本发明实施例涉及电流传感器技术领域，尤其涉及一种电流检测器件。
背景技术：
电流是一个基本的电学物理参量，它的变化直接关系到很多电学设备、电学系统乃至电力系统的正常运转。因此，人们很早就开始对电学设备、系统的电流参量进行密切的监测。传统的电流传感器主要是通过电流互感器实现，该类型的电流传感器有如下不足之处，如绝缘结构复杂、抗电磁干扰差、互感铁芯易饱和、器件体积大、质量重等。
鉴于传统电流传感器的以上缺点，人们一直在致力于设计新型电流传感器。其中，光学电流传感器具有小型化，重量轻，不易受电磁干扰等优点而备受人们的青睐。通常，光学电流传感器一般可采用以下几种方式实现：第一种类型的光电流传感器采用法拉第旋光效应，利用电流产生的磁场对传播中的光场偏振方向的改变，实现对电流的传感。第二种类型的光电流传感器采用焦耳热效应和热光效应，利用通电电阻中的焦耳热，结合材料的热光效应最终导致材料折射率发生变化，实现对对电流的探测。然而，第一种类型的电流传感器受限于材料的费尔德系数太小，无法实现高精度的电流传感。整个光纤链路中采用保偏光纤，价格较传统单模光纤价格昂费。另外，保偏光纤易受外界应力、弯曲等环境因素干扰。第二种类型的传感器由于是通过焦耳热实现的传感，焦耳热是与电流的平方项成正比，因此在测量大电流时对电阻耐热要求较高，否则电阻会在焦耳热作用下直接熔化。
技术实现要素：
本发明提供一种电流检测器件，可以实现电流的精确检测。
本发明实施例提供了一种电流检测器件，包括传感元件，所述传感元件包括：谐振腔、熔锥光纤以及填充于所述谐振腔中的磁感应物质；
所述谐振腔，用于控制满足谐振条件的光线在所述谐振腔中形成谐振，所述谐振条件与所述谐振腔中的折射率关联；
所述磁感应物质，用于根据周围环境的磁场变化，改变自身的折射率，以改变所述谐振腔中的折射率；
所述熔锥光纤设置在所述谐振腔之上，所述熔锥光纤的一端用于接收光源发出的探测光，并将所述探测光耦合进所述谐振腔中；所述熔锥光纤的另一端用于输出所述探测光中波长不满足所述谐振腔的谐振条件的光线作为电流检测光线，所述电流检测光线用于检测引起所述磁感应物质周围环境的磁场变化的电流变化量。
进一步的，所述谐振腔包括微泡型谐振腔，所述磁感应物质包括磁流体。
进一步的，所述微泡型谐振腔采用毛细石英管制备，且在所述毛细石英管的管道中部存在有一个对称的微球形或微椭球形凸起的微泡，所述微泡由所述毛细石英管经放电熔融方式形成。
进一步的，所述微泡型谐振腔的两端封口采用紫外固化胶。
进一步的，所述管道内直径的取值范围是20-80毫米，所述管道的外直径的取值范围是70-160毫米，所述微泡的外直径的取值范围是80-400毫米，所述微泡的管壁的壁厚的取值范围是2-20微米。
进一步的，所述熔锥光纤的最细端的取值范围是1-3微米。
进一步的，所述电流检测器件还包括：检测元件和显示元件，
所述检测元件与所述熔锥光纤的另一端光纤连接，所述检测元件与所述显示元件电线连接；所述检测元件，用于接收所述电流检测光线，并将所述电流检测光线转变为电信号传输至所述显示元件。
进一步的，所述电流检测器件还包括螺旋线圈，
所述螺旋线圈，用于串联接入待测电路中，当待测电路通电时，所述螺旋线圈感知所述待测电路中的电流变化而产生磁场，控制所述磁感应物质折射率的变化。
进一步的，所述光源包括宽带光源，所述检测元件包括光谱分析仪。
进一步的，所述光源包括可调谐光源，所述检测元件包括光电探测器。
本发明实施例提供的一种电流检测器件，包括传感元件，所述传感元件包括：谐振腔、熔锥光纤以及填充于所述谐振腔中的磁感应物质；所述谐振腔，用于控制满足谐振条件的光线在所述谐振腔中形成谐振，所述谐振条件与所述谐振腔中的折射率关联；所述磁感应物质，用于根据周围环境的磁场变化，改变自身的折射率，以改变所述谐振腔中的折射率；所述熔锥光纤设置在所述谐振腔之上，所述熔锥光纤的一端用于接收光源发出的探测光，并将所述探测光耦合进所述谐振腔中；所述熔锥光纤的另一端用于输出所述探测光中波长不满足所述谐振腔的谐振条件的光线作为电流检测光线，所述电流检测光线用于检测引起所述磁感应物质周围环境的磁场变化的电流变化量。本发明实施例可以实现待测电路中电流的精确检测。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种电流检测器件的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种示例的电流检测器件的横截面结构示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种示例的电流检测器件的侧面结构示意图；
图4是本发明实施例二提供的一种电流检测器件的结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的另一种电流检测器件的结构示意图
图6是本发明实施例二提供的一种谐振腔径向电场分布示意图；
图7是本发明实施例二提供的一种谐振腔谐振波长随电流变化波长移动示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的电流检测器件的结构示意图，本实施例可以适用于待测电路的电流检测的情况。该电流检测器件包括传感元件1，所述传感元件1包括谐振腔11、熔锥光纤12以及填充于所述谐振腔中的磁感应物质13。
所述谐振腔11，用于控制满足谐振条件的光线在所述谐振腔中形成谐振，所述谐振条件与所述谐振腔中的折射率关联。
其中，谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，谐振腔可以提供正反馈，并控制腔内振荡光束的特征。谐振腔采用回音壁模式，将光波限制在腔内部进行全反射并形成谐振的微米尺度的谐振腔。
谐振腔中的谐振条件为：
mλ＝neffπd
其中，m为正整数，λ为波长，neff为谐振腔的有效折射率，有效折射率使光学模式阶数的不同值也不同，一般小于谐振腔材料的折射率，π为圆周率，d为谐振腔的外直径。
所述磁感应物质13，用于根据周围环境的磁场变化，改变自身的折射率，以改变所述谐振腔中的折射率。
其中，磁感应物质包括磁流体。磁流体具有液体的流动性，又具有固体磁性材料的磁性，磁流体的材料是由直径位纳米量级(10纳米以下)的磁性固体颗粒、基载液(也称作媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。磁流体具有随外界磁场的变化，折射率发生改变的性质。
所述熔锥光纤12设置在所述谐振腔11之上，所述熔锥光纤2的一端用于接收光源2(未示出)发出的探测光，并将所述探测光耦合进所述谐振腔中1中；所述熔锥光纤12的另一端用于输出所述探测光中波长不满足所述谐振腔11的谐振条件的光线作为电流检测光线，所述电流检测光线用于检测引起所述磁感应物质13周围环境的磁场变化的电流变化量。
其中，熔锥光纤可以通过高温火焰熔融光纤制备而成。
本发明实施例通过谐振腔、熔锥光纤以及填充于所述谐振腔中的磁感应物质组成电流检测器件，所述熔锥光纤设置在所述谐振腔之上，所述熔锥光纤的一端用于接收光源发出的探测光，并将所述探测光耦合进所述谐振腔中中；所述熔锥光纤的另一端用于输出所述探测光中波长不满足所述谐振腔的谐振条件的光线作为电流检测光线，所述电流检测光线用于检测引起所述磁感应物质周围环境的磁场变化的电流变化量。从而将该电流检测器件检测待测电路的电流时，可以准确感知电流的变化，实现电流的精确监控。
示例性的，图2是本发明实施例一提供的一种示例的电流检测器件的横截面结构示意图；图3是本发明实施例一提供的一种示例的电流检测器件的侧面结构示意图，如图2和图3所示，在该示例的电流检测器件中，所述谐振腔11包括微泡型谐振腔，所述磁感应物质13包括磁流体。
所述微泡型谐振腔采用毛细石英管制备，且在所述毛细石英管的管道111中部存在有一个对称的微球形或微椭球形凸起的微泡112，所述微泡112由所述毛细石英管经放电熔融方式形成。
其中，微泡型谐振腔是一种回音壁模式谐振腔，光子被限制在石英管外壁表面进行全内反射谐振的一类光学微腔。微泡型谐振腔是一类具有高品质因子的谐振腔，品质因子通常值在106-107之间，微泡型谐振腔作为电流检测器件的电流传感部分可以实现较低的探测极限。
所述微泡型谐振腔的两端封口113采用紫外固化胶。
所述管道111内直径的取值范围是20-80毫米，所述管道111的外直径的取值范围是70-160毫米，所述微泡112的外直径的取值范围是80-400毫米，所述微泡112的管壁的壁厚的取值范围是2-20微米。
所述熔锥光纤12的最细端的取值范围是1-3微米。
本发明实施例提供的电流检测器件，具体公开了磁感应物质、谐振腔以及谐振腔的具体尺寸范围、熔锥光纤的具体尺寸范围，通过本发明实施例所提供的具体方式实现电流检测器件，从而获取待测电路中精确的电流变化情况。
可以理解的是，本发明实施例所提供的电流检测器件可以作为产品进行封装，也可以按照实际使用需要不进行封装，而无论封装与否，所有涉及本发明实施例任一所述的实施方式均在本发明的保护范围内。
实施例二
图4是本发明实施例二提供的一种电流检测器件的结构示意图，本实施例是在上述实施例基础上的进一步优化，在上述实施例的基础上，本实施例提供的电流检测器件还包括：检测元件3和显示元件4，
所述检测元件3与所述熔锥光纤12的另一端光纤连接，所述检测元件3与所述显示元件4电线连接；所述检测元件3，用于接收所述电流检测光线，并将所述电流检测光线转变为电信号传输至显示元件4。
其中，可以理解的是，当待测电路中无电流时，电流检测光线是不满足谐振腔谐振条件的透射光线，而此时电流检测光线的光谱中携带的是谐振腔模式信息。通过显示元件可以观察到光源经过谐振腔耦合后的透射光谱，得到光源的透射光强信息，透射光谱信息为类似洛伦兹线型的函数，该函数在满足谐振腔的谐振条件的波长处会出现一个透射率的低谷，在不满足谐振腔的谐振条件的波长处则透射光强平坦，则透射光谱中携带有谐振腔的谐振模式信息。
图5是本发明实施例二提供的另一种电流检测器件的结构示意图，在上述实施例的基础上，本实施例提供的电流检测器件还包括：螺旋线圈5，
所述螺旋线圈5，用于串联接入待测电路中，当待测电路通电时，所述螺旋线圈5感知所述待测电路中的电流变化而产生磁场，控制所述磁感应物质13折射率的变化。
其中，电流检测器件通过螺旋线圈感应待测电路中电流的变化。
谐振腔的谐振波长是折射率的函数，当折射率发生变化时，将改变谐振腔的谐振波长。当螺旋线圈感应到电流变化时，螺旋线圈产生的磁场会引起磁流体的折射率变化，而磁流体折射率的变化则会影响谐振腔的径向电场的分布，如图6所示，图6是本发明实施例二提供的一种谐振腔径向电场分布示意图。在图中，谐振腔的箭头指示方向是谐振腔的微泡的径向方向，沿谐振腔的微泡的径向方向，电场强度在填充磁流体的谐振腔内、微泡的管壁以及谐振腔外表现出不同的变化趋势。
进一步的，磁流体折射率的变化还会引起谐振腔中谐振波长的变化。在谐振腔中谐振的光线透过微泡的管壁，与谐振腔中内部的磁流体作用，并受磁流体的折射率影响。图7是本发明实施例二提供的一种谐振腔谐振波长随电流变化波长移动示意图，如图7所示，箭头表示波长移动的方向，虚线表示螺旋线圈接入的待测电路中无电流的情形，实线表示螺旋线圈接入的待测电路中有电流的情形。在电流检测过程中，待测电路中电流发生变化后，螺旋线圈产生的磁场强度会发生变化，导致磁流体折射率变化，进而导致谐振腔中的有效折射率发生变化，引起光源经过谐振腔透射以后的透射光谱中的透射低谷发生平移。通过每次测量的平移量感知待测电路中电流的大小，从而建立谐振腔的透射光谱与待测电路中电流之间的关系，实现对电流的传感。
示例性的，所述光源2包括宽带光源，所述检测元件3包括光谱分析仪。
其中，宽带光源，可为超辐射光源(superluminescentdiodes，sld)或放大自发辐射光源(amplifiedspontaneousemission，ase)。由宽带光源发出的宽谱光经过光纤传输到熔锥光纤，经过熔锥光纤与微泡型谐振腔的耦合作用，实现部分光透出微泡型谐振腔，再经过光纤将透射光传递给光谱分析仪，最终通过对透射光谱分析，得到谐振腔模式的信息。在有电流存在时，微泡型谐振腔中充满的磁流体折射率将发生改变，从而使得微泡型谐振腔的谐振条件发生变化，并最终引起透射光谱信息的变化。通过光谱分析仪分析透射光谱的光学模式信息，可以得到电流的改变情况，实现对电流的传感。
示例性的，所述光源2包括可调谐光源，所述检测元件3包括光电探测器，所述显示元件4包括示波器。
其中，可调谐光源可以由可调谐激光器产生，由可调谐光源发出的窄线宽的激光在小范围(如几十到几百pm)内进行精密的扫频，经过光纤传输到熔锥光纤，经过熔锥光纤与微泡型谐振腔的耦合作用，实现部分光透出微泡型谐振腔，再经过光纤将透射光传递给光电探测器，光电探测器将光学信号转换为电学信号，并在示波器中显示出来。由于可调谐光源一直在进行频率扫描，从微泡型谐振腔中透射的光强信息也随时间变化，通过光电探测器的转化作用，直接用示波器进行观察，可以得到谐振腔模式的信息。在有电流存在时，微腔中充满的磁流体折射率将发生改变，从而使得腔的谐振条件发生变化，并最终引起透射光谱信息的变化。通过示波器分析透射光谱的光学模式信息，可以得到电流的改变情况，实现对电流的传感。
本发明实施例通过设置检测元件、显示元件以及螺旋线圈，通过螺旋线圈接入待检测电路，感知待检测电路中电流的变化，并产生感应的电磁场，通过检测元件检测光源经过谐振腔透射以后的透射光谱变化，将透射的电流检测光线转变为电信号传输至显示元件并通过显示元件显示出来。从而实现了待测电路中的电流的精确监控。
可以理解的是，可以理解的是，本发明实施例所提供的电流检测器件可以作为产品进行封装，也可以按照实际使用需要不进行封装，而无论封装与否，所有涉及本发明实施例任一所述的实施方式均在本发明的保护范围内。
值得注意的是，上述电流检测器件的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。