CN107238745A - 高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统 - Google Patents

高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与电光调制器的输入端连接，电光调制器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔内，腔内光场经过光纤锥耦合输出至探测器的接收端，探测器输出的信号通过稳频系统输出反馈电压将激光器的输出波长锁定在光学谐振腔的谐振波长上；同时，探测器输出的交流信号送入谱仪的接收端。本发明所述的高灵敏度柱状WGM光学谐振腔的交变电流传感系统，基于高精度磁场传感系统进行电流传感，可应用于高精度的电流测量中。

Description

高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种高灵敏度的光学谐振腔电流传感系统，具体涉及的是一种基于含磁致伸缩介质的柱状回音壁模式(Whispering gallery mode，WGM)光学谐振腔和线圈的交变电流传感系统，属于光学领域。
背景技术
WGM光学谐振腔相比普通光学谐振腔相比，光学品质因数更高。同时兼具光学谐振腔的高集成度及低功耗的优点，可应用于磁场、温度和折射率等物理量的监测。同时，它可与光纤系统集成，适用于强电磁干扰环境和远程监测之中。目前电力和继电保护系统等各种系统中对于电流的检测能力要求都很高，由于光学谐振腔具有高探测精度和宽频带、的优点，可用于高精度的电流测量。我们设计了一种柱状WGM光学谐振腔交变电流传感系统，能够精确测量交变电流信号。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统。
高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，该系统包括激光器、隔离器、衰减器、电光调制器、偏振控制器、光纤锥、内含磁致伸缩介质的谐振腔、盒子、探测器、稳频系统和谱仪；
所述的磁致伸缩介质通过胶水固定在谐振腔内，激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与电光调制器的输入端连接，电光调制器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器；光纤锥中的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔，在谐振腔内形成回音壁模式，腔内光场经光纤锥耦合输出至探测器的接收端；所述的光纤锥、内含磁致伸缩介质的谐振腔、线圈设置在盒子内；
探测器输出的信号进入稳频系统，稳频系统输出反馈电压将激光器的输出波长锁定在谐振腔的谐振波长上；同时，探测器输出的交流信号送入谱仪的接收端。传感系统中激光器、隔离器、衰减器、电光调制器、偏振控制器、光纤锥、探测器之间的连接均采用光纤连接；电光调制器与稳频系统、探测器与稳频系统、稳频系统与激光器、探测器与谱仪之间均使用两端口通用的电学线缆连接；待测电流设置在磁致伸缩介质内；待测电流的变化导致磁场发生形变，磁致伸缩介质感受到的磁场发生形变，导致谐振腔的腔长发生变化，因而谱仪测得的功率谱强度发生变化，借此可解调输入交变电流的强度和频率；
所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长，保证光场可以耦合进入谐振腔即可；
所述的谐振腔结构与光纤锥始终处于耦合状态；
所述的谐振腔的外表面存在倏逝波。
作为优选，所述的待测电流由电流-磁场转化装置转化为磁场，电流-磁场转化装置包括内含铁芯的线圈和导线，内含铁芯的线圈设置在盒子内，含铁芯的线圈通过导线与电源连接，电流变化导致线圈产生的磁场发生变化。
所述的线圈是电流感知单元，将感知的电流转化为磁场。
所述的谐振腔结构是磁场传感单元，感知电流产生的磁场的变化。
所述的激光器的波段选用通讯波段，与探测器的接收波段相匹配。
所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
所述的电光调制器的工作频率为将激光器输出波长锁定在谐振腔的谐振波长处；所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高；所述的衰减器要保证到达探测器的光强在探测器的工作范围内；所述的稳频系统要保证获得满足器件要求的稳频效果；所述的谱仪的探测频带选择覆盖需探测的交变电流的频带。
谐振腔固定在盒子内，利用光纤锥将光耦合进入谐振腔内，在光纤锥与盒子接触位置滴入紫外固化胶，继续调整光纤锥的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。
本发明中的传感系统在进行交变电流传感时具有很高的灵敏度。同时，该系统主要由光纤构建，体积小，易于集成，可进行远程探测所需的电流信息。
附图说明
图1为发明的高灵敏度柱状WGM光学谐振腔的交变电流传感系统的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的高灵敏度柱状WGM光学谐振腔的交变电流传感系统包括磁场传感系统和电流-磁场转化装置。磁场传感系统包括激光器1、隔离器2、衰减器3、电光调制器4、偏振控制器5、光纤锥6、内含磁致伸缩介质8的柱状谐振腔7、固定谐振腔和光纤锥的盒子11、探测器12、稳频系统13、谱仪14。其中，柱状谐振腔7与磁致伸缩介质8之间填充了胶水用于固定。激光器1的发射端与隔离器2的输入端连接，隔离器2的输出端与衰减器3的输入端连接，衰减器3的输出端与电光调制器4的输入端连接，电光调制器4的输出端与光纤锥6输入端之间的光纤上设置有偏振控制器5。光纤锥6中的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔7，腔内光场经光纤锥6耦合输出至探测器12的接收端，探测器12输出的信号一部分输出到稳频系统13，一部分输出送入谱仪14。稳频系统13输出的电压信号反馈回激光器1的电压调谐端口。传感系统中激光器1、隔离器2、衰减器3、电光调制器4、偏振控制器5、光纤锥6、探测器12之间的连接均采用光纤连接；电光调制器4与稳频系统13、探测器12与稳频系统13、稳频系统13与激光器1、探测器12与谱仪14之间均使用两端口通用的电学线缆连接。电流-磁场转化装置包括内含铁芯的线圈9和导线10。电流变化导致线圈9产生的磁场发生变化。磁致伸缩介质8感受到的磁场发生形变，导致谐振腔7的腔长发生变化，因而谱仪14测得的功率谱强度发生变化，借此可解调输入交变电流的强度和频率。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的高灵敏度柱状WGM光学谐振腔的交变电流传感系统的进一步限定，所述的谐振腔7中磁致伸缩介质8可以不必是柱状实心的，只要能在电流产生磁场作用下发生形变，并导致谐振腔7的腔长发生变化即可。线圈9的形状可以自选，其内的铁芯的形状只要与之匹配即可。线圈9的位置和朝向要使其产生的磁场能最大限度地导致谐振腔7的光学特性发生变化，即磁场传感系统的灵敏度最大。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的WGM光学谐振腔温度传感系统的进一步限定，先将谐振腔固定在盒子11内，利用光纤锥6将光耦合进入谐振腔内，在光纤锥与盒子11接触位置滴入紫外固化胶，继续调整光纤锥6的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。

Claims (8)

1.高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：该系统包括激光器(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、电光调制器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、内含磁致伸缩介质(8)的谐振腔(7)、盒子(11)、探测器(12)、稳频系统(13)和谱仪(14)；
所述的磁致伸缩介质(8)通过胶水固定在谐振腔(7)内，激光器(1)的发射端与隔离器(2)的输入端连接，隔离器(2)的输出端与衰减器(3)的输入端连接，衰减器(3)的输出端与电光调制器(4)的输入端连接，电光调制器(4)的输出端与光纤锥(6)输入端之间的光纤上设置有偏振控制器(5)；光纤锥(6)中的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔(7)，在谐振腔(7)内形成回音壁模式，腔内光场经光纤锥(6)耦合输出至探测器(12)的接收端；所述的光纤锥(6)、内含磁致伸缩介质(8)的谐振腔(7)、线圈(9)设置在盒子(11)内；
探测器(12)输出的信号进入稳频系统(13)，稳频系统(13)输出反馈电压将激光器(1)的输出波长锁定在谐振腔(7)的谐振波长上；同时，探测器(12)输出的交流信号送入谱仪(14)的接收端；传感系统中激光器(1)、隔离器(2)、衰减器(3)、电光调制器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、探测器(12)之间的连接均采用光纤连接；电光调制器(4)与稳频系统(13)、探测器(12)与稳频系统(13)、稳频系统(13)与激光器(1)、探测器(12)与谱仪(14)之间均使用两端口通用的电学线缆连接；待测电流设置在磁致伸缩介质(8)内；待测电流的变化导致磁场发生形变，磁致伸缩介质(8)感受到的磁场发生形变，导致谐振腔(7)的腔长发生变化，因而谱仪(14)测得的功率谱强度发生变化，借此可解调输入交变电流的强度和频率；
所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长，保证光场可以耦合进入谐振腔即可；
所述的谐振腔结构与光纤锥始终处于耦合状态；
所述的谐振腔的外表面存在倏逝波。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的待测电流由电流-磁场转化装置转化为磁场，电流-磁场转化装置包括内含铁芯的线圈(9)和导线(10)，内含铁芯的线圈(9)设置在盒子(11)内，含铁芯的线圈(9)通过导线与电源连接，电流变化导致线圈(9)产生的磁场发生变化。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的线圈是电流感知单元，将感知的电流转化为磁场。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的谐振腔结构是磁场传感单元，感知电流产生的磁场的变化。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的激光器的波段选用通讯波段，与探测器的接收波段相匹配。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：所述的电光调制器的工作频率为将激光器输出波长锁定在谐振腔的谐振波长处；所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高；所述的衰减器要保证到达探测器的光强在探测器的工作范围内；所述的稳频系统要保证获得满足器件要求的稳频效果；所述的谱仪的探测频带选择覆盖需探测的交变电流的频带。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度柱状回音壁模式光学谐振腔的交变电流传感系统，其特征在于：谐振腔固定在盒子(11)内，利用光纤锥(6)将光耦合进入谐振腔内，在光纤锥与盒子(11)接触位置滴入紫外固化胶，继续调整光纤锥(6)的位置至最佳的耦合状态，利用紫外灯照射使胶水固化，进而固定光纤锥的位置。
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