CN103048520B - 原子电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子电流传感器，属于电子领域。本发明包括光源控制电路、受光源控制电路控制的光源、接收光源发出的光信号的原子吸收泡组件以及与原子吸收泡组件进行交互的传感器信号处理电路。通过以上设置，本发明克服了在高精度电流检测的工程检测和电流计量检测等领域使用电磁式传感器无法很好地满足要求的缺陷，结构简单、测量精度高，适合推广使用。

Description

原子电流传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体地说，涉及一种原子电流传感器。

背景技术

现有的传感器大多是电磁式传感器，现有的电磁式传感器是利用磁电感应来测量物体转速的，并且将磁信号转换成电信号输出，属于非接触式转速测量仪表，因此也称电磁式电流传感器。电磁传感器是当今市场上应用得最广泛的传感器之一。

然而电磁式传感器在由于其存在测量精度不高、且容易受环境等影响的特点，无法满足于高精度电流检测的工程检测和电流计量检测等领域。

发明内容

本发明提供一种原子电流传感器，目的在于克服在高精度电流检测的工程检测和电流计量检测等领域使用电磁式传感器无法很好地满足要求的缺陷。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

原子电流传感器，包括光源控制电路、受光源控制电路控制的光源、接收光源发出的光信号的原子吸收泡组件以及与原子吸收泡组件进行交互的传感器信号处理电路。

为了实现光源的发光，所述光源控制电路包括：

温度传感器；

将温度传感器输出的线性电压进行放大的运算放大器；

将运算放大器放大后输出的线性电压进行功率放大的功率放大器，其中功率放大器与光源相连。

为了实现高精度滤光，所述原子吸收泡组件包括：

内充有碱金属惰性气体的吸收泡，其中光源发出的光照射在该吸收泡上；

设置在吸收泡一边的偏振片，该偏振片由半圆形的第一偏振片和半圆形的第二偏振片贴合而成；

与偏振片相邻并远离吸收泡、用于聚光的第一凸透镜，设置在吸收泡另一边的第二凸透镜；

与第二凸透镜相邻并远离吸收泡的光电池；

缠绕在吸收泡上、并产生激励电磁场的耦合线圈。

为了完全避免外界磁场的干扰，所述原子吸收泡组件和光源均设置在用于屏蔽外界电磁干扰的磁屏盒内。

为了使本发明准确输出传感器信号，所述传感器信号处理电路包括：

接收光电池信号的带通放大器；

依次相连的低频振荡器、移相器和相敏检波器，该相敏检波器与带通放大器相连，其中带通放大器同时输出信号到低频振荡器；

连接于低频振荡器和耦合线圈之间的压控振荡器，该压控振荡器还设置有第二输出端；

连接于相敏检波器和压控振荡器之间的积分器。

作为另一种优选，所述传感器信号处理电路包括带有两个输出端的90°移相器，接收光电池信号并输出信号到90°移相器的带通放大器，且90°移相器的一个输出端与耦合线圈相连。

进一步地，所述偏振片呈半圆形状，且吸收泡内充制有金属铷或铯，以及起缓冲作用的惰性气体。该惰性气体通常采用氮气和氩气中的一种或两种。

再进一步地，所述温度传感器为温度传感器芯片或数字温度传感器芯片。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明结构简单、成本低廉，适合推广使用。

（2）本发明首先采用光源控制电路，该光源电路通过温度传感器感应温度，并采用运算放大器和功率放大器分别进行电压放大和功率放大，将温度传感器的信号转换成大功率电流用于加热光源，这样便能使光源发光。该光源控制电路完成了原子电流传感器的初始功能，同时结构简单，占用面积小，测量精度高。

（3）本发明利用原子吸收泡组件进行滤光，首先本发明中的耦合线圈产生的激励磁场，联合在吸收泡内充满惰性气体的碱金属的环境，再通过两个半圆的偏振片分别对光源从线偏振转换为左旋和右旋的圆偏振光；便实现偏振功能，这样保持原子吸收泡组件滤光性能较强的同时工作状态稳定，并且由于几乎没有元器件损耗，因此该原子吸收泡组件工作寿命长，这对本发明来讲其精度有了保证。

（4）本发明中的原子吸收泡组件和光源均被封闭在磁屏盒内，避免其受到外部磁场的影响，保证原子吸收泡组件的滤光精度，这对于高精度行业的测量是大大有益的。

（5）本发明的传感器信号处理电路包括至少两种工作方式：一是主动式，二是被动式。被动式的传感器信号处理电路采用相敏检波器和低频振荡器进行检波整流，再通过压控振荡器输入反馈信号到耦合线圈，并且同时输出信号，完成原子电流传感器的功能；主动式的传感器信号处理电路结构更为简单，只需通过90°移相器和带通放大器便可以进行选频信号的放大并输出信号，同时也能实现向耦合线圈反馈电压的功能。因此无论是主动式还是被动式的传感器信号处理电路，都能实现高精度的测量和对耦合线圈的反馈。

（6）通过本发明的设置，能够很好地达到高精度电流检测的工程检测和电流计量检测等领域进行高精度测量的目的。

附图说明

图1为本发明的原理框图。

图2为本发明中光源控制电路的原理框图。

图3为本发明中原子吸收泡组件的剖面示意图。

图4为本发明—实施例1中传感器处理电路的原理框图。

图5为本发明—实施例2中传感器处理电路的原理框图。

其中，附图标记对应的部件名称为：

1—吸收泡，2—第一凸透镜，3—第二凸透镜，4—偏振片，5—光电池，6—耦合线圈。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例1

如图1、图2、图3、图4所示，本发明原子电流传感器通过对光过滤完成信号传输功能。

如图1所示，该电子电流传感器包括光源控制电路、光源、原子吸收泡组件和传感器处理电路。

如图2所示，该光源控制电路主要用于感应和放大电压，最后输出大功率电流。其中本实施例中的光源控制电路上的温度传感器优选热敏电阻，温度传感器随着温度的变化电阻率发生变化，因此根据电阻率的变化其上加载的电压大小不断变化，该电压经过运算放大器放大后再通过功率放大器进行电流的不断放大，因此功率放大器输出的功率显著增大。

由于功率放大器输出的功率与温度传感器上的电压大小变化相关，因此在温度传感器上的电压增大到一定值后，功率也随之增大到一定值，便可以加热光源，光源在到达一定温度后发出的光能够满足要求。

本实施例中的光源优选激光管，该功率放大器对光源的加热是保持恒温的。

光源发出的激光通过磁屏盒中的透光小孔进入原子吸收泡组件。

如图3所示，激光照射在吸收泡1上，由于吸收泡1内充制有碱金属：铷，并且剩余空间用惰性气体氮气和氩气进行缓冲，此时耦合线圈6产生激励磁场，因此激光与碱金属的原子相互作用时，激光穿过均为由半圆形的第一偏振片和半圆形的第二偏振片组成的偏振片4，这样便改变了激光的偏振方向，产生旋光效应，实现偏振功能。

滤光后，选出的特定频率的光波通过第一凸透镜2和第二凸透镜3，产生聚光效应，聚合后的光直射于光电池5上，使光电池5产生电流，这样，吸收泡便完成了其功能。

光电池5产生的电流进入传感器信号处理电路。

如图4所示，该传感器信号处理电路包括带通放大器、相敏检波器、移相器、低频振荡器、压控振荡器和积分器。

其中原子吸收泡组件中的光电池5输出信号到带通放大器，带通放大器进行信号选频放大，并将放大后的信号输入相敏检波器和低频振荡器同步进行检波和整流。

低频振荡器将整流后的信号输入到移相器进行相位调整，并输入到相敏检波器，相敏检波器将检波后的信号和移相后的信号输入到积分器进行高频滤波，积分器在高频滤波后将高频滤波后的信号输入到压控振荡器去锁定压控振荡器。

进一步地，低频振荡器同时输出整流后的信号到压控振荡器进行频率调制。压控振荡器带有两个输出端，一个输出端输出信号进入原子吸收泡组件，反馈进耦合线圈，控制耦合线圈产生的磁场，另一个输出端输出信号，该输出信号即为原子电流传感器输出的信号。此时，本发明完成了其功能。

其中该传感器信号处理电路进行的信号处理的方式被称为被动式。

实施例2

与实施例1的区别在于，为了更好地实现本发明，本实施例在激光管上格外设置一个激光罩使激光管保持温度恒定，由于该激光管自身会进行发热，因此将光源控制电路上的热敏电阻设置于激光罩内，根据激光罩内的温度进行反馈从而控制功率放大器的加热温度，便能更好地保证激光管发出激光的频率保持恒定，提高滤光精度。

实施例3

与实施例1的区别在于，如图5所示，传感器信号处理电路包括带通放大器和90°移相器，带通放大器与原子吸收泡组件中的光电池相连接，将光电池的输出信号进行信号90°移相，90°移相器带有两个输出端：其中一个输出端输出信号到耦合线圈，进行信号反馈，并控制耦合线圈产生磁场；另一个输出端输出信号即为原子电流传感器输出的信号。此时，本发明完成了其功能。

其中该传感器信号处理电路进行的信号处理的方式被称为主动式。

实施例4

与实施例1的区别在于，该温度传感器采用现有的数字温度传感器芯片，且原子吸收泡组件中充制的是碱金属：铯，剩余部分填充惰性气体：氮气和氩气。

按照上述实施例，便可很好的实现本发明。

Claims (7)

1.原子电流传感器，其特征在于，包括光源控制电路，受光源控制电路控制的光源，接收光源发出的光信号的原子吸收泡组件，以及与原子吸收泡组件进行交互的传感器信号处理电路；所述原子吸收泡组件包括：

内充有碱金属惰性气体的吸收泡，其中光源发出的光照射在该吸收泡上；

设置在吸收泡一边的偏振片，该偏振片由半圆形的第一偏振片和半圆形的第二偏振片贴合而成；

与偏振片相邻并远离吸收泡、用于聚光的第一凸透镜，设置在吸收泡另一边的第二凸透镜；

与第二凸透镜相邻并远离吸收泡的光电池；

缠绕在吸收泡上、并产生激励电磁场的耦合线圈。

2.根据权利要求1所述的原子电流传感器，其特征在于，所述光源控制电路包括：

温度传感器；

将温度传感器输出的线性电压进行放大的运算放大器；

将运算放大器放大后输出的线性电压进行功率放大的功率放大器，其中功率放大器与光源相连。

3.根据权利要求2所述的原子电流传感器，其特征在于，所述原子吸收泡组件和光源均设置在用于屏蔽外界电磁干扰的磁屏盒内。

4.根据权利要求3所述的原子电流传感器，其特征在于，所述传感器信号处理电路包括：

接收光电池信号的带通放大器；

依次相连的低频振荡器、移相器和相敏检波器，该相敏检波器与带通放大器相连，其中带通放大器同时输出信号到低频振荡器；

连接于低频振荡器和耦合线圈之间的压控振荡器，该压控振荡器还设置有第二输出端；

连接于相敏检波器和压控振荡器之间的积分器。

5.根据权利要求3所述的原子电流传感器，其特征在于，所述传感器信号处理电路包括带有两个输出端的90°移相器，接收光电池信号并输出信号到90°移相器的带通放大器，且90°移相器的一个输出端与耦合线圈相连。

6.根据权利要求1～5任一项所述的原子电流传感器，其特征在于，所述偏振片呈半圆形状，且吸收泡内充制有金属铷或铯，以及起缓冲作用的惰性气体。

7.根据权利要求2所述的原子电流传感器，其特征在于，所述温度传感器为温度传感器芯片。