專利名稱：一種磁光電流傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種光學電流傳感器，尤其是一種用于電力系統高壓大電流測 量的新型磁光電流傳感器及其制造方法。
背景技術：
光學電流互感器(Optical Current Transducer,簡稱OCT)是以法拉第磁光 效應為基礎，直接或間接對電流進行測試的裝置。與傳統的電磁感應式電流互 感器相比，在高電壓大電流測量的應用中采用OCT具有明顯的優掛性l.不含 油，無爆炸危險；2.與高壓線路完全隔離，滿足絕緣要求，運行安全可靠；3. 不含鐵心、無磁飽和、鐵磁共振和磁滯現象；4.不含交流線圈，不存在輸出線 圈開路危險，可以測量直流；5.抗電磁干擾；6.響應頻域寬；7.便于遙感和遙 測；8.有利于變電站綜合自動化水平的提高；9.體積小、重量輕、易安裝等。 光學電流互感器分為無源型光學電流互感器和有源型光學電流互感器。
華中理工大學的中國實用新型專利(專利號為ZL98235729.6) —110千 伏無源式光纖電流互感器。 一種具有塊狀光學傳感頭的光學電流互感器，其傳 感頭的主體玻璃環外圍有對稱的5個45度角的反射面及一個垂直的通光面， 被測電流導線從主體玻璃環中心孔穿過，偏振光經過反射面的多次全反射圍繞 導體一周，偏振光在被測電流的磁場作用下偏振面發生旋轉，從而測量出電
流。以及哈爾濱工程技術大學的中國實用新型專利(專利號為 ZL200710144590.5) —一種排除光學電流互感器中線性雙折射影響的三態偏振檢測法。可以同時測量光學電流傳感器系統輸出的橢圓偏振光三個極化方向的 光強(水平極化強度，垂直極化強度和水平成45方向極化強度的數據)，利 用二態測量數據，計算橢圓偏振光水平極化分量和垂直極化分量之間的位相差 信息，實時分離檢測法拉第效應和線性雙折射。但是，由于電流從光學玻璃中 心通過，實用性差；而且長期穩定性不好，反射面的性質會隨著時間推移而發 生變化，致使折射率發生變化，反射的光越來越弱，測量的精度及其可靠性越 來越差。
而中國專利(專利號為ZL200420112010.6)—光學電流互感器。采用條 狀磁光材料為主要傳感元件的傳感頭置于被測電流通過的螺線管內，并與螺線 管的軸線平行，條狀磁光材料處于螺線管內的穩定磁場區域中。由于光路為直 線形，避免了現有技術中塊狀傳感頭多次45度的反射，克服了隨時間推移反 射面變形導致反射光強變弱而喪失穩定性的缺點。光學電流互感器能夠長期穩 定運行，通電螺線管內的磁場強大，且磁場方向與磁光材料的平行度好，通過 條狀磁光材料的偏振光旋轉角大，測量精度高。但采用條狀磁光材料成本較 高，加上條狀磁光材料位于螺線管中心位置，長時間使用穩定性不好。另外， 需要外加供給電源來產生外加磁場，耗能，體積較大。
還有中國專利(申請號為200610060605.5)及美國專利US6756781提及 采用小尺寸磁光材料結合光學元件構成自由空間的光探頭。這種方案中，沒有 采取措施固定磁光材料的磁化方向，偏振態的漂移將影響整個系統的測量精度 和穩定性。中國專利(申請號為200910056802.3)采用磁光記錄方式，利用 光學刻蝕方法得到了永久磁疇，但是這種工藝過程復雜、能 耗高、生產率低、 實用性不強。
發明內容
鑒于上述現有光學電流傳感器及相關技術方案的不足，本發明的目的旨在 提供一種磁光電流傳感器及其制造方法，以實現安全監控高壓線路和測量高壓 線路的電流。
本發明的第一個目的，是通過如下技術方案來實現的
一種磁光電流傳感器，其特征在于包括沿光路設置的光源、起偏器、磁 光傳感單元、檢偏器及方位探測器。其中該磁光傳感單元為保護層、永磁薄 膜和磁光材料層疊生長結構，且所述保護層朝向光源一側，磁光材料朝向檢偏 器和方位探測器一側。該永磁薄膜為永磁材料，由釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷等永 磁材料構成，薄膜厚度介于10nm-lcm;該保護層為SiN或Si02薄膜，薄膜厚 度介于5nm-100nm。
進一步地，前述一種磁光電流傳感器，其中該光源用于提供點光源或面光 源；起偏器能夠將光源轉換成線偏振光；保護層用于防止永磁薄膜被氧化，保 持永磁薄膜的磁性；永磁薄膜用于對磁光材料提供外加磁場，固定磁光材料的 磁化方向；在外磁場的作用下磁光材料將線偏振光旋轉；檢偏器檢測偏振光； 方位探測器用于探測偏振光的光強和相位。
更進一步地，前述一種磁光電流傳感器，其中該磁光電流傳感器的各構件 光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器為沿光路直線設置。
本發明的第二個目的，是通過如下技術方案來實現的
一種磁光電流傳感器的制造方法，沿光路設置光源、起偏器、磁光傳感單 元、檢偏器及方位探測器，其特征在于首先制備清潔、干燥的磁光材料；然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜；再在永磁薄膜上生長SiN或Si02薄 膜保護層；最后利用永磁機對磁光傳感單元的永磁薄膜進行充磁。
進一步地，前述一種磁光電流傳感器的制造方法，其中永磁薄膜的生長工 藝為磁控濺射或電子束蒸發。
本發明設計的磁光電流傳感器，其應用后的有益效果體現為 本發明通過把現有有源型光學電流互感器的線圈產生磁場改為由永磁薄膜
來實現，光路通過的磁場強度大，平行度好，有效增大了偏振光的旋轉角，提
高了傳感器的感應精度。此外，該磁光電流傳感器的光路元件得以減少，系統
設計更簡便，可靠性更高。
為使本發明所設計的一種磁光電流傳感器及其制法更清楚、更易于被理
解，以下便以本發明一優選實施例結合其附圖，做進一步詳細的闡述。
圖1是本發明優選實施例的結構示意圖。 圖中各標記的含義是
1—光源、2—起偏器、3—保護層、4—永磁薄膜、5—磁光材料、6—檢偏 器、7—方位探測器。
具體實施例方式
從結構與功能的總體原理上來講，本發明是將磁光材料放到銅網或者鉬網 夾具上，在磁光材料上面直接生長一層永磁薄膜，通過永磁薄膜控制磁光材料 的初始磁化方向，得到光學系統中的初始偏振態零點，通過方位探測器直接探 測偏振光的旋轉角度和強度，從而實時獲得外界電流的信息。該種磁光電流傳感器，包括沿光路直線設置的光源1、起偏器2、磁光傳 感單元、檢偏器6及方位探測器7。其中該磁光傳感單元為保護層3、永磁
薄膜4和磁光材料5層疊生長結構，且所述保護層3朝向光源1一側，磁光材 料5朝向檢偏器6和方位探測器7 —側。該永磁薄膜4為永磁材料，由釹鐵 硼、釤鈷或鋁鎳鈷等永磁材料構成，薄膜厚度可以介于10nm-lcm;該保護層3 為SiN薄膜，薄膜厚度可以介于5nm-100nm，其最佳厚度取值為30nm左右。
作為該磁光電流傳感器的核心部件——磁光傳感單元是由保護層3、永磁 薄膜4和磁光材料5層疊生長的結構。其具體的制造方法是首先采用超聲波 清洗器清洗磁光材料5并烘干，將磁光材料5放置在銅網或者鉬網做成的夾具 上；然后將其放入薄膜生長系統(可以選用磁控濺射儀，也可以選用電子束蒸 發系統)并抽真空；當薄膜生長系統本底真空度優于1.0—4.0Pa時，加熱磁光 材料5至200—500。C，工作氣壓為0.2—5.0Pa;生長永磁薄膜并保溫1小時； 然后升溫至550°C—80(TC進行二次回火；冷卻至室溫時生長保護層SiN薄膜； 最后利用充磁機對樣品進行充磁。將充磁后的磁光傳感單元放置到事先搭建的 光學系統中，比較有無外界電流干擾時的方位探測器7所測信號，得出偏振光 旋轉的角度和強度，根據安培定律就可計算出外界電流的強度；當外界干擾電 流完全撤銷時，由于永磁薄膜的作用，磁光材料又回到初始磁化方向，整個系 統光路的偏振態又恢復到初始位置。
除此之外，以上制造方法的具體實施例中，該保護層3也可以選用Si02， 同樣能夠起到保護永磁薄膜4，防止其被氧化失磁的作用
由此可見，本發明光磁電流傳感器的檢測光路為直線形，且電 流不需要從 磁光材料中穿過，光路中也無需45度角的反射，更無需光刻。這是一種更實用、更穩定、更安全的新型光學電流傳感器設計方案。而且本發明光路中所用 元件種類和數量上都較之于現有技術減少，系統設計更靈活、方便，而由于采 用永磁薄膜的設計結構，使得光路通過的磁場強度大、平行度佳，由此使得偏 振光的旋轉角度更大，精度更高。
綜上所述可見本發明一種磁光電流傳感器，設計獨特且巧妙，使用方便， 從技術上克服了有源型光學電流互感器需要外界電流產生磁場的缺點和無源型 光學電流互感器穩定性差的缺點，可作為光學電流傳感器的理想選擇。此外， 本技術在零電位監測器、磁化強度光柵、光學磁場傳感器、光隔離器等領域， 應用前景同樣被看好。
以上僅是通過具體應用范例對本發明的實質特征進行的介紹，對發明的保 護范圍不構成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均 落在本發明權利保護范圍內。
權利要求
1.一種磁光電流傳感器，其特征在于包括沿光路設置的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其中所述磁光傳感單元為保護層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結構，且所述保護層朝向光源一側，磁光材料朝向檢偏器和方位探測器一側。
2. 根據權利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述磁光 電流傳感器構件的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器為沿光 路直線設置。
3. 根據權利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述永磁 薄膜為永磁材料，包括釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷之一或多種的混合物，薄膜厚度 介于10nm-lcrtic
4. 根據權利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述保護 層為SiN或Si02薄膜，薄膜厚度介于5nm-100nm。
5. 權利要求1所述的一種磁光電流傳感器的制造方法，沿光路設置光 源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其特征在于首先制備清 潔、干燥的磁光材料；然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜；再在永磁 薄膜上生長SiN或Si02薄膜保護層；最后利用永磁機對磁光傳感單元的永磁薄 膜進行充磁。
6. 根據權利要求5所述的一種磁光電流傳感器的制造方法，其特征在 于所述永磁薄膜的生長工藝為磁控濺射或電子束蒸發。
全文摘要
本發明公開了一種磁光電流傳感器及其制造方法，包括沿光路設置的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其中該磁光傳感單元為保護層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結構；制造時，首先制備清潔、干燥的磁光材料，然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜，再在永磁薄膜上生長SiN或SiO<sub>2</sub>薄膜保護層，最后利用永磁機對磁光傳感單元的永磁薄膜進行充磁。本發明利用永磁薄膜，使得光路通過的磁場強度大、平行度好，有效增大了偏振光的旋轉角，提高了傳感器的感應精度。此外，該磁光電流傳感器的光路元件少，系統設計更簡便，可靠性更高。
文檔編號G01R19/00GK101672870SQ200910183929
公開日2010年3月17日 申請日期2009年8月13日 優先權日2009年8月13日
發明者焦新兵, 蔣春萍 申請人:蘇州納米技術與納米仿生研究所