專(zhuān)利名稱(chēng)：磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的傳感技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的技術(shù)，特別是一種用磁流體進(jìn)行光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流傳感技術(shù)。
傳統(tǒng)的磁場(chǎng)或電流的光學(xué)測(cè)量技術(shù)，是應(yīng)用法拉第效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)來(lái)進(jìn)行的。法拉第效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)或電流時(shí)，偏振光入射到置于電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的磁旋光玻璃或晶體中時(shí)，偏振面會(huì)產(chǎn)生與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的旋轉(zhuǎn)角，用檢偏器檢測(cè)到這個(gè)旋轉(zhuǎn)角，就能測(cè)量出磁場(chǎng)的大小，并進(jìn)一步推算出電流的大小。磁致伸縮效應(yīng)法測(cè)量磁場(chǎng)或電流時(shí)，磁場(chǎng)使放在電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的磁致伸縮光纖拉伸或壓縮，從而使在光纖中傳輸?shù)墓獾南辔话l(fā)生變化，用干涉法檢測(cè)這個(gè)相位變化，就能測(cè)量出磁場(chǎng)的大小，并進(jìn)一步推算出電流的大小。在法拉第效應(yīng)法中，現(xiàn)有的透明度較好的旋光玻璃法拉第系數(shù)很小，信噪比小，法拉第系數(shù)大的晶體線性度不好，透明度不好，折射率大，光耦合困難，不能投入實(shí)際應(yīng)用，加之，必須使用偏振光技術(shù)，技術(shù)復(fù)雜，受環(huán)境干擾大，可靠性較差。在磁致伸縮效應(yīng)法中，磁致伸縮效應(yīng)很小，不能實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明的目的就是提供一種磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的傳感技術(shù)，它是利用磁流體熱透鏡耦合光磁效應(yīng)去測(cè)量電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)，簡(jiǎn)化了設(shè)備，避免了環(huán)境干擾，測(cè)量磁場(chǎng)的分辨率達(dá)到0.1奧斯特，與法拉第效應(yīng)法的測(cè)量結(jié)果相一致。
本發(fā)明的目的是通過(guò)這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它主要包括如下的幾個(gè)環(huán)節(jié)(1)將磁流體薄片置于被測(cè)的磁場(chǎng)或被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；磁流體薄片所在的平面應(yīng)與磁場(chǎng)方向垂直；(2)激光器射出的激光束經(jīng)凸透鏡聚焦于磁流體薄片上而產(chǎn)生衍射，衍射的狀態(tài)與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)；(3)測(cè)出衍射面上某兩個(gè)固定點(diǎn)光強(qiáng)大小，將該兩點(diǎn)的光強(qiáng)值與預(yù)先校正好的值對(duì)比，就可以測(cè)知磁場(chǎng)的大小，根據(jù)磁場(chǎng)的大小，又可推算出產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小。
在磁流體熱透鏡耦合光磁效應(yīng)中，聚焦于置于磁場(chǎng)中的磁流體薄片的激光束會(huì)發(fā)生衍射，其衍射角θ與磁場(chǎng)的n次方成比正比，其中對(duì)直流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，n＝1.85，對(duì)交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)，n＝1.62；衍射角θ與磁場(chǎng)之間呈非線性關(guān)系。根據(jù)這一關(guān)系，可以預(yù)先校正好一組衍射角θ或者衍射面上某兩個(gè)固定點(diǎn)的光強(qiáng)大小與磁場(chǎng)大小的對(duì)應(yīng)值，在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，只要測(cè)量出衍射面上這兩個(gè)固定點(diǎn)的光強(qiáng)大小，就可以從標(biāo)定值中對(duì)應(yīng)地查出磁場(chǎng)的大小。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明所用的傳感材料屬納米級(jí)磁流體，用量極少，僅需1cm×1cm×40μm薄層，接收光纖采用大口徑塑料光纖或大數(shù)值口徑的石英光纖，均比法拉第效應(yīng)法中采用的保偏光纖價(jià)廉，或者比不用保偏光纖而采用起偏檢偏纜上組件的法拉第法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于不需使用偏振光技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，也避免了保偏光纖易受環(huán)境如應(yīng)力、溫度等干擾的問(wèn)題，而測(cè)量的精度和分辨率與法拉第效應(yīng)法相當(dāng)。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明主要包括如下的幾個(gè)環(huán)節(jié)(1)將磁流體薄片置于被測(cè)的磁場(chǎng)或被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；磁流體薄片所在的平面應(yīng)與磁場(chǎng)方向垂直；(2)從633nm激光器射出的激光束經(jīng)焦距為1.0～1.5cm的凸透鏡聚焦于磁流體薄片上而產(chǎn)生衍射，衍射的狀態(tài)與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，衍射半徑隨磁場(chǎng)增大而增大，即隨著磁場(chǎng)的增大，衍射環(huán)沿半徑向外移動(dòng)；(3)測(cè)出衍射面上某兩個(gè)固定點(diǎn)光強(qiáng)大小，將該兩點(diǎn)的光強(qiáng)值與預(yù)先校正好的值對(duì)比，就可以測(cè)知磁場(chǎng)的大小，根據(jù)磁場(chǎng)的大小，又可推算出產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小。
磁流體薄片的制作方法是用9nm帶表面活化層的四氧化三鐵微粒煤油基磁流體或其它磁流體作傳感介質(zhì)，以毛細(xì)吸入方式置于一個(gè)一側(cè)開(kāi)口的1cm×1cm×40μm玻片小腔中，然后如其余三側(cè)一樣用環(huán)氧樹(shù)脂封口，構(gòu)成一塊磁流體傳感薄片。
測(cè)量出衍射面上兩個(gè)固定點(diǎn)的光強(qiáng)大小的方法是將兩條光纖的端面置于衍射面上相隔半個(gè)衍射環(huán)寬度位置上，并使在當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)其中一條光纖的出射光強(qiáng)最大，而另一條光纖的出射光強(qiáng)最小，兩條光纖的另一端分別耦合入兩個(gè)光纖光功率計(jì)，光功率計(jì)的電輸出經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將從兩條光纖輸來(lái)的光強(qiáng)值與較對(duì)好的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，避免多值效應(yīng)，得到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值。
在衍射面上采用測(cè)量?jī)蓚€(gè)固定點(diǎn)的光強(qiáng)大小的目的是避免單點(diǎn)測(cè)量時(shí)，由于隨著磁場(chǎng)增大，不同的衍射環(huán)相繼掃過(guò)測(cè)量點(diǎn)而造成的磁場(chǎng)強(qiáng)度與光強(qiáng)度的多值對(duì)應(yīng)關(guān)系，即一個(gè)光強(qiáng)度可能對(duì)應(yīng)于多個(gè)磁場(chǎng)強(qiáng)度值，這就不能形成光強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。
在衍射面上相隔半個(gè)衍射環(huán)寬度布置的兩根光纖，即兩個(gè)固定測(cè)量點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)磁場(chǎng)值，計(jì)算機(jī)均接收到一對(duì)光強(qiáng)值，由于光強(qiáng)值與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系，使得一對(duì)光強(qiáng)值與磁場(chǎng)強(qiáng)度形成一一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。磁流體薄片的靈敏度是溫度的函數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)計(jì)在適當(dāng)溫度范圍內(nèi)標(biāo)定出以溫度為參數(shù)的磁場(chǎng)強(qiáng)度和一對(duì)光強(qiáng)值的多組對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，將其存入計(jì)算機(jī)內(nèi)。實(shí)際測(cè)量時(shí)，依環(huán)境溫度由計(jì)算機(jī)查出所對(duì)應(yīng)的一組磁場(chǎng)強(qiáng)度和一對(duì)光強(qiáng)值的關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)值，并由實(shí)測(cè)的一對(duì)光強(qiáng)值對(duì)應(yīng)地查出被測(cè)磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
在實(shí)際操作過(guò)程中，本發(fā)明在室溫下，磁場(chǎng)測(cè)量范圍為0～20奧斯特，分辨率為0.1奧斯特，其穩(wěn)定性取決于激光功率和空間模的穩(wěn)定性；測(cè)量電流時(shí)，與4位半數(shù)字電流表所測(cè)結(jié)果對(duì)比，無(wú)論是直流，還是交流，量程0～3A范圍內(nèi)，誤差均小于1％。一對(duì)光強(qiáng)值與磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)值的溫度特性是將磁流體薄片置于特制的真空制冷盒中測(cè)定的，用液氮制冷，測(cè)得了-30℃～80℃間隔為1℃的一組磁場(chǎng)強(qiáng)度和一對(duì)光強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)曲線，發(fā)現(xiàn)在-15℃～50℃范圍內(nèi)量程和響應(yīng)時(shí)間基本不變；在更低溫范圍量程不變，但響應(yīng)明顯變慢；而在更高溫范圍內(nèi)量程明顯縮小。室溫下響應(yīng)時(shí)間不大于4秒，所以本發(fā)明適用于直流和穩(wěn)態(tài)交流的磁場(chǎng)或電流的光學(xué)測(cè)量。
權(quán)利要求
1.一種磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的傳感技術(shù)，其主要包括如下的幾個(gè)環(huán)節(jié)(1)將磁流體薄片置于被測(cè)的磁場(chǎng)或被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中；(2)激光器射出的激光束經(jīng)凸透鏡聚焦于磁流體薄片上而產(chǎn)生衍射，衍射的狀態(tài)與磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)；(3)測(cè)出衍射面上某兩個(gè)固定點(diǎn)光強(qiáng)大小，將該兩點(diǎn)的光強(qiáng)值與預(yù)先校正好的值對(duì)比，就可以測(cè)知磁場(chǎng)的大小，根據(jù)磁場(chǎng)的大小，又可推算出產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小。
2.如權(quán)利要求1所述的磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的傳感技術(shù)，其特征在于磁流體薄片的制作方法是用9nm帶表面活化層的四氧化三鐵微粒煤油基磁流體或其它磁流體作傳感介質(zhì)，以毛細(xì)吸入方式置于一個(gè)一側(cè)開(kāi)口的1cm×1cm×40μm玻片小腔中，然后如其余三側(cè)一樣用環(huán)氧樹(shù)脂封口，構(gòu)成一塊磁流體傳感薄片。
3.如權(quán)利要求1、2所述的磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流的傳感技術(shù)，其特征在于測(cè)量出衍射面上兩個(gè)固定點(diǎn)光強(qiáng)大小的方法是將兩條光纖的端面置于衍射面上相隔半個(gè)衍射環(huán)寬度位置上，并使當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為零時(shí)其中一條光纖的出射光強(qiáng)最大，而另一條光纖的出射光強(qiáng)最小，兩條光纖的另一端分別耦合入兩個(gè)光纖光功率計(jì)，光功率計(jì)的電輸出經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將從兩條光纖輸來(lái)的光強(qiáng)值與較對(duì)好的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，避免多值效應(yīng)，得到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)值。
全文摘要
一種磁流體光學(xué)測(cè)量磁場(chǎng)或電流傳的感技術(shù),其主要包括如下的幾個(gè)環(huán)節(jié):(1)將磁流體薄片置于被測(cè)的磁場(chǎng)或被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)中;(2)激光器射出的激光束經(jīng)凸透鏡聚焦于磁流體薄片上而產(chǎn)生衍射;(3)測(cè)出衍射面上某兩個(gè)固定點(diǎn)光強(qiáng)的大小,將該兩點(diǎn)的光強(qiáng)值與預(yù)先校正好的值對(duì)比,就可以測(cè)知磁場(chǎng)的大小,根據(jù)磁場(chǎng)的大小,又可推算出產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流大小。本發(fā)明的設(shè)備簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉,避免了受如應(yīng)力、溫度等環(huán)境因素的干擾,測(cè)量精度和分辨率與法拉第效應(yīng)法相當(dāng)。
文檔編號(hào)G01R33/032GK1348106SQ01108678
公開(kāi)日2002年5月8日 申請(qǐng)日期2001年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月27日
發(fā)明者袁綏華 申請(qǐng)人:西南師范大學(xué)