CN103257262B - 基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置，它由光源、起偏镜、半反半透镜、磁流体薄膜、检偏镜、第一光电探测器和第二光电探测器组成；半反半透镜将光分为两路，一路光经磁流体薄膜和检偏镜顺次正向处理，另一路光经检偏镜和磁流体薄膜顺次反向处理，最终测得的两路光的光强信号中，包含有相同的噪声信号，通过数据处理，使两路光中的噪声信号被抵消掉，从而有效抑制噪声对于测量结果的影响，提高传感装置的抗干扰性。

Description

基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置

技术领域

本发明涉及一种传感装置，尤其涉及一种基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置。

背景技术

现有技术中，采用磁流体的光学式电流传感装置，其基本原理是：将磁流体置于输电线路所产生的磁场中，此时，入射到磁流体中的偏振光在法拉第效应的作用下，偏振光的偏振面会产生与磁场强度成正比的旋转角，用检偏器检测到这个旋转角，就能测量出磁场的大小，进一步地就可获得输电线路中的电流参数。

传感装置的精确度和抗干扰性，是制作传感装置时必须考虑的问题，现有技术中，采用磁流体的光学式电流传感装置，其测量数据受环境干扰影响较大，尤其是温度干扰，其应用因而受到局限；为了解决环境干扰影响问题，相关技术人员进行了大量探索，如03125392.X号专利提出的一种光电电流互感器，它采用引入永磁体和参考光路的方法，从而补偿温度对温度敏感原件的影响，但该方案使传感装置的复杂度大幅增加，且保持永磁体的长期稳定性也是实际应用过程中的障碍，同时，其传感装置对自身部件的精确度和稳定性的依赖度较高。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置，它由光源、起偏镜、半反半透镜、磁流体薄膜、检偏镜、第一光电探测器和第二光电探测器组成；

磁流体薄膜左侧面上设置有第一入射端和第二出射端，磁流体薄膜右侧面上设置有第二入射端和第一出射端，第一入射端和第一出射端对正设置，第二入射端和第二出射端对正设置；

检偏镜左侧面上设置有第一输入端和第二输出端，检偏镜右侧面上设置有第一输出端和第二输入端；第一输入端和第一输出端对正设置，第二输入端和第二输出端对正设置；

光源与起偏镜光路连接，起偏镜与半反半透镜光路连接；半反半透镜将输入光分流为反射光和透射光，其中，反射光和透射光的光强比例为1︰1；

反射光和透射光中的一者，经光路传输后从第一入射端射入磁流体薄膜内，并从第一出射端射出，从第一出射端射出的光经光路传输后从第一输入端射入检偏镜内，并从第一输出端射出，第一光电探测器采集从第一输出端射出的光的光强信号；反射光和透射光中的另一者，经光路传输后从第二输入端射入检偏镜内，并从第二输出端射出，从第二输出端射出的光经光路传输后从第二入射端射入磁流体薄膜内，并从第二出射端射出，第二光电探测器采集从第二出射端射出的光的光强信号。

起偏镜的透光轴和检偏镜的透光轴之间的夹角为45°。

从前文所述的结构中可以看出，由半反半透镜分离出的反射光和透射光，这两路光在磁流体薄膜和检偏镜上的透射次序相反、透射方向相反，在电磁场方向一定的条件下，由于磁流体对两路光的调制作用使得两路光的旋转方向不同，同时，由于两路光处于同一测量环境中，且两路光来自同一光源，因此，由光源的光强波动、环境温度和其他环境噪声对两路光造成的影响是相同的，使得最终测得的偏振光振动方向旋转角度的大小与环境噪声的影响无关，从而提高了装置的抗干扰性能，同时还降低了装置对于光源的要求，提高了测量精度，具体处理为：

以起偏镜和检偏镜透光轴夹角为45°为例，设光源（激光二极管）发出的单色光束经过起偏镜后的光强恒定部分为I₀，由于环境带来的噪声为ζ，半反半透镜将此光束分裂成的两个子光束，其中由第一光电探测器测得的光强为I₁，I₁可由下式示出：

由第二光电探测器所测得的另一子光束的光强为I₂，I₂可由下式示出：

将两个光电探测器测得的光强值相除，即：

由此解得：

$\mathrm{\θ}=\arctan (\frac{2}{1+\sqrt{I_1/I_2}}-1)$

从最终的θ表达式可看出，其中的噪声项ζ已经被抵消了，即测得的偏振光振动方向旋转角度大小与环境噪声ζ无关，从而降低了测量系统对于背景的要求，并提高了测量精度。

从半反半透镜出来的光，第一路光经磁流体薄膜、检偏镜顺次处理，第二路光经检偏镜、磁流体薄膜顺次反向处理，对于第一路光而言，检偏镜对其起检偏作用，对于第二路光而言，检偏镜对其起到起偏作用。

起偏镜的透光轴和检偏镜的透光轴之间的夹角为45°，是本测量系统的最佳设置，根据光学的基本原理，其理论推导过程如下：

由马吕斯定律可知，光强为I₀的平面偏振光通过磁场中的磁光介质和检偏镜后的光强I可由下式示出：

I＝I₀cos²(α+θ)

式中α即为起偏镜和检偏镜透光轴的夹角，θ为磁致旋光角；若α＝45°，则dI/dθ＝1，此时调制系统的信号检测灵敏度最高，失真最小。

更进一步地，本发明还对构成磁流体薄膜的结构作了改进：所述磁流体薄膜由填充腔、盖板和密封胶块组成；其中，填充腔外形以及填充腔内部的腔体形状均为矩形体，密封胶块设置于盖板上，盖板将填充腔的开口处封闭，密封胶块堵塞在填充腔的端口处；填充腔内部的腔体中填充有磁流体；所述填充腔采用氟化钙晶体制作，所述盖板采用石英制作，所述密封胶块采用聚四氟乙烯制作。

本发明的有益技术效果是：提高了光学式电流传感器的抗干扰性，尤其是有效地抑制了环境温度对测量结果的影响，结构简单、成本低廉，适用范围广。

附图说明

图1、本发明的结构示意图；

图2、磁流体薄膜的结构示意图；

图中各个标记所示的部件分别为：光源1、起偏镜2、半反半透镜3、磁流体薄膜4、第一入射端4-1、第一出射端4-2、第二出射端4-3、第二入射端4-4、检偏镜5、第一输入端5-1、第一输出端5-2、第二输入端5-3、第二输出端5-4、第一光电探测器6、第二光电探测器；

具体实施方式

本发明的结构由光源1、起偏镜2、半反半透镜3、磁流体薄膜4、检偏镜5、第一光电探测器6和第二光电探测器7组成；其中磁流体薄膜4左侧面上设置有第一入射端4-1和第二出射端4-3，磁流体薄膜4右侧面上设置有第二入射端4-4和第一出射端4-2，第一入射端4-1和第一出射端4-2对正设置，第二入射端4-4和第二出射端4-3对正设置；检偏镜5左侧面上设置有第一输入端5-1和第二输出端5-4，检偏镜5右侧面上设置有第一输出端5-2和第二输入端5-3；第一输入端5-1和第一输出端5-2对正设置，第二输入端5-3和第二输出端5-4对正设置；各个部件之间的传输光路均采用普通传输光纤实现，各个出射端和入射端以及输入端和输出端均采用耦合器实现光的导入、导出；

前述各个部件按如下方式连接：

光源1与起偏镜2光路连接，起偏镜2与半反半透镜3光路连接；半反半透镜3将输入光分流为反射光和透射光，其中，反射光和透射光的光强比例为1︰1；反射光和透射光中的一者，经光路传输后从第一入射端4-1射入磁流体薄膜4内，并从第一出射端4-2射出，从第一出射端4-2射出的光经光路传输后从第一输入端5-1射入检偏镜5内，并从第一输出端5-2射出，第一光电探测器6采集从第一输出端5-2射出的光的光强信号；反射光和透射光中的另一者，经光路传输后从第二输入端5-3射入检偏镜5内，并从第二输出端5-4射出，从第二输出端5-4射出的光经光路传输后从第二入射端4-4射入磁流体薄膜4内，并从第二出射端4-3射出，第二光电探测器7采集从第二出射端4-3射出的光的光强信号；起偏镜2的透光轴和检偏镜5的透光轴之间的夹角为45°。

为了简化磁流体薄膜4的结构，本发明还作了如下改进：所述磁流体薄膜4由填充腔31、盖板29和密封胶块30组成；其中，填充腔31外形以及填充腔31内部的腔体形状均为矩形体，密封胶块30设置于盖板29上，盖板29将填充腔31的开口处封闭，密封胶块30堵塞在填充腔31的端口处；填充腔31内部的腔体中填充有磁流体；所述填充腔31采用氟化钙晶体制作，所述盖板29采用石英制作，所述密封胶块30采用聚四氟乙烯制作。

所述磁流体，其体积百分比浓度为5%，磁性颗粒成分为Fe₃O₄，磁性颗粒的平均直径为10nm，颗粒表面包覆油酸分子作为表面活性剂，磁流体的基液为三蒸水。

Claims (2)

1.一种基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置，其特征在于：它由光源（1）、起偏镜（2）、半反半透镜（3）、磁流体薄膜（4）、检偏镜（5）、第一光电探测器（6）和第二光电探测器（7）组成；

磁流体薄膜（4）左侧面上设置有第一入射端（4-1）和第二出射端（4-3），磁流体薄膜（4）右侧面上设置有第二入射端（4-4）和第一出射端（4-2），第一入射端（4-1）和第一出射端（4-2）对正设置，第二入射端（4-4）和第二出射端（4-3）对正设置；

检偏镜（5）左侧面上设置有第一输入端（5-1）和第二输出端（5-4），检偏镜（5）右侧面上设置有第一输出端（5-2）和第二输入端（5-3）；第一输入端（5-1）和第一输出端（5-2）对正设置，第二输入端（5-3）和第二输出端（5-4）对正设置；

光源（1）与起偏镜（2）光路连接，起偏镜（2）与半反半透镜（3）光路连接；半反半透镜（3）将输入光分流为反射光和透射光，其中，反射光和透射光的光强比例为1︰1；

反射光和透射光中的一者，经光路传输后从磁流体薄膜（4）的第一入射端（4-1）射入磁流体薄膜（4）内，并从磁流体薄膜（4）的第一出射端（4-2）射出，从磁流体薄膜（4）的第一出射端（4-2）射出的光经光路传输后从检偏镜（5）的第一输入端（5-1）射入检偏镜（5）内，并从检偏镜（5）的第一输出端（5-2）射出，第一光电探测器（6）采集从检偏镜（5）的第一输出端（5-2）射出的光的光强信号；反射光和透射光中的另一者，经光路传输后从检偏镜（5）的第二输入端（5-3）射入检偏镜（5）内，并从检偏镜（5）的第二输出端（5-4）射出，从检偏镜（5）的第二输出端（5-4）射出的光经光路传输后从磁流体薄膜（4）的第二入射端（4-4）射入磁流体薄膜（4）内，并从磁流体薄膜（4）的第二出射端（4-3）射出，第二光电探测器（7）采集从磁流体薄膜（4）的第二出射端（4-3）射出的光的光强信号；

起偏镜（2）的透光轴和检偏镜（5）的透光轴之间的夹角为45°。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体的互反光路光学式电流传感装置，其特征在于：所述磁流体薄膜（4）由填充腔（31）、盖板（29）和密封胶块（30）组成；其中，填充腔（31）外形以及填充腔（31）内部的腔体形状均为矩形体，密封胶块（30）设置于盖板（29）上，盖板（29）将填充腔（31）的开口处封闭，密封胶块（30）堵塞在填充腔（31）的端口处；填充腔（31）内部的腔体中填充有磁流体；

所述填充腔（31）采用氟化钙晶体制作，所述盖板（29）采用石英制作，所述密封胶块（30）采用聚四氟乙烯制作。