一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法

一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法
【专利摘要】本发明提供了一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法。本发明通过设置两个磁光材料作为传感头，在测量导体电流时，应保证两个磁光材料的相对位置固定不变，且两个磁光材料内通光方向之间的夹角△θ满足：0＜△θ＜180°。当这两个磁光材料处于通电导体所形成的磁场中时，两个磁光材料内通过的偏振光都会由于法拉第效应而使偏振方向发生偏转；通过测量两束偏振光经两个磁光材料后每一偏振光的偏振方向所发生的偏转角，结合两个磁光材料内通光光路方向之间的固定夹角就可计算出导体内的电流。采用本发明测量导体电流时，磁光材料和导体之间的安装角度不敏感，可消除现有技术中因磁光材料与导体之间安装角度的不确定性而造成的测量误差。
【专利说明】
一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电流测量技术领域，具体地说是一种利用磁光材料测量导体电流的装 置及方法。
【背景技术】
[0002] 电流测量，尤其是大电流测量，是电力系统、供电系统和大型生产企业在电力保障 方面的一项重要工作。目前该领域普遍采用的是电磁式互感测量方式，这种方式的测量技 术非常成熟，但存在着一些严重的缺点：一、设备笨重（因为存在线包和铁芯）；二、在互感过 程中耗能高;三、为了防止过热，需要将设备发热部分浸入到油中，带来极大的公共安全及 正常生活秩序的隐患。
[0003] 近些年，采用光传感技术进行电流测量日益受到重视。目前主流技术是利用法拉 第磁光效应。利用法拉第磁光效应测电流又分为两类，一类是采用光纤环绕在电流导体的 周围，通过测量电流产生的磁感应强度，从而实现电流的测量；另一类是采用磁光材料，将 磁光材料放在导体附近，通电导体产生的磁场会改变通过磁光材料的光的偏振态，通过测 量光的偏振态随着磁场的变化情况，实现对导体的电流测量。
[0004] 如图1所示，图1是采用磁光材料测量导体电流的原理图。当一束偏振光通过一个 处于磁场当中的磁光材料时，其偏振方向由于法拉第磁光效应而发生改变，在磁光材料长 度一定的情况下，偏振方向改变的角度β随磁感应强度B的增加而增加。而在导体中有电流 通过的时候，在导体周边就会产生随着电流的增加而增加的磁场，利用图1长度为D的磁光 材料，通过测量偏振光由于磁场变化产生的偏转角度，从而计算出导体中的电流强度。
[0005] 在使用磁光材料测量导体电流的系统上，磁光材料作为一种传感介质，通常是将 其放置在导体附近或者紧贴导体，从而实现电流测量。如图2所示，图2中示出了磁光材料、 导体、光输入和光输出路径(光输入和光输出路径均采用光纤来实现)等的侧视图（图2(a)) 及端视图（图2(b))。
[0006] 目前普遍采用的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图如图3所示。其中光源 产生一束光，通过一个起偏器变成偏振光，再通过放置在电流导体（图中所示为导体横截 面)附近的磁光材料，由于电流磁场的作用，磁光材料使得通过的偏振光的偏振方向发生偏 转，在另一端输出的光就是一个与之前输入的偏振光偏振方向不一致的偏振光。这个输出 偏振光再通过一个检偏器(或叫偏振片，这个检偏器的偏振化方向是已知的，比如和前面的 起偏器的偏振化方向一致）；这时候通过检偏器的光强就会减弱，因为光的偏振方向发生了 偏转，只有平行于检偏器偏振轴方向的偏振光分量能够通过。而且电流越大周边磁场越强， 磁光材料对通过的偏振光偏振方向的偏转就越大，通过检偏器的光强就越小(这里选定磁 光材料使偏振光偏振方向发生偏转的偏转角不超过45°)。使用一个光探测器接收检偏器的 输出光，并产生一个电信号，通过一个信号处理电路与光源输出光光强进行比较、计算即可 测出电流导体中的电流强度。
[0007] 图4是在图3基础上改进的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图，其中光源发 出的光经过起偏器变成偏振光以后进入磁光材料，在导体电流产生的磁场作用下，通过磁 光材料的偏振光的偏振方向发生偏转，之后进入一个偏振分束器，被分束成两束偏振方向 相互垂直的偏振光。通过测量这两束偏振光的光强并进行比较，即可计算出磁光材料对光 的偏振程度，从而计算出电流强度。比如偏振分束器的一个偏振轴a与起偏器的偏振化方向 一致，那么在接收到通过磁光材料的受磁场影响发生偏转的偏振光时，随着磁场的增强，通 过偏振轴a的光强度就会减小，通过偏振分束器另外一个偏振轴b的光强就会增强。图4所示 系统与图3相比的区别在于，只需要比较偏振分束器两个输出光的光强大小即可测量电流， 而最重要的是这种系统不受光源输出功率波动和传输过程中光衰减的影响。
[0008] 但是，在放置磁光材料过程中，通常磁光材料相对于导体的摆放角度会有不确定 性。比如电流导体的外包绝缘层光滑不易限定磁光材料的安装角度;或者由于安装条件限 制，测量电流用的探头无法和导体保持垂直角度等；另一个角度不确定性的重要来源是在 实际使用中不可避免的机械震动。磁光材料是通过感受导体周边磁感应强度来测量电流 的，而导体周边的磁场方向与磁光材料通光方向之间的角度不确定，造成了电流测量的误 差，同时角度的不同也会导致磁光材料对磁场的敏感度不同，磁光材料通光方向与导体电 流方向垂直的时候，磁光材料对电流产生的磁场感应最敏感，两者之间的角度偏离90°越 多，磁光材料感应磁场的变化越小。这种情况就为采用磁光材料测量导体电流带来了不便， 会因为磁光材料与导体之间角度的微小变化而产生测量误差。因此，磁光材料与导体之间 角度的不确定性是采用非环绕磁光材料测量导体电流形成测量误差的最重要来源之一。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的之一就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的方法，该方法能够 在磁光材料摆放角度不受限制的情况下准确测量导体的电流。
[0010] 本发明的目的之二就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的装置，采用该装置 测量导体电流，可消除现有技术中由于磁光材料与导体之间位置角度的不确定性而造成的 测量误差。
[0011] 本发明的目的之一是这样实现的：一种利用磁光材料测量导体电流的方法，包括 如下步骤：
[0012 ] a、使第一磁光材料和第二磁光材料分别相对导体而放置，且两个磁光材料的相对 位置固定不变，第一磁光材料距导体的距离等于第二磁光材料距导体的距离，且第一磁光 材料的通光方向与第二磁光材料的通光方向保持一个大于0°小于180°的角度；
[0013] b、设置光源;使光源发出的光转变为两束偏振光，分别为第一偏振光和第二偏振 光;使第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料；
[0014] C、测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角βι， 测量第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角β2;
[0015] d、根据如下公式计算导体内的电流：
[0017]上述公式中，μ〇为真空磁导率，R为两个磁光材料与导体之间的距离，VjPD^别为 第一磁光材料的维尔德系数和长度，￥2和02分别为第二磁光材料的维尔德系数和长度，Λθ 为两个磁光材料通光方向之间的夹角。
[0018] 本发明通过设置两个相对放置的磁光材料(例如为磁光晶体或磁光玻璃等)来同 时作为电流传感器件，测量导体电流过程中，保证两个磁光材料的相对位置固定不变，以使 两个磁光材料内传输光路方向之间的夹角固定不变;使每一个磁光材料内通入一束偏振 光，由于法拉第效应，偏振光在经过磁光材料后偏振方向发生了偏转，偏振方向改变的角度 正比于磁感应强度。由于两个磁光材料内通光方向和各自对应位置处所感受到的导体磁场 方向之间的角度不同，因此两个磁光材料对磁感应强度的感应灵敏度不同，故两束偏振光 通过两个磁光材料后偏振方向改变的角度不同。本发明通过分别测量两束偏振光通过各自 对应的磁光材料后偏振方向改变的角度扮和此(偏振方向改变的角度可根据光强的变化而 求出），
，即可求出导体内 的电流。公式中：Vi和V2分别为两个磁光材料的维尔德系数，Di和D2分别为两个磁光材料的 长度，ΛΘ为两个磁光材料内的光传输方向之间的夹角，R为两个磁光材料与导体之间的距 离;在测量电流过程中，^〇1、〇 2、八0和1?这些参数都是已知或可测量的，因此，通过上述 公式就能计算出导体的电流。且上述计算公式中不涉及单个磁光材料通光方向与磁场方向 之间的角度，因此，测量过程中不受两个磁光材料摆放角度的限制，消除了现有技术中因为 磁光材料与导体之间角度的不确定性(磁光材料与导体之间角度的不确定性也就是磁光材 料通光方向与磁场方向之间角度的不确定性)而造成的测量误差。
[0019] 本发明的目的之二是这样实现的：一种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括： [0020]第一磁光材料，相对导体而放置；
[0021] 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料 距导体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料 内通光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180°;
[0022] 光源，用于产生一束测量光；
[0023] 偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光，两束 偏振光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料；
[0024] 第一检偏器，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光；
[0025] 第二检偏器，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光；
[0026] 第一光探测器，用于接收来自所述第一检偏器的检偏输出光，并产生一个第一电 信号；
[0027] 第二光探测器，用于接收来自所述第二检偏器的检偏输出光，并产生一个第二电 信号；以及
[0028] 信号处理电路，分别与所述第一光探测器和所述第二光探测器相接，用于接收所 述第一电信号和所述第二电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
[0029] 上述装置中，所述偏振分束单元包括起偏器和分束器;所述起偏器用于接收所述 光源产生的测量光并输出一束偏振光，所述分束器用于将来自所述起偏器的一束偏振光分 束为两束偏振光。
[0030] 上述装置中，所述偏振分束单元包括分束器、第一起偏器和第二起偏器;所述分束 器用于将所述光源产生的一束测量光分束为两束测量光;所述第一起偏器用于接收来自所 述分束器的其中一束测量光并输出一束偏振光，所述第二起偏器用于接收来自所述分束器 的另一束测量光并输出一束偏振光。
[0031] 上述装置中，所述偏振分束单元为偏振分束器，所述偏振分束器用于将所述光源 产生的一束测量光分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光。
[0032] 上述装置中，比较优选的技术方案是:通过设置使得两个磁光材料内通光方向之 间的夹角ΛΘ为90°。
[0033] 本发明还提供了另一种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括：
[0034]第一磁光材料，相对导体而放置；
[0035]第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料 距导体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料 内通光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180°;
[0036] 光源，用于产生一束测量光；
[0037] 第一偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光， 两束偏振光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料；
[0038] 第二偏振分束单元，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束 偏振方向相互垂直的偏振光；
[0039] 第三偏振分束单元，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束 偏振方向相互垂直的偏振光；
[0040] 第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第二偏振分束单元的两束 偏振光，并分别产生第一电信号和第二电信号；
[0041] 第三光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第三偏振分束单元的两束 偏振光，并分别产生第三电信号和第四电信号；以及
[0042] 信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器 和所述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和 所述第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
[0043]上述装置中，所述第二偏振分束单元和所述第三偏振分束单元可以是偏振分束 器，也可以是沃拉斯顿棱镜。
[0044]上述装置中，所述第二偏振分束单元为第一沃拉斯顿棱镜，所述第三偏振分束单 元为第二沃拉斯顿棱镜;在所述第一沃拉斯顿棱镜和所述第二沃拉斯顿棱镜的后端均设置 有双光纤准直器，且所述第一光探测器和所述第二光探测器分别通过光纤接收来自所述第 一沃拉斯顿棱镜的光信号，所述第三光探测器和所述第四光探测器分别通过光纤接收来自 所述第二沃拉斯顿棱镜的光信号。
[0045]上述装置中，比较优选的技术方案是:通过设置使得两个磁光材料内通光方向之 间的夹角ΛΘ为90°。
[0046]本发明还提供了第三种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括：
[0047]第一磁光材料，相对导体而放置；
[0048]第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料 距导体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料 内通光方向之间的夹角ΛΘ为90° ;
[0049] 光源，用于产生一束测量光；
[0050] 偏振分束器，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振方向相互垂 直的偏振光，分别为透射偏振光和反射偏振光;所述反射偏振光入射所述第一磁光材料，所 述透射偏振光入射所述第二磁光材料；
[0051 ]第一沃拉斯顿棱镜，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束 偏振方向相互垂直的偏振光；
[0052] 第二沃拉斯顿棱镜，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束 偏振方向相互垂直的偏振光；
[0053] 第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第一沃拉斯顿棱镜的两束 偏振光，并分别产生第一电信号和第二电信号；
[0054]第三光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第二沃拉斯顿棱镜的两束 偏振光，并分别产生第三电信号和第四电信号；以及
[0055]信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器 和所述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和 所述第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流；
[0056]所述偏振分束器、所述第一磁光材料、所述第二磁光材料、所述第一沃拉斯顿棱镜 和所述第二沃拉斯顿棱镜五者胶合在一起形成一个光学器件集成单元。
[0057]在该装置中，还可在光学器件集成单元中设置直角反射镜，具体地，使直角反射镜 胶合在第一磁光材料和第一沃拉斯顿棱镜之间，由第一磁光材料出射的光首先经直角反射 镜反射后再入射第一沃拉斯顿棱镜，这样，入射第一沃拉斯顿棱镜的光和入射第二沃拉斯 顿棱镜的光将平行，更利于光学器件集成单元的集成。
[0058]本发明还提供了第四种利用磁光材料测量导体电流的装置，包括：
[0059] 第一磁光材料，相对导体而放置；
[0060] 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料 距导体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料 内通光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180°;
[0061 ] 光源，用于产生一束测量光；
[0062] 分束器，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束测量光，分别为第一 分束测量光和第二分束测量光；
[0063] 第一光环形器，用于接收来自所述分束器的所述第一分束测量光并输出一个第一 光环形器测量光；
[0064] 第二光环形器，用于接收来自所述分束器的所述第二分束测量光并输出一个第二 光环形器测量光；
[0065] 第一偏振分束器，用于接收来自所述第一光环形器输出的第一光环形器测量光， 并产生一个第一透射偏振光;所述第一透射偏振光入射所述第一磁光材料，所述第一透射 偏振光经所述第一磁光材料后偏振方向发生偏转形成第一偏转光；
[0066] 第二偏振分束器，用于接收来自所述第二光环形器输出的第二光环形器测量光， 并产生一个第二透射偏振光;所述第二透射偏振光入射所述第二磁光材料，所述第二透射 偏振光经所述第二磁光材料后偏振方向发生偏转形成第二偏转光；
[0067] 第一反射镜，用于对所述第一磁光材料输出的第一偏转光进行反射形成第一反射 光，所述第一反射光入射所述第一磁光材料;所述第一反射光经所述第一磁光材料后偏振 方向发生偏转形成第一返回偏转光，所述第一返回偏转光经所述第一偏振分束器后形成两 束偏振方向相互垂直的偏振光，分别为第一返回透射偏振光和第一返回反射偏振光，所述 第一返回透射偏振光经所述第一光环形器后形成第一返回光环形器测量光；
[0068] 第二反射镜，用于对所述第二磁光材料输出的第二偏转光进行反射形成第二反射 光，所述第二反射光入射所述第二磁光材料;所述第二反射光经所述第二磁光材料后偏振 方向发生偏转形成第二返回偏转光，所述第二返回偏转光经所述第二偏振分束器后形成两 束偏振方向相互垂直的偏振光，分别为第二返回透射偏振光和第二返回反射偏振光;所述 第二返回透射偏振光经所述第二光环形器后形成第二返回光环形器测量光；
[0069] 第一光探测器，用于接收来自所述第一偏振分束器输出的第一返回反射偏振光并 产生第一电信号；
[0070] 第二光探测器，用于接收来自所述第一光环形器输出的第一返回光环形器测量光 并产生第二电信号；
[0071] 第三光探测器，用于接收来自所述第二偏振分束器输出的第二返回反射偏振光并 产生第三电信号；
[0072] 第四光探测器，用于接收来自所述第二光环形器输出的第二返回光环形器测量光 并产生第四电信号；以及
[0073]信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器 和所述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和 所述第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
[0074]上述装置中，比较优选的技术方案是:通过设置使得两个磁光材料内通光方向之 间的夹角ΛΘ为90°。
[0075] 本发明所提供的装置具有多种不同形式的结构；但是，所有这些装置在设计时的 中心思想是一致的。本发明所提供的装置的中心思想是设置两个相对位置固定不变的磁光 材料，且这两个磁光材料内通光方向之间的夹角ΛΘ(ΛΘ满足:〇<ΛΘ<180°)固定不变；由 这两个磁光材料同时作为电流传感器件。当这两个磁光材料处于通电导体所形成的磁场中 时，两个磁光材料内通入的偏振光都会由于法拉第效应而使偏振方向发生偏转；由于两个 磁光材料之间通光方向保持一个0~180°的夹角，因此两束偏振光分别在两个磁光材料内 传输后偏振方向偏转的角度不同，通过测量可得出每一束偏振光在经过对应的磁光材料后 偏振方向所偏转的角度(简称偏转角），通过所测两个偏转角即可计算出导体内的电流。该 电流的计算与磁光材料通光方向和导体电流所产生的磁场方向之间的角度无关，因此可消 除现有电流测量装置因磁光材料与导体之间角度的变化而造成的测量误差。
【附图说明】
[0076] 图1是现有技术中采用磁光材料测量导体电流的原理图。
[0077] 图2是现有技术中采用磁光材料测量导体电流时磁光材料和导体的放置位置示意 图。
[0078] 图3是现有技术中采用磁光材料测量导体电流的系统结构示意图。
[0079] 图4是现有技术中在图3所示系统基础上改进后的测量导体电流的系统示意图。
[0080] 图5是本发明实施例2的装置结构示意图。
[0081 ]图6是本发明实施例3的装置结构示意图。
[0082] 图7是本发明实施例5的装置结构示意图。
[0083] 图8是本发明实施例6的装置结构示意图。
[0084] 图9是本发明实施例7的装置结构示意图。
[0085] 图10是本发明实施例8的装置结构示意图。
[0086] 图中：1、第一磁光晶体，2、第二磁光晶体，3、导体，4、分束器，5、第一起偏器，6、第 二起偏器，7、第一检偏器，8、第二检偏器，9、第一光探测器，10、第二光探测器，11、第三光探 测器，12、第四光探测器，13、第一偏振分束器，14、第二偏振分束器，15、第三偏振分束器， 16、第一沃拉斯顿棱镜，17、第二沃拉斯顿棱镜，18、双光纤准直器，19、直角反射镜，20、第一 光环形器，21、第二光环形器，22、第一反射镜，23、第二反射镜。
【具体实施方式】
[0087] 实施例1，一种利用磁光材料测量导体电流的方法。
[0088] 本发明实施例使用两个磁光晶体(一种磁光材料)做传感头(或称电流传感器件）， 测量导体电流并消除因为传感头和导体之间摆放角度变化而产生的测量误差，具体理论依 据如下：
[0089]如图1和图3所示，当导体中电流为I，距离导体为R的磁光材料所在位置处的磁感 应强度为B，根据安培环路定理，B与I的关系为：
[0090] ^cB · dl=y〇JJsJ · dS=y〇Ienc (1)
[0091 ]设导体为一段长直导线，当电流为I，距离导体为R处的磁感应强度B为：
[0093]式(2)中，μ〇为真空磁导率。
[0094] 根据法拉第效应，磁感应强度Β与光在长度为D的磁光材料中产生的光偏振旋转角 度(或称偏转角)β的关系为：
[0095] p=VB-D = VBDco^.〇 (3)
[0096] 式(3)中，Θ为磁光材料内光传输方向与磁光材料处磁感应强度方向的夹角，V为磁 光材料的维尔德系数(Verdet constant)。
[0097] 利用法拉第磁光效应测量电流原理是:首先，通过测量偏振旋转角度β而得到磁感 应强度Β(见式(3))，然后，通过安培环路定理求得电流强度(见式(2))。
[0098]由式(2)和式(3)可以得到：
[0100]在基于法拉第磁光效应的电流传感器设计中，许多环节都会对测量精度产生影 响。这包括磁光材料的维尔德系数测定，磁光材料的尺寸测定，实际使用时传感头相对于待 测导体的空间位置，偏振方向变化角度的测量。
[0101]传感头相对于待测导体的空间位置又包括:传感头内通光方向与待测导体中心的 距离R以及传感头内通光方向与传感头处磁场方向的夹角θ。本发明所要解决的问题就是： 克服传感头通光方向与待测导体中心电流所产生的磁场方向之间的角度θ对测量精度造成 的影响。
[0102] 本发明通过下面的推导来证明采用两个通光方向夹角固定，且距导体距离相同 (均为R)的传感头的结构以消除传感头与待测磁场的夹角Θ对电流测量的影响。
[0103] 首先我们考虑一般情况，即两个磁光材料通光方向的夹角是非正交(任意非零角 度）。假设两个磁光材料通光方向的夹角为ΛΘ;其中一个传感头与待测导线距离为R，与待 测磁场的夹角为Θ;另一个传感头与待测导线距离也为R，与待测磁场的夹角为Θ+ΛΘ。两个 传感头的长度分别为〇 1与02,它们的维尔德系数分别为^与^。电流在两个传感头处导致的 偏振旋转角度分别为βι与&。
[0104] 根据公式(4)可得出：
[0107] 又cos(9+Δ Θ) =cos9cos Δ Θ - sinQsin Δ Θ (7)
[0108] 根据公式(5)可得出：

[0119]得到（12)式为I与ΛΘ的关系式，与Θ无关，即计算出的电流与磁光材料通光方向和 磁场方向之间的角度Θ无关。由此可以证明本发明可成功克服传感头通光方向与待测导体 中心电流所产生的磁场方向之间的角度Θ对测量精度造成的影响。两个传感头可以任意角 度放置于导线处，但考虑到实际应用问题，为了制作加工使用方便一般取Α θ = π/2(即两个 磁光材料传感头正交）。
[0120]当两个传感头正交即两传感头之间夹角为90°即ΔΘ=3?/2时，公式（12)可化简为
[0122]如果在应用中，两个传感头选择相同的磁光材料，并加工成同样长度，贝ljVi = V2 = V，Di = D2 = D，那么公式（13)可简化为
[0124] 从上式可以看到:采用两个正交的传感头，传感头与待测磁场的夹角导致的误差 相互抵消了。所以只要测出两个传感头的偏振旋转角度扮与说，就可以得到电流值I。
[0125] 在实际应用中，可以事先将两个传感头固定在一起，以保证在现场使用过程中，始 终保持两个传感头内通光方向之间的夹角ΛΘ不变。
[0126] 本发明实施例提供的利用磁光材料测量导体电流的方法，包括如下步骤：
[0127] a、在待测导体附近设置两个磁光晶体，分别为第一磁光晶体和第二磁光晶体;使 第一磁光晶体和第二磁光晶体的相对位置固定不变;两个磁光晶体内传输光线之间的夹角 为ΛΘ，两个磁光晶体距导体的距离相等均为R;第一磁光晶体的维尔德系数为％，长度为D 1; 第二磁光晶体的维尔德系数为V2,长度为D2。
[0128] b、设置光源;使光源发出的光转变为两束线偏振光，分别为第一线偏振光和第二 线偏振光;使第一线偏振光沿第一磁光晶体的轴心线入射第一磁光晶体，使第二线偏振光 沿第二磁光晶体的轴心线入射第二磁光晶体。导体内的电流会在两个磁光晶体处产生磁 场，由于法拉第效应，入射磁光晶体的线偏振光的偏振方向将发生偏转。
[0129] c、测量第一线偏振光通过第一磁光晶体后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角 ，测量第二线偏振光通过第二磁光晶体后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角β 2。第一偏 转角扮可通过测量第一线偏振光通过第一磁光晶体后，再通过一个检偏器后光强的变化而 求得，第二偏转角此可通过测量第二线偏振光通过第二磁光晶体后再通过一个检偏器后光 强的变化而求得。
[0130] d、根据上面公式(12)即可计算得出导体内的电流I。
[0131] 通过本发明中的方法，可在电流测量过程中解决由于传感头与导体之间的角度误 差而导致的测量精度降低的问题。
[0132] 说明：本发明实施例中采用线偏振光，其他偏振光(例如椭圆偏振光）只要是在通 过磁光材料时因为电流磁场而产生角度偏转的，均可以使用本方法。
[0133] 实施例2,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0134] 如图5所示，本实施例中的装置包括第一磁光晶体1、第二磁光晶体2、分束器4、第 一起偏器5、第二起偏器6、第一检偏器7、第二检偏器8、第一光探测器9、第二光探测器10、信 号处理电路、光源以及实现这些器件连接的光路传输器件(例如光纤等）。
[0135] 第一磁光晶体1和第二磁光晶体2均设置在待测导体3的附近，第一磁光晶体1和第 二磁光晶体2距待测导体3的安装距离相等，均为R;两个磁光晶体的相对位置保持不变，在 测量导体电流时，两个磁光晶体内通光方向之间的夹角（Λ Θ，该Λ Θ即为两个磁光晶体内通 光方向各自与其对应的磁场方向之间的角度的差）固定不变;本实施例中导体3内的电流所 产生的磁场方向与两个磁光晶体内线偏振光的传输方向之间的夹角随机。比较优选的技术 方案是:通过设置使得两个磁光晶体内通光方向之间的夹角ΛΘ为90°。更优选的方案，使两 个磁光晶体的摆放方向满足:两个磁光晶体内通光方向与导体内电流产生的磁场方向之间 的夹角为45°或接近45° (例如44°~46°)。
[0136] 光源设置在两个磁光晶体前方，光源用于产生一束测量光（一般为偏振态不可 知）。分束器4设置在光源后方，分束器4用于将光源所产生的一束测量光分束为两束测量 光，分别为透射测量光和反射测量光。第一起偏器5和第二起偏器6设置在分束器4和磁光晶 体之间。第一起偏器5用于接收来自分束器4的透射测量光并输出第一线偏振光，第二起偏 器6用于接收来自分束器4的反射测量光并输出第二线偏振光。第一线偏振光入射第一磁光 晶体1，第二线偏振光入射第二磁光晶体2。
[0137] 分束器4、第一起偏器5和第二起偏器6构成一个偏振分束单元，偏振分束单元的作 用是：用于将光源所产生的一束测量光分束为两束线偏振光，分别为第一线偏振光和第二 线偏振光，分束后的两束线偏振光分别入射第一磁光晶体1和第二磁光晶体2。
[0138] 第一线偏振光和第二线偏振光在两个磁光晶体内传输，会由于法拉第磁光效应而 导致偏振方向发生偏转，偏振方向发生偏转的角度与所对应的磁光晶体处的磁感应强度有 关。第一检偏器7设置在第一磁光晶体1后方，其用于接收来自第一磁光晶体1的出射光，并 将接收到的偏振光中与其偏振化方向不一致的光分量滤除。优选的，可以使第一检偏器7的 偏振化方向（即光轴方向）与第一起偏器5的偏振化方向（即光轴方向）相同，这样，第一检偏 器7就用来将第一线偏振光因第一磁光晶体1而造成的偏振方向发生偏转后的与第一检偏 器7偏振化方向不一致的光分量滤除。第二检偏器8设置在第二磁光晶体2后方，其用于接收 来自第二磁光晶体2的出射光，并将接收到的偏振光中与其偏振化方向不一致的光分量滤 除。优选的，可以使第二检偏器8的偏振化方向与第二起偏器6的偏振化方向相同，这样，第 二检偏器8就用来将第二线偏振光因第二磁光晶体2而造成的偏振方向发生偏转后的与第 二检偏器8偏振化方向不一致的光分量滤除。通过设置使第一检偏器7的偏振化方向与第一 起偏器5的偏振化方向相同，使第二检偏器8的偏振化方向与第二起偏器6的偏振化方向相 同，可以使后期通过测量光强计算偏转角更加简便。
[0139] 第一光探测器9设置在第一检偏器7的后方，其用于接收来自第一检偏器7的检偏 输出光，并产生一个第一电信号。第二光探测器10设置在第二检偏器8的后方，其用于接收 来自第二检偏器8的检偏输出光，并产生一个第二电信号。
[0140]信号处理电路分别与第一光探测器9和第二光探测器10相接，用于接收第一光探 测器9产生的第一电信号和第二光探测器10产生的第二电信号；信号处理电路根据接收到 的第一电信号计算第一线偏振光经第一磁光晶体1后偏振方向发生偏转的第一偏转角，根 据接收到的第二电信号计算第二线偏振光经第二磁光晶体2后偏振方向发生偏转的第二偏 转角，再根据第一偏转角和第二偏转角计算导体3内的电流(具体计算公式见实施例1)。
[0141] 通过光探测器所接收到的光强信号判断偏转角的变化，既可以采用与光源输入到 系统的光强进行比较的办法，也可以采用现场校准测量的办法（即通过已知电流磁场等进 行系统校准）。
[0142] 实施例3,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0143] 如图6所示，本实施例与实施例2相比所不同的是:本实施例中的偏振分束单元由 第一起偏器5和分束器4构成。第一起偏器5放置在光源的后方，其用于接收光源发出的测量 光并产生一束线偏振光。分束器4设置在第一起偏器5与两个磁光晶体之间，分束器4用于将 来自第一起偏器5的一束线偏振光分束为两束线偏振光，分别为透射线偏振光(即第一线偏 振光)和反射线偏振光(即第二线偏振光）；分束后的两束线偏振光分别入射两个磁光晶体。
[0144] 本实施例中其他器件结构、连接关系及工作过程等可参见实施例2中所描述。
[0145] 实施例4,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0146] 本实施例与实施例2相比所不同的是:本实施例中偏振分束单兀为偏振分束器，偏 振分束器用于将光源产生的一束测量光分束为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分束后 的两束线偏振光分别入射两个磁光晶体。
[0147] 本实施例中其他器件结构、连接关系及工作过程等可参见实施例2中所描述。
[0148] 实施例5,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0149 ]如图7所不，本实施例中的装置包括第一磁光晶体1、第二磁光晶体2、光源、第一偏 振分束器13、第二偏振分束器14、第三偏振分束器15、第一光探测器9、第二光探测器10、第 三光探测器11、第四光探测器12、信号处理电路以及连接这些器件实现光路传输的光纤。
[0150] 本实施例中第一磁光晶体1和第二磁光晶体2的设置方式可参见实施例2中描述。
[0151] 光源设置在两个磁光晶体的前方，光源用于产生一束测量光。第一偏振分束器13 设置在光源与两个磁光晶体之间，第一偏振分束器13用于接收来自光源的一束测量光并产 生两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为透射线偏振光（即第一线偏振光)和反射线偏 振光（即第二线偏振光）。第一线偏振光入射第一磁光晶体1，第二线偏振光入射第二磁光晶 体2〇
[0152] 第一线偏振光和第二线偏振光在两个磁光晶体内传输，经两个磁光晶体出射后的 线偏振光的偏振方向发生了偏转。第二偏振分束器14设置在第一磁光晶体1的后方，其用于 接收来自第一磁光晶体1的出射光并将其分束为两束偏振方向相互垂直的线偏振光。优选 的，第二偏振分束器14的光轴与第一偏振分束器13的光轴对齐。第三偏振分束器15设置在 第二磁光晶体2的后方，其用于接收来自第二磁光晶体2的出射光并将其分束为两束偏振方 向相互垂直的线偏振光。优选的，第三偏振分束器15的光轴与第一偏振分束器13的光轴对 齐。
[0153] 第一光探测器9和第二光探测器10设置在第二偏振分束器14的后方，两者分别接 收来自第二偏振分束器14的两束线偏振光，并分别产生第一电信号和第二电信号。第三光 探测器11和第四光探测器12设置在第三偏振分束器15的后方，两者分别接收来自第三偏振 分束器15的两束线偏振光，并分别产生第三电信号和第四电信号。
[0154] 信号处理电路分别与第一光探测器9、第二光探测器10、第三光探测器11和第四光 探测器12相接，用于接收第一电信号、第二电信号、第三电信号和第四电信号。信号处理电 路在接收到四种电信号时，首先根据第一电信号和第二电信号计算出第一线偏振光经第一 磁光晶体1后偏振方向发生偏转的第一偏转角，根据第三电信号和第四电信号计算出第二 线偏振光经第二磁光晶体2后偏振方向发生偏转的第二偏转角，再根据第一偏转角和第二 偏转角计算导体3内的电流。
[0155] 本实施例与实施例2、3、4相比，可以消除光源输出波动和信号传输过程中造成的 检测误差。
[0156] 实施例6,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0157] 如图8所示，本实施例与实施例5相比所不同的是:本实施例由第一沃拉斯顿棱镜 16代替实施例5中的第二偏振分束器14(见图7)，由第二沃拉斯顿棱镜17代替实施例5中的 第三偏振分束器15(见图7)。沃拉斯顿棱镜与偏振分束器的作用相同，都是用于将一束光分 束为两束偏振方向相互垂直的线偏振光。
[0158] 本实施例中由沃拉斯顿棱镜代替实施例5中的偏振分束器，可以减少因为偏振分 束器分光过程中的损耗，同时也可以更有利于系统的集成。在第一沃拉斯顿棱镜16和第二 沃拉斯顿棱镜17的后端均带有双光纤准直器18,通过双光纤准直器18可以将沃拉斯顿棱镜 所产生的两束偏振光很方便地输入到光纤当中。
[0159] 实施例7,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0160]如图9所不，本实施例中的装置包括第一磁光晶体1、第二磁光晶体2、光源、第一偏 振分束器13、第一沃拉斯顿棱镜16、第二沃拉斯顿棱镜17、直角反射镜19、第一光探测器9、 第二光探测器10、第三光探测器11、第四光探测器12和信号处理电路。
[0161 ] 本实施例中第一磁光晶体1和第二磁光晶体2垂直相接，即两个磁光晶体内通光方 向之间的夹角为90°;两个磁光晶体的相对位置固定不变。第一偏振分束器13设置在第一磁 光晶体1和第二磁光晶体2相接的拐角处，第一偏振分束器13的反射面与第一磁光晶体1的 前端面相胶合，第一偏振分束器13的透射面与第二磁光晶体2的前端面相胶合;光源发出的 测量光经第一偏振分束器13后分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光，分别为透射偏振光 和反射偏振光;反射偏振光从第一偏振分束器13的反射面出射并入射第一磁光晶体1，透射 偏振光从第一偏振分束器13的透射面出射并入射第二磁光晶体2。第二沃拉斯顿棱镜17置 于第二磁光晶体2后方且两者胶合在一起;经第二磁光晶体2后的偏振光直接入射第二沃拉 斯顿棱镜17。直角反射镜19置于第一磁光晶体1的后方，直角反射镜19的一个直角边与第一 磁光晶体1的后端面相胶合，第一沃拉斯顿棱镜16的前端面与直角反射镜19的另一直角边 相胶合。由第一磁光晶体1出射的偏振光经直角反射镜19反射后入射第一沃拉斯顿棱镜16。 第一沃拉斯顿棱镜16和第二沃拉斯顿棱镜17的后端均带有双光纤准直器18。第一偏振分束 器13、第一磁光晶体1、第二磁光晶体2、直角反射镜19、第一沃拉斯顿棱镜16和第二沃拉斯 顿棱镜17六者胶合在一起形成一个光学器件集成单元。本实施例通过这种集成，能够小型 化电流检测传感头；同时还可以避免在安装过程中，因为第一磁光晶体1和第二磁光晶体2 之间安装角度的误差而造成的测量误差。
[0162]本实施例中光学器件集成单元中的直角反射镜19的作用是使入射第一沃拉斯顿 棱镜16的光和入射第二沃拉斯顿棱镜17的光平行，这样更利于光学器件集成单元的集成。 当然，其他实施例中不设置直角反射镜19也是可行的，在不设置直角反射镜19时，第一沃拉 斯顿棱镜16的前端面直接与第一磁光晶体1的后端面相胶合即可。
[0163] 光学器件集成单元放置在导体3的附近，且第一磁光晶体1距导体3的距离等于第 二磁光晶体2距导体3的距离。光源设置在光学器件集成单元的前方，光源与光学器件集成 单元之间、光学器件集成单元和光探测器之间仍可由光纤来连接。
[0164] 光源用于产生一束测量光。光源所产生的一束测量光经光纤传输至第一偏振分束 器13,由第一偏振分束器13产生两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为透射线偏振光 和反射线偏振光;本实施例中由第一偏振分束器13所产生的透射线偏振光称为第二线偏振 光，由第一偏振分束器13所产生的反射线偏振光称为第一线偏振光。第一线偏振光入射第 一磁光晶体1，第二线偏振光入射第二磁光晶体2。
[0165] 第一线偏振光和第二线偏振光在两个磁光晶体内传输，经两个磁光晶体出射后的 线偏振光的偏振方向发生了偏转。第一磁光晶体1出射的光经直角反射镜19反射后入射第 一沃拉斯顿棱镜16,第一沃拉斯顿棱镜16将接收到的线偏振光分束为两束偏振方向相互垂 直的线偏振光，分束后的两束线偏振光分别通过光纤输入至第一光探测器9和第二光探测 器10,第一光探测器9和第二光探测器10分别接收第一沃拉斯顿棱镜16输出的两束线偏振 光，并分别产生一个电信号(第一电信号和第二电信号）。第二沃拉斯顿棱镜12在第二磁光 晶体2的后方接收来自第二磁光晶体2的出射光，并将接收到的线偏振光分束为两束偏振方 向相互垂直的线偏振光，分束后的两束线偏振光分别通过光纤输入至第三光探测器11和第 四光探测器12,第三光探测器11和第四光探测器12分别接收第二沃拉斯顿棱镜17输出的两 束线偏振光，并分别产生一个电信号(第三电信号和第四电信号）。
[0166] 信号处理电路分别通过光纤与第一光探测器9、第二光探测器10、第三光探测器11 和第四光探测器12相接，信号处理电路接收来自四个光探测器的电信号，并根据第一电信 号和第二电信号计算出第一线偏振光经第一磁光晶体1后偏振方向发生偏转的第一偏转 角，根据第三电信号和第四电信号计算出第二线偏振光经第二磁光晶体2后偏振方向发生 偏转的第二偏转角，再根据第一偏转角和第二偏转角计算导体3内的电流。
[0167] 实施例8,一种利用磁光材料测量导体电流的装置。
[0168] 如图10所示，本实施例中的装置包括第一磁光晶体1、第二磁光晶体2、光源、分束 器4、第一偏振分束器13、第二偏振分束器14、第一光环形器20、第二光环形器21、第一反射 镜22、第二反射镜23、第一光探测器9、第二光探测器10、第三光探测器11、第四光探测器12、 信号处理电路以及连接这些器件实现光路传输的光纤。
[0169] 本实施例中第一磁光晶体1和第二磁光晶体2的设置方式可参见实施例2中描述。
[0170] 光源置于两个磁光晶体前方，光源用于产生一束测量光。分束器4位于光源后方， 分束器4用于接收光源产生的一束测量光并分束为两束测量光，分别为透射过去的第一分 束测量光和反射过去的第二分束测量光。第一光环形器20和第二光环形器21位于分束器4 后方，每一个光环形器均有三个端口（分别为左端口、右端口和下端口）。
[0171 ] 第一分束测量光由第一光环形器20的左端口入射第一光环形器20，并由第一光环 形器20的右端口输出，将第一光环形器20右端口输出的光称为第一光环形器测量光。第一 偏振分束器13位于第一光环形器20和第一磁光晶体1之间。第一偏振分束器13接收来自第 一光环形器20的第一光环形器测量光，并产生两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为 透射线偏振光和反射线偏振光;此处所产生的反射线偏振光(沿图10中第一偏振分束器13 向上传输)在本实施例装置中没有用到，故不再提及;此处将第一偏振分束器13所产生的透 射线偏振光称为第一透射线偏振光。第一透射线偏振光入射第一磁光晶体1，第一透射线偏 振光在第一磁光晶体1内传输时偏振方向发生偏转，即：经第一磁光晶体1出射的线偏振光 的偏振方向与第一透射线偏振光的偏振方向相比，两者之间相差一个第一偏转角;将第一 透射线偏振光经第一磁光晶体1传输后由第一磁光晶体1输出的线偏振光称为第一偏转光。 第一反射镜22位于第一磁光晶体1的后方，第一磁光晶体1出射的第一偏转光经第一反射镜 22后被反射，由第一反射镜22反射后的光称为第一反射光，第一反射光即是第一偏转光反 射后的光。第一反射光入射第一磁光晶体1，第一反射光经第一磁光晶体1后偏振方向再次 发生偏转，且所发生的偏转角仍然是第一偏转角，将第一反射光经第一磁光晶体1后由第一 磁光晶体1出射的光称为第一返回偏转光。第一返回偏转光再次经第一偏振分束器13,由第 一偏振分束器13分束为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为第一返回透射线偏振光 和第一返回反射线偏振光，第一返回反射线偏振光由第一光探测器9来接收，并产生一个第 一电信号;第一返回透射线偏振光经第一光环形器20的右端口后由第一光环形器20的下端 口输出，输出的光称为第一返回光环形器测量光，该第一返回光环形器测量光由第二光探 测器10来接收，并产生一个第二电信号。
[0172] 第二分束测量光由第二光环形器21的左端口入射第二光环形器21，并由第二光环 形器21的右端口输出，将第二光环形器21右端口输出的光称为第二光环形器测量光。第二 偏振分束器14位于第二光环形器21和第二磁光晶体2之间。第二偏振分束器14接收来自第 二光环形器21的第二光环形器测量光，并产生两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为 透射线偏振光和反射线偏振光;此处所产生的反射线偏振光(沿图10中第二偏振分束器14 向上传输)在本实施例装置中没有用到，故不再提及;此处将第二偏振分束器14所产生的透 射线偏振光称为第二透射线偏振光。第二透射线偏振光入射第二磁光晶体2,第二透射线偏 振光在第二磁光晶体2内传输时偏振方向发生偏转，即：经第二磁光晶体2出射的线偏振光 的偏振方向与第二透射线偏振光的偏振方向相比，两者之间相差一个第二偏转角;将第二 透射线偏振光经第二磁光晶体2传输后由第二磁光晶体2输出的线偏振光称为第二偏转光。 第二反射镜23位于第二磁光晶体2的后方，第二磁光晶体2出射的第二偏转光经第二反射镜 23后被反射，由第二反射镜23反射后的光称为第二反射光，第二反射光即是第二偏转光反 射后的光。第二反射光入射第二磁光晶体2,第二反射光经第二磁光晶体2后偏振方向再次 发生偏转，且所发生的偏转角仍然是第二偏转角，第二反射光经第二磁光晶体2后由第二磁 光晶体2出射的光称为第二返回偏转光。第二返回偏转光再次经第二偏振分束器14,由第二 偏振分束器14分束为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，分别为第二返回透射线偏振光和 第二返回反射线偏振光，第二返回反射线偏振光由第三光探测器11来接收，并产生一个第 三电信号;第二返回透射线偏振光经第二光环形器21的右端口后由第二光环形器21的下端 口输出，输出的光称为第二返回光环形器测量光，该第二返回光环形器测量光由第四光探 测器12来接收，并产生一个第四电信号。
[0173] 信号处理电路通过光纤分别与第一光探测器9、第二光探测器10、第三光探测器11 和第四光探测器12相接，信号处理电路接收来自四个光探测器的电信号，并根据第一电信 号和第二电信号计算出第一透射线偏振光两次经第一磁光晶体1后偏振方向所发生的偏转 角，该偏转角为第一偏转角的二倍;根据第三电信号和第四电信号计算出第二透射线偏振 光两次经第二磁光晶体2后偏振方向所发生的偏转角，该偏转角为第二偏转角的二倍;再根 据第一偏转角和第二偏转角计算导体3内的电流。
[0174]本实施例中使线偏振光两次通过磁光晶体，使得偏振方向偏转的角度增长一倍， 这样可以提高测量的灵敏度。
[0175]以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实 施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存 在矛盾，都应当被认为是本说明书记载的范围。
[0176]以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护 范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种利用磁光材料测量导体电流的方法，其特征是，包括如下步骤： a、 使第一磁光材料和第二磁光材料分别相对导体而放置，两个磁光材料距导体的距离 相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，测量导体电流时，两个磁光材料内通光方向之间 的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180° ; b、 设置光源;使光源发出的光转变为两束偏振光，分别为第一偏振光和第二偏振光;使 第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料； c、 测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角βι，测量 第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角 d、 根据两个偏转角计算出导体内的电流。2. -种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括： 第一磁光材料，相对导体而放置； 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导 体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料内通 光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180° ; 光源，用于产生一束测量光； 偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光，两束偏振 光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料； 第一检偏器，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光； 第二检偏器，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光； 第一光探测器，用于接收来自所述第一检偏器的检偏输出光，并产生一个第一电信号； 第二光探测器，用于接收来自所述第二检偏器的检偏输出光，并产生一个第二电信号； 以及 信号处理电路，分别与所述第一光探测器和所述第二光探测器相接，用于接收所述第 一电信号和所述第二电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。3. 根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束 单元包括起偏器和分束器;所述起偏器用于接收所述光源产生的测量光并输出一束偏振 光，所述分束器用于将来自所述起偏器的一束偏振光分束为两束偏振光。4. 根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束 单元包括分束器、第一起偏器和第二起偏器;所述分束器用于将所述光源产生的一束测量 光分束为两束测量光;所述第一起偏器用于接收来自所述分束器的其中一束测量光并输出 一束偏振光，所述第二起偏器用于接收来自所述分束器的另一束测量光并输出另一束偏振 光。5. 根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束 单元为偏振分束器，所述偏振分束器用于将所述光源产生的一束测量光分束为两束偏振方 向相互垂直的偏振光。6. -种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括： 第一磁光材料，相对导体而放置； 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导 体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料内通 光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180°; 光源，用于产生一束测量光； 第一偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振光，两束 偏振光分别入射所述第一磁光材料和所述第二磁光材料； 第二偏振分束单元，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振 方向相互垂直的偏振光； 第三偏振分束单元，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振 方向相互垂直的偏振光； 第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第二偏振分束单元的两束偏振 光，并分别产生第一电信号和第二电信号； 第三光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第三偏振分束单元的两束偏振 光，并分别产生第三电信号和第四电信号；以及 信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器和所 述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和所述 第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。7. 根据权利要求6所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述第二偏振 分束单元和所述第三偏振分束单元是偏振分束器或沃拉斯顿棱镜。8. 根据权利要求7所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述第二偏振 分束单元为第一沃拉斯顿棱镜，所述第三偏振分束单元为第二沃拉斯顿棱镜;在所述第一 沃拉斯顿棱镜和所述第二沃拉斯顿棱镜的后端均设置有双光纤准直器，且所述第一光探测 器和所述第二光探测器分别通过光纤接收来自所述第一沃拉斯顿棱镜的光信号，所述第三 光探测器和所述第四光探测器分别通过光纤接收来自所述第二沃拉斯顿棱镜的光信号。9. 一种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括： 第一磁光材料，相对导体而放置； 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导 体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料内通 光方向之间的夹角ΛΘ为90° ; 光源，用于产生一束测量光； 偏振分束器，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束偏振方向相互垂直的 偏振光，分别为透射偏振光和反射偏振光;所述反射偏振光入射所述第一磁光材料，所述透 射偏振光入射所述第二磁光材料； 第一沃拉斯顿棱镜，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振 方向相互垂直的偏振光； 第二沃拉斯顿棱镜，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振 方向相互垂直的偏振光； 第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第一沃拉斯顿棱镜的两束偏振 光，并分别产生第一电信号和第二电信号； 第三光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第二沃拉斯顿棱镜的两束偏振 光，并分别产生第三电信号和第四电信号；以及 信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器和所 述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和所述 第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流； 所述偏振分束器、所述第一磁光材料、所述第二磁光材料、所述第一沃拉斯顿棱镜和所 述第二沃拉斯顿棱镜五者胶合在一起形成一个光学器件集成单元。10.-种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括： 第一磁光材料，相对导体而放置； 第二磁光材料，相对导体而放置;且第二磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导 体的距离相等;两个磁光材料的相对位置固定不变，且测量导体电流时，两个磁光材料内通 光方向之间的夹角ΛΘ满足:0<ΛΘ<180°; 光源，用于产生一束测量光； 分束器，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为两束测量光，分别为第一分束 测量光和第二分束测量光； 第一光环形器，用于接收来自所述分束器的所述第一分束测量光并输出一个第一光环 形器测量光； 第二光环形器，用于接收来自所述分束器的所述第二分束测量光并输出一个第二光环 形器测量光； 第一偏振分束器，用于接收来自所述第一光环形器输出的第一光环形器测量光，并产 生一个第一透射偏振光;所述第一透射偏振光入射所述第一磁光材料，所述第一透射偏振 光经所述第一磁光材料后偏振方向发生偏转形成第一偏转光； 第二偏振分束器，用于接收来自所述第二光环形器输出的第二光环形器测量光，并产 生一个第二透射偏振光;所述第二透射偏振光入射所述第二磁光材料，所述第二透射偏振 光经所述第二磁光材料后偏振方向发生偏转形成第二偏转光； 第一反射镜，用于对所述第一磁光材料输出的第一偏转光进行反射形成第一反射光， 所述第一反射光入射所述第一磁光材料;所述第一反射光经所述第一磁光材料后偏振方向 发生偏转形成第一返回偏转光，所述第一返回偏转光经所述第一偏振分束器后形成两束偏 振方向相互垂直的偏振光，分别为第一返回透射偏振光和第一返回反射偏振光，所述第一 返回透射偏振光经所述第一光环形器后形成第一返回光环形器测量光； 第二反射镜，用于对所述第二磁光材料输出的第二偏转光进行反射形成第二反射光， 所述第二反射光入射所述第二磁光材料;所述第二反射光经所述第二磁光材料后偏振方向 发生偏转形成第二返回偏转光，所述第二返回偏转光经所述第二偏振分束器后形成两束偏 振方向相互垂直的偏振光，分别为第二返回透射偏振光和第二返回反射偏振光;所述第二 返回透射偏振光经所述第二光环形器后形成第二返回光环形器测量光； 第一光探测器，用于接收来自所述第一偏振分束器输出的第一返回反射偏振光并产生 第一电信号； 第二光探测器，用于接收来自所述第一光环形器输出的第一返回光环形器测量光并产 生第二电信号； 第三光探测器，用于接收来自所述第二偏振分束器输出的第二返回反射偏振光并产生 第二电ig号； 第四光探测器，用于接收来自所述第二光环形器输出的第二返回光环形器测量光并产 生第四电信号；以及 信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器和所 述第四光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号和所述 第四电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。
【文档编号】G01R19/00GK105866506SQ201610201367
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月1日
【发明人】杨丽君, 刘再旺, 尉长江, 姚晓天, 钦明亮
【申请人】河北大学, 北京高光科技有限公司