一种光学电流互感器传感头及传感方法

专利名称：一种光学电流互感器传感头及传感方法
技术领域：
本发明涉及光学电流互感器领域，特别涉及一种光学电流传感头及其传感方法。
背景技术：
随着电力系统中电网电压等级的不断提高，容量不断增加，对电流互感器提出了 更高的要求。传统的电磁式电流互感器逐渐暴露出了严重的缺陷，主要包括(1)当系统发 生短路、电流异常增大时，互感器铁心饱和严重，其测量动态范围有限，且暂态性能恶化，使 二次电流不能正确反映一次电流，造成继电保护拒动或误动；(2)暂态信号和谐波测量能 力差，其线性度和动态特性均不能满足快速故障响应的要求；(3)随着电压等级的提高，依 靠油绝缘、气体绝缘的绝缘结构越来越复杂，成本高、重量重、体积大且有爆炸危险；(4)不 能直接提供数字信号，不适应电力计量与保护数字化信息化的发展要求。鉴于此，暂态性能 和绝缘性能更好的电子式电流互感器成为进一步发展的重点。目前，电子式电流互感器主要分为两大类光学电流互感器和空心线圈电流互感 器(又称Rogowski线圈式电流互感器)。比较而言，目前后者的实用化程度更高，但仍存在 很多难题需要克服。空心线圈电流互感器的传感头往往由漆包线均勻绕制在环形骨架上， 骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同。空心线 圈电流互感器由于不带铁心，易受外界电磁干扰；其线圈绕制形状和工艺要求很高，且线圈 骨架的温度稳定性不高，尤其在电流波形发生畸变的情况下，其测量准确度不够高；其输出 信号是被测电流的微分，目前利用的模拟和数字积分电路还不能在宽频带上实现准确积分 功能，限制了其暂态性能；由于其高压侧信号处理电路需要长期可靠的供电电源，稳定供能 设计和低功耗设计是其目前发展的难点和关键，同时也限制了其绝缘性能。虽然近年来出 现了印刷电路板式空心线圈，提高了布线的精度和灵活性，以及线圈骨架的温度稳定性，但 作为有源电子式互感器，需要在高压侧引入电源和地，使得整个装置非常复杂。所以在电力 系统中应用互感器的理想形式应该是无源型的光学电流互感器，以大大降低绝缘要求。目前，光学电流互感器的种类有很多，按敏感材料类型可分为块状磁光材料型、磁 致伸缩材料型和全光纤型等几大类。块状磁光材料包括磁光玻璃和磁光晶体等，可加工成 条状或围绕载流导体的闭合环状传感头使用。对于环状磁光玻璃为传感头的光学互感器， 被测电流通过直线导体从主体玻璃环中心的孔穿过，偏振光经过反射面的多次全反射围绕 导体一周。这种传感头的不足之处是随时间的推移，反射面的性质会发生变化，测量的精度 和可靠性越来越差，长期稳定性不好，而且加工难度大，安装不方便。磁光晶体(以石榴石 晶体为代表)也被研究应用于电流测量领域，但其费尔德常数受温度影响比较大，磁化过 程带有随机性，使测量的稳定性和精度都不高，且成本较高。磁致伸缩材料与光纤结合可实 现电流传感，但由于光纤和磁致伸缩材料耦合的负载效应、磁致伸缩材料本身的磁饱和和 磁致效应的限制以及材料对温度和振动等环境因素的敏感性，都制约了该类传感头在光学 互感器中的实际应用。全光纤传感头就是将光纤直接绕制在载流导体上实现电流传感，光 路结构简单。由于温度、应力等环境因素可导致光纤内部双折射的随机变化，大大影响了基于偏振检测的全光纤电流互感器的测量精度和稳定性。虽然基于干涉检测方法的Sagnac 全光纤电流互感器近年来得到了足够的重视，也出现了挂网试运行的样机，但这种方案很 难区分由振动引起的光陀螺效应对传感检测的影响。近年来，随着功能薄膜技术的发展，光学电流互感器的传感头也有向薄膜化发展 的趋势。美国专利US0103380公开了一种基于磁光材料薄膜和光波导共振结构的电流传感 元件。美国专利US5736856公开了一种利用磁光克尔效应以铁磁材料或亚铁磁材料薄膜为 敏感元件的磁场传感器。中国专利CN101672870公开了一种电流传感器，其敏感单元为保 护层、永磁薄膜和磁光材料层叠生长结构。中国专利CN101672865公开了一种光纤电流传 感器，传感光纤上涂有磁致伸缩材料膜层。但由于上述技术方案仍受磁性材料性能的限制， 所以在实际应用中存在许多问题。随着纳米技术的迅速发展和人们对微观世界认识的深化，以表面等离子激元为代 表的纳米光子学领域取得了很大进展。表面等离子体激元是指金属表面自由电子同入射光 子相互耦合形成的非辐射“局域”电磁模式，金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相 干振荡，将光能量聚集在金属和介质的界面上几百纳米的空间范围内，产生巨大的局域电 磁场增强效应，极大加强了光与物质之间的相互作用，可显著增强金属膜层的磁光特性，从 而加强了其对外界磁场变化的光传感响应能力。表面等离子激元的激发可以通过全反射现象、利用光纤和平面光波导等方式来实 现。除了可以激发金属薄膜单界面的表面等离子激元，通过合理设计金属与电介质的多层 薄膜结构，在金属膜层上下两个界面的表面等离子激元可以实现耦合，称为长程表面等离 子激元，可以实现在界面的更长距离传播。利用光栅结构、周期纳米孔结构和纳米金属粒子 等金属微纳结构可产生更强的局域高场增强效果，被称为局域表面等离子体激元共振。

发明内容
本发明的目的是克服目前光学电流互感器实用化中存在的传感信号较弱且易受 环境因素干扰，温度稳定性差且具有随机性而无法有效补偿等问题，提出一种以表面等离 子激元的纳米效应为基础的新型光学电流传感头及其传感方法。本发明的光学电流互感器传感头，包括光波导基底和位于该基底上的磁光感应膜 层。磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁 性介电材料复合所构成。其中所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特 征。磁光感应膜层可以由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层层叠构成。磁光感应膜层也可以由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层与一个或几个 非磁性介电材料膜层层叠构成。进一步地，磁光感应膜层也可以是一种夹心结构，即一个表 面等离子激元金属材料膜层夹在两个非磁性介电材料膜层之间，或一个非磁性介电材料膜 层夹在两个表面等离子激元金属材料膜层之间；或者，磁光感应膜层由一个表面等离子激 元金属材料膜层和一个非磁性介电材料膜层构成，其中表面等离子激元金属材料膜层夹在 光波导基底与非磁性介电材料膜层之间。较好的，上述表面等离子激元金属材料膜层具有周期性或除膜层厚度以外的非周 期性纳米尺度特征。
优选的，上述的表面等离子激元金属材料膜层具有纳米光栅或纳米孔阵列周期结 构；所述的表面等离子激元金属材料膜层具有岛状非周期纳米结构。磁光感应膜层还可以是由含有表面等离子激元金属材料纳米结构的材料掺杂入 非磁性介电材料膜层构成的。所述的表面等离子激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种。所述的光波导基底利用全反射现象实现光在材料中的传导，包括光纤和平面光波导。在所述光波导基底与所述磁光感应膜层之间存在中间联接层，中间联接层可增加 光波导基底与所述磁光感应膜层之间连接的牢固程度。在所述磁光感应膜层上存在保护层，以减少外界环境因素对磁光感应膜层的影 响。所述的表面等离子激元材料纳米结构特征是指表面等离子激元金属材料纳米膜 层的厚度，或表面等离子激元金属材料纳米粒子的粒径，或在纳米复合材料中表面等离子 激元金属材料的纳米结构形式。所述的纳米结构特征的尺寸优选在500nm以内，更优选为l-500nm，进一步优选为 IO-IOOnm0所述非磁性介电材料用于光波的传导和调整表面等离子激元的激发条件，以实现 探测光波与表面等离子激元材料的充分相互作用。所述非磁性介电材料包括无机非金属 材料，如SiO2或SiNx ；聚合物材料，如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或SU-8光刻胶；金属氧化 物材料，如TiO2或ZnO。本发明基于上述传感头的光学电流传感方法是(1)光源发出的光波具有ρ波偏振分量，或通过偏振控制器件使其具有P波偏振分 量；(2)所述具有ρ波偏振分量的光波通过本发明所述光学电流互感器传感头的光波 导基底入射在所述光波导基底上的磁光感应膜层上，与所述磁光感应膜层中的表面等离子 激元金属材料发生相互作用；(3)所述具有ρ波偏振分量的光波通过所述相互作用在外界电流产生磁场中产生 磁光效应，使所述光波的强度、偏振态、相位或波长发生改变；(4)通过检测所述光波通过所述磁光感应膜层前后的强度、偏振态、相位或波长的 变化，得到所述电流的信息。本发明的有益效果是(1)本发明所述传感头的敏感元件为纳米薄膜，材料选择范围宽，制备简单灵活， 传感头结构方便与现有光纤传感技术和集成光波导技术衔接。(2)本发明所述传感方法基于表面等离子激元共振增强的磁光效应，同时利用了 光波的能量载体和信号载体两种功能，克服了现有光学电流检测方案中传感信号较弱、易 受干扰且不易补偿等问题，可基于多种光波特征参量实现传感检测。


0030]以下结合附图与具体实施方式
对本发明作进一步说明
图1为本发明所述传感头的实施例1至14的结构示意图，图中1光纤、2V型沟 道、3光纤纤芯、4磁光感应膜层；图2为本发明所述传感头的实施例15至28的结构示意图，图中5玻璃基底、6波
导层；图3为本发明所述传感头的实施例29至42的结构示意图，图中7带状波导；图4为本发明采用基于强度变化的检测方法的实施例；图5为本发明采用基于偏振态变化的检测方法的实施例；图6为本发明采用基于相位变化的检测方法的实施例；图7为本发明采用基于波长变化的检测方法的实施例。
具体实施例方式本发明光学电流互感器传感头包括光波导基底和位于该基底上的磁光感应膜层。 磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁性介 电材料复合所构成。其中所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特征。由表面等离子激元金属材料构成的表面等离子激元金属材料纳米膜层可以采用 物理和化学气相沉积技术、外延膜沉积技术和表面吸附技术制备。由非磁性介电材料构成 的非磁性介电材料膜层可以采用多种物理和化学气相沉积技术制备，也可以使用甩膜和表 面吸附等其他制膜方法制备。所述表面等离子激元金属材料膜层具有除膜层厚度以外的周期性纳米尺度特征 结构可通过光刻、电子束曝光和聚焦离子束刻蚀等微纳加工技术来实现。所述表面等离子激元金属材料膜层具有除膜层厚度以外的非周期性纳米尺度特 征可通过热处理或表面纳米结构吸附等方法来实现。所述非磁性介电材料膜层中的表面等离子激元金属材料纳米结构可以通过原位 合成或非原位合成的方式来制备。所述表面等离子激元金属材料用于与入射光相互作用产生磁光效应，可以是Au、 Ag、Cu或Al中的一种或几种。所述非磁性介电材料用于光波的传导和调整表面等离子激元的激发条件，并实现 探测光波与表面等离子激元材料的充分相互作用，包括并不限于以下材料无机非金属材 料，如SiO2或SiNx ；聚合物材料，如PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)或SU-8光刻胶；金属氧化物 材料，如1102或2110。在光波导基底与磁光感应膜层之间存在增加两者之间的连接牢固程度的中间联 接层，可视情况采取任意材料，只要该材料对光波导基底与磁光感应膜层之间的光波传导 影响不大即可。在所述磁光感应膜层上存在保护层，以减少外界环境因素对磁光感应膜层的影 响，可视情况采取任意材料，只要该材料不影响磁光感应膜层对外磁场的响应即可。图1为本发明所述传感头的实施例1至14的结构示意图，如图1所示，磁光感应 膜层4在光纤1的光纤纤芯3上，V型沟道2用于固定光纤1。实施例1 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是厚度50nm的Ag膜。光纤基底的制作方法如图1所示，将光纤1固定在一个V型沟道2内，去除外部包覆层，裸露出光纤纤芯3，抛光出一个平面，在这个平面上制备 磁光感应膜层4。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，利用磁控溅射法 在其抛光面上镀50nm厚度的Ag膜，再利用PECVD法在Ag膜上制备厚度5nm的SiO2保护 层。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的表面等离子 激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例2 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层为多层膜，在光波导基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上为Inm厚的Au膜。 光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清洗和干 燥后，利用磁控溅射法先在其抛光面上镀45nm的Al膜，再在Al膜上镀Inm的Au膜。一定 模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的表面等离子激元相互 作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例3 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上为50nm厚 的Au膜，在Au膜上为厚度SOnm的Si3N4膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光 感应膜层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，利用PECVD法在其抛光面上镀200nm的 Si3N4膜，利用磁控溅射法在Si3N4膜上镀50nm的Au膜，再利用PECVD法在Au膜上镀80nm 的Si3N4膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的长程 表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例4:所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为IOnm厚的 Au膜，在Au膜上为厚度SOnm的SiO2膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应 膜层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，利用PECVD法在其抛光面上镀200nm的SiO2 膜，利用磁控溅射法在SiO2膜上镀IOnm的Au膜，再利用PECVD法在Au膜上镀SOnm的SiO2 膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的长程表面等 离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例5 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上为50nm厚的SiO2 膜，在SiO2膜上为厚度30nm的Ag膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层 的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，先利用磁控溅射法在其抛光面上镀200nm的Ag 膜，再利用PECVD法在Ag膜上镀50nm的SiO2膜，再利用磁控溅射法镀在SiO2膜上镀30nm 的Ag膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的表面等 离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例6 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上为50nm厚的Au 膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清洗 和干燥后，利用MOCVD法在其抛光面上镀50nm的ZnO膜，再利用磁控溅射法在ZnO膜上镀 50nm的Au膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的表 面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例7 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上为50nm厚的 Au膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清 洗和干燥后，利用MOCVD法在其抛光面上镀50nm的TiO2膜，再利用磁控溅射法在TiO2膜上 镀50nm的Au膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层 的表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例8 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是200nm厚的SU-8膜，在具有岛状非周期纳米结 构SU-8膜之上为50nm厚的Au膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层 的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，利用甩膜法在其抛光面上涂200nm的SU-8膜，再 利用磁控溅射法在SU-8膜上镀50nm的Au膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应 膜层耦合，可与磁光感应膜层的表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例9 所述传感头的光波导基底是石英光纤，磁光感应膜层是含有粒度20nm Au纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA膜层。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光 感应膜层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，将溶有20nmAu纳米粒子的PMMA的四氢 呋喃溶液涂在其抛光面上，待溶剂蒸发后获得磁光感应膜层。一定模式的入射光经光纤传 导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的局域表面等离子激元相互作用，在电流磁场 中产生磁光效应。实施例10 所述传感头的光波导基底是石英光纤，磁光感应膜层是含有Si02_Au 的核壳结构复合纳米粒子的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA膜层。光纤基底的制作方法与实施例 1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，将溶有Si02-Au的核壳结 构复合纳米粒子的PMMA的四氢呋喃溶液涂在其抛光面上，待溶剂蒸发后获得磁光感应膜 层。其中Si02-Au的核壳结构复合纳米粒子通过以金纳米粒子为表面晶种和壳生长的方法 制备，粒径为100nm，Au壳层厚度为5nm。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦 合，可与磁光感应膜层的局域表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例11 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上为IOnm厚的SiO2 膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清洗 和干燥后，利用磁控溅射法在其抛光面上镀500nm的Cu膜，再利用PECVD法在Cu膜上镀 IOnm的SiO2膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的 表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例12 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为30nm厚的 Au膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基底经清 洗和干燥后，利用PECVD法在其抛光面上镀30nm的SiO2膜，再利用磁控溅射法在SiO2膜上 镀30nm的Au膜。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层 的长程表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例13 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是具有光栅结构的Au膜。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜 层的制备方法光波导基底经清洗和干燥后，利用真空蒸镀法在其抛光面上先后蒸镀3nm厚的中间联接层Cr膜和厚度为30nm的Au膜，利用光刻技术在Au膜上制备Au光栅，其中 光栅参数为600nm，光栅填充因子为0. 5，光栅深度为25nm。Cr膜可加强Au膜与基底连接 的牢固程度。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感应膜层的表 面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。实施例14 所述传感头的光波导基底是石英光纤，在石英光纤的光波导基底上的 磁光感应膜层是由粒径20nm的Ag纳米粒子构成，其平均厚度为50nm左右，具有岛状非周 期纳米结构。光纤基底的制作方法与实施例1相同。磁光感应膜层的制备方法光波导基 底经清洗和干燥后，将其抛光面硅烷化，使粒径为20nm的Ag纳米粒子吸附固定到基底表面 上形成Ag纳米粒子膜层。一定模式的入射光经光纤传导与磁光感应膜层耦合，可与磁光感 应膜层的表面等离子激元相互作用，在电流磁场中产生磁光效应。图2为本发明所述传感头的实施例15至28的结构示意图，图中磁光感应膜层4 在Ag+-Na+玻璃平面光波导上，包括玻璃基底5和波导层6。实施例15:如图2所示，所述传感头的光波导基底是利用离子交换法制作的 Ag+-Na+玻璃平面薄膜光波导，所述的光波导基底包括玻璃基底5和在玻璃基底上的波导层 6。磁光感应膜层为厚度50nm的Ag膜，在Ag膜上存在Si02保护膜，其制备方法与实施例 1相同。实施例16 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上为Inm厚的Au膜。其制备方法与实施例 2相同。实施例17 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上为50nm厚的Au膜，在Au膜上为厚 度SOnm的Si3N4膜。其制备方法与实施例3相同。实施例18 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为IOnm厚的Au膜，在Au膜上为厚度 SOnm的SiO2膜。其制备方法与实施例4相同。实施例19 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上为50nm厚的SiO2膜，在SiO2膜上为厚度 30nm的Ag膜。其制备方法与实施例5相同。实施例20 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与实施 例6相同。实施例21 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与实 施例7相同。实施例22 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的SU-8膜，在SU-8膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与 实施例8相同。实施例23 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是含有粒度 20nmAu纳米粒子的PMMA膜层，其制备方法与实施例9相同。
实施例24:所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是含有 Si02-Au的核壳结构复合纳米粒子的PMMA膜层，其制备方法与实施例10相同。实施例25 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上为IOnm厚的SiO2膜。其制备方法与实 施例11相同。实施例26 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为30nm厚的Au膜。其制备方法与实 施例12相同。实施例27 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层具有光栅结 构的Au膜，在光波导基底与磁光感应膜层之间存在3nm厚的中间联接层Cr膜。其制备方 法与实施例13相同。实施例28 所述传感头的光波导基底与实施例15相同，磁光感应膜层是由粒度 20nm的Ag纳米粒子构成，具有岛状非周期纳米结构，其制备方法与实施例14相同。图3为本发明所述传感头的实施例29至42的结构示意图，图中磁光感应膜层4 在利用光刻技术和离子交换法制作的K+-Na+玻璃带状光波导上，包括玻璃基底5和带状波 导7。实施例29 如图3所示，所述传感头的光波导基底是先利用光刻技术产生表面带 状图案，再利用离子交换法制作的K+-Na+玻璃带状光波导，包括玻璃基底5和以条带形式埋 置在其中的带状波导7。磁光感应膜层厚度50nm的Ag膜，在Ag膜上存在Si02保护膜，其 制备方法与实施例1相同。实施例30 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是45nm厚的Al膜，在Al膜之上为Inm厚的Au膜。其制备方法与实施例 2相同。实施例31 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的Si3N4膜，在Si3N4膜之上为50nm厚的Au膜，在Au膜上为厚 度SOnm的Si3N4膜。其制备方法与实施例3相同。实施例32 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为IOnm厚的Au膜，在Au膜上为厚度 SOnm的SiO2膜。其制备方法与实施例4相同。实施例33 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是200nm厚的Ag膜，在Ag膜之上为50nm厚的SiO2膜，在SiO2膜上为厚度 30nm的Ag膜。其制备方法与实施例5相同。实施例34 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是50nm厚的ZnO膜，在ZnO膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与实施 例6相同。实施例35 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是50nm厚的TiO2膜，在TiO2膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与实 施例7相同。实施例36 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜，在光波导基底上是200nm厚的SU-8膜，在SU-8膜之上为50nm厚的Au膜。其制备方法与 实施例8相同。实施例37 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是含有20nm Au纳米粒子的PMMA膜层，其制备方法与实施例9相同。实施例38 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是含有 Si02-Au的核壳结构复合纳米粒子的PMMA膜层，其制备方法与实施例10相同。实施例39 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是500nm厚的Cu膜，在Cu膜之上为IOnm厚的SiO2膜。其制备方法与实 施例11相同。实施例40 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是多层膜， 在光波导基底上是30nm厚的SiO2膜，在SiO2膜之上为30nm厚的Au膜。其制备方法与实 施例12相同。实施例41 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层具有光栅结 构的Au膜，在光波导基底与磁光感应膜层之间存在3nm厚的中间联接层Cr膜。其制备方 法与实施例13相同。实施例42 所述传感头的光波导基底与实施例29相同，磁光感应膜层是由粒度 20nm的Ag纳米粒子构成，具有岛状非周期纳米结构，其制备方法与实施例14相同。以下是本发明所述传感方法的实施例。在实施例43 46中，传感头可采用前述 实施例中的任意一种。实施例43 图4所示为本发明所述电流传感方法的一个实施例，本实施例采用基 于强度变化的检测方法。He-Ne激光器8发出单色光经过偏振片9变换为ρ偏振光，光波由 透镜10耦合到单模光纤11中，再由光纤导入到本发明所述传感头12，本发明所述传感头置 于通电载流导体13 —侧，电流的变化引起导体周围磁场的变化，磁场变化通过所述传感头 的磁光感应膜层的磁光效应使反射光的光强变化，出射光送入Si光电池14，经包括前置放 大滤波电路、A/D转换和数据采集处理软件的信号处理单元15获得被测电流信息。实施例44 图5所示为本发明所述电流传感方法的一个实施例，本实施例采用基 于偏振态变化的检测方法。激光二极管16发出单色光经过格兰棱镜17变换为ρ偏振光， 光波由透镜10耦合到保偏光纤18中，再导入到本发明所述传感头12。本发明所述传感头 置于通电载流导体13 —侧，电流的变化引起导体周围磁场的变化，磁场变化通过所述传感 头的磁光感应膜层的磁光效应使偏振光的偏振面旋转。所述传感头的出射光由透镜10耦 合到沃拉斯顿棱镜19，棱镜将输入光分成振动方向相互垂直的两束偏振光，并分别送到Si 光电池14，经包括前置放大滤波电路、A/D转换和数据采集处理软件的信号处理单元15获 得被测电流信息。实施例45 :图6所示为本发明所述电流传感方法的一个实施例，采用基于 Mach-Zehnder型干涉检测方法。DFB激光器20发出相干光，经光隔离器21，由光纤起偏器 22起偏变成ρ偏振光，再耦合进保偏光纤18后，通过3dB保偏光纤耦合器23分别送入两 根长度基本相同的保偏光纤18。其中一根光纤为探测臂，串有本发明所述传感头12，置于 通电载流导体13—侧；另一光纤为参考臂，包括环绕光纤的柱状PZT24和光纤偏振控制器 25，前者用于产生相位延迟进一步获得正交相位偏置条件，以抵消因温度的变化而产生的相位波动，后者控制参考臂中传播的参考光的偏振态，使参考光和信号光的偏振态相互匹 配。本发明所述传感头12置于通电载流导体13 —侧，电流的变化引起导体周围磁场的变 化，磁场变化通过所述传感头的磁光感应膜层的磁光效应使偏振光的相位变化。从探测臂 和参考臂输出的两束光进入3dB耦合器23，叠加产生干涉效应，并分别送到CCD光电探测 器24，经包括前置放大滤波电路、A/D转换和数据采集处理软件的信号处理单元15获得被 测电流信息。 实施例46 图7所示为本发明所述电流传感方法的一个实施例，采用基于波长变 化的检测方法。卤钨灯25输出宽谱光由偏振片9起偏为ρ偏振光，经透镜10耦合进芯径 为600 μ m的多模光纤26，再导入到本发明所述传感头12，本发明所述传感头置于通电载流 导体13 —侧，电流的变化引起导体周围磁场的变化，磁场变化通过所述传感头的磁光感应 膜层的磁光效应使光谱吸收峰位置移动。所述传感头的出射光耦合到光纤光谱仪27获得 光谱信号，再经包括前置放大滤波电路、A/D转换和数据采集处理软件的信号处理单元15 得到被测电流信息。
权利要求
一种光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的传感头包括光波导基底和位于所述光波导基底上的磁光感应膜层；所述磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁性介电材料复合构成；所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特征。
2.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层层叠构成。
3.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层与一个或几个非磁性介电材料膜层层叠 构成。
4.根据权利要求3所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是一种夹心结构，即一个表面等离子激元金属材料膜层夹在两个非磁性介电材料膜层之 间或一个非磁性介电材料膜层夹在两个表面等离子激元金属材料膜层之间。
5.根据权利要求3所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层的一个表面等离子激元金属材料膜层夹在所述光波导基底与一个所述非磁性介电材料 膜层之间。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的 表面等离子激元金属材料膜层具有周期性或除膜层厚度以外的非周期性纳米结构。
7.根据权利要求6所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的周期性纳米 结构是纳米光栅结构或纳米孔阵列结构；所述的非周期性纳米结构是表面岛状非周期纳米 结构。
8.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层由含有表面等离子激元金属材料纳米结构的材料掺杂入非磁性介电材料膜层构成。
9.根据权利要求1至5或7至8中任一项所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于 所述的表面等离子激元材料纳米结构特征是指表面等离子激元金属材料纳米膜层的厚度， 或表面等离子激元金属材料纳米粒子的粒径，或在纳米复合材料中表面等离子激元金属材 料的纳米结构。
10.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的表面等离子 激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种。
11.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的光波导基底 利用全反射现象实现光在材料中的传导。
12.根据权利要求11所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的光波导基 底包括光纤或平面光波导。
13.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，在所述光波导基底 与所述磁光感应膜层之间存在中间联接层。
14.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，在所述磁光感应膜 层上存在保护层。
15.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于所述的纳米结构特 征的尺寸在500nm以内。
16.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于所述的纳米结构特征的尺寸在l_500nm。
17.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于所述的纳米结构特 征的尺寸在10-100nm。
18.一种利用权利要求1所述的光学电流互感器的传感头进行电流传感的方法，其特 征在于(1)光源发出的光波具有P波偏振分量，或通过偏振控制器件使其具有P波偏振分量；(2)所述具有ρ波偏振分量的光波通过所述光学电流互感器传感头的光波导基底入射 在所述光波导基底上的磁光感应膜层上，与所述磁光感应膜层中的表面等离子激元金属材 料发生相互作用；(3)所述具有ρ波偏振分量的光波通过所述相互作用在外界电流产生磁场中产生磁光 效应，使所述光波的强度、偏振态、相位或波长发生改变；(4)通过检测所述光波通过所述磁光感应膜层前后的强度、偏振态、相位或波长的变 化，得到所述电流的信息。
全文摘要
一种光学电流互感器传感头，包括光波导基底、位于所述光波导基底上的磁光感应膜层；所述磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁性介电材料复合构成；所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特征。所述电流传感方法利用了p偏振光与具有纳米结构特征的表面等离子激元金属材料发生的相互作用，在磁场下使磁光感应膜层产生的磁光效应，由此通过光波导基底入射在磁光感应膜层上的光波特征参量受到外界电流磁场变化的调制，检测光波通过本发明所述传感头前后的强度、偏振态、相位或波长的变化可以实现电流的光学传感。
文档编号G01R19/00GK101975880SQ20101027695
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月8日 优先权日2010年9月8日
发明者罗雪峰, 闫存极, 韩立 申请人:中国科学院电工研究所