一种全光纤微电流传感器λ/4波片的在线制作方法

技术领域

本发明属于光纤电流测量技术领域，具体涉及一种全光纤微电流传感器λ/4波片的在线制作方法。

背景技术

光纤电流传感器是基于法拉第效应以及安培环路定理，相对于传统电磁式电流互感器，在体积、重量、响应速度、测试带宽等方面具有优势，目前已经应用于超高压电力系统、金属冶金以及雷电流测量等大电流测量领域，在微弱电流检测领域也有着广阔的应用前景。目前，光纤电流传感器在微弱电流检测领域的应用的问题是是灵敏度，光学器件的不完备以及保偏光纤熔接过程中的对轴角度偏差，特别是λ/4波片的制作偏差是影响系统灵敏度的主要因素。

通常λ/4波片的制作方案是通过保偏光纤与波片光纤光轴45°熔接后，再切割波片光纤拍长的1/4，完成λ/4波片的制作。李建中在《全光纤电流互感器λ/4波片制作工业》(红外与激光工程，2013，42(8)：2167-2172.)中，针对光纤熔接机的马达旋转准确度和CCD相机分辨率问题，提出了通过测试线偏振光通过45°熔接点的消光比的方案，提升对轴熔接精度，并通过游标卡尺来精确测量光纤截取的长度。该方案依赖于消光比测试仪的精度，且游标卡尺测量时易引入误差，影响制作精度。

中国发明专利《一种全光纤四分之一波片的制作方法》(申请号200810040208.0)通过波片选择、波片与传输光路及传感光路焊接以及焊接点保护等步骤，实现了四分之一波片的制作。但是该制作方案依赖于光纤熔接机以及消光比测试仪的精度，很难达到效能最优。

中国发明专利《全光纤电流互感器λ/4波片的制作优化方法》(申请号202110458772.X)在45°对轴熔接过程中采用偏振态检测仪进行实时监测，提升对轴精度，并利用一维位移平台、光纤卡头、光纤切割刀和电子显微镜完成光纤长度截取，实现λ/4波片的制作。该方案制作精度依赖于偏振态检测仪的精度，很难达到效能最优。

以上方案均采用λ/4波片离线制作方案，虽然制作过程具有一定的便捷性，但是λ/4波片在与光路熔接过程中，将会引入一定的误差，影响系统的灵敏度；同时，光纤微电流传感器中各光学元件尾纤通过保偏光纤连接器或者应用保偏光纤熔接机进行熔接。对于商用保偏光纤连接器，存在约±3°光纤光轴对轴角度偏差；对于采用保偏光纤熔接机，能够将对轴角度偏差降低到约±1°；因此，在其他光路存在对轴角度偏差的情况下，离线制作的λ/4波片即使非常完美，系统的灵敏度提升幅度也有限。因此，有必要将λ/4波片制作与光学器件总体的灵敏度一同考虑，达到系统灵敏度的最大化。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术的不足，提供一种能提升光纤微电流传感器灵敏度的λ/4波片的在线制作方法。

为实现上述目的，本发明所设计的全光纤微电流传感器λ/4波片的在线制作方法，包括以下步骤：

步骤一，完成除λ/4波片外光学器件的熔接；

步骤二，采用保偏光纤熔接机完成波片光纤与传感光纤的对轴熔接；

步骤三，完成波片光纤的1/4拍长切割；

步骤四，采用在线熔接进行波片光纤与保偏光纤熔接。

进一步地，所述步骤四的具体过程为：将波片光纤的尾端与保偏光纤分别放置于保偏光纤熔接机左右两侧的光纤夹具之中，选择保偏光纤熔接机的工作模式为PAS模式，手动调节保偏光纤与波片光纤的对轴角度时，给光纤微电流传感器通电，直流稳压电源为恒定电流输出，通过测试电流引起的法拉第旋转角度来确定波片光纤与保偏光纤的对轴角度，当波片光纤与保偏光纤的对轴角度为45°时，完成光纤的熔接，即完成了λ/4波片的在线制作。

进一步地，所述步骤一中，采用单模熔接机完成宽谱光源与耦合器、耦合器与起偏器的熔接；采用保偏光纤熔接机完成起偏器与相位调制器尾纤的光轴45°对轴熔接，以及相位调制器与保偏光纤、传感光纤与反射镜尾纤的0°对轴熔接。

进一步地，所述步骤二中，对轴角度为0°。

进一步地，所述步骤三中，高精度光纤切割刀包括固定平台，及布置在固定平台上的一维位移平台和光纤切割刀，光纤夹具固定在一维位移平台上；将波片光纤的一端固定在纤夹具上，通过高清电子显微镜观测波片光纤与传感光纤的熔接点，并与刀具对齐，通过旋制螺扭旋至1/4拍长距离，完成波片光纤1/4拍长的切割。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明在波片光纤1/4拍长高精度切割的基础上，完成了波片光纤与保偏光纤的45°在线熔接，通过观测数据处理系统变化，确定最优响应能力，提升系统的灵敏度；

2)本发明克服了保偏光纤熔接机、偏振态分析仪以及消光比测量仪等器件误差对λ/4波片制作的影响；

3)本发明不局限于光纤电流传感器，同时适用于其他任何需要λ/4波片制作的场合。

附图说明

图1为本发明高精度光纤切割刀结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

全光纤微电流传感器λ/4波片的在线制作方法包括以下步骤：

步骤一，完成除λ/4波片外光学器件的熔接

采用单模熔接机完成宽谱光源与耦合器、耦合器与起偏器的熔接；采用保偏光纤熔接机完成起偏器与相位调制器尾纤的光轴45°对轴熔接，以及相位调制器与保偏光纤、传感光纤与反射镜尾纤的0°对轴熔接，即完成除λ/4波片外其余光路光学元器件间的连接工作。

步骤二，采用保偏光纤熔接机完成波片光纤与传感光纤的对轴熔接，对轴角度为0°；

步骤三，完成波片光纤的1/4拍长切割

如图1所示，高精度光纤切割刀包括固定平台1，及布置在固定平台1上的一维位移平台2和光纤切割刀3，光纤夹具4通过四个螺母固定在一维位移平台2上；将波片光纤的一端固定在纤夹具4上；通过高清电子显微镜观测波片光纤与传感光纤的熔接点，并与刀具6对齐，通过旋制螺扭5向左旋至1/4拍长距离，完成波片光纤1/4拍长的高精度切割；

步骤四，采用在线熔接进行波片光纤与保偏光纤熔接

将波片光纤的尾端与保偏光纤分别放置于保偏光纤熔接机左右两侧的光纤夹具之中，选择保偏光纤熔接机的工作模式为PAS模式，对轴方法为手动；手动调节保偏光纤与波片光纤的对轴角度时，给光纤微电流传感器通电，直流稳压电源设定恒定电流输出，通过测试电流引起的法拉第旋转角度来确定波片光纤与保偏光纤的对轴角度，当波片光纤与保偏光纤的对轴角度为45°时，完成光纤的熔接，即完成了λ/4波片的在线制作。

在步骤一中，由于保偏光纤熔接机在对轴熔接过程中存在一定的制作误差，采用旋转矩阵描述光学器件各熔接点对光束的状态影响时，则

R(θ

其中，θ

当存在对轴角度偏差时，则

Δθ

此时旋转矩阵可以表示为：

R(θ

在步骤四中，设θ

θ

Δθ

R(θ

因此，调整Δθ

Δθ

当满足式6时，系统的旋转矩阵表示为：

R(θ

因此，通过调制保偏光纤与保偏光纤的对轴角度能够补偿由于光路前期对轴角度偏差对系统灵敏度的影响。在具体操作上，是通过给全光纤微电流(微电流是最大测量电流不超过10A，电流分辨率达到mA级的电流)传感器各器件通电，并且直流稳压电源设置输出电流为恒定值0.5A，通过数字信号处理系统观测解调的角度信息；特别地数字信号处理系统采用谐波相除法或者采用闭环反馈的数据处理方法，以消除光源能量波动对测量结果的影响；即当手动调节保偏光纤5与波片光纤6的对轴角度时，观测数字信号系统角度解算。当解算的角度为最大值时，此时完成光纤的熔接工作，即完成了λ/4波片的在线制作。

在步骤四的λ/4波片在线熔接过程中，采用灵敏度最大原则，通过调整θ

除上述实例外，本发明还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本专利要求的保护范围内。