專利名稱：一種磁光電流傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)電流傳感器，尤其是一種用于電力系統(tǒng)高壓大電流測 量的新型磁光電流傳感器及其制造方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)電流互感器(Optical Current Transducer,簡稱OCT)是以法拉第磁光 效應(yīng)為基礎(chǔ)，直接或間接對電流進(jìn)行測試的裝置。與傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)式電流互 感器相比，在高電壓大電流測量的應(yīng)用中采用OCT具有明顯的優(yōu)掛性l.不含 油，無爆炸危險；2.與高壓線路完全隔離，滿足絕緣要求，運行安全可靠；3. 不含鐵心、無磁飽和、鐵磁共振和磁滯現(xiàn)象；4.不含交流線圈，不存在輸出線 圈開路危險，可以測量直流；5.抗電磁干擾；6.響應(yīng)頻域?qū)挘?.便于遙感和遙 測；8.有利于變電站綜合自動化水平的提高；9.體積小、重量輕、易安裝等。 光學(xué)電流互感器分為無源型光學(xué)電流互感器和有源型光學(xué)電流互感器。
華中理工大學(xué)的中國實用新型專利(專利號為ZL98235729.6) —110千 伏無源式光纖電流互感器。 一種具有塊狀光學(xué)傳感頭的光學(xué)電流互感器，其傳 感頭的主體玻璃環(huán)外圍有對稱的5個45度角的反射面及一個垂直的通光面， 被測電流導(dǎo)線從主體玻璃環(huán)中心孔穿過，偏振光經(jīng)過反射面的多次全反射圍繞 導(dǎo)體一周，偏振光在被測電流的磁場作用下偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而測量出電
流。以及哈爾濱工程技術(shù)大學(xué)的中國實用新型專利(專利號為 ZL200710144590.5) —一種排除光學(xué)電流互感器中線性雙折射影響的三態(tài)偏振檢測法?？梢酝瑫r測量光學(xué)電流傳感器系統(tǒng)輸出的橢圓偏振光三個極化方向的 光強(qiáng)(水平極化強(qiáng)度，垂直極化強(qiáng)度和水平成45方向極化強(qiáng)度的數(shù)據(jù))，利 用二態(tài)測量數(shù)據(jù)，計算橢圓偏振光水平極化分量和垂直極化分量之間的位相差 信息，實時分離檢測法拉第效應(yīng)和線性雙折射。但是，由于電流從光學(xué)玻璃中 心通過，實用性差；而且長期穩(wěn)定性不好，反射面的性質(zhì)會隨著時間推移而發(fā) 生變化，致使折射率發(fā)生變化，反射的光越來越弱，測量的精度及其可靠性越 來越差。
而中國專利(專利號為ZL200420112010.6)—光學(xué)電流互感器。采用條 狀磁光材料為主要傳感元件的傳感頭置于被測電流通過的螺線管內(nèi)，并與螺線 管的軸線平行，條狀磁光材料處于螺線管內(nèi)的穩(wěn)定磁場區(qū)域中。由于光路為直 線形，避免了現(xiàn)有技術(shù)中塊狀傳感頭多次45度的反射，克服了隨時間推移反 射面變形導(dǎo)致反射光強(qiáng)變?nèi)醵鴨适Х€(wěn)定性的缺點。光學(xué)電流互感器能夠長期穩(wěn) 定運行，通電螺線管內(nèi)的磁場強(qiáng)大，且磁場方向與磁光材料的平行度好，通過 條狀磁光材料的偏振光旋轉(zhuǎn)角大，測量精度高。但采用條狀磁光材料成本較 高，加上條狀磁光材料位于螺線管中心位置，長時間使用穩(wěn)定性不好。另外， 需要外加供給電源來產(chǎn)生外加磁場，耗能，體積較大。
還有中國專利(申請?zhí)枮?00610060605.5)及美國專利US6756781提及 采用小尺寸磁光材料結(jié)合光學(xué)元件構(gòu)成自由空間的光探頭。這種方案中，沒有 采取措施固定磁光材料的磁化方向，偏振態(tài)的漂移將影響整個系統(tǒng)的測量精度 和穩(wěn)定性。中國專利(申請?zhí)枮?00910056802.3)采用磁光記錄方式，利用 光學(xué)刻蝕方法得到了永久磁疇，但是這種工藝過程復(fù)雜、能 耗高、生產(chǎn)率低、 實用性不強(qiáng)。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有光學(xué)電流傳感器及相關(guān)技術(shù)方案的不足，本發(fā)明的目的旨在 提供一種磁光電流傳感器及其制造方法，以實現(xiàn)安全監(jiān)控高壓線路和測量高壓 線路的電流。
本發(fā)明的第一個目的，是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
一種磁光電流傳感器，其特征在于包括沿光路設(shè)置的光源、起偏器、磁 光傳感單元、檢偏器及方位探測器。其中該磁光傳感單元為保護(hù)層、永磁薄 膜和磁光材料層疊生長結(jié)構(gòu)，且所述保護(hù)層朝向光源一側(cè)，磁光材料朝向檢偏 器和方位探測器一側(cè)。該永磁薄膜為永磁材料，由釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷等永 磁材料構(gòu)成，薄膜厚度介于10nm-lcm;該保護(hù)層為SiN或Si02薄膜，薄膜厚 度介于5nm-100nm。
進(jìn)一步地，前述一種磁光電流傳感器，其中該光源用于提供點光源或面光 源；起偏器能夠?qū)⒐庠崔D(zhuǎn)換成線偏振光；保護(hù)層用于防止永磁薄膜被氧化，保 持永磁薄膜的磁性；永磁薄膜用于對磁光材料提供外加磁場，固定磁光材料的 磁化方向；在外磁場的作用下磁光材料將線偏振光旋轉(zhuǎn)；檢偏器檢測偏振光； 方位探測器用于探測偏振光的光強(qiáng)和相位。
更進(jìn)一步地，前述一種磁光電流傳感器，其中該磁光電流傳感器的各構(gòu)件 光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器為沿光路直線設(shè)置。
本發(fā)明的第二個目的，是通過如下技術(shù)方案來實現(xiàn)的
一種磁光電流傳感器的制造方法，沿光路設(shè)置光源、起偏器、磁光傳感單 元、檢偏器及方位探測器，其特征在于首先制備清潔、干燥的磁光材料；然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜；再在永磁薄膜上生長SiN或Si02薄 膜保護(hù)層；最后利用永磁機(jī)對磁光傳感單元的永磁薄膜進(jìn)行充磁。
進(jìn)一步地，前述一種磁光電流傳感器的制造方法，其中永磁薄膜的生長工 藝為磁控濺射或電子束蒸發(fā)。
本發(fā)明設(shè)計的磁光電流傳感器，其應(yīng)用后的有益效果體現(xiàn)為 本發(fā)明通過把現(xiàn)有有源型光學(xué)電流互感器的線圈產(chǎn)生磁場改為由永磁薄膜
來實現(xiàn)，光路通過的磁場強(qiáng)度大，平行度好，有效增大了偏振光的旋轉(zhuǎn)角，提
高了傳感器的感應(yīng)精度。此外，該磁光電流傳感器的光路元件得以減少，系統(tǒng)
設(shè)計更簡便，可靠性更高。
為使本發(fā)明所設(shè)計的一種磁光電流傳感器及其制法更清楚、更易于被理
解，以下便以本發(fā)明一優(yōu)選實施例結(jié)合其附圖，做進(jìn)一步詳細(xì)的闡述。


圖1是本發(fā)明優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖中各標(biāo)記的含義是
1—光源、2—起偏器、3—保護(hù)層、4—永磁薄膜、5—磁光材料、6—檢偏 器、7—方位探測器。
具體實施例方式
從結(jié)構(gòu)與功能的總體原理上來講，本發(fā)明是將磁光材料放到銅網(wǎng)或者鉬網(wǎng) 夾具上，在磁光材料上面直接生長一層永磁薄膜，通過永磁薄膜控制磁光材料 的初始磁化方向，得到光學(xué)系統(tǒng)中的初始偏振態(tài)零點，通過方位探測器直接探 測偏振光的旋轉(zhuǎn)角度和強(qiáng)度，從而實時獲得外界電流的信息。該種磁光電流傳感器，包括沿光路直線設(shè)置的光源1、起偏器2、磁光傳 感單元、檢偏器6及方位探測器7。其中該磁光傳感單元為保護(hù)層3、永磁
薄膜4和磁光材料5層疊生長結(jié)構(gòu)，且所述保護(hù)層3朝向光源1一側(cè)，磁光材 料5朝向檢偏器6和方位探測器7 —側(cè)。該永磁薄膜4為永磁材料，由釹鐵 硼、釤鈷或鋁鎳鈷等永磁材料構(gòu)成，薄膜厚度可以介于10nm-lcm;該保護(hù)層3 為SiN薄膜，薄膜厚度可以介于5nm-100nm，其最佳厚度取值為30nm左右。
作為該磁光電流傳感器的核心部件——磁光傳感單元是由保護(hù)層3、永磁 薄膜4和磁光材料5層疊生長的結(jié)構(gòu)。其具體的制造方法是首先采用超聲波 清洗器清洗磁光材料5并烘干，將磁光材料5放置在銅網(wǎng)或者鉬網(wǎng)做成的夾具 上；然后將其放入薄膜生長系統(tǒng)(可以選用磁控濺射儀，也可以選用電子束蒸 發(fā)系統(tǒng))并抽真空；當(dāng)薄膜生長系統(tǒng)本底真空度優(yōu)于1.0—4.0Pa時，加熱磁光 材料5至200—500。C，工作氣壓為0.2—5.0Pa;生長永磁薄膜并保溫1小時； 然后升溫至550°C—80(TC進(jìn)行二次回火；冷卻至室溫時生長保護(hù)層SiN薄膜； 最后利用充磁機(jī)對樣品進(jìn)行充磁。將充磁后的磁光傳感單元放置到事先搭建的 光學(xué)系統(tǒng)中，比較有無外界電流干擾時的方位探測器7所測信號，得出偏振光 旋轉(zhuǎn)的角度和強(qiáng)度，根據(jù)安培定律就可計算出外界電流的強(qiáng)度；當(dāng)外界干擾電 流完全撤銷時，由于永磁薄膜的作用，磁光材料又回到初始磁化方向，整個系 統(tǒng)光路的偏振態(tài)又恢復(fù)到初始位置。
除此之外，以上制造方法的具體實施例中，該保護(hù)層3也可以選用Si02， 同樣能夠起到保護(hù)永磁薄膜4，防止其被氧化失磁的作用
由此可見，本發(fā)明光磁電流傳感器的檢測光路為直線形，且電 流不需要從 磁光材料中穿過，光路中也無需45度角的反射，更無需光刻。這是一種更實用、更穩(wěn)定、更安全的新型光學(xué)電流傳感器設(shè)計方案。而且本發(fā)明光路中所用 元件種類和數(shù)量上都較之于現(xiàn)有技術(shù)減少，系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，而由于采 用永磁薄膜的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得光路通過的磁場強(qiáng)度大、平行度佳，由此使得偏 振光的旋轉(zhuǎn)角度更大，精度更高。
綜上所述可見本發(fā)明一種磁光電流傳感器，設(shè)計獨特且巧妙，使用方便， 從技術(shù)上克服了有源型光學(xué)電流互感器需要外界電流產(chǎn)生磁場的缺點和無源型 光學(xué)電流互感器穩(wěn)定性差的缺點，可作為光學(xué)電流傳感器的理想選擇。此外， 本技術(shù)在零電位監(jiān)測器、磁化強(qiáng)度光柵、光學(xué)磁場傳感器、光隔離器等領(lǐng)域， 應(yīng)用前景同樣被看好。
以上僅是通過具體應(yīng)用范例對本發(fā)明的實質(zhì)特征進(jìn)行的介紹，對發(fā)明的保 護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均 落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種磁光電流傳感器，其特征在于包括沿光路設(shè)置的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其中所述磁光傳感單元為保護(hù)層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結(jié)構(gòu)，且所述保護(hù)層朝向光源一側(cè)，磁光材料朝向檢偏器和方位探測器一側(cè)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述磁光 電流傳感器構(gòu)件的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器為沿光 路直線設(shè)置。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述永磁 薄膜為永磁材料，包括釹鐵硼、釤鈷或鋁鎳鈷之一或多種的混合物，薄膜厚度 介于10nm-lcrtic
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光電流傳感器，其特征在于所述保護(hù) 層為SiN或Si02薄膜，薄膜厚度介于5nm-100nm。
5. 權(quán)利要求1所述的一種磁光電流傳感器的制造方法，沿光路設(shè)置光 源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其特征在于首先制備清 潔、干燥的磁光材料；然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜；再在永磁 薄膜上生長SiN或Si02薄膜保護(hù)層；最后利用永磁機(jī)對磁光傳感單元的永磁薄 膜進(jìn)行充磁。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種磁光電流傳感器的制造方法，其特征在 于所述永磁薄膜的生長工藝為磁控濺射或電子束蒸發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁光電流傳感器及其制造方法，包括沿光路設(shè)置的光源、起偏器、磁光傳感單元、檢偏器及方位探測器，其中該磁光傳感單元為保護(hù)層、永磁薄膜和磁光材料層疊生長結(jié)構(gòu)；制造時，首先制備清潔、干燥的磁光材料，然后在真空條件下對磁光材料生長永磁薄膜，再在永磁薄膜上生長SiN或SiO₂薄膜保護(hù)層，最后利用永磁機(jī)對磁光傳感單元的永磁薄膜進(jìn)行充磁。本發(fā)明利用永磁薄膜，使得光路通過的磁場強(qiáng)度大、平行度好，有效增大了偏振光的旋轉(zhuǎn)角，提高了傳感器的感應(yīng)精度。此外，該磁光電流傳感器的光路元件少，系統(tǒng)設(shè)計更簡便，可靠性更高。
文檔編號G01R19/00GK101672870SQ200910183929
公開日2010年3月17日 申請日期2009年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月13日
發(fā)明者焦新兵, 蔣春萍 申請人:蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所