專(zhuān)利名稱(chēng)：微型光纖電流傳感器探頭及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖微加工技術(shù)、薄膜材料制備技術(shù)及光電檢測(cè)技術(shù)的交叉領(lǐng)域，涉 及光纖電流傳感器，具體涉及到微型光纖電流傳感器探頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代電力向高電壓、大容量方向的發(fā)展，對(duì)在電力系統(tǒng)中起保護(hù)和監(jiān)控作用 的電流傳感器提出了微型化、自動(dòng)化和高可靠性的要求。傳統(tǒng)的電磁式電流互感器遇到了 極大的困難和挑戰(zhàn)。其中最主要是絕緣問(wèn)題，電壓的提高給絕緣技術(shù)帶來(lái)更加復(fù)雜的，甚 至不易解決的困難；其次是體積龐大，重量劇增，給生產(chǎn)、運(yùn)輸、維護(hù)、防爆等帶來(lái)諸多困難； 此外，傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互感器的成本隨電壓等級(jí)的提高呈指數(shù)規(guī)律增加。因此，發(fā)展 一種新型的高電壓大電流測(cè)量系統(tǒng)已成為迫切的需要并有著極大的市場(chǎng)潛力。光纖電流傳感器由于有極高的靈敏度和精度，固有的安全性，抗電磁干擾，高絕緣 強(qiáng)度，耐高溫，耐腐蝕，質(zhì)輕柔韌，集傳感與傳輸一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等，因此，光纖 電流傳感器成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。光纖電流傳感器主要有兩種基于法拉第磁光效應(yīng)和基于磁致伸縮原理的光纖電 流傳感器。法拉第磁光效應(yīng)原理是光纖中的線偏光在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)時(shí)偏轉(zhuǎn)，光纖電流傳 感器通過(guò)測(cè)量線偏光偏轉(zhuǎn)角度的大小來(lái)獲得電流的大小；磁致伸縮原理是在磁場(chǎng)下磁致伸 縮材料發(fā)生形變，通過(guò)磁致伸縮材料的形變帶動(dòng)光纖光柵中心波長(zhǎng)發(fā)生改變，檢測(cè)光纖光 柵中心波長(zhǎng)的變化以得到電流的信息?；诜ɡ谛?yīng)的光纖電流傳感器由于光纖內(nèi)雙折 射的存在大大的降低了系統(tǒng)的靈敏度，并且得系統(tǒng)精度易受環(huán)境溫度的影響。而將光纖光 柵與超磁致伸縮材料結(jié)合，通過(guò)測(cè)量光纖光柵反射中心波長(zhǎng)得到電流的大小可以避免光纖 雙折射效應(yīng)和光纖中光強(qiáng)變化對(duì)測(cè)量精度的影響。通過(guò)磁控濺射將超磁致伸縮材料TbDyFe 濺射到經(jīng)過(guò)拋磨加工的光纖光柵(D型光纖光柵)上，不僅可以大大減小傳感器的體積，而 且還可以提高傳感器的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微型高靈敏度的光纖電流傳感器探頭及其制作方法。本發(fā)明目的是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)—種微型光纖電流傳感器探頭，其特征在于，該探頭由濺射有TbDyFe薄膜的D型 光纖光柵與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵對(duì)接焊接起來(lái)構(gòu)成，其濺射有TbDyFe 薄膜的D型光纖光柵是經(jīng)過(guò)側(cè)邊拋磨處理的光纖光柵上濺射一層超磁致伸縮材料TbDyFe 薄膜構(gòu)成，薄膜厚度為2-20 μ m。本發(fā)明的微型光纖電流傳感器探頭的制作方法，包括如下步驟1)、將D型光纖光柵在無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，然后在去離子水中超聲清洗 20分鐘，用紫外燈烘烤干后，放入鍍膜機(jī)腔體中濺射TbDyFe薄膜；2)、利用高真空磁控濺射法制備超磁致伸縮薄膜，濺射靶材使用純度為99. 9%的
3TbDyFe靶，在1 X 10_3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，氣壓0. 5Pa,采用射頻濺射工藝，起始 功率70W，濺射功率150W，石英晶體振蕩法監(jiān)測(cè)厚度，制備薄膜厚度為2-20μπι;3)、將有濺射TbDyFe薄膜的D型光纖光柵，在氣壓為1 X 10_3Pa高真空中進(jìn)行熱處 理，溫度300°C，升溫速率每分鐘6°C，保溫時(shí)間為1小時(shí)；4)、將鍍膜后的D型光纖光柵與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵對(duì)接焊 接起來(lái)，即制得微型光纖電流傳感器探頭。本發(fā)明將超磁致伸縮材料TbDyFe濺射到經(jīng)過(guò)拋磨處理的截面為D型光纖光柵上 制成光纖電流傳感器探頭。超磁致伸縮材料TbDyFe具有強(qiáng)磁致伸縮效應(yīng)、高機(jī)電耦合效 應(yīng)、高響應(yīng)速度以及非接觸式驅(qū)動(dòng)；光纖光柵具有絕緣、耐腐蝕、耐高溫、抗電磁干擾、質(zhì)輕 等優(yōu)點(diǎn)。將兩者結(jié)合可以制備微型高靈敏度的光纖電流傳感器探頭。將光纖光柵經(jīng)過(guò)拋磨 處理，然后在光纖光柵上濺射超磁致伸縮材料TbDyFe膜可以大大提高光纖電流傳感器的 靈敏度。本發(fā)明的微型光纖電流傳感器探頭工作原理(圖1)是光纖光柵解調(diào)儀中光源發(fā) 出穩(wěn)定的寬帶光，通過(guò)耦合器到達(dá)鍍了磁致伸縮薄膜的D型光纖光柵，一定的波長(zhǎng)的光被 該光纖光柵反射到光纖光柵解調(diào)儀。當(dāng)傳感探頭放在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)下時(shí)，超磁致伸縮薄 膜發(fā)生形變，使D型光纖光柵的周期發(fā)生改變，從而改變D型光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)， 通過(guò)檢測(cè)光纖光柵反射光的中心波長(zhǎng)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的高靈敏度精確測(cè)量。本發(fā)明中的傳感光纖采用單模光纖，纖芯的直徑為9 μ m,包層的厚度為62. 5 μ m。 用相位掩模板法，通過(guò)準(zhǔn)分子激光器發(fā)出產(chǎn)生的紫外光，在透過(guò)掩模板衍射時(shí)，零級(jí)衍射光 被衰減到低于透射功率的3%，而一級(jí)衍射相加或相減被最大化，分別占整個(gè)透射功率的 35%左右。一級(jí)衍射條紋發(fā)生干涉，干涉條紋照射在光纖纖芯上，使照射部分纖芯折射率發(fā) 生永久性改變，形成布拉格光纖光柵。通過(guò)相同的工藝制作一批中心波長(zhǎng)為1300nm附近的 光纖光柵。通過(guò)用相位掩模板法制備的光纖光柵具有可靠性高，反射率在90%以上，可以提 高檢測(cè)信號(hào)的大大增強(qiáng)。為了提高傳感探頭的靈敏度，將光纖光柵固定在拋磨機(jī)上進(jìn)行拋磨，去掉一部分 包層。通過(guò)設(shè)定拋磨速度和拋磨時(shí)間可以控制光纖光柵的拋磨程度。將光纖光柵拋磨，一 方面可以去掉一部分包層，另一方面可以在光纖光柵上形成具有一定粗糙度的平面。包層 的減少可以使傳感探頭在同樣的磁場(chǎng)下能產(chǎn)生更大的形變；在具有一定粗糙度的表面濺射 TbDyFe薄膜，可以提高TbDyFe薄膜與光纖光柵的結(jié)合力，也可以形成具有一定擇優(yōu)生長(zhǎng)的 磁致伸縮薄膜材料。通過(guò)拋磨后再濺射薄膜可以大大提高光纖光柵形變的靈敏度，從而提 高傳感探頭的精度。將經(jīng)過(guò)拋磨的光纖光柵在無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，然后在去離子水中超聲 清洗20分鐘，用紫外燈烘烤干后，放入鍍膜機(jī)腔體中濺射TbDyFe薄膜。在高真空條件下向 光纖光柵的拋磨面濺射TbDyFe薄膜。TbDyFe薄膜的制備采用德國(guó)進(jìn)口 BESTEC真空鍍膜 機(jī)，在IXKT3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，氣壓0.5Pa。采用射頻濺射工藝，起始功率 70W,濺射功率150W，石英晶體振蕩法監(jiān)測(cè)厚度。通過(guò)控制濺射時(shí)間來(lái)控制薄膜厚度，制備薄 膜厚度為2-20 μ m。通過(guò)射頻濺射，采用襯底樣品托盤(pán)水冷，在濺射過(guò)程快速冷卻，有利于形 成非晶態(tài)薄膜。該方法制備TbDyFe薄膜具有以下優(yōu)點(diǎn)具有非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，膜與光纖光柵之 間的粘著力強(qiáng)；易形成高熔點(diǎn)物質(zhì)的膜；可得到大面積均勻致密的TbDyFe薄膜。
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將濺射TbDyFe薄膜的D型光纖光柵，在氣壓為1 X 10_3Pa高真空中300°C熱處理1 小時(shí)，提高傳感探頭的性能。在真空中熱處理，可以防止薄膜被氧化；在300°C熱處理不僅 可以提高薄膜與光纖光柵的粘附力，可以提高TbDyFe薄膜的磁致伸縮系數(shù)，進(jìn)而提高傳感 探頭的靈敏度。為了減少溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，將鍍膜后的光纖光柵與具有同樣中心波長(zhǎng)的光 纖光柵焊接起來(lái)，沒(méi)鍍膜的光纖光柵作為參考光柵。在同樣的環(huán)境下，用濺射了 TbDyFe膜 的D型光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化量減去參考光柵中心波長(zhǎng)的變化量，可以抵消由于溫度變 化導(dǎo)致D型光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，從而得到由電流變化所導(dǎo)致D型光纖光柵中心波長(zhǎng) 的變化。通過(guò)這種方法，可以大大提高光纖電流傳感器的靈敏度。


圖1、微型光纖電流傳感器測(cè)試工作原理2、微型光纖電流傳感器探頭結(jié)構(gòu)示意3、微型光纖電流傳感器探頭側(cè)面示意4、微型光纖電流傳感器探頭截面示意圖其中1-計(jì)算機(jī)，2-光纖光柵解調(diào)儀，3-耦合器，4-傳感光纖，5-支撐架，6_電纜， 7-電流，8-參考光柵，9-D型光纖光柵，IO-TbDyFe薄膜，11-光纖纖芯，12-光纖包層。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明中的光纖電流傳感器的實(shí)施方案作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的微型光纖電流傳感器探頭結(jié)構(gòu)如圖2所示，探頭由濺射有TbDyFe薄膜10 的D型光纖光柵9與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵8對(duì)接焊接起來(lái)構(gòu)成。采用相位掩模板法在單模光纖制備兩根具有同樣中心波長(zhǎng)的光纖光柵。一根作為 參考光柵8起溫度補(bǔ)償作用；另一根作為D型光纖光柵9 (傳感光柵)，起敏感探頭作用。為 了提高傳感探頭的靈敏度，將作為敏感探頭的光纖光柵固定在拋磨機(jī)上進(jìn)行拋磨，去掉一 部分光纖包層12，使光纖光柵拋磨接近光纖纖芯11，使形成比較大的具有一定粗糙度的平圖3和圖4分別為光纖電流傳感器探頭的側(cè)面圖和截面圖。在光纖光柵拋磨的表 面濺射TbDyFe薄膜，可以提高TbDyFe薄膜與D型光纖光柵的結(jié)合力。將D型光纖光柵在 無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，然后再去離子水中超聲清洗20分鐘，用紫外燈烘烤干后，放 入鍍膜機(jī)腔體中濺射TbDyFe薄膜。TbDyFe薄膜的制備采用德國(guó)進(jìn)口 BESTEC真空鍍膜機(jī)， 在1 X IO-3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，氣壓0. 5Pa。采用射頻濺射工藝，起始功率70W， 濺射功率150W，石英晶體振蕩法監(jiān)測(cè)厚度。通過(guò)射頻濺射，采用襯底樣品托盤(pán)水冷，在濺射 過(guò)程快速冷卻，有利于形成非晶態(tài)薄膜，制備的非晶態(tài)薄膜在低磁場(chǎng)下具有高的靈敏度。通 過(guò)控制濺射時(shí)間來(lái)控制薄膜厚度，制備薄膜厚度為2-20 μ m，薄膜越厚，傳感探頭的靈敏度 越高。薄膜的制備工藝對(duì)傳感探頭的性能有重要影響。通過(guò)拋磨后再濺射薄膜可以大大提 高光纖光柵形變的靈敏度，從而提高傳感探頭的精度。為了進(jìn)一步提高傳感探頭的靈敏度，將濺射TbDyFe薄膜的D型光纖光柵，在真空 爐中進(jìn)行熱處理。升溫速率設(shè)定每分鐘6°C，在高真空中300°C保溫1小時(shí)。在300°C下真
5空中熱處理，不僅可以提高薄膜與D型光纖光柵的粘附力，而且可以減小薄膜內(nèi)缺陷，提高 TbDyFe薄膜的磁致伸縮系數(shù)，從而進(jìn)一步提高傳感探頭的靈敏度。 為了減少溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，將鍍膜后的D型光纖光柵與具有同樣中心波長(zhǎng) 的光纖光柵采用光纖高電壓焊接技術(shù)焊接起來(lái)，沒(méi)有濺射TbDyFe薄膜的光纖光柵作為參 考光柵。在同樣的環(huán)境下，用濺射TbDyFe膜的D型光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化量減去參考光 柵中心波長(zhǎng)的變化量，可以抵消由于溫度變化導(dǎo)致D型光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，從而得 到由電流變化所導(dǎo)致D型光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化。通過(guò)這種方法，可以消除環(huán)境溫度對(duì) 傳感器測(cè)量精度的影響，因此大大提高了光纖磁場(chǎng)傳感器的準(zhǔn)確度。
權(quán)利要求
一種微型光纖電流傳感探頭，其特征在于，該探頭由濺射有TbDyFe薄膜(10)的D型光纖光柵(9)與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵(8)對(duì)接焊接起來(lái)構(gòu)成，其濺射有TbDyFe薄膜的D型光纖光柵是經(jīng)過(guò)側(cè)邊拋磨處理的光纖光柵上濺射一層超磁致伸縮材料TbDyFe薄膜構(gòu)成，薄膜厚度為2 20μm。
2.如權(quán)利要求1所述的微型光纖電流傳感器探頭的制作方法；其特征在于，包括如下 步驟1)、將經(jīng)過(guò)腐蝕和側(cè)邊拋磨處理的D型光纖光柵在無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，然后 在去離子水中超聲清洗20分鐘，用紫外燈烘烤干后，放入鍍膜機(jī)腔體中濺射TbDyFe薄膜；2)、利用高真空磁控濺射法制備超磁致伸縮薄膜，濺射靶材使用純度為99.9 %的 TbDyFe靶，在1 X 10_3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，氣壓0. 5Pa,采用射頻濺射工藝，起始 功率70W，濺射功率150W，石英晶體振蕩法監(jiān)測(cè)厚度，制備薄膜厚度為2-20μπι;3)、將有濺射TbDyFe薄膜的D型光纖光柵，在氣壓為IX10_3Pa高真空中進(jìn)行熱處理， 溫度300°C，升溫速率每分鐘6°C，保溫時(shí)間為1小時(shí)；4)、將鍍膜后的D型光纖光柵與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵對(duì)接焊接起 來(lái)，即制得微型光纖電流傳感器探頭。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型光纖電流傳感探頭及其制作方法。該探頭由濺射有TbDyFe薄膜(10)的D型光纖光柵(9)與具有同樣中心波長(zhǎng)的沒(méi)有鍍膜的參考光柵(8)對(duì)接焊接起來(lái)構(gòu)成，其濺射有TbDyFe薄膜的D型光纖光柵是經(jīng)過(guò)側(cè)邊拋磨處理的光纖光柵上濺射一層超磁致伸縮材料TbDyFe薄膜構(gòu)成，薄膜厚度為2-20μm。其制作方法是將對(duì)磁場(chǎng)敏感的磁致伸縮TbDyFe薄膜與抗電磁干擾D型光纖光柵結(jié)合起來(lái)形成光纖電流傳感器探頭。采用磁控濺射工藝、熱處理工藝和溫度補(bǔ)償技術(shù)，使傳感器的準(zhǔn)確性和靈敏度得到極大地提高，并且傳感探頭體積大大減小，有利于實(shí)現(xiàn)光纖電流傳感器的微型化。
文檔編號(hào)G02B6/02GK101915865SQ20101022324
公開(kāi)日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月5日
發(fā)明者代吉祥, 李小兵, 楊明紅 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué)