基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器。電流傳感器包括導(dǎo)磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀和寬譜光源；導(dǎo)磁回路為矩形回路，其一邊開有狹縫，狹縫兩側(cè)的導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，兩錐形的頂端均為圓形；傳感頭置于兩錐形的頂端之間，傳感頭的徑向平行于兩錐形的頂端平面；寬譜光源發(fā)出的寬譜光經(jīng)過(guò)光纖耦合器后進(jìn)入傳感頭，經(jīng)傳感頭反射的光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光譜儀。本實(shí)用新型的上述技術(shù)能避免基于法拉第效應(yīng)電流傳感器的雙折射問(wèn)題和基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯回線的問(wèn)題，通過(guò)雙錐形導(dǎo)磁回路能夠使被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化效率及電流測(cè)量靈敏度。
【專利說(shuō)明】
基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及電流傳感技術(shù)，尤其涉及一種基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]根據(jù)實(shí)現(xiàn)途徑不同，目前的光纖電流傳感器主要分為兩類:(I)基于法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器。這種傳感器具有絕緣性好、測(cè)量范圍大等優(yōu)點(diǎn)，但存在光纖Verdet常數(shù)偏低和光纖雙折射難以克服的問(wèn)題。(2)基于超磁致伸縮材料(GMM)的光纖電流傳感器。此類傳感器難以克服GMM材料的固有磁滯非線性，而且傳感頭難以小型化。
[0003]磁流體是應(yīng)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展而產(chǎn)生的一種超順磁特性液體功能材料，幾乎無(wú)固體磁性物質(zhì)所具有的磁滯現(xiàn)象，其折射率隨外加磁場(chǎng)在一定范圍內(nèi)呈線性變化，且易于與光纖相結(jié)合。目前，存在將磁流體與光纖相結(jié)合的電流傳感器技術(shù)，該技術(shù)可彌補(bǔ)基于法拉第效應(yīng)和基于GMM材料的電流傳感器的缺憾，如CN 201510423585.2披露了一種基于磁流體的電流傳感器，然而，該基于磁流體的電流傳感器的電流測(cè)量靈敏度仍然不高。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]在下文中給出了關(guān)于本實(shí)用新型的簡(jiǎn)要概述，以便提供關(guān)于本實(shí)用新型的某些方面的基本理解。應(yīng)當(dāng)理解，這個(gè)概述并不是關(guān)于本實(shí)用新型的窮舉性概述。它并不是意圖確定本實(shí)用新型的關(guān)鍵或重要部分，也不是意圖限定本實(shí)用新型的范圍。其目的僅僅是以簡(jiǎn)化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細(xì)描述的前序。
[0005]鑒于此，本實(shí)用新型提供了一種基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，以至少解決現(xiàn)有的基于磁流體的電流傳感器的電流測(cè)量靈敏度不高的問(wèn)題。
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，該基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器包括導(dǎo)磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源;其中，導(dǎo)磁回路為矩形回路，導(dǎo)磁回路的一個(gè)邊上開有狹縫，狹縫兩側(cè)的導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，該兩個(gè)錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個(gè)錐形的頂端之間，且傳感頭的徑向平行于兩個(gè)錐形的頂端平面；寬譜光源發(fā)出的寬譜光經(jīng)過(guò)光纖耦合器后進(jìn)入傳感頭，經(jīng)傳感頭反射的光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光譜儀。
[0007]進(jìn)一步地，傳感頭包括單模光纖部分、空芯光纖部分以及熊貓光纖部分;其中，單模光纖部分的一端與空芯光纖部分的一端相熔接，空芯光纖部分的另一端與熊貓光纖部分相熔接，空芯光纖部分內(nèi)部為光纖微腔;熊貓光纖部分的側(cè)面上開有一個(gè)孔，作為熊貓光纖部分的側(cè)孔，側(cè)孔僅與熊貓光纖部分的兩個(gè)氣孔之一相連通;熊貓光纖部分的暴露端面上的、與側(cè)孔相連通的氣孔被封閉;光纖微腔內(nèi)填充有磁流體。
[0008]進(jìn)一步地，空芯光纖部分的長(zhǎng)度為50μπι—200μπι，熊貓光纖部分的外徑與單模光纖部分的外徑均為125μπι，熊貓光纖部分的包層內(nèi)兩個(gè)氣孔直徑為10μπι-30μπι，兩個(gè)氣孔中心間距為25μπι-60μπι，熊貓光纖部分的長(zhǎng)度為10mm—20mm，側(cè)J孔距尚熊貓光纖部分與空芯光纖部分的恪接點(diǎn)2mm—5mm。
[0009]進(jìn)一步地，兩個(gè)錐形的頂端均為直徑在30mm — 50mm之間的圓形，兩個(gè)錐形的頂端之間的距離在之間。
[0010]進(jìn)一步地，寬譜光源的光譜范圍為1300nm-1600nm。
[0011 ] 進(jìn)一步地，導(dǎo)磁回路的截面尺寸為30mm* 30mm。
[0012]本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，不僅能夠避免基于法拉第效應(yīng)電流傳感器的雙折射問(wèn)題，同時(shí)能夠解決基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯回線的問(wèn)題。此外，通過(guò)雙錐形導(dǎo)磁回路，本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器能夠使得被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化效率及電流測(cè)量靈敏度。
[0013]通過(guò)以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的最佳實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)用新型的這些以及其他優(yōu)點(diǎn)將更加明顯。
【附圖說(shuō)明】
[0014]本實(shí)用新型可以通過(guò)參考下文中結(jié)合附圖所給出的描述而得到更好的理解，其中在所有附圖中使用了相同或相似的附圖標(biāo)記來(lái)表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細(xì)說(shuō)明一起包含在本說(shuō)明書中并且形成本說(shuō)明書的一部分，而且用來(lái)進(jìn)一步舉例說(shuō)明本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例和解釋本實(shí)用新型的原理和優(yōu)點(diǎn)。在附圖中:
[0015]圖1是示出本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器的一個(gè)示例的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2是示出圖1所示的傳感頭的一種可能結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0017]圖3是導(dǎo)磁回路及錐形區(qū)磁場(chǎng)分布示意圖。
[0018]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，附圖中的元件僅僅是為了簡(jiǎn)單和清楚起見而示出的，而且不一定是按比例繪制的。例如，附圖中某些元件的尺寸可能相對(duì)于其他元件放大了，以便有助于提高對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例的理解。
【具體實(shí)施方式】
[0019]在下文中將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的示范性實(shí)施例進(jìn)行描述。為了清楚和簡(jiǎn)明起見，在說(shuō)明書中并未描述實(shí)際實(shí)施方式的所有特征。然而，應(yīng)該了解，在開發(fā)任何這種實(shí)際實(shí)施例的過(guò)程中必須做出很多特定于實(shí)施方式的決定，以便實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標(biāo)，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務(wù)相關(guān)的那些限制條件，并且這些限制條件可能會(huì)隨著實(shí)施方式的不同而有所改變。此外，還應(yīng)該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的，但對(duì)得益于本公開內(nèi)容的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務(wù)。
[0020]在此，還需要說(shuō)明的一點(diǎn)是，為了避免因不必要的細(xì)節(jié)而模糊了本實(shí)用新型，在附圖中僅僅示出了與根據(jù)本實(shí)用新型的方案密切相關(guān)的裝置結(jié)構(gòu)和/或處理步驟，而省略了與本實(shí)用新型關(guān)系不大的其他細(xì)節(jié)。
[0021]本實(shí)用新型的實(shí)施例提供了一種基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，該基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器包括導(dǎo)磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源；其中，導(dǎo)磁回路為矩形回路，導(dǎo)磁回路的一個(gè)邊上開有狹縫，狹縫兩側(cè)的導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，該兩個(gè)錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個(gè)錐形的頂端之間，且傳感頭的徑向平行于兩個(gè)錐形的頂端平面；寬譜光源發(fā)出的寬譜光經(jīng)過(guò)光纖耦合器后進(jìn)入傳感頭，經(jīng)傳感頭反射的光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器進(jìn)入光譜儀。
[0022]下面結(jié)合圖1來(lái)描述本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器的一個(gè)示例。如圖1所示，本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器100包括導(dǎo)磁回路1-1、傳感頭1-2、光纖耦合器I _3、光譜儀1-4以及寬譜光源1-5。
[0023]導(dǎo)磁回路1-1為矩形回路，如圖1所示，在導(dǎo)磁回路1-1的一個(gè)邊上開有狹縫，該狹縫兩側(cè)的導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，該兩個(gè)錐形的頂端均為圓形。兩個(gè)錐形的頂端例如均為直徑在3 Omm—5 Omm之間的圓形，兩個(gè)錐形的頂端之間的距離例如在I mm- 3mm之間。導(dǎo)磁回路1-1的截面例如為30mm* 30mm的正方形截面。
[0024]傳感頭1-2置于以上兩個(gè)錐形的頂端之間，且傳感頭1-2的徑向平行于兩個(gè)錐形的頂端平面。
[0025]寬譜光源1-5通過(guò)光纖連接光纖耦合器1-3，光纖耦合器1-3通過(guò)光纖連接傳感頭1-2，而光譜儀1-4也通過(guò)光纖連接光纖耦合器1-3。這樣，寬譜光源1-5發(fā)出的寬譜光經(jīng)過(guò)光纖耦合器1-3后進(jìn)入傳感頭1-2，經(jīng)傳感頭1-2反射的光信號(hào)通過(guò)光纖耦合器1-3進(jìn)入光譜儀1-4。其中，寬譜光源1-5的光譜范圍例如為1300nm-1600nm。應(yīng)用理解的是，以上描述通過(guò)對(duì)光信號(hào)所經(jīng)過(guò)的路徑進(jìn)行描述，來(lái)限定的是對(duì)應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)，因僅有連接關(guān)系并不能完全限定清楚光路。
[0026]相比于CN 201510423585.2中的電流傳感器，本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器能夠通過(guò)錐形導(dǎo)磁回路，而使被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)匯聚到傳感頭上，因此能夠大大提高傳感頭處電流到磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)化效率以及電流測(cè)量靈敏度。而C N201510423585.2中的電流傳感器并未考慮到被測(cè)導(dǎo)線在傳感頭處產(chǎn)生磁場(chǎng)效率的問(wèn)題，實(shí)際上，導(dǎo)線在傳感頭處產(chǎn)生的磁場(chǎng)的效率很低，導(dǎo)致該電流傳感器的電流測(cè)量靈敏度不高。
[0027]根據(jù)一種實(shí)現(xiàn)方式，如圖2所不，傳感頭1-2可以包括單模光纖部分2-1、空芯光纖部分2-2以及熊貓光纖部分2-3。其中，單模光纖部分2-1的一端與空芯光纖部分2-2的一端相熔接，空芯光纖部分2-2的另一端與熊貓光纖部分2-3的一端相熔接，空芯光纖部分2-2的內(nèi)部為光纖微腔。熊貓光纖部分2-3的側(cè)面上開有一個(gè)孔，作為熊貓光纖部分2-3的側(cè)孔(其中偵吼未在圖2中示出)，該側(cè)孔僅與熊貓光纖部分2-3的兩個(gè)氣孔之一相連通。熊貓光纖部分2-3的暴露端(即其未與空芯光纖部分2-2熔接的那端)端面上的、與側(cè)孔相連通的氣孔被封閉(例如通過(guò)樹脂膠將該氣孔堵死)。光纖微腔內(nèi)填充有磁流體，并且磁流體充滿整個(gè)光纖微腔。
[0028]光纖微腔體積非常小，能與錐形磁路有效結(jié)合，使相同導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)更多地聚集到光纖微腔內(nèi)的磁流體上，導(dǎo)致磁流體的折射率產(chǎn)生更大的變化，進(jìn)而使通過(guò)光纖微腔的光的干涉譜有更大的頻移，從而提高電流的測(cè)量靈敏度。
[0029]以上實(shí)現(xiàn)方式與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，現(xiàn)有技術(shù)通常將粘貼有光纖光柵的GMM與磁路結(jié)合，利用GMM的磁致伸縮特性通過(guò)檢測(cè)光纖光柵的光譜變化實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量，盡管此方法也能將導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集到傳感頭上，但是GMM存在固有磁滯回線特性，限制了此種方法的測(cè)量靈敏度的提高；而本實(shí)用新型所利用的磁流體是一種超順磁特性液體，不存在磁滯回線特性，因此，通過(guò)磁路聚磁的方式可以極大提高靈敏度。
[0030]熊貓光纖部分2-3上的側(cè)孔的直徑尺寸例如為3μπι-20μπι，其可以采用飛秒激光打孔方式實(shí)現(xiàn)。
[0031]其中，空芯光纖部分2-2的長(zhǎng)度例如為50μηι — 200μηι。熊貓光纖部分2-3的外徑與單模光纖部分2-1的外徑相同，例如均為125μηι。熊貓光纖部分2-3的包層內(nèi)兩個(gè)氣孔直徑例如為10μηι-30μηι，兩個(gè)氣孔中心間距例如為25μηι-60μηι，熊貓光纖部分2-3的長(zhǎng)度例如為1mm—20mm。側(cè)孔例如距離熊貓光纖部分2-3與空芯光纖部分2-2的熔接點(diǎn)2mm—5mm。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用以上參數(shù)的傳感頭能夠進(jìn)一步提高電流的測(cè)量靈敏度。
[0032]應(yīng)用示例I
[0033]下面描述本實(shí)用新型的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器100的一個(gè)應(yīng)用示例。
[0034]如圖1所示，電流傳感器100在測(cè)量電流時(shí)，將導(dǎo)磁回路1-1套在被測(cè)導(dǎo)線上，使得被測(cè)導(dǎo)線由導(dǎo)磁回路1-1的空腔中心通過(guò)，導(dǎo)磁回路1-1感應(yīng)被測(cè)電流，并將在磁路內(nèi)產(chǎn)生的磁場(chǎng)匯聚于到傳感頭1-2上。在磁場(chǎng)的作用下，磁流體會(huì)產(chǎn)生磁致折變效應(yīng)，其折射率隨磁場(chǎng)的變化而變化，進(jìn)而導(dǎo)致光纖微腔光程的變化，從而使得光纖微腔的干涉譜平移，通過(guò)檢測(cè)干涉譜平移的大小即可獲得被測(cè)電流的大小。
[0035]寬譜光源l-5采用ASE光源，其光譜范圍為1300nm-1600nm，發(fā)出的寬譜光經(jīng)lX2光纖耦合器(作為光纖耦合器1-3的示例)后，進(jìn)入傳感頭1_2(磁流體光纖微腔)，經(jīng)傳感頭1-2反射的光信號(hào)通過(guò)上述1X2光纖耦合器進(jìn)入光譜儀1-4，然后再通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的處理。
[0036]磁流體具有磁致折變特性，電流傳感器100就是利用磁流體的這種特性實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)傳感的。導(dǎo)磁回路1-1將導(dǎo)線電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)磁路加載到傳感頭上，在磁場(chǎng)的作用下，磁流體的折射率變化，導(dǎo)致光纖微腔的光程差變化，進(jìn)而導(dǎo)致磁流體光纖微腔干涉譜平移。干涉譜平移量與被測(cè)電流的大小在一定范圍內(nèi)呈線性，利用此關(guān)系通過(guò)測(cè)量光纖微腔干涉譜平移量的大小，即可獲得被測(cè)磁場(chǎng)的大小。
[0037]圖3是導(dǎo)磁回路及錐形區(qū)磁場(chǎng)分布示意圖。如圖3所示，導(dǎo)磁回路1-1形狀為矩形回路，截面尺寸為30mm女30mm(正方形截面)，其中一臂上開有一狹縫，且狹縫處導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，兩錐形頂端均為直徑在30mm — 50mm之間的圓形，兩錐形頂端之間的距離在
之間，傳感頭置于兩錐形頂端之間，且傳感頭經(jīng)向平行于兩錐形頂端平面。如圖3所示的仿真結(jié)果表明，被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要集中在錐形頂端，錐形頂端磁場(chǎng)明顯高于周圍磁場(chǎng)了，因此導(dǎo)磁回路1-1大大提高了傳感頭1-2處電流到磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而提高了電流的測(cè)量靈敏度。
[0038]盡管根據(jù)有限數(shù)量的實(shí)施例描述了本實(shí)用新型，但是受益于上面的描述，本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員明白，在由此描述的本實(shí)用新型的范圍內(nèi)，可以設(shè)想其它實(shí)施例。此外，應(yīng)當(dāng)注意，本說(shuō)明書中使用的語(yǔ)言主要是為了可讀性和教導(dǎo)的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本實(shí)用新型的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權(quán)利要求書的范圍和精神的情況下，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)許多修改和變更都是顯而易見的。對(duì)于本實(shí)用新型的范圍，對(duì)本實(shí)用新型所做的公開是說(shuō)明性的，而非限制性的，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求書限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器包括導(dǎo)磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源； 其中，所述導(dǎo)磁回路為矩形回路，所述導(dǎo)磁回路的一個(gè)邊上開有狹縫，所述狹縫兩側(cè)的導(dǎo)磁體為兩個(gè)相對(duì)的錐形，該兩個(gè)錐形的頂端均為圓形； 所述傳感頭置于所述兩個(gè)錐形的頂端之間，且所述傳感頭的徑向平行于所述兩個(gè)錐形的頂端平面； 所述寬譜光源發(fā)出的寬譜光經(jīng)過(guò)所述光纖耦合器后進(jìn)入所述傳感頭，經(jīng)所述傳感頭反射的光信號(hào)通過(guò)所述光纖耦合器進(jìn)入所述光譜儀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述傳感頭包括單模光纖部分、空芯光纖部分以及熊貓光纖部分； 其中，所述單模光纖部分的一端與所述空芯光纖部分的一端相熔接，所述空芯光纖部分的另一端與所述熊貓光纖部分相熔接，所述空芯光纖部分內(nèi)部為光纖微腔;所述熊貓光纖部分的側(cè)面上開有一個(gè)孔，作為所述熊貓光纖部分的側(cè)孔，所述側(cè)孔僅與所述熊貓光纖部分的兩個(gè)氣孔之一相連通;所述熊貓光纖部分的暴露端面上的、與所述側(cè)孔相連通的氣孔被封閉;所述光纖微腔內(nèi)填充有磁流體。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述空芯光纖部分的長(zhǎng)度為50μπι—200μπι，所述熊貓光纖部分的外徑與所述單模光纖部分的外徑均為125μπι，所述熊貓光纖部分的包層內(nèi)兩個(gè)氣孔直徑為10μπι-30μπι，所述兩個(gè)氣孔中心間距為25μηι-60μηι，所述熊貓光纖部分的長(zhǎng)度為1mm—20mm，所述側(cè)孔距尚所述熊貓光纖部分與所述空芯光纖部分的恪接點(diǎn)2mm—5mm。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述兩個(gè)錐形的頂端均為直徑在30mm—50mm之間的圓形，所述兩個(gè)錐形的頂端之間的距離在之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述寬譜光源的光譜范圍為1300nm-1600nmo6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的基于導(dǎo)磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)磁回路的截面尺寸為30mm* 30mm。
【文檔編號(hào)】G01R15/14GK205670167SQ201620540132
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】楊玉強(qiáng), 楊群, 葛偉
【申請(qǐng)人】哈爾濱理工大學(xué)