CN114019215A - 一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，包括沿着对称光轴O₁O₂依次放置的外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片、出射二分之一波片、圆环形碱金属原子气室和光束偏振分析器，圆环形碱金属原子气室设置在被检测电流产生的磁场区域内，外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，且反射锥面均与对称光轴O₁O₂成45°夹角。本发明基于电流产生磁场的物理行为，将电流磁效应和全光法弱磁检测技术相结合，通过光学方法检测电流磁效应，进而得到电流信息，光场不能存在电磁干扰行为，不容易受到外界电磁影响。

Description

一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器

技术领域

本发明属于电流传感器技术领域，具体来说是一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器。

背景技术

电流指单位时间里通过导体任一横截面的电量，在导体中的自由电荷在电场的作用下做有规则的定向运动就可以形成了电流。电流传感器是一种检测装置，能感受到被测电流的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为符合一定标准需要的电信号或其他所需形式的信息输出，电流传感广泛存在于电子系统、电力传输、变压站、防雷、电气工程、自动化、物联网、供电系统、生命科学等领域中，并且发挥重要的作用，特别是高灵敏度弱电流检测在生命健康、神经科学、自动化、物联网等领域的需求越来越突出。

在先技术中，存在多种电流传感器，主要可分为：分流器、电磁式电流互感器、电子式电流互感器等，其中，电子式电流互感器包括霍尔电流传感器、罗柯夫斯基电流传感器、变频功率传感器等；电子式电流互感器没有铁磁饱和，传输频带宽，二次负荷容量小。参见美国授权专利“Hall effect current sensor”，专利号：US10,823,764 B2,专利授权时间：2020年11月3日，尽管电流传感器在先技术具有一定的优特，但是，仍然存在一些本质不足：1）基于电磁场传播特性进行电流检测，在抗电磁干扰特性上存在本质上不足，容易受到外界电磁影响；2）当电流垂直于外磁场通过时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，利用电势差进行电流感知，检测灵敏度存在本质限制，无法实现高灵敏度电流传感；3）在现技术使用过程中，需要与被检测电流导体进行一定的空间放置要求，甚至需要传感装置套在电流导线上，严重限定了电流传感的适用范围，使用灵活性收到显著影响，并且难于实现电流方向确定；4）感知机理基于电磁场转换，电磁场与电子参数之间的转换，传感系统时间动态响应范围较小，检测区间也存在一定受限范围，检测性能难于根据具体应用情况进行调节。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有的输水管路的地表段容易冻住从而影响管理通畅性的问题。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，包括沿着对称光轴O₁O₂依次放置的外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片、出射二分之一波片、圆环形碱金属原子气室和光束偏振分析器，所述圆环形碱金属原子气室设置在被检测电流产生的磁场区域内，所述外反射式圆锥面反射镜的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜的反射锥面平行，且外反射式圆锥面反射镜的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜的反射锥面均与对称光轴O₁O₂成45°夹角。

优选的，所述外反射式圆锥面反射镜反射入射光束形成的径向传播光束与圆柱筒形曲面偏振器的圆柱曲面相垂直。

优选的，所述径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后被内反射式圆锥面反射镜反射形成矢量圆环形光束，所述入射二分之一波片和出射二分之一波片与对称光轴O₁O₂垂直，并且依次位于圆环形矢量光束传播光路上。

优选的，所述矢量圆环形光束经过圆环形碱金属原子气室后被光束偏振分析器接收；在圆环形碱金属原子气室的侧面设置有泵浦光源。

优选的，所述外反射式圆锥面反射镜为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。

优选的，所述内反射式圆锥面反射镜为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。

优选的，所述的圆柱筒形曲面偏振器为圆柱筒形偏振膜或为圆柱曲面壳式偏振元件。

优选的，所述碱金属原子气室中采用铷原子、铯原子中的一种。

优选的，所述光束偏振分析传感器采用偏振选择器和光电探测器集成的光束偏振分析传感装置。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1）基于电流产生磁场的物理行为，将电流磁效应和全光法弱磁检测技术相结合，通过光学方法检测电流磁效应，进而得到电流信息，光场不能存在电磁干扰行为，本质决定本发明装置具有很好的抗电磁干扰特性，不容易受到外界电磁影响；

2）利用光场矢量特性和腔增强原理，入射光束依次经过外反射式圆锥面反射镜、圆柱筒形曲面偏振器、内反射式锥面反射镜、入射二分之一波片、出射二分之一波片形成偏振态可调节的圆环形矢量光场，光场的矢量特性提高了检测灵敏度，所以，本发明装置具有传感灵敏度高等本质特点；

3）圆环形矢量光场经过圆环形碱金属原子气室，圆环形碱金属原子气室设置在被检测电流产生的磁场区域，泵浦光源出射光场对圆环形碱金属原子气室进行泵浦，圆环形矢量光场作为检测光被光束偏振分析器检测接收，本发明关键部件工作采用光学原理，装置一致性好、使用便利、模块化、易于实现电流方向确定；

4）利用光场矢量特性可调控实现电流传感性能调节，基于矢量光场和原子气体器的空间特性实现电流矢量确定；光束偏振分析器分析信息光场的偏振特性，得到碱金属原子气室所处空间的磁场信息，进而得到检测电流信息，本发明包括全光法弱磁感知技术，将光学检测特点引入到电流检测，本装置具有易于安装、灵活性好、响应范围大的特点，通过入射二分之一波片和的出射二分之一波片的主轴夹角改变，形成偏振态可调节的圆环形矢量光场，实现根据具体应用情况进行检测特性的调节。

附图说明

图1为本发明的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器的结构示意图。

示意图中的标号说明：

1、外反射式圆锥面反射镜；2、圆柱筒形曲面偏振器；3、内反射式锥面反射镜；4、入射二分之一波片；5、出射二分之一波片；6、圆环形碱金属原子气室；7、光束偏振分析器；8、泵浦光源；9、圆环形矢量光束；10、出射光场；11、被检测电流。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述，附图中给出了本发明的若干实施例，但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例，相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固设于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件；本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明；本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

实施例1

参照附图1，本实施例的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，包括沿着对称光轴O₁O₂依次放置的外反射式圆锥面反射镜1、圆柱筒形曲面偏振器2、内反射式锥面反射镜3、入射二分之一波片4、出射二分之一波片5、圆环形碱金属原子气室6和光束偏振分析器7，所述圆环形碱金属原子气室6设置在被检测电流11产生的磁场区域内，所述外反射式圆锥面反射镜1的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面平行，且外反射式圆锥面反射镜1的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面均与对称光轴O₁O₂成45°夹角。入射光束沿对称光轴O₁O₂射向外反射式圆锥面反射镜1；被外反射式圆锥面反射镜1反射后，由于外反射式圆锥面反射镜1反射锥面与对称光轴O₁O₂成45度夹角，光束转化为径向传播光束；径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器2后光束偏振态发生改变，而后经过内反射式锥面反射镜3反射形成矢量圆环形光束，由于外反射式圆锥面反射镜1的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜3的反射锥面平行，矢量圆环形光束与对称光轴O₁O₂平行，沿对称光轴O₁O₂传播依次经过入射二分之一波片4、出射二分之一波片5和扩束镜6形成装置出射的矢量圆环形光束；圆环形矢量光束9经过圆环形碱金属原子气室6后被光束偏振分析器7接收；在圆环形碱金属原子气室6的侧面设置有泵浦光源8，泵浦光源8出射光场照射在圆环形碱金属原子气室6中，实现光泵浦；圆环形碱金属原子气室6设置在被检测电流11产生的磁场区域；光束偏振分析器7分析信息光场的偏振特性，得到碱金属原子气室所处空间的磁场信息，进而得到检测电流11信息，本实施例具抗干扰性强、传感灵敏度高、一致性好、使用便利、易于安装、灵活性好、响应范围大、检测性能易于调节等特点。

本实施例的外反射式圆锥面反射镜1反射入射光束形成的径向传播光束与圆柱筒形曲面偏振器2的圆柱曲面相垂直。

本实施例的径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后2被内反射式圆锥面反射镜3反射形成矢量圆环形光束，所述入射二分之一波片4和出射二分之一波片5与对称光轴O₁O₂垂直，并且依次位于圆环形矢量光束传播光路上。

本实施例的矢量圆环形光束经过圆环形碱金属原子气室6后被光束偏振分析器7接收；在圆环形碱金属原子气室6的侧面设置有泵浦光源8。

本实施例的外反射式圆锥面反射镜1为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。

本实施例的内反射式圆锥面反射镜3为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。

本实施例的圆柱筒形曲面偏振器2为圆柱筒形偏振膜或为圆柱曲面壳式偏振元件。

本实施例的碱金属原子气室6中采用铷原子、铯原子中的一种。

本实施例的光束偏振分析传感器7采用偏振选择器和光电探测器集成的光束偏振分析传感装置。

以上所述实施例仅表达了本发明的某种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制；应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围；因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：包括沿着对称光轴（O₁O₂）依次放置的外反射式圆锥面反射镜（1）、圆柱筒形曲面偏振器（2）、内反射式锥面反射镜（3）、入射二分之一波片（4）、出射二分之一波片（5）、圆环形碱金属原子气室（6）和光束偏振分析器（7），所述圆环形碱金属原子气室（6）设置在被检测电流（11）产生的磁场区域内，所述外反射式圆锥面反射镜（1）的反射锥面与内反射式圆锥面反射镜（3）的反射锥面平行，且外反射式圆锥面反射镜（1）的反射锥面和内反射式圆锥面反射镜（3）的反射锥面均与对称光轴（O₁O₂）成45°夹角。

2.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述外反射式圆锥面反射镜（1）反射入射光束形成的径向传播光束与圆柱筒形曲面偏振器（2）的圆柱曲面相垂直。

3.根据权利要求2所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述径向传播光束经过圆柱筒形曲面偏振器后（2）被内反射式圆锥面反射镜（3）反射形成矢量圆环形光束，所述入射二分之一波片（4）和出射二分之一波片（5）与对称光轴（O₁O₂）垂直，并且依次位于圆环形矢量光束传播光路上。

4.根据权利要求3所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述矢量圆环形光束经过圆环形碱金属原子气室（6）后被光束偏振分析器（7）接收；在圆环形碱金属原子气室（6）的侧面设置有泵浦光源（8）。

5.根据权利要求2所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述外反射式圆锥面反射镜（1）为外圆锥曲面镀反射膜的外反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面外反射式反射镜。

6.根据权利要求2所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述内反射式圆锥面反射镜（3）为内圆锥曲面镀反射膜的内反射式圆锥面反射镜或为反射膜构成的圆锥曲面内反射式反射镜。

7.根据权利要求3所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述的圆柱筒形曲面偏振器（2）为圆柱筒形偏振膜或为圆柱曲面壳式偏振元件。

8.根据权利要求3所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述碱金属原子气室（6）中采用铷原子、铯原子中的一种。

9.根据权利要求3所述的一种基于原子自旋调节矢量光场的电流传感器，其特征在于：所述光束偏振分析传感器（7）采用偏振选择器和光电探测器集成的光束偏振分析传感装置。

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