基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器。電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀和寬譜光源；導磁回路為矩形回路，其一邊開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，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)出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經傳感頭反射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。本實用新型的上述技術能避免基于法拉第效應電流傳感器的雙折射問題和基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯回線的問題，通過雙錐形導磁回路能夠使被測導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率及電流測量靈敏度。
【專利說明】
基于導磁回路及磁流體的電流傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及電流傳感技術，尤其涉及一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器。
【背景技術】
[0002]根據實現途徑不同，目前的光纖電流傳感器主要分為兩類:(I)基于法拉第效應的光纖電流傳感器。這種傳感器具有絕緣性好、測量范圍大等優(yōu)點，但存在光纖Verdet常數偏低和光纖雙折射難以克服的問題。(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]磁流體是應現代科學發(fā)展而產生的一種超順磁特性液體功能材料，幾乎無固體磁性物質所具有的磁滯現象，其折射率隨外加磁場在一定范圍內呈線性變化，且易于與光纖相結合。目前，存在將磁流體與光纖相結合的電流傳感器技術，該技術可彌補基于法拉第效應和基于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量靈敏度仍然不高。
【實用新型內容】
[0004]在下文中給出了關于本實用新型的簡要概述，以便提供關于本實用新型的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本實用新型的窮舉性概述。它并不是意圖確定本實用新型的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本實用新型的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。
[0005]鑒于此，本實用新型提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，以至少解決現有的基于磁流體的電流傳感器的電流測量靈敏度不高的問題。
[0006]根據本實用新型的一個方面，提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，該基于導磁回路及磁流體的電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源;其中，導磁回路為矩形回路，導磁回路的一個邊上開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個錐形的頂端之間，且傳感頭的徑向平行于兩個錐形的頂端平面；寬譜光源發(fā)出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經傳感頭反射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。
[0007]進一步地，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，空芯光纖部分內部為光纖微腔;熊貓光纖部分的側面上開有一個孔，作為熊貓光纖部分的側孔，側孔僅與熊貓光纖部分的兩個氣孔之一相連通;熊貓光纖部分的暴露端面上的、與側孔相連通的氣孔被封閉;光纖微腔內填充有磁流體。
[0008]進一步地，空芯光纖部分的長度為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兩個氣孔直徑為10μπι-30μπι，兩個氣孔中心間距為25μπι-60μπι，熊貓光纖部分的長度為10mm—20mm，側J孔距尚熊貓光纖部分與空芯光纖部分的恪接點2mm—5mm。
[0009]進一步地，兩個錐形的頂端均為直徑在30mm — 50mm之間的圓形，兩個錐形的頂端之間的距離在之間。
[0010]進一步地，寬譜光源的光譜范圍為1300nm-1600nm。
[0011 ] 進一步地，導磁回路的截面尺寸為30mm* 30mm。
[0012]本實用新型的基于導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電流傳感器的雙折射問題，同時能夠解決基于超磁致伸縮材料電流傳感器磁滯回線的問題。此外，通過雙錐形導磁回路，本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器能夠使得被測導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率及電流測量靈敏度。
[0013]通過以下結合附圖對本實用新型的最佳實施例的詳細說明，本實用新型的這些以及其他優(yōu)點將更加明顯。
【附圖說明】
[0014]本實用新型可以通過參考下文中結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記來表示相同或者相似的部件。所述附圖連同下面的詳細說明一起包含在本說明書中并且形成本說明書的一部分，而且用來進一步舉例說明本實用新型的優(yōu)選實施例和解釋本實用新型的原理和優(yōu)點。在附圖中:
[0015]圖1是示出本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的一個示例的結構示意圖；
[0016]圖2是示出圖1所示的傳感頭的一種可能結構的示意圖；
[0017]圖3是導磁回路及錐形區(qū)磁場分布示意圖。
[0018]本領域技術人員應當理解，附圖中的元件僅僅是為了簡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于其他元件放大了，以便有助于提高對本實用新型實施例的理解。
【具體實施方式】
[0019]在下文中將結合附圖對本實用新型的示范性實施例進行描述。為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應該了解，在開發(fā)任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現開發(fā)人員的具體目標，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務相關的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本公開內容的本領域技術人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務。
[0020]在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本實用新型，在附圖中僅僅示出了與根據本實用新型的方案密切相關的裝置結構和/或處理步驟，而省略了與本實用新型關系不大的其他細節(jié)。
[0021]本實用新型的實施例提供了一種基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，該基于導磁回路及磁流體的電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源；其中，導磁回路為矩形回路，導磁回路的一個邊上開有狹縫，狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形;傳感頭置于兩個錐形的頂端之間，且傳感頭的徑向平行于兩個錐形的頂端平面；寬譜光源發(fā)出的寬譜光經過光纖耦合器后進入傳感頭，經傳感頭反射的光信號通過光纖耦合器進入光譜儀。
[0022]下面結合圖1來描述本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器的一個示例。如圖1所示，本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器100包括導磁回路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]導磁回路1-1為矩形回路，如圖1所示，在導磁回路1-1的一個邊上開有狹縫，該狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形。兩個錐形的頂端例如均為直徑在3 Omm—5 Omm之間的圓形，兩個錐形的頂端之間的距離例如在I mm- 3mm之間。導磁回路1-1的截面例如為30mm* 30mm的正方形截面。
[0024]傳感頭1-2置于以上兩個錐形的頂端之間，且傳感頭1-2的徑向平行于兩個錐形的頂端平面。
[0025]寬譜光源1-5通過光纖連接光纖耦合器1-3，光纖耦合器1-3通過光纖連接傳感頭1-2，而光譜儀1-4也通過光纖連接光纖耦合器1-3。這樣，寬譜光源1-5發(fā)出的寬譜光經過光纖耦合器1-3后進入傳感頭1-2，經傳感頭1-2反射的光信號通過光纖耦合器1-3進入光譜儀1-4。其中，寬譜光源1-5的光譜范圍例如為1300nm-1600nm。應用理解的是，以上描述通過對光信號所經過的路徑進行描述，來限定的是對應的光路結構，因僅有連接關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，本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器能夠通過錐形導磁回路，而使被測導線產生的磁場匯聚到傳感頭上，因此能夠大大提高傳感頭處電流到磁場的轉化效率以及電流測量靈敏度。而C N201510423585.2中的電流傳感器并未考慮到被測導線在傳感頭處產生磁場效率的問題，實際上，導線在傳感頭處產生的磁場的效率很低，導致該電流傳感器的電流測量靈敏度不高。
[0027]根據一種實現方式，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的內部為光纖微腔。熊貓光纖部分2-3的側面上開有一個孔，作為熊貓光纖部分2-3的側孔(其中偵吼未在圖2中示出)，該側孔僅與熊貓光纖部分2-3的兩個氣孔之一相連通。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、與側孔相連通的氣孔被封閉(例如通過樹脂膠將該氣孔堵死)。光纖微腔內填充有磁流體，并且磁流體充滿整個光纖微腔。
[0028]光纖微腔體積非常小，能與錐形磁路有效結合，使相同導線電流產生的磁場更多地聚集到光纖微腔內的磁流體上，導致磁流體的折射率產生更大的變化，進而使通過光纖微腔的光的干涉譜有更大的頻移，從而提高電流的測量靈敏度。
[0029]以上實現方式與現有技術不同的是，現有技術通常將粘貼有光纖光柵的GMM與磁路結合，利用GMM的磁致伸縮特性通過檢測光纖光柵的光譜變化實現電流測量，盡管此方法也能將導線電流產生的磁場聚集到傳感頭上，但是GMM存在固有磁滯回線特性，限制了此種方法的測量靈敏度的提高；而本實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現。
[0031]其中，空芯光纖部分2-2的長度例如為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的包層內兩個氣孔直徑例如為10μηι-30μηι，兩個氣孔中心間距例如為25μηι-60μηι，熊貓光纖部分2-3的長度例如為1mm—20mm。側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2mm—5mm。實驗數據表明，采用以上參數的傳感頭能夠進一步提高電流的測量靈敏度。
[0032]應用示例I
[0033]下面描述本實用新型的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器100的一個應用示例。
[0034]如圖1所示，電流傳感器100在測量電流時，將導磁回路1-1套在被測導線上，使得被測導線由導磁回路1-1的空腔中心通過，導磁回路1-1感應被測電流，并將在磁路內產生的磁場匯聚于到傳感頭1-2上。在磁場的作用下，磁流體會產生磁致折變效應，其折射率隨磁場的變化而變化，進而導致光纖微腔光程的變化，從而使得光纖微腔的干涉譜平移，通過檢測干涉譜平移的大小即可獲得被測電流的大小。
[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lX2光纖耦合器(作為光纖耦合器1-3的示例)后，進入傳感頭1_2(磁流體光纖微腔)，經傳感頭1-2反射的光信號通過上述1X2光纖耦合器進入光譜儀1-4，然后再通過計算機實現對信號的處理。
[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現磁場傳感的。導磁回路1-1將導線電流產生的磁場通過磁路加載到傳感頭上，在磁場的作用下，磁流體的折射率變化，導致光纖微腔的光程差變化，進而導致磁流體光纖微腔干涉譜平移。干涉譜平移量與被測電流的大小在一定范圍內呈線性，利用此關系通過測量光纖微腔干涉譜平移量的大小，即可獲得被測磁場的大小。
[0037]圖3是導磁回路及錐形區(qū)磁場分布示意圖。如圖3所示，導磁回路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，且狹縫處導磁體為兩個相對的錐形，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，且傳感頭經向平行于兩錐形頂端平面。如圖3所示的仿真結果表明，被測電流產生的磁場主要集中在錐形頂端，錐形頂端磁場明顯高于周圍磁場了，因此導磁回路1-1大大提高了傳感頭1-2處電流到磁場轉化效率，進而提高了電流的測量靈敏度。
[0038]盡管根據有限數量的實施例描述了本實用新型，但是受益于上面的描述，本技術領域內的技術人員明白，在由此描述的本實用新型的范圍內，可以設想其它實施例。此外，應當注意，本說明書中使用的語言主要是為了可讀性和教導的目的而選擇的，而不是為了解釋或者限定本實用新型的主題而選擇的。因此，在不偏離所附權利要求書的范圍和精神的情況下，對于本技術領域的普通技術人員來說許多修改和變更都是顯而易見的。對于本實用新型的范圍，對本實用新型所做的公開是說明性的，而非限制性的，本實用新型的范圍由所附權利要求書限定。
【主權項】
1.基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述基于導磁回路及磁流體的電流傳感器包括導磁回路、傳感頭、光纖耦合器、光譜儀以及寬譜光源； 其中，所述導磁回路為矩形回路，所述導磁回路的一個邊上開有狹縫，所述狹縫兩側的導磁體為兩個相對的錐形，該兩個錐形的頂端均為圓形； 所述傳感頭置于所述兩個錐形的頂端之間，且所述傳感頭的徑向平行于所述兩個錐形的頂端平面； 所述寬譜光源發(fā)出的寬譜光經過所述光纖耦合器后進入所述傳感頭，經所述傳感頭反射的光信號通過所述光纖耦合器進入所述光譜儀。2.根據權利要求1所述的基于導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部為光纖微腔;所述熊貓光纖部分的側面上開有一個孔，作為所述熊貓光纖部分的側孔，所述側孔僅與所述熊貓光纖部分的兩個氣孔之一相連通;所述熊貓光纖部分的暴露端面上的、與所述側孔相連通的氣孔被封閉;所述光纖微腔內填充有磁流體。3.根據權利要求2所述的基于導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兩個氣孔直徑為10μπι-30μπι，所述兩個氣孔中心間距為25μηι-60μηι，所述熊貓光纖部分的長度為1mm—20mm，所述側孔距尚所述熊貓光纖部分與所述空芯光纖部分的恪接點2mm—5mm。4.根據權利要求1-3中任一項所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述兩個錐形的頂端均為直徑在30mm—50mm之間的圓形，所述兩個錐形的頂端之間的距離在之間。5.根據權利要求1-4中任一項所述的基于導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.根據權利要求1-5中任一項所述的基于導磁回路及磁流體的電流傳感器，其特征在于，所述導磁回路的截面尺寸為30mm* 30mm。
【文檔編號】G01R15/14GK205670167SQ201620540132
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月6日
【發(fā)明人】楊玉強, 楊群, 葛偉
【申請人】哈爾濱理工大學