CN105911328A - 基于导磁回路及磁流体的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于导磁回路及磁流体的电流传感器。电流传感器包括导磁回路、传感头、光纤耦合器、光谱仪和宽谱光源；导磁回路为矩形回路，其一边开有狭缝，狭缝两侧的导磁体为两个相对的锥形，两锥形的顶端均为圆形；传感头置于两锥形的顶端之间，传感头的径向平行于两锥形的顶端平面；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信号通过光纤耦合器进入光谱仪。本发明的上述技术能避免基于法拉第效应电流传感器的双折射问题和基于超磁致伸缩材料电流传感器磁滞迴线的问题，通过双锥形导磁回路能够使被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，大大提高传感头处电流到磁场的转化效率及电流测量灵敏度。

Description

基于导磁回路及磁流体的电流传感器

技术领域

本发明涉及电流传感技术，尤其涉及一种基于导磁回路及磁流体的电流传感器。

背景技术

根据实现途径不同，目前的光纤电流传感器主要分为两类：(1)基于法拉第效应的光纤电流传感器。这种传感器具有绝缘性好、测量范围大等优点，但存在光纤Verdet常数偏低和光纤双折射难以克服的问题。(2)基于超磁致伸缩材料(GMM)的光纤电流传感器。此类传感器难以克服GMM材料的固有磁滞非线性，而且传感头难以小型化。

磁流体是应现代科学发展而产生的一种超顺磁特性液体功能材料，几乎无固体磁性物质所具有的磁滞现象，其折射率随外加磁场在一定范围内呈线性变化，且易于与光纤相结合。目前，存在将磁流体与光纤相结合的电流传感器技术，该技术可弥补基于法拉第效应和基于GMM材料的电流传感器的缺憾，如CN 201510423585.2披露了一种基于磁流体的电流传感器，然而，该基于磁流体的电流传感器的电流测量灵敏度仍然不高。

发明内容

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明提供了一种基于导磁回路及磁流体的电流传感器，以至少解决现有的基于磁流体的电流传感器的电流测量灵敏度不高的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于导磁回路及磁流体的电流传感器，该基于导磁回路及磁流体的电流传感器包括导磁回路、传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；其中，导磁回路为矩形回路，导磁回路的一个边上开有狭缝，狭缝两侧的导磁体为两个相对的锥形，该两个锥形的顶端均为圆形；传感头置于两个锥形的顶端之间，且传感头的径向平行于两个锥形的顶端平面；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信号通过光纤耦合器进入光谱仪。

进一步地，传感头包括单模光纤部分、空芯光纤部分以及熊猫光纤部分；其中，单模光纤部分的一端与空芯光纤部分的一端相熔接，空芯光纤部分的另一端与熊猫光纤部分相熔接，空芯光纤部分内部为光纤微腔；熊猫光纤部分的侧面上开有一个孔，作为熊猫光纤部分的侧孔，侧孔仅与熊猫光纤部分的两个气孔之一相连通；熊猫光纤部分的暴露端面上的、与侧孔相连通的气孔被封闭；光纤微腔内填充有磁流体。

进一步地，空芯光纤部分的长度为50μm－200μm，熊猫光纤部分的外径与单模光纤部分的外径均为125μm，熊猫光纤部分的包层内两个气孔直径为10μm-30μm，两个气孔中心间距为25μm-60μm，熊猫光纤部分的长度为10mm－20mm，侧孔距离熊猫光纤部分与空芯光纤部分的熔接点2mm－5mm。

进一步地，两个锥形的顶端均为直径在30mm－50mm之间的圆形，两个锥形的顶端之间的距离在1mm-3mm之间。

进一步地，宽谱光源的光谱范围为1300nm-1600nm。

进一步地，导磁回路的截面尺寸为30mm＊30mm。

本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，不仅能够避免基于法拉第效应电流传感器的双折射问题，同时能够解决基于超磁致伸缩材料电流传感器磁滞迴线的问题。此外，通过双锥形导磁回路，本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器能够使得被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，大大提高传感头处电流到磁场的转化效率及电流测量灵敏度。

通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优点将更加明显。

附图说明

本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：

图1是示出本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器的一个示例的结构示意图；

图2是示出图1所示的传感头的一种可能结构的示意图；

图3是示出用于制作本发明的传感头的制作方法的一种示例性处理的流程图；

图4是导磁回路及锥形区磁场分布示意图。

本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本发明实施例的理解。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明的实施例提供了一种基于导磁回路及磁流体的电流传感器，该基于导磁回路及磁流体的电流传感器包括导磁回路、传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；其中，导磁回路为矩形回路，导磁回路的一个边上开有狭缝，狭缝两侧的导磁体为两个相对的锥形，该两个锥形的顶端均为圆形；传感头置于两个锥形的顶端之间，且传感头的径向平行于两个锥形的顶端平面；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信号通过光纤耦合器进入光谱仪。

下面结合图1来描述本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器的一个示例。如图1所示，本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器100包括导磁回路1-1、传感头1-2、光纤耦合器1-3、光谱仪1-4以及宽谱光源1-5。

导磁回路1-1为矩形回路，如图1所示，在导磁回路1-1的一个边上开有狭缝，该狭缝两侧的导磁体为两个相对的锥形，该两个锥形的顶端均为圆形。两个锥形的顶端例如均为直径在30mm－50mm之间的圆形，两个锥形的顶端之间的距离例如在1mm-3mm之间。导磁回路1-1的截面例如为30mm＊30mm的正方形截面。

传感头1-2置于以上两个锥形的顶端之间，且传感头1-2的径向平行于两个锥形的顶端平面。

宽谱光源1-5通过光纤连接光纤耦合器1-3，光纤耦合器1-3通过光纤连接传感头1-2，而光谱仪1-4也通过光纤连接光纤耦合器1-3。这样，宽谱光源1-5发出的宽谱光经过光纤耦合器1-3后进入传感头1-2，经传感头1-2反射的光信号通过光纤耦合器1-3进入光谱仪1-4。其中，宽谱光源1-5的光谱范围例如为1300nm-1600nm。

相比于CN 201510423585.2中的电流传感器，本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器能够通过锥形导磁回路，而使被测导线产生的磁场汇聚到传感头上，因此能够大大提高传感头处电流到磁场的转化效率以及电流测量灵敏度。而CN 201510423585.2中的电流传感器并未考虑到被测导线在传感头处产生磁场效率的问题，实际上，导线在传感头处产生的磁场的效率很低，导致该电流传感器的电流测量灵敏度不高。

根据一种实现方式，如图2所示，传感头1-2可以包括单模光纤部分2-1、空芯光纤部分2-2以及熊猫光纤部分2-3。其中，单模光纤部分2-1的一端与空芯光纤部分2-2的一端相熔接，空芯光纤部分2-2的另一端与熊猫光纤部分2-3的一端相熔接，空芯光纤部分2-2的内部为光纤微腔。熊猫光纤部分2-3的侧面上开有一个孔，作为熊猫光纤部分2-3的侧孔(其中侧孔未在图2中示出)，该侧孔仅与熊猫光纤部分2-3的两个气孔之一相连通。熊猫光纤部分2-3的暴露端(即其未与空芯光纤部分2-2熔接的那端)端面上的、与侧孔相连通的气孔被封闭(例如通过树脂胶将该气孔堵死)。光纤微腔内填充有磁流体，并且磁流体充满整个光纤微腔。

光纤微腔体积非常小，能与锥形磁路有效结合，使相同导线电流产生的磁场更多地聚集到光纤微腔内的磁流体上，导致磁流体的折射率产生更大的变化，进而使通过光纤微腔的光的干涉谱有更大的频移，从而提高电流的测量灵敏度。

以上实现方式与现有技术不同的是，现有技术通常将粘贴有光纤光栅的GMM与磁路结合，利用GMM的磁致伸缩特性通过检测光纤光栅的光谱变化实现电流测量，尽管此方法也能将导线电流产生的磁场聚集到传感头上，但是GMM存在固有磁滞迴线特性，限制了此种方法的测量灵敏度的提高；而本发明所利用的磁流体是一种超顺磁特性液体，不存在磁滞迴线特性，因此，通过磁路聚磁的方式可以极大提高灵敏度。

熊猫光纤部分2-3上的侧孔的直径尺寸例如为3μm-20μm，其可以采用飞秒激光打孔方式实现。

其中，空芯光纤部分2-2的长度例如为50μm－200μm。熊猫光纤部分2-3的外径与单模光纤部分2-1的外径相同，例如均为125μm。熊猫光纤部分2-3的包层内两个气孔直径例如为10μm-30μm，两个气孔中心间距例如为25μm-60μm，熊猫光纤部分2-3的长度例如为10mm－20mm。侧孔例如距离熊猫光纤部分2-3与空芯光纤部分2-2的熔接点2mm－5mm。实验数据表明，采用以上参数的传感头能够进一步提高电流的测量灵敏度。

下面结合图3描述用于制作本发明的传感头的制作方法的一个示例的处理流程300。

如图3所示，处理流程300开始之后，执行步骤S310。

在步骤S310中，将目标单模光纤与目标空芯光纤熔接，采用与熔接两根单模光纤时相同的放电强度。然后执行步骤S320。

在步骤S320中，以目标单模光纤与目标空芯光纤的熔接点为起点，在目标空芯光纤上截取一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与目标熊猫光纤熔接，采用熔接两根单模光纤时的放电强度的1/3至2/3，以在目标单模光纤与目标熊猫光纤之间形成一个光纤微腔。接着执行步骤S330。

在步骤S330中，以目标空芯光纤与目标熊猫光纤的熔接点为起点，在目标熊猫光纤上截取一段熊猫光纤。接着执行步骤S340。

在步骤S340中，在目标熊猫光纤的侧面上开一侧孔，使侧孔仅与目标熊猫光纤的两个气孔中的一个相连通。然后执行步骤S350。

在步骤S350中，在显微镜下将目标熊猫光纤的自由端端面放大，将与侧孔相连通的目标熊猫光纤的气孔堵死。然后执行步骤S360。

在步骤S360中，将目标熊猫光纤的自由端插入磁流体中，并使目标熊猫光纤的侧孔暴露在空气中，利用毛细现象将磁流体填充到光纤微腔内。处理流程300结束。

根据一种实现方式，在目标空芯光纤上截取的一段空芯光纤的长度为50μm－200μm，光纤微腔的长度为50μm－200μm；目标熊猫光纤的外径与目标单模光纤的外径均为125μm，目标熊猫光纤的包层内两个气孔直径为10μm-30μm，两个气孔中心间距为25μm-60μm，目标熊猫光纤的长度为10mm－20mm；侧孔距离目标熊猫光纤与目标空芯光纤的熔接点2mm－5mm。

实验数据表明，采用以上方法制作的传感头能够提高电流的测量灵敏度。

应用示例1

下面描述本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器100的一个应用示例。

如图1所示，电流传感器100在测量电流时，将导磁回路1-1套在被测导线上，使得被测导线由导磁回路1-1的空腔中心通过，导磁回路1-1感应被测电流，并将在磁路内产生的磁场汇聚于到传感头1-2上。在磁场的作用下，磁流体会产生磁致折变效应，其折射率随磁场的变化而变化，进而导致光纤微腔光程的变化，从而使得光纤微腔的干涉谱平移，通过检测干涉谱平移的大小即可获得被测电流的大小。

宽谱光源1-5采用ASE光源，其光谱范围为1300nm-1600nm，发出的宽谱光经1×2光纤耦合器(作为光纤耦合器1-3的示例)后，进入传感头1-2(磁流体光纤微腔)，经传感头1-2反射的光信号通过上述1×2光纤耦合器进入光谱仪1-4，然后再通过计算机实现对信号的处理。

本发明的基于导磁回路及磁流体的电流传感器100是基于珐珀干涉仪原理实现的，由于设计为反射式结构，所以光谱仪1-4接收到的干涉谱信号可以表示为：

公式一：

式中，I为光强，R₁为单模光纤部分与磁流体连接处的反射率，R₂为磁流体与熊猫光纤部分连接处的反射率，c为光在磁流体通过的单程损耗，是磁流体光纤微腔的光程差，可由下式表示：

公式二：

其中，n为磁流体的折射率，L为光纤微腔的长度，λ为光波的波长。

磁流体具有磁致折变特性，电流传感器100就是利用磁流体的这种特性实现磁场传感的。导磁回路1-1将导线电流产生的磁场通过磁路加载到传感头上，在磁场的作用下，磁流体的折射率变化，导致光纤微腔的光程差变化，进而导致磁流体光纤微腔干涉谱平移。干涉谱平移量与被测电流的大小在一定范围内呈线性，利用此关系通过测量光纤微腔干涉谱平移量的大小，即可获得被测磁场的大小。

图4是导磁回路及锥形区磁场分布示意图。如图4所示，导磁回路1-1形状为矩形回路，截面尺寸为30mm＊30mm(正方形截面)，其中一臂上开有一狭缝，且狭缝处导磁体为两个相对的锥形，两锥形顶端均为直径在30mm－50mm之间的圆形，两锥形顶端之间的距离在1mm-3mm之间，传感头置于两锥形顶端之间，且传感头经向平行于两锥形顶端平面。如图4所示的仿真结果表明，被测电流产生的磁场主要集中在锥形顶端，锥形顶端磁场明显高于周围磁场了，因此导磁回路1-1大大提高了传感头1-2处电流到磁场转化效率，进而提高了电流的测量灵敏度。

应用示例2

下面描述用于制作本发明的传感头的一个应用示例。

首先将普通单模光纤(作为目标单模光纤的示例)与空芯光纤(作为目标空芯光纤的示例)熔接，熔接采用的放电强度与正常情况下熔接两根普通单模光纤的强度相同。

然后，以普通单模光纤与空芯光纤的熔接点为起点，在空芯光纤上截取长度在50μm－200μm之间的一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与熊猫光纤(作为目标熊猫光纤的示例)熔接。其中，熊猫光纤的外径与普通单模光纤的外径尺寸相同，均为125μm，熊猫光纤包层内双孔直径为10μm-30μm，双孔中心间距为25μm-60μm。空芯光纤与熊猫光纤熔接采用的放电强度是正常情况下熔接两根普通单模光纤的放电强度的1/3至2/3。这样，在普通单模光纤与熊猫光纤之间就会形成长度在50μm－200μm的光纤微腔。

以普通单模光纤与熊猫光纤的熔接点为起点，在熊猫光纤上截取一段长度在10mm－20mm之间的熊猫光纤，然后在距离普通单模光纤与熊猫光纤的熔接点2mm－5mm处的熊猫光纤的侧面上开一小孔(可飞秒激光打此孔)，使其仅与熊猫光纤两个气孔中的一个相连通。

接着，在显微镜下将熊猫光纤的端面放大，然后用树脂胶将与侧孔相连通的熊猫光纤的气孔堵死。

这样，将熊猫光纤的自由端插入磁流体中，保证熊猫光纤的侧孔暴露在空气中，利用毛细现象将磁流体填充到光纤微腔内。

由此而制得的传感头具有如图2所示的结构，如图2所示，在制成的传感头中，目标单模光纤的部分对应于图2所示的单模光纤部分2-1，目标空芯光纤的部分对应于图2所示的空芯光纤部分2-2，而目标熊猫光纤的的部分对应于图2所示的熊猫光纤部分2-3。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (6)

1.基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述基于导磁回路及磁流体的电流传感器包括导磁回路、传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；

其中，所述导磁回路为矩形回路，所述导磁回路的一个边上开有狭缝，所述狭缝两侧的导磁体为两个相对的锥形，该两个锥形的顶端均为圆形；

所述传感头置于所述两个锥形的顶端之间，且所述传感头的径向平行于所述两个锥形的顶端平面；

所述宽谱光源发出的宽谱光经过所述光纤耦合器后进入所述传感头，经所述传感头反射的光信号通过所述光纤耦合器进入所述光谱仪。

2.根据权利要求1所述的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述传感头包括单模光纤部分、空芯光纤部分以及熊猫光纤部分；

其中，所述单模光纤部分的一端与所述空芯光纤部分的一端相熔接，所述空芯光纤部分的另一端与所述熊猫光纤部分相熔接，所述空芯光纤部分内部为光纤微腔；所述熊猫光纤部分的侧面上开有一个孔，作为所述熊猫光纤部分的侧孔，所述侧孔仅与所述熊猫光纤部分的两个气孔之一相连通；所述熊猫光纤部分的暴露端面上的、与所述侧孔相连通的气孔被封闭；所述光纤微腔内填充有磁流体。

3.根据权利要求2所述的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述空芯光纤部分的长度为50μm－200μm，所述熊猫光纤部分的外径与所述单模光纤部分的外径均为125μm，所述熊猫光纤部分的包层内两个气孔直径为10μm-30μm，所述两个气孔中心间距为25μm-60μm，所述熊猫光纤部分的长度为10mm－20mm，所述侧孔距离所述熊猫光纤部分与所述空芯光纤部分的熔接点2mm－5mm。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述两个锥形的顶端均为直径在30mm－50mm之间的圆形，所述两个锥形的顶端之间的距离在1mm-3mm之间。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述宽谱光源的光谱范围为1300nm-1600nm。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的基于导磁回路及磁流体的电流传感器，其特征在于，所述导磁回路的截面尺寸为30mm＊30mm。