基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的制造方法

基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器。電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀和寬譜光源；導磁回路為矩形回路，其一邊開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，兩錐形的頂端均為圓形；傳感頭置于兩錐形的頂端之間，傳感頭的徑向平行于兩錐形的頂端平面；寬譜光源發出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經傳感頭反射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。本發明的上述技術能避免基于法拉第效應電流傳感器的雙折射問題和基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯迴線的問題，通過雙錐形導磁回路能夠使被測導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率及電流測量靈敏度。
【專利說明】
基于導磁回路及磁流體的電流傳感器
技術領域
[0001] 本發明涉及電流傳感技術，尤其涉及一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器。
【背景技術】
[0002] 根據實現途徑不同，目前的光纖電流傳感器主要分為兩類：（1)基于法拉第效應的 光纖電流傳感器。這種傳感器具有絕緣性好、測量范圍大等優點，但存在光纖Verdet常數偏 低和光纖雙折射難以克服的問題。（2)基于超磁致伸縮材料(GMM)的光纖電流傳感器。此類 傳感器難以克服GMM材料的固有磁滯非線性，而且傳感頭難以小型化。
[0003] 磁流體是應現代科學發展而產生的一種超順磁特性液體功能材料，幾乎無固體磁 性物質所具有的磁滯現象，其折射率隨外加磁場在一定范圍內呈線性變化，且易于與光纖 相結合。目前，存在將磁流體與光纖相結合的電流傳感器技術，該技術可彌補基于法拉第效 應和基于GMM材料的電流傳感器的缺憾，如CN 201510423585.2披露了一種基于磁流體的電 流傳感器，然而，該基于磁流體的電流傳感器的電流測量靈敏度仍然不高。

【發明內容】

[0004] 在下文中給出了關于本發明的簡要概述，以便提供關于本發明的某些方面的基本 理解。應當理解，這個概述并不是關于本發明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發明的關 鍵或重要部分，也不是意圖限定本發明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念， 以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005] 鑒于此，本發明提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，以至少解決現 有的基于磁流體的電流傳感器的電流測量靈敏度不高的問題。
[0006] 根據本發明的一個方面，提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，該基 于導磁回路及磁流體的電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光 源;其中，導磁回路為矩形回路，導磁回路的一個邊上開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個 相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個錐形的頂端之間，且傳感頭的徑 向平行于兩個錐形的頂端平面；寬譜光源發出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經 傳感頭反射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。
[0007] 進一步地，傳感頭包括單模光纖部分、空芯光纖部分以及熊貓光纖部分;其中，單 模光纖部分的一端與空芯光纖部分的一端相熔接，空芯光纖部分的另一端與熊貓光纖部分 相熔接，空芯光纖部分內部為光纖微腔;熊貓光纖部分的側面上開有一個孔，作為熊貓光纖 部分的側孔，側孔僅與熊貓光纖部分的兩個氣孔之一相連通;熊貓光纖部分的暴露端面上 的、與側孔相連通的氣孔被封閉;光纖微腔內填充有磁流體。
[0008] 進一步地，空芯光纖部分的長度為50lim-200WI1，熊貓光纖部分的外徑與單模光纖 部分的外徑均為125WH，熊貓光纖部分的包層內兩個氣孔直徑為10wii-30iim，兩個氣孔中心 間距為25ym-60iim，熊貓光纖部分的長度為10mm-20mm，側孔距尚熊貓光纖部分與空芯光纖 部分的恪接點2mm-5mm。
[0009] 進一步地，兩個錐形的頂端均為直徑在30mm - 50mm之間的圓形，兩個錐形的頂端 之間的距離在之間。
[0010] 進一步地，寬譜光源的光譜范圍為1300nm-1600nm。
[0011 ] 進一步地，導磁回路的截面尺寸為30mm* 30_。
[0012]本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，不僅能夠避免基于法拉第效應電 流傳感器的雙折射問題，同時能夠解決基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯迴線的問題。 此外，通過雙錐形導磁回路，本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器能夠使得被測 導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率及電流測量靈 敏度。
[0013]通過以下結合附圖對本發明的最佳實施例的詳細說明，本發明的這些以及其他優 點將更加明顯。
【附圖說明】
[0014] 本發明可以通過參考下文中結合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所 有附圖中使用了相同或相似的附圖標記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的 詳細說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進一步舉例說明本 發明的優選實施例和解釋本發明的原理和優點。在附圖中：
[0015] 圖1是示出本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的一個示例的結構示意 圖；
[0016] 圖2是示出圖1所示的傳感頭的一種可能結構的示意圖；
[0017] 圖3是示出用于制作本發明的傳感頭的制作方法的一種示例性處理的流程圖；
[0018] 圖4是導磁回路及錐形區磁場分布示意圖。
[0019] 本領域技術人員應當理解，附圖中的元件僅僅是為了簡單和清楚起見而示出的， 而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對于其他元件放大了，以 便有助于提高對本發明實施例的理解。
【具體實施方式】
[0020] 在下文中將結合附圖對本發明的示范性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見， 在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應該了解，在開發任何這種實際實施 例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現開發人員的具體目標，例如，符 合與系統及業務相關的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有 所改變。此外，還應該了解，雖然開發工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本公開 內容的本領域技術人員來說，這種開發工作僅僅是例行的任務。
[0021] 在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節而模糊了本發明，在附圖中 僅僅示出了與根據本發明的方案密切相關的裝置結構和/或處理步驟，而省略了與本發明 關系不大的其他細節。
[0022] 本發明的實施例提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，該基于導磁回 路及磁流體的電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源;其中， 導磁回路為矩形回路，導磁回路的一個邊上開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐 形，該兩個錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個錐形的頂端之間，且傳感頭的徑向平行于 兩個錐形的頂端平面；寬譜光源發出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經傳感頭反 射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。
[0023] 下面結合圖1來描述本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的一個示例。 如圖1所示，本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器100包括導磁回路1-1、傳感頭1-2、光纖耦合器1-3、光譜儀1-4以及寬譜光源1-5。
[0024] 導磁回路1-1為矩形回路，如圖1所示，在導磁回路1-1的一個邊上開有狹縫，該狹 縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形。兩個錐形的頂端例如均 為直徑在3 0mm-5 0mm之間的圓形，兩個錐形的頂端之間的距離例如在1 mm- 3mm之間。導磁回 路1-1的截面例如為30mm* 30mm的正方形截面。
[0025] 傳感頭1-2置于以上兩個錐形的頂端之間，且傳感頭1-2的徑向平行于兩個錐形的 頂端平面。
[0026] 寬譜光源1-5通過光纖連接光纖耦合器1-3,光纖耦合器1-3通過光纖連接傳感頭 1-2，而光譜儀1-4也通過光纖連接光纖耦合器1-3。這樣，寬譜光源1-5發出的寬譜光經過光 纖耦合器1-3后進入傳感頭1-2,經傳感頭1-2反射的光信號通過光纖耦合器1-3進入光譜儀 1-4。其中，寬譜光源1-5的光譜范圍例如為1300nm-1600nm〇
[0027] 相比于CN 201510423585.2中的電流傳感器，本發明的基于導磁回路及磁流體的 電流傳感器能夠通過錐形導磁回路，而使被測導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，因此能夠 大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率以及電流測量靈敏度。而CN 201510423585.2中 的電流傳感器并未考慮到被測導線在傳感頭處產生磁場效率的問題，實際上，導線在傳感 頭處產生的磁場的效率很低，導致該電流傳感器的電流測量靈敏度不高。
[0028]根據一種實現方式，如圖2所不，傳感頭1-2可以包括單模光纖部分2-1、空芯光纖 部分2-2以及熊貓光纖部分2-3。其中，單模光纖部分2-1的一端與空芯光纖部分2-2的一端 相熔接，空芯光纖部分2-2的另一端與熊貓光纖部分2-3的一端相熔接，空芯光纖部分2-2的 內部為光纖微腔。熊貓光纖部分2-3的側面上開有一個孔，作為熊貓光纖部分2-3的側孔(其 中偵吼未在圖2中示出），該側孔僅與熊貓光纖部分2-3的兩個氣孔之一相連通。熊貓光纖部 分2-3的暴露端（即其未與空芯光纖部分2-2熔接的那端)端面上的、與側孔相連通的氣孔被 封閉（例如通過樹脂膠將該氣孔堵死）。光纖微腔內填充有磁流體，并且磁流體充滿整個光 纖微腔。
[0029] 光纖微腔體積非常小，能與錐形磁路有效結合，使相同導線電流產生的磁場更多 地聚集到光纖微腔內的磁流體上，導致磁流體的折射率產生更大的變化，進而使通過光纖 微腔的光的干涉譜有更大的頻移，從而提高電流的測量靈敏度。
[0030] 以上實現方式與現有技術不同的是，現有技術通常將粘貼有光纖光柵的GMM與磁 路結合，利用GMM的磁致伸縮特性通過檢測光纖光柵的光譜變化實現電流測量，盡管此方法 也能將導線電流產生的磁場聚集到傳感頭上，但是GMM存在固有磁滯迴線特性，限制了此種 方法的測量靈敏度的提高；而本發明所利用的磁流體是一種超順磁特性液體，不存在磁滯 迴線特性，因此，通過磁路聚磁的方式可以極大提高靈敏度。
[0031]熊貓光纖部分2-3上的側孔的直徑尺寸例如為3M1-20M1，其可以采用飛秒激光打 孔方式實現。
[0032] 其中，空芯光纖部分2-2的長度例如為50WI1 - 200iim。熊貓光纖部分2-3的外徑與單 模光纖部分2-1的外徑相同，例如均為125wii。熊貓光纖部分2-3的包層內兩個氣孔直徑例如 為l〇Mi-30iim，兩個氣孔中心間距例如為25Mi-60iim，熊貓光纖部分2-3的長度例如為10mm- 20mm。側孔例如距離熊貓光纖部分2-3與空芯光纖部分2-2的熔接點2mm-5mm。實驗數據表 明，采用以上參數的傳感頭能夠進一步提高電流的測量靈敏度。
[0033]下面結合圖3描述用于制作本發明的傳感頭的制作方法的一個示例的處理流程 300 〇
[0034] 如圖3所示，處理流程300開始之后，執行步驟S310。
[0035]在步驟S310中，將目標單模光纖與目標空芯光纖熔接，采用與熔接兩根單模光纖 時相同的放電強度。然后執行步驟S320。
[0036]在步驟S320中，以目標單模光纖與目標空芯光纖的熔接點為起點，在目標空芯光 纖上截取一段空芯光纖，將此段空芯光纖的自由端與目標熊貓光纖熔接，采用熔接兩根單 模光纖時的放電強度的1/3至2/3，以在目標單模光纖與目標熊貓光纖之間形成一個光纖微 腔。接著執行步驟S330。
[0037] 在步驟S330中，以目標空芯光纖與目標熊貓光纖的熔接點為起點，在目標熊貓光 纖上截取一段熊貓光纖。接著執行步驟S340。
[0038] 在步驟S340中，在目標熊貓光纖的側面上開一側孔，使側孔僅與目標熊貓光纖的 兩個氣孔中的一個相連通。然后執行步驟S350。
[0039]在步驟S350中，在顯微鏡下將目標熊貓光纖的自由端端面放大，將與側孔相連通 的目標熊貓光纖的氣孔堵死。然后執行步驟S360。
[0040]在步驟S360中，將目標熊貓光纖的自由端插入磁流體中，并使目標熊貓光纖的側 孔暴露在空氣中，利用毛細現象將磁流體填充到光纖微腔內。處理流程300結束。
[0041 ]根據一種實現方式，在目標空芯光纖上截取的一段空芯光纖的長度為50WI1-200ii m，光纖微腔的長度為50M1-200WI1;目標熊貓光纖的外徑與目標單模光纖的外徑均為125y m，目標熊貓光纖的包層內兩個氣孔直徑為10wii-30iim，兩個氣孔中心間距為25圓-60圓，目 標熊貓光纖的長度為l〇mm-20mm;側孔距尚目標熊貓光纖與目標空芯光纖的恪接點2mm- 5mm 〇
[0042]實驗數據表明，采用以上方法制作的傳感頭能夠提高電流的測量靈敏度。
[0043] 應用示例1
[0044] 下面描述本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器100的一個應用示例。
[0045] 如圖1所示，電流傳感器100在測量電流時，將導磁回路1-1套在被測導線上，使得 被測導線由導磁回路1 _ 1的空腔中心通過，導磁回路1 _ 1感應被測電流，并將在磁路內產生 的磁場匯聚于到傳感頭1-2上。在磁場的作用下，磁流體會產生磁致折變效應，其折射率隨 磁場的變化而變化，進而導致光纖微腔光程的變化，從而使得光纖微腔的干涉譜平移，通過 檢測干涉譜平移的大小即可獲得被測電流的大小。
[0046] 寬譜光源1-5采用43￡光源，其光譜范圍為130〇11111-160〇11111，發出的寬譜光經1\2光 纖耦合器(作為光纖耦合器1-3的示例)后，進入傳感頭1_2(磁流體光纖微腔），經傳感頭1-2 反射的光信號通過上述1X2光纖耦合器進入光譜儀1-4,然后再通過計算機實現對信號的 處理。
[0047] 本發明的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器100是基于琺珀干涉儀原理實現 的，由于設計為反射式結構，所以光譜儀1-4接收到的干涉譜信號可以表示為：
[0048] 公式一
[0049] 式中，I為光強，Ri為單模光纖部分與磁流體連接處的反射率，R2為磁流體與熊貓光 纖部分連接處的反射率，c為光在磁流體通過的單程損耗，是磁流體光纖微腔的光程差，可 由下式表示：
[0050] 公式二
[0051 ]其中，n為磁流體的折射率，L為光纖微腔的長度，A為光波的波長。
[0052]磁流體具有磁致折變特性，電流傳感器100就是利用磁流體的這種特性實現磁場 傳感的。導磁回路1 _ 1將導線電流產生的磁場通過磁路加載到傳感頭上，在磁場的作用下， 磁流體的折射率變化，導致光纖微腔的光程差變化，進而導致磁流體光纖微腔干涉譜平移。 干涉譜平移量與被測電流的大小在一定范圍內呈線性，利用此關系通過測量光纖微腔干涉 譜平移量的大小，即可獲得被測磁場的大小。
[0053]圖4是導磁回路及錐形區磁場分布示意圖。如圖4所示，導磁回路1-1形狀為矩形回 路，截面尺寸為30mm * 30mm(正方形截面），其中一臂上開有一狹縫，且狹縫處導磁體為兩個 相對的錐形，兩錐形頂端均為直徑在30mm - 50mm之間的圓形，兩錐形頂端之間的距離在 之間，傳感頭置于兩錐形頂端之間，且傳感頭經向平行于兩錐形頂端平面。如圖4所 示的仿真結果表明，被測電流產生的磁場主要集中在錐形頂端，錐形頂端磁場明顯高于周 圍磁場了，因此導磁回路1-1大大提高了傳感頭1-2處電流到磁場轉化效率，進而提高了電 流的測量靈敏度。
[0054] 應用示例2
[0055]下面描述用于制作本發明的傳感頭的一個應用示例。
[0056]首先將普通單模光纖(作為目標單模光纖的示例）與空芯光纖(作為目標空芯光纖 的示例)熔接，熔接采用的放電強度與正常情況下熔接兩根普通單模光纖的強度相同。 [0057]然后，以普通單模光纖與空芯光纖的熔接點為起點，在空芯光纖上截取長度在50y m - 200WI1之間的一段空芯光纖，將此段空芯光纖的自由端與熊貓光纖(作為目標熊貓光纖 的示例)熔接。其中，熊貓光纖的外徑與普通單模光纖的外徑尺寸相同，均為125wn，熊貓光 纖包層內雙孔直徑為10M1-30M1，雙孔中心間距為25M1-60M1。空芯光纖與熊貓光纖熔接采 用的放電強度是正常情況下熔接兩根普通單模光纖的放電強度的1/3至2/3。這樣，在普通 單模光纖與熊貓光纖之間就會形成長度在50M1-200M1的光纖微腔。
[0058] 以普通單模光纖與熊貓光纖的熔接點為起點，在熊貓光纖上截取一段長度在 10mm-20mm之間的熊貓光纖，然后在距離普通單模光纖與熊貓光纖的熔接點2mm - 5mm處的 熊貓光纖的側面上開一小孔(可飛秒激光打此孔），使其僅與熊貓光纖兩個氣孔中的一個相 連通。
[0059] 接著，在顯微鏡下將熊貓光纖的端面放大，然后用樹脂膠將與側孔相連通的熊貓 光纖的氣孔堵死。
[0060] 這樣，將熊貓光纖的自由端插入磁流體中，保證熊貓光纖的側孔暴露在空氣中，利 用毛細現象將磁流體填充到光纖微腔內。
[0061] 由此而制得的傳感頭具有如圖2所示的結構，如圖2所示，在制成的傳感頭中，目標 單模光纖的部分對應于圖2所示的單模光纖部分2-1，目標空芯光纖的部分對應于圖2所示 的空芯光纖部分2-2,而目標熊貓光纖的的部分對應于圖2所示的熊貓光纖部分2-3。
[0062] 盡管根據有限數量的實施例描述了本發明，但是受益于上面的描述，本技術領域 內的技術人員明白，在由此描述的本發明的范圍內，可以設想其它實施例。此外，應當注意， 本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限 定本發明的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權利要求書的范圍和精神的情況下，對于本 技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對于本發明的范圍，對本 發明所做的公開是說明性的，而非限制性的，本發明的范圍由所附權利要求書限定。
【主權項】
1. 基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述基于導磁回路及磁流體的 電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源； 其中，所述導磁回路為矩形回路，所述導磁回路的一個邊上開有狹縫，所述狹縫兩側的 導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形； 所述傳感頭置于所述兩個錐形的頂端之間，且所述傳感頭的徑向平行于所述兩個錐形 的頂端平面； 所述寬譜光源發出的寬譜光經過所述光纖耦合器后進入所述傳感頭，經所述傳感頭反 射的光信號通過所述光纖耦合器進入所述光譜儀。2. 根據權利要求1所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述傳感 頭包括單模光纖部分、空芯光纖部分以及熊貓光纖部分； 其中，所述單模光纖部分的一端與所述空芯光纖部分的一端相熔接，所述空芯光纖部 分的另一端與所述熊貓光纖部分相熔接，所述空芯光纖部分內部為光纖微腔;所述熊貓光 纖部分的側面上開有一個孔，作為所述熊貓光纖部分的側孔，所述側孔僅與所述熊貓光纖 部分的兩個氣孔之一相連通;所述熊貓光纖部分的暴露端面上的、與所述側孔相連通的氣 孔被封閉;所述光纖微腔內填充有磁流體。3. 根據權利要求2所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述空芯 光纖部分的長度為50μπι-200μπι，所述熊貓光纖部分的外徑與所述單模光纖部分的外徑均 為125μπι，所述熊貓光纖部分的包層內兩個氣孔直徑為10μπι-30μπι，所述兩個氣孔中心間距 為25μηι-60μηι，所述熊貓光纖部分的長度為IOmm-20mm，所述側孔距尚所述熊貓光纖部分與 所述空芯光纖部分的恪接點2mm-5mm。4. 根據權利要求1-3中任一項所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在 于，所述兩個錐形的頂端均為直徑在30mm-50mm之間的圓形，所述兩個錐形的頂端之間的 距離在之間。5. 根據權利要求1-4中任一項所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在 于，所述寬譜光源的光譜范圍為1300nm-1600nm〇6. 根據權利要求1-5中任一項所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在 于，所述導磁回路的截面尺寸為30mm* 30mm。
【文檔編號】G01R15/14GK105911328SQ201610393523
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月6日
【發明人】楊玉強, 葛偉, 楊群
【申請人】哈爾濱理工大學