專利名稱：磁光電流傳感器及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學電流傳感器，尤其是一種用于電力系統(tǒng)高壓大電流測量的磁 光電流傳感器及其制造方法。
背景技術：
光學電流互感器(Optical Current Transducer，簡稱OCT)是以法拉第磁光效應 為基礎，直接或間接對電流進行測試的裝置。光學電流互感器以其絕緣性能好、抗電磁干擾 能力強、造價低、動態(tài)測量范圍大、不含鐵芯、不存在磁飽和、鐵磁諧振、體積小、重量輕等優(yōu) 良性能，最有希望成為智能電網中理想的電流互感器。智能電網中電流傳感器是電力系統(tǒng) 中輸變電線路不可缺少的重要設備。它的應用能夠提高投資效率、運行效率和經營效率，實 現(xiàn)向集約化和精細化發(fā)展方式的轉變。在先發(fā)明專利中，一種磁光電流傳感器及其制造方法(參見發(fā)明專利申請?zhí)?200910183929. 1，公開號CN101672870A)。該傳感器中采用方位探測器檢測偏振光通過磁光 晶體后偏轉角度的變化，而后通過電信號進行信息傳輸。該系統(tǒng)有相當的優(yōu)點，但應用范圍 較為狹窄，溫度變化、器件抖動對整個系統(tǒng)的影響較大，此外還有如下不足1、傳感器沒有對光纖輸入部分進行矯正，繼而無法排除輸入光纖抖動等原因引起 噪聲，無法保證整個系統(tǒng)的精度；2、傳感器沒有對光纖輸出部分進行矯正，繼而無法排除磁光晶體抖動、輸出光纖 抖動、溫漂等原因引起的噪聲。3、磁光晶體前加偏振片增大了整個器件的體積，不利于降低成本。

發(fā)明內容
為克服上述現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供了一種模塊化設計的磁光電流傳 感器裝置及其制造方法，擴大該傳感器的應用范圍，提高該傳感器用于測量時的抗干擾性 能及測量精度。為實現(xiàn)上述第一個目的，本發(fā)明的技術解決方案是一種磁光電流傳感器，其特征在于采用模塊化的器件結構，包括沿光路方向依次 排列設置的光纖輸入模塊、光纖輸入矯正模塊、磁光晶體模塊、光纖輸出模塊及光纖輸出矯 正模塊，其中所述光纖輸入矯正模塊與光纖輸入模塊的偏振分束器相關聯(lián)，并與光線輸入 模塊一并輸出至磁光晶體模塊，所述磁光晶體模塊的輸出相連到光纖輸出模塊的偏振分束 器，且所述光纖輸出矯正模塊與所述光纖輸出模塊的偏振分束器相關聯(lián)。進一步地，前述的一種磁光電流傳感器，其中該磁光晶體模塊包括石榴石及其上 沿光路方向依次生長形成的緩沖層、永磁薄膜及保護層，其中所述緩沖層的薄膜厚度為 5nm 100 μ m ；所述永磁薄膜的厚度為IOnm 1cm，至少包括釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷中的一 種或一種以上；所述保護層的厚度為Inm IOym,至少包括Si02、SiN、Cr、Ta中的一種或 一種以上。
進一步地，前述的一種磁光電流傳感器，其中該用于提供偏振光源的光纖輸入模塊包括保偏輸入光纖、輸入光纖準直器、偏振分束器；該光纖輸入矯正模塊包括相串聯(lián)的光 纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器；該用于提供探測及分析用輸出光的光纖輸出模塊 包括偏振分束器、輸出光纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器；該光纖輸出矯正模塊包括 相串聯(lián)的光纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器。本發(fā)明的第二個目的，將通過如下技術方案來實現(xiàn)一種磁光電流傳感器的制造方法，沿光路定位設置各模塊化構件，其特征在于所 述模塊化構件中的磁光晶體模塊的制備方法包括步驟1、采用超聲波清洗并烘干石榴石， 將掩膜板壓貼于石榴石表面；II、將石榴石放入薄膜生長系統(tǒng)中，真空環(huán)境下在石榴石表面 依次生長緩沖層及永磁薄膜；III、對生長產物升溫至550°C 80(TC進行二次退火；IV、室 溫下生長保護層，并對永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶體模塊。進一步地，前述的磁光電流傳感器的制造方法，其中步驟II中薄膜生長的方法至 少包括磁控濺射法、電子束蒸發(fā)法或脈沖激光沉積法。實施本發(fā)明的技術方案，其優(yōu)點為通過模塊化設計對光纖輸入和光纖輸出進行雙重矯正，解決了因光學系統(tǒng)抖動或 溫度漂移等原因引起的噪聲，大幅提升了磁光電流傳感器受溫漂等因素影響下的測量精 度。并且采用緩沖層增強了永磁薄膜與襯底之間的附著力，從而提高永磁薄膜的磁學性質， 使得偏振光的旋轉角更大，測量精度更高。為使本發(fā)明所述的磁光電流傳感器及其制造方法更易于理解其實質性特點及其 所具的實用性，下面便結合附圖對本發(fā)明一具體實施例作進一步的詳細說明。但以下關于 實施例的描述及說明對本發(fā)明保護范圍不構成任何限制。


圖1是本發(fā)明實施例的模塊框架示意圖；圖2是圖1所示實施例中磁光晶體模塊的結構示意圖。圖中各附圖標記的含義如下101-保偏輸入光纖、102-光纖準直器、103-偏振分束器；201-光纖準直器、201-保偏輸出光纖、203-光強探測器；300-磁光晶體模塊、301-石榴石、302-緩沖層、303-永磁薄膜、304-保護層。401-偏振分束器、402-光纖準直器、403-保偏輸出光纖、404-光強探測器；501-光纖準直器、502-保偏輸出光纖、503-光強探測器。
具體實施例方式本發(fā)明的磁光電流傳感器，整個裝置采用模塊化設計，包括沿光路定位設置的光 纖輸入模塊、光纖輸入矯正模塊、磁光晶體模塊、光纖輸出模塊、光纖輸出矯正模塊。其中 光纖輸入模塊包括保偏輸入光纖101、輸入光纖準直器102、偏振分束器103，用于提供偏振 光源；而光纖輸入矯正模塊包括相串聯(lián)的光纖準直器201、保偏輸出光纖202及光強探測器 203，解決因溫度變化、光纖輸入模塊抖動引起的噪聲；該磁光晶體模塊300在外界電流產 生磁場作用下，偏振光通過此元件后偏振角度將發(fā)生變化；該光纖輸出模塊包括偏振分束器401、輸出光纖準直器402、保偏輸出光纖403及光強探測器404，用于輸出光進行探測、分析；而光纖輸出矯正模塊包括相串聯(lián)的光纖準直器501、保偏輸出光纖502及光強探測器 503，解決因磁光晶體模塊300抖動、溫度變化引起的噪聲。通過雙重矯正，解決了輸入光纖 模塊、輸出光纖模塊、磁光晶體元件模塊溫漂抖動等原因引起的噪聲。該磁光晶體模塊300包括石榴石301及其上沿光路方向依次生長形成的緩沖層 302、永磁薄膜303及保護層304，其中緩沖層302的薄膜厚度為5nm 100 μ m,可進一步增 強永磁薄膜303與襯底石榴石301的附著力；該永磁薄膜302的厚度為IOnm 1cm，至少 包括釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷中的一種或一種以上；該保護層的厚度為Inm ΙΟμπι，至少包括 SiO2, SiN, Cr, Ta中的一種或一種以上。該磁光電流傳感器沿光路定位設置各模塊化構件，其中磁光晶體模塊300以外的 器件均為常規(guī)市售器件，而該磁光晶體模塊300是本發(fā)明提出的一種創(chuàng)新的制法。具體來 看首先采用超聲波清洗器清洗石榴石，烘干；將掩模版覆蓋于石榴石的表面壓緊，然 后將其放入薄膜生長系統(tǒng)(磁控濺射法或電子束蒸發(fā)法或脈沖激光沉積法)，抽真空；系統(tǒng) 本底真空度優(yōu)于1. OX 10_4Pa時，加熱石榴石至200 500°C，工作氣壓為0. 2 5Pa ；生長 緩沖層Ti、Cr、Ta、Mo等薄膜，永磁薄膜釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷等，保溫1小時；然后升溫至 550°C 800°C進行二次退火；冷卻至室溫時生長保護層Si02、SiN, Cr、Ta等薄膜；最后利 用充磁機對樣品進行磁化充磁，得到磁光晶體模塊(300)。或者，首先采用超聲波清洗器清洗石榴石，烘干；然后將其放入薄膜生長系統(tǒng)(磁 控濺射法或電子束蒸發(fā)法或脈沖激光沉積法)，抽真空；系統(tǒng)本底真空度優(yōu)于LOXlO-4Pa 時，加熱石榴石襯底至200 500°C，工作氣壓為0. 2 5Pa ；生長緩沖層Ti、Cr、Ta、Mo等 薄膜，永磁薄膜釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷等，保溫1小時；然后升溫至550°C 800°C進行二次回 火；冷卻至室溫時生長保護層Si02、SiN, Cr、Ta等薄膜；采用激光燒蝕薄膜，得到不同幾何 形狀薄膜，最后利用充磁機對樣品進行磁化充磁，得到磁光晶體模塊(300)。綜上所述，磁光電流傳感器統(tǒng)增加了光纖輸入矯正模塊和光纖輸出矯正模塊，解 決了因系統(tǒng)抖動、溫度漂移等原因引起的噪聲；采用緩沖層增強永磁薄膜與襯底之間的附 著力，永磁薄膜的磁學性質顯著提高，偏振光通過的磁場強度更大，平行度更好，偏振光的 旋轉角更大，精度更高；永磁薄膜的應用領域更寬；本發(fā)明磁光電流傳感器設計更簡便，穩(wěn) 定性、可靠性更高。以上僅是本發(fā)明的具體應用范例，對發(fā)明的保護范圍不構成任何限制。凡采用等 同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發(fā)明權利保護范圍內。
權利要求
磁光電流傳感器，其特征在于采用模塊化的器件結構，包括沿光路方向依次排列設置的光纖輸入模塊、光纖輸入矯正模塊、磁光晶體模塊、光纖輸出模塊及光纖輸出矯正模塊，其中所述光纖輸入矯正模塊與光纖輸入模塊的偏振分束器相關聯(lián)，并與光線輸入模塊一并輸出至磁光晶體模塊，所述磁光晶體模塊的輸出相連到光纖輸出模塊的偏振分束器，且所述光纖輸出矯正模塊與所述光纖輸出模塊的偏振分束器相關聯(lián)。
2.根據權利要求1所述的磁光電流傳感器，其特征在于所述磁光晶體模塊包括石榴 石及其上沿光路方向依次生長形成的緩沖層、永磁薄膜及保護層，其中所述緩沖層的薄膜 厚度為5nm 100 μ m所述永磁薄膜的厚度為IOnm 1cm，至少包括釹鐵硼、釤鈷、鋁鎳鈷 中的一種或一種以上；所述保護層的厚度為Inm ΙΟμπι，至少包括Siq、SiN、Cr、Ta中的 一種或一種以上。
3.根據權利要求1所述的磁光電流傳感器，其特征在于所述用于提供偏振光源的光 纖輸入模塊包括保偏輸入光纖、輸入光纖準直器、偏振分束器。
4.根據權利要求1所述的磁光電流傳感器，其特征在于所述光纖輸入矯正模塊包括 相串聯(lián)的光纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器。
5.根據權利要求1所述的磁光電流傳感器，其特征在于所述用于提供探測及分析用 輸出光的光纖輸出模塊包括偏振分束器、輸出光纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器。
6.根據權利要求1所述的磁光電流傳感器，其特征在于所述光纖輸出矯正模塊包括 相串聯(lián)的光纖準直器、保偏輸出光纖及光強探測器。
7.權利要求1所述的磁光電流傳感器的制造方法，沿光路定位設置各模塊化構件，其 特征在于所述模塊化構件中的磁光晶體模塊的制備方法包括步驟1、采用超聲波清洗并 烘干石榴石，將掩膜板壓貼于石榴石表面；II、將石榴石放入薄膜生長系統(tǒng)中，真空環(huán)境下 在石榴石表面依次生長緩沖層及永磁薄膜；III、對生長產物升溫至550°C 80(TC進行二 次退火；IV、室溫下生長保護層，并對永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶體模塊。
8.根據權利要求7所述的磁光電流傳感器的制造方法，其特征在于所述步驟II中薄 膜生長的方法至少包括磁控濺射法、電子束蒸發(fā)法或脈沖激光沉積法。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種磁光電流傳感器及其制造方法，采用模塊化的器件結構，包括沿光路方向依次排列設置的光纖輸入模塊、光纖輸入矯正模塊、磁光晶體模塊、光纖輸出模塊及光纖輸出矯正模塊，其中光纖輸入矯正模塊與光纖輸入模塊的偏振分束器相關聯(lián)，并與光線輸入模塊一并輸出至磁光晶體模塊，磁光晶體模塊的輸出相連到光纖輸出模塊的偏振分束器，且光纖輸出矯正模塊與光纖輸出模塊的偏振分束器相關聯(lián)。本發(fā)明通過模塊化設計對光纖輸入和光纖輸出進行雙重矯正，解決了因光學系統(tǒng)抖動或溫度漂移等原因引起的噪聲，并且采用緩沖層增強了永磁薄膜與襯底之間的附著力，從而提高永磁薄膜的磁學性質，使得偏振光的旋轉角更大，測量精度更高。
文檔編號G01D3/036GK101819225SQ20101016876
公開日2010年9月1日 申請日期2010年5月12日 優(yōu)先權日2010年5月12日
發(fā)明者樓柿濤, 焦新兵, 王亦, 蔣春萍, 錢波 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所