一种磁光材料多级级联的光学电流传感器及测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种磁光材料多级级联的光学电流传感器及测量系统。此光学电流传感器包括前光纤准直器、起偏器、多级级联的磁光材料组件、检偏器及后光纤准直器；多级级联的磁光材料组件由多个磁光材料传感头及连接磁光材料的中继准直器组成，中继准直器具有调焦功能，对磁光材料的出射发散光束较好准直；各元件封装固定在彼此独立的、特殊设计的壳体内，各壳体能够旋合连接固定；该传感器工作机理基于法拉第效应，通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，从而提高了传感器的灵敏度和分辨率。

A Multistage Cascaded Optical Current Sensor and Measurement System for Magneto-optic Materials

【技术实现步骤摘要】
一种磁光材料多级级联的光学电流传感器及测量系统
本专利技术涉及一种磁光材料多级级联的光学电流传感器及测量系统，属电流测量领域。
技术介绍
目前所提出的各种光学电流传感器，主要基于法拉第磁光效应来进行测量的，其本质是磁光材料在由电流引起的磁场与光波电场共同作用下产生的一种非线性极化过程。当一束线偏振光通过磁光材料并在磁场作用下，其偏振面会发生旋转，其大小与平行于光束方向的磁场大小成正比，通过测量电流引起的偏振面旋转角，可以实现电流测量的目的。利用法拉第效应的光学电流传感器具有优异的抗电磁干扰性能，特别适合高压、特高压和冲击大电流等恶劣环境。传统的光学电流传感器通常采用高维尔德常数的磁光材料及增加磁光材料的长度来获得较高的传感器的灵敏度及分辨率。但是，长磁光材料明显具有制备困难、价格昂贵的缺点，并且，偏振光通过长磁光材料后其出射光束的发散光斑较大，对光束的准直能力要求较高，造成传感器的光耦合损耗进一步增加，从而限制了传感器的灵敏度及分辨率。重庆大学的杨鸣等（基于法拉第磁光效应的光学电流传感器及其电流测量方法，申请公布号：CN107643438A）利用偏振光在磁光材料中多次反射来增加等效磁光材料长度，然而由起偏器、磁光材料和检偏器绝缘封装一起的集成探头不具有重组装性，限制了集成探头对不同测量环境的适应性。华中科技大学的刘延冰等（双光路光学电流传感头，授权公告号：CN2762147Y）利用一正方形火石玻璃，中心钻孔，使导体从中心通过，在三个切角上镀膜来增加等效磁光长度，然而该方法需要较大体积的磁光材料，并且结构非常复杂。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术存在的缺陷，提出一种磁光材料多级级联的光学电流传感器及测量系统，通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，克服了仅增加磁光材料长度的方式致使出射偏振光具有较大的发射模场、从而造成较大的光耦合损耗问题，提高了传感器的灵敏度及分辨率。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用下述技术方案：一种磁光材料多级级联的光学电流传感器，包括前光纤准直器、起偏器、多级级联的磁光材料组件、检偏器及后光纤准直器；各元件封装固定在彼此独立的壳体内，各壳体能够旋合连接固定，从而使得前光纤准直器、起偏器、多级级联的磁光材料组件、检偏器及后光纤准直器依次连接，且各元件的轴心在同一水平直线上；通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，提高了传感器的灵敏度及分辨率，克服了传统的增加磁光材料长度的方式致使出射光束具有较大的发射模场，从而造成较大的耦合损耗问题。所述起偏器和检偏器偏振轴之间的夹角为45°。所述多级级联的磁光材料组件由至少两个及以上的磁光材料传感头及连接磁光材料传感头的中继准直器组成，磁光材料传感头的长度受限于中继准直器的准直能力，所述中继准直器设有调焦旋钮，能够较好地准直磁光材料的出射发散光束。一种磁光材料多级级联的光学电流传感器测量系统，用于测量上述的磁光材料多级级联的光学电流传感器，包括输入光纤，输出光纤，激光器，解调单元和电磁干扰屏蔽装置；所述输入光纤一端连接光学电流传感器的前光纤准直器，另一端连接激光器，所述输出光纤一端连接光学电流传感器的后光纤准直器，另一端连接解调单元；所述激光器和解调单元都置于电磁干扰屏蔽装置之中，隔绝外界的电磁干扰，激光器发出的光通过输入光纤传导之后进入光学电流传感器，之后通过输出光纤进入解调单元之中。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：传统的光学电流传感器通常采用增加磁光材料的长度来获得较高的传感器的灵敏度及分辨率，但这种方式明显具有制备困难、价格昂贵的缺点，并且其对光束的准直能力要求较高，造成传感器的光耦合损耗进一步增加，从而限制了传感器的灵敏度及分辨率。而本专利技术通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，提高了传感器的灵敏度及分辨率，克服了传统的增加磁光材料长度的方式致使出射光束具有较大的发射模场，从而造成较大的耦合损耗问题；用于采用模块化的壳体结构，传感器结构紧凑、灵活可变、装配简单，能够批量生产。附图说明图1是本专利技术的一种磁光材料多级级联的光学电流传感器结构示意图。图2是本专利技术的一种磁光材料多级级联的光学电流传感器测量系统结构示意图。图3是法拉第效应原理示意图。具体实施方式下面通过优选的实施例结合附图对本专利技术做进一步详细说明。如图1所示，一种磁光材料多级级联的光学电流传感器，包括前光纤准直器1、起偏器2、多级级联的磁光材料组件3、检偏器4及后光纤准直器5；各元件封装固定在彼此独立的壳体内，各壳体能够旋合连接固定，从而使得前光纤准直器1、起偏器2、多级级联的磁光材料组件3、检偏器4及后光纤准直器5依次连接，且各元件的轴心在同一水平直线上，所述起偏器2和检偏器4偏振轴之间的夹角为45°；其工作机理是基于偏振光的法拉第效应，通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，提高了传感器的灵敏度及分辨率。各元件封装固定在彼此独立的、特殊设计的壳体内，壳体内光学元件的光路传输特性受缚于壳体的结构特点，并满足的最优化的光学设计。所述多级级联的磁光材料组件3由至少两个及以上的磁光材料传感头31及连接磁光材料传感头31的中继准直器32组成，磁光材料传感头31的长度可灵活设计，但受限于中继准直器32的准直能力，所述中继准直器32设有调焦旋钮，能够较好地准直磁光材料的出射发散光束。如图2所示，一种磁光材料多级级联的光学电流传感器测量系统，用于测量上述的磁光材料多级级联的光学电流传感器，包括输入光纤7，输出光纤8，激光器9，解调单元10和电磁干扰屏蔽装置11；所述输入光纤7一端连接光学电流传感器6的前光纤准直器1，另一端连接激光器9，所述输出光纤8一端连接光学电流传感器6的后光纤准直器5，另一端连接解调单元10；所述激光器9和解调单元10都置于电磁干扰屏蔽装置11之中，隔绝外界的电磁干扰，激光器9发出的光通过输入光纤7传导之后进入光学电流传感器6，之后通过输出光纤8进入解调单元10之中。如图3所示，本实施例磁光材料多级级联的光学电流传感器主要基于法拉第效应来进行测量的，首先，激光束经输入光纤7后再经过前光纤准直器1进行准直；其次，激光束经起偏器2起偏后变为空间平行偏振光；然后，偏振光通过多级级联的磁光材料组件3并在磁场作用下，其偏振面旋转角为φF，且与冲击电流大小成正比；接着，偏振光经检偏器4检偏后再输出偏振方向不变的偏振光，但其功率大小降低为原先的cos(45°+φF)2倍，其中起偏器2和检偏器4偏振轴之间的夹角为45°；最后，偏振光经输出光纤8输入到解调单元10中，由光电探测器检测，从而建立“光功率-偏振面旋转角”的函数关系，由此反推出产生磁场的电流大小，达到电流检测的目的。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁光材料多级级联的光学电流传感器，其特征在于，包括前光纤准直器（1）、起偏器（2）、多级级联的磁光材料组件（3）、检偏器（4）及后光纤准直器（5）；各元件封装固定在彼此独立的壳体内，各壳体能够旋合连接固定，从而使得前光纤准直器（1）、起偏器（2）、多级级联的磁光材料组件（3）、检偏器（4）及后光纤准直器（5）依次连接，且各元件的轴心在同一水平直线上；通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，提高了传感器的灵敏度及分辨率。

【技术特征摘要】
1.一种磁光材料多级级联的光学电流传感器，其特征在于，包括前光纤准直器（1）、起偏器（2）、多级级联的磁光材料组件（3）、检偏器（4）及后光纤准直器（5）；各元件封装固定在彼此独立的壳体内，各壳体能够旋合连接固定，从而使得前光纤准直器（1）、起偏器（2）、多级级联的磁光材料组件（3）、检偏器（4）及后光纤准直器（5）依次连接，且各元件的轴心在同一水平直线上；通过多级级联的方式增加了磁光材料的有效长度，提高了传感器的灵敏度及分辨率。2.根据权利要求1所述的磁光材料多级级联的光学电流传感器，其特征在于，所述起偏器（2）和检偏器（4）偏振轴之间的夹角为45°。3.根据权利要求1所述的磁光材料多级级联的光学电流传感器，其特征在于，所述多级级联的磁光材料组件（3）由至少两个及以上的磁光材料传感头（31）及连接磁光材料传感头（31）的中继准直器（32）组成，磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：王廷云，王良江，邓传鲁，黄怿，胡程勇，张小贝，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31