏振器、LiNbO3 双折射调制器、偏振保持器 (PM) 组成。光纤延迟线圈、传感光纤线圈、光纤反射镜和闭环检测电路采用光纤陀螺仪技术。传感光纤线圈由一种特殊的纺丝纤维组成， 其中包括缓凝剂区和传感区。
1041-1135 copy; 2013 IEEE
PENG et al.: FOCS BASED ON SPECIAL SPUN HB FIBER
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Current Bar |
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45° s pl i ce |
Delay coil (panda fiber) |
Sensing fiber coil |
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Coupler |
Modulator |
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SLED |
Mirror |
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Fiber |
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PinFET |
polarizer |
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cl os ed- l oop |
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det ect i on ci r cui t |
Output |
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图1.光纤电流传感器。
1310 nm SLD (线宽为 37 nm) 发出的低偏振光穿过耦合器并进入光纤偏振器。由此产生的偏振光波通过45°拼接将分别分解成保持偏振光纤的 x 轴和 y 轴。两个线性偏振分量之间的相位差由双折射偏振调制器调制， 然后正交偏振波通过光纤延迟线圈向传感线圈传递。这些波首先被传感器线圈的缓速器区域转换为右手和左手圆偏振光波， 通过传感区域， 并在线圈的末端反射， 并通过线圈第二次交换偏振。缓速器区域将返回的圆波转换回正交线性波。向后传播的波沿着对等路径传播， 通过光纤偏振器受到干扰。由于偏振交换，除非对等法拉第相移外， 由电流和相移的磁场引起。干扰波的整体累积光路不平衡为零。因此，干涉光强可以用形式来表示。 (1)
S=0.5L*S0*[1 cos(phi;M phi;I)] (1)
这里， S0 是光强， l 是损耗系数。采用光纤陀螺仪技术的闭环检测电路可以平衡法拉第相移， 用 LiNbO3 双折射调制器平衡了等量的相移。当 m = plusmn; 2-i， s 将是一个常数。最后， 输出与整个测量范围内的这种相移成正比。输出由窗体表示 (2)。
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Iout = k · ϕI |
(2) |
这里 k 是校准系数。
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- 传感头
- 传感头制造
通过加热和纺丝获得一种特殊的纺丝纤维 (如熊猫偏振维持纤维或椭圆芯偏振维持纤维)。特殊的纺丝纤维是用图2所示的装置制造的。首先， 我们从高双折射纤维中取出夹具。然后， 我们将光纤的一端安装在旋转电机上， 另一端安装在夹具上。靠近夹具的纤维端是固定的， 不会随电机旋转。当电机旋转时， 纤维将被旋转， 旋转速率可以由个人电脑控制。
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Fiber |
Highly birefringent fiber |
Motor |
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fixture |
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PC |
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Holder |
Oxyhydrogen flame |
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uniform motion |
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图2.制造特殊纺丝纤维的装置的简单原理图。
图3.沿传感光纤的自旋速率分布。
图4.传感光纤的图片。
氢氧混合火焰被放置在 HB 纤维下加热。纤维在纺丝时被连续加热到接近熔点 (~ 1650) 的温度。在实验中， 我们用第二电机控制了氢氧混合火焰 (火炬) 的运动速度， 使其成为常数。此外， 许多特殊的支撑圈也沿着整条纤维架设， 以避免纤维在旋转过程中弯曲或下降。当这些支撑圈被全部推倒时， 火炬移动。
图3显示了所制备的纤维的纺丝速率分布。长度为 1 ~ 2 米的第一部分是不可旋转的， 它可用作猪尾纤维连接到其他设备。第二部分 (缓速区， 从 z1 到 z2) 具有逐渐自旋速率， 长度约为0.25 米， 在转换极化时起到四分之一波缓凝器的作用。第三个部分 (传感区， 从 z2 到 z3)， 旋转速率不变， 长度为 3 ~ 30 米， 用于电流传感。第三部分的自旋速率为第二部分的最大值， 第三部段的间距大小为原双折射纤维的节拍长度 ~ 半。图4介绍了熊猫双折射纤维 (pm1016-a， 由 YOCC inc. 提供) 的横截面结构以及由此产生的特殊纺丝纤维。第三部分显示其音高为165微米。
传感光纤线圈是由旋转的高双折射纤维制成的。在传感区，端面涂覆的金膜会进行波反射。如图5所示， 整个纤维都被屏蔽在玻璃毛细管中， 以保护传感纤维免受外部应力的影响。需特别注意的是， 必须用柔性屏蔽管屏蔽缓速器区域， 以避免条状电流的电磁感应， 因为光纤中不同的间距长度会导致传感能力和传感尺度的变化。当当前柱的位置发生变化时受到干扰。传感区域被舍入成直径为 0.2 米–0.3 米的循环 (整数圆)。最后， 将传感光纤线圈放入环氧的槽圆结构中，并用冷凝胶固定。
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