專利名稱：磁光電流傳感器及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)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(shù)：
光學(xué)電流互感器(Optical Current Transducer，簡稱OCT)是以法拉第磁光效應(yīng) 為基礎(chǔ)，直接或間接對電流進(jìn)行測試的裝置。光學(xué)電流互感器以其絕緣性能好、抗電磁干擾 能力強(qiáng)、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(wǎng)中理想的電流互感器。智能電網(wǎng)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(shè)備。它的應(yīng)用能夠提高投資效率、運(yùn)行效率和經(jīng)營效率，實 現(xiàn)向集約化和精細(xì)化發(fā)展方式的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)角度的變化，而后通過電信號進(jìn)行信息傳輸。該系統(tǒng)有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點，但應(yīng)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(jìn)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(jìn)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(nèi)容
為克服上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供了一種模塊化設(shè)計的磁光電流傳 感器裝置及其制造方法，擴(kuò)大該傳感器的應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)，包括沿光路方向依次 排列設(shè)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(guān)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(guān)聯(lián)。進(jìn)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(hù)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(hù)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)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(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)探測器；該光纖輸出矯正模塊包括 相串聯(lián)的光纖準(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)探測器。本發(fā)明的第二個目的，將通過如下技術(shù)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(shè)置各模塊化構(gòu)件，其特征在于所 述模塊化構(gòu)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(chǎn)物升溫至550°C 80(TC進(jìn)行二次退火；IV、室 溫下生長保護(hù)層，并對永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶體模塊。進(jìn)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(shù)方案，其優(yōu)點為通過模塊化設(shè)計對光纖輸入和光纖輸出進(jìn)行雙重矯正，解決了因光學(xué)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(qiáng)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(xué)性質(zhì)， 使得偏振光的旋轉(zhuǎn)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(zhì)性特點及其 所具的實用性，下面便結(jié)合附圖對本發(fā)明一具體實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但以下關(guān)于 實施例的描述及說明對本發(fā)明保護(hù)范圍不構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。圖中各附圖標(biāo)記的含義如下101-保偏輸入光纖、102-光纖準(zhǔn)直器、103-偏振分束器；201-光纖準(zhǔn)直器、201-保偏輸出光纖、203-光強(qiáng)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(hù)層。401-偏振分束器、402-光纖準(zhǔn)直器、403-保偏輸出光纖、404-光強(qiáng)探測器；501-光纖準(zhǔn)直器、502-保偏輸出光纖、503-光強(qiáng)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(shè)計，包括沿光路定位設(shè)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(zhǔn)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(zhǔn)直器201、保偏輸出光纖202及光強(qiáng)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(chǎn) 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(zhǔn)直器402、保偏輸出光纖403及光強(qiáng)探測器404，用于輸出光進(jìn)行探測、分析；而光纖輸出矯正模塊包括相串聯(lián)的光纖準(zhǔn)直器501、保偏輸出光纖502及光強(qiáng)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(hù)層304，其中緩沖層302的薄膜厚度為5nm 100 μ m,可進(jìn)一步增 強(qiáng)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(hù)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(shè)置各模塊化構(gòu)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(jìn)行二次退火；冷卻至室溫時生長保護(hù)層Si02、SiN, Cr、Ta等薄膜；最后利 用充磁機(jī)對樣品進(jìn)行磁化充磁，得到磁光晶體模塊(300)?；蛘?，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(jìn)行二次回 火；冷卻至室溫時生長保護(hù)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(jī)對樣品進(jìn)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(qiáng)永磁薄膜與襯底之間的附 著力，永磁薄膜的磁學(xué)性質(zhì)顯著提高，偏振光通過的磁場強(qiáng)度更大，平行度更好，偏振光的 旋轉(zhuǎn)角更大，精度更高；永磁薄膜的應(yīng)用領(lǐng)域更寬；本發(fā)明磁光電流傳感器設(shè)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(yīng)用范例，對發(fā)明的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等 同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
磁光電流傳感器，其特征在于采用模塊化的器件結(jié)構(gòu)，包括沿光路方向依次排列設(shè)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(guān)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(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)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(hù)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(hù)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(jù)權(quán)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(zhǔn)直器、偏振分束器。
4.根據(jù)權(quán)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(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)探測器。
5.根據(jù)權(quán)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(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)探測器。
6.根據(jù)權(quán)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(zhǔn)直器、保偏輸出光纖及光強(qiáng)探測器。
7.權(quán)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(shè)置各模塊化構(gòu)件，其 特征在于所述模塊化構(gòu)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(chǎn)物升溫至550°C 80(TC進(jìn)行二 次退火；IV、室溫下生長保護(hù)層，并對永磁薄膜磁化充磁，得到磁光晶體模塊。
8.根據(jù)權(quán)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(jié)構(gòu)，包括沿光路方向依次排列設(shè)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(guān)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(guān)聯(lián)。本發(fā)明通過模塊化設(shè)計對光纖輸入和光纖輸出進(jìn)行雙重矯正，解決了因光學(xué)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(qiáng)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(xué)性質(zhì)，使得偏振光的旋轉(zhuǎn)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(quán)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(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所