一种磁光电流传感器及其制造方法

专利名称：一种磁光电流传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学电流传感器，尤其是一种用于电力系统高压大电流测 量的新型磁光电流传感器及其制造方法。
背景技术：
光学电流互感器(Optical Current Transducer,简称OCT)是以法拉第磁光 效应为基础，直接或间接对电流进行测试的装置。与传统的电磁感应式电流互 感器相比，在高电压大电流测量的应用中采用OCT具有明显的优掛性l.不含 油，无爆炸危险；2.与高压线路完全隔离，满足绝缘要求，运行安全可靠；3. 不含铁心、无磁饱和、铁磁共振和磁滞现象；4.不含交流线圈，不存在输出线 圈开路危险，可以测量直流；5.抗电磁干扰；6.响应频域宽；7.便于遥感和遥 测；8.有利于变电站综合自动化水平的提高；9.体积小、重量轻、易安装等。 光学电流互感器分为无源型光学电流互感器和有源型光学电流互感器。
华中理工大学的中国实用新型专利(专利号为ZL98235729.6) —110千 伏无源式光纤电流互感器。 一种具有块状光学传感头的光学电流互感器，其传 感头的主体玻璃环外围有对称的5个45度角的反射面及一个垂直的通光面， 被测电流导线从主体玻璃环中心孔穿过，偏振光经过反射面的多次全反射围绕 导体一周，偏振光在被测电流的磁场作用下偏振面发生旋转，从而测量出电
流。以及哈尔滨工程技术大学的中国实用新型专利(专利号为 ZL200710144590.5) —一种排除光学电流互感器中线性双折射影响的三态偏振检测法。可以同时测量光学电流传感器系统输出的椭圆偏振光三个极化方向的 光强(水平极化强度，垂直极化强度和水平成45方向极化强度的数据)，利 用二态测量数据，计算椭圆偏振光水平极化分量和垂直极化分量之间的位相差 信息，实时分离检测法拉第效应和线性双折射。但是，由于电流从光学玻璃中 心通过，实用性差；而且长期稳定性不好，反射面的性质会随着时间推移而发 生变化，致使折射率发生变化，反射的光越来越弱，测量的精度及其可靠性越 来越差。
而中国专利(专利号为ZL200420112010.6)—光学电流互感器。采用条 状磁光材料为主要传感元件的传感头置于被测电流通过的螺线管内，并与螺线 管的轴线平行，条状磁光材料处于螺线管内的稳定磁场区域中。由于光路为直 线形，避免了现有技术中块状传感头多次45度的反射，克服了随时间推移反 射面变形导致反射光强变弱而丧失稳定性的缺点。光学电流互感器能够长期稳 定运行，通电螺线管内的磁场强大，且磁场方向与磁光材料的平行度好，通过 条状磁光材料的偏振光旋转角大，测量精度高。但采用条状磁光材料成本较 高，加上条状磁光材料位于螺线管中心位置，长时间使用稳定性不好。另外， 需要外加供给电源来产生外加磁场，耗能，体积较大。
还有中国专利(申请号为200610060605.5)及美国专利US6756781提及 采用小尺寸磁光材料结合光学元件构成自由空间的光探头。这种方案中，没有 采取措施固定磁光材料的磁化方向，偏振态的漂移将影响整个系统的测量精度 和稳定性。中国专利(申请号为200910056802.3)采用磁光记录方式，利用 光学刻蚀方法得到了永久磁畴，但是这种工艺过程复杂、能 耗高、生产率低、 实用性不强。

发明内容
鉴于上述现有光学电流传感器及相关技术方案的不足，本发明的目的旨在 提供一种磁光电流传感器及其制造方法，以实现安全监控高压线路和测量高压 线路的电流。
本发明的第一个目的，是通过如下技术方案来实现的
一种磁光电流传感器，其特征在于包括沿光路设置的光源、起偏器、磁 光传感单元、检偏器及方位探测器。其中该磁光传感单元为保护层、永磁薄 膜和磁光材料层叠生长结构，且所述保护层朝向光源一侧，磁光材料朝向检偏 器和方位探测器一侧。该永磁薄膜为永磁材料，由钕铁硼、钐钴或铝镍钴等永 磁材料构成，薄膜厚度介于10nm-lcm;该保护层为SiN或Si02薄膜，薄膜厚 度介于5nm-100nm。
进一步地，前述一种磁光电流传感器，其中该光源用于提供点光源或面光 源；起偏器能够将光源转换成线偏振光；保护层用于防止永磁薄膜被氧化，保 持永磁薄膜的磁性；永磁薄膜用于对磁光材料提供外加磁场，固定磁光材料的 磁化方向；在外磁场的作用下磁光材料将线偏振光旋转；检偏器检测偏振光； 方位探测器用于探测偏振光的光强和相位。
更进一步地，前述一种磁光电流传感器，其中该磁光电流传感器的各构件 光源、起偏器、磁光传感单元、检偏器及方位探测器为沿光路直线设置。
本发明的第二个目的，是通过如下技术方案来实现的
一种磁光电流传感器的制造方法，沿光路设置光源、起偏器、磁光传感单 元、检偏器及方位探测器，其特征在于首先制备清洁、干燥的磁光材料；然后在真空条件下对磁光材料生长永磁薄膜；再在永磁薄膜上生长SiN或Si02薄 膜保护层；最后利用永磁机对磁光传感单元的永磁薄膜进行充磁。
进一步地，前述一种磁光电流传感器的制造方法，其中永磁薄膜的生长工 艺为磁控溅射或电子束蒸发。
本发明设计的磁光电流传感器，其应用后的有益效果体现为 本发明通过把现有有源型光学电流互感器的线圈产生磁场改为由永磁薄膜
来实现，光路通过的磁场强度大，平行度好，有效增大了偏振光的旋转角，提
高了传感器的感应精度。此外，该磁光电流传感器的光路元件得以减少，系统
设计更简便，可靠性更高。
为使本发明所设计的一种磁光电流传感器及其制法更清楚、更易于被理
解，以下便以本发明一优选实施例结合其附图，做进一步详细的阐述。


图1是本发明优选实施例的结构示意图。 图中各标记的含义是
1—光源、2—起偏器、3—保护层、4—永磁薄膜、5—磁光材料、6—检偏 器、7—方位探测器。
具体实施例方式
从结构与功能的总体原理上来讲，本发明是将磁光材料放到铜网或者钼网 夹具上，在磁光材料上面直接生长一层永磁薄膜，通过永磁薄膜控制磁光材料 的初始磁化方向，得到光学系统中的初始偏振态零点，通过方位探测器直接探 测偏振光的旋转角度和强度，从而实时获得外界电流的信息。该种磁光电流传感器，包括沿光路直线设置的光源1、起偏器2、磁光传 感单元、检偏器6及方位探测器7。其中该磁光传感单元为保护层3、永磁
薄膜4和磁光材料5层叠生长结构，且所述保护层3朝向光源1一侧，磁光材 料5朝向检偏器6和方位探测器7 —侧。该永磁薄膜4为永磁材料，由钕铁 硼、钐钴或铝镍钴等永磁材料构成，薄膜厚度可以介于10nm-lcm;该保护层3 为SiN薄膜，薄膜厚度可以介于5nm-100nm，其最佳厚度取值为30nm左右。
作为该磁光电流传感器的核心部件——磁光传感单元是由保护层3、永磁 薄膜4和磁光材料5层叠生长的结构。其具体的制造方法是首先采用超声波 清洗器清洗磁光材料5并烘干，将磁光材料5放置在铜网或者钼网做成的夹具 上；然后将其放入薄膜生长系统(可以选用磁控溅射仪，也可以选用电子束蒸 发系统)并抽真空；当薄膜生长系统本底真空度优于1.0—4.0Pa时，加热磁光 材料5至200—500。C，工作气压为0.2—5.0Pa;生长永磁薄膜并保温1小时； 然后升温至550°C—80(TC进行二次回火；冷却至室温时生长保护层SiN薄膜； 最后利用充磁机对样品进行充磁。将充磁后的磁光传感单元放置到事先搭建的 光学系统中，比较有无外界电流干扰时的方位探测器7所测信号，得出偏振光 旋转的角度和强度，根据安培定律就可计算出外界电流的强度；当外界干扰电 流完全撤销时，由于永磁薄膜的作用，磁光材料又回到初始磁化方向，整个系 统光路的偏振态又恢复到初始位置。
除此之外，以上制造方法的具体实施例中，该保护层3也可以选用Si02， 同样能够起到保护永磁薄膜4，防止其被氧化失磁的作用
由此可见，本发明光磁电流传感器的检测光路为直线形，且电 流不需要从 磁光材料中穿过，光路中也无需45度角的反射，更无需光刻。这是一种更实用、更稳定、更安全的新型光学电流传感器设计方案。而且本发明光路中所用 元件种类和数量上都较之于现有技术减少，系统设计更灵活、方便，而由于采 用永磁薄膜的设计结构，使得光路通过的磁场强度大、平行度佳，由此使得偏 振光的旋转角度更大，精度更高。
综上所述可见本发明一种磁光电流传感器，设计独特且巧妙，使用方便， 从技术上克服了有源型光学电流互感器需要外界电流产生磁场的缺点和无源型 光学电流互感器稳定性差的缺点，可作为光学电流传感器的理想选择。此外， 本技术在零电位监测器、磁化强度光栅、光学磁场传感器、光隔离器等领域， 应用前景同样被看好。
以上仅是通过具体应用范例对本发明的实质特征进行的介绍，对发明的保 护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均 落在本发明权利保护范围内。
权利要求
1.一种磁光电流传感器，其特征在于包括沿光路设置的光源、起偏器、磁光传感单元、检偏器及方位探测器，其中所述磁光传感单元为保护层、永磁薄膜和磁光材料层叠生长结构，且所述保护层朝向光源一侧，磁光材料朝向检偏器和方位探测器一侧。
2. 根据权利要求1所述的一种磁光电流传感器，其特征在于所述磁光 电流传感器构件的光源、起偏器、磁光传感单元、检偏器及方位探测器为沿光 路直线设置。
3. 根据权利要求1所述的一种磁光电流传感器，其特征在于所述永磁 薄膜为永磁材料，包括钕铁硼、钐钴或铝镍钴之一或多种的混合物，薄膜厚度 介于10nm-lcrtic
4. 根据权利要求1所述的一种磁光电流传感器，其特征在于所述保护 层为SiN或Si02薄膜，薄膜厚度介于5nm-100nm。
5. 权利要求1所述的一种磁光电流传感器的制造方法，沿光路设置光 源、起偏器、磁光传感单元、检偏器及方位探测器，其特征在于首先制备清 洁、干燥的磁光材料；然后在真空条件下对磁光材料生长永磁薄膜；再在永磁 薄膜上生长SiN或Si02薄膜保护层；最后利用永磁机对磁光传感单元的永磁薄 膜进行充磁。
6. 根据权利要求5所述的一种磁光电流传感器的制造方法，其特征在 于所述永磁薄膜的生长工艺为磁控溅射或电子束蒸发。
全文摘要
本发明公开了一种磁光电流传感器及其制造方法，包括沿光路设置的光源、起偏器、磁光传感单元、检偏器及方位探测器，其中该磁光传感单元为保护层、永磁薄膜和磁光材料层叠生长结构；制造时，首先制备清洁、干燥的磁光材料，然后在真空条件下对磁光材料生长永磁薄膜，再在永磁薄膜上生长SiN或SiO₂薄膜保护层，最后利用永磁机对磁光传感单元的永磁薄膜进行充磁。本发明利用永磁薄膜，使得光路通过的磁场强度大、平行度好，有效增大了偏振光的旋转角，提高了传感器的感应精度。此外，该磁光电流传感器的光路元件少，系统设计更简便，可靠性更高。
文档编号G01R19/00GK101672870SQ200910183929
公开日2010年3月17日 申请日期2009年8月13日 优先权日2009年8月13日
发明者焦新兵, 蒋春萍 申请人:苏州纳米技术与纳米仿生研究所