一種基于微位移測量的電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于微位移測量的電流傳感器及其制作方法，包括磁致伸縮反射面和光纖。其中制作方法包括以下步驟：選取長方形的金屬玻璃(metglass)并進(jìn)行清洗；在metglass上、下表面各濺射一層一定厚度的磁致伸縮薄膜；在metglass下表面濺射一層一定厚度的高反膜；在metglass下表面兩端用環(huán)氧樹脂各粘貼一個(gè)非磁性金屬塊；在兩個(gè)非磁性金屬塊的另一端用環(huán)氧樹脂粘貼一塊正中帶有通孔的非磁性金屬板；將光纖通過一個(gè)非磁性金屬管，再將它們通過非磁性金屬板的孔，使光纖端面與高反膜之間保持合適的距離，這樣在光纖端面與高反膜之間就形成了一個(gè)光纖法布里－珀羅干涉儀。本發(fā)明方法工藝簡單，操作方便，制造的傳感器靈敏度較高。
【專利說明】
一種基于微位移測量的電流傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于微位移測量的電流傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光纖法布里一珀羅干涉儀微位移測量的電流傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]法布里一珀羅干涉技術(shù)的應(yīng)用和研究已有100多年的歷史，1899年法國物理學(xué)家法布里和珀羅創(chuàng)制了以他們名字命名的法布里一珀羅干涉儀(F-P干涉儀)，F(xiàn)_P干涉技術(shù)理論上講，只要這個(gè)物理量能夠引起F-P腔腔長變化，就可以用F-P干涉技術(shù)測量，當(dāng)然都是通過位移測量來實(shí)現(xiàn)的，利用法布里一珀羅干涉儀制成的傳感器具有反應(yīng)靈敏，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)位移的納米級(jí)測量，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自準(zhǔn)直，節(jié)省元器件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]將光學(xué)方法應(yīng)用于電流檢測早在上世紀(jì)60年代就已出現(xiàn)，經(jīng)歷50多年時(shí)間的發(fā)展。光學(xué)電流傳感器從調(diào)制方式上可分為基于光強(qiáng)調(diào)制的反射式多芯光纖光學(xué)電流傳感器和基于偏振態(tài)調(diào)制的光學(xué)玻璃型和全光纖型。這中方法可以充分利用光信號(hào)傳輸中不容易受電磁干擾、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)；但對(duì)于光強(qiáng)調(diào)制和偏振態(tài)調(diào)制的光學(xué)電流傳感器共同存在的不足是電流測量的靈敏度不夠高，而本發(fā)明提出的基于法布里一珀羅干涉技術(shù)微位移測量的電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上技術(shù)問題及現(xiàn)有的需求，本發(fā)明提供了一種基于微位移測量的電流傳感器及其制作方法制備方法，其目的在于制備一種高靈敏度、結(jié)構(gòu)簡單的電流傳感器，由此解決高效測量電流的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種基于微位移測量的電流傳感器，其包括磁致伸縮反射面和光纖，其中:
[0006]所述磁致伸縮反射面為長方體金屬玻璃metglass的一個(gè)表面上生成的厚度為300?500nm的高反膜，該高反膜與基底之間，以及metglass的另一面，設(shè)置有一層厚度為100nm?2000nm磁致伸縮薄膜；
[0007]所述磁致伸縮反射面兩端各設(shè)有一個(gè)非磁性金屬塊，兩個(gè)金屬塊的另一面，固定一個(gè)尺寸與metglass對(duì)應(yīng)的非磁性金屬板;所述非磁性金屬板的正中間設(shè)有一個(gè)通孔，用于光纖穿過；
[0008]所述光纖從通孔穿入，并固定在非磁性金屬板上;光纖端面精細(xì)切割，與高反膜的距離不大于ΙΟμπι，兩者構(gòu)成法布里一珀羅干涉儀。
[0009]相應(yīng)地，本發(fā)明提出該電流傳感器的制造方法，包括以下步驟:
[0010](I)選取長方體形狀的金屬玻璃metglass;
[0011](2)將所述metglass清洗干凈，然后用射頻磁控濺射儀在其上、下表面各濺射一層厚度為100nm?2000nm磁致伸縮薄膜，形成磁致伸縮薄膜metglass片;然后再在下表面用射頻磁控濺射儀濺射一層厚度為300?500nm的高反膜，形成一個(gè)光信號(hào)的高反射表面；
[0012](3)在所述的磁致伸縮薄膜metglass下表面距離兩端合適的位置處各粘貼一個(gè)尺寸與metglass對(duì)應(yīng)的非磁性金屬塊；
[0013](4)在兩個(gè)非磁性金屬塊的另一面粘貼一塊強(qiáng)度適宜的非磁性金屬板，再在非磁性金屬板的正中間鉆一個(gè)適應(yīng)光纖穿入的通孔，金屬板的面積尺寸與metglass對(duì)應(yīng)；
[0014](5)將光纖穿過非磁性金屬板上的通孔，使光纖端面與高反膜之間保持合適的距離，然后將光纖與非磁性金屬板固定，這樣在光纖端面與高反膜之間就形成了一個(gè)光纖法布里一珀羅干涉儀。
[0015]進(jìn)一步的，所述非磁性金屬板通孔內(nèi)嵌有非磁性金屬管，其內(nèi)徑與光纖外徑相當(dāng)，其外徑與通孔內(nèi)徑相當(dāng)，用于固定光纖，確保光纖端面與反射面的平行。
[0016]進(jìn)一步的，所述光纖端面要穿出非磁性金屬管口Imm以上，以防止金屬管影響光信號(hào)的傳播；
[0017]進(jìn)一步的，所述非磁性金屬塊的厚度，以保證磁致伸縮薄膜發(fā)生形變不會(huì)導(dǎo)致光纖端面與磁致伸縮反射面接觸，所述非磁性金屬板的厚度，以保證磁致伸縮薄膜發(fā)生形變時(shí)非磁性金屬板不會(huì)發(fā)生形變?yōu)樵瓌t，即非磁性金屬板要有一定的強(qiáng)度。
[0018]進(jìn)一步的，所述磁致伸縮薄膜包括但不限于巨磁致伸縮材料Terfenol-D薄膜。
[0019]進(jìn)一步的，所述高反膜包括但不限于鋁薄膜、銀薄膜。
[0020]進(jìn)一步的，所述非磁性金屬塊、板、管的材料包括但不限于銅。
[0021]進(jìn)一步的，所述非磁性金屬板通孔直徑和非磁性金屬管的直徑與光纖的直徑相近，以保證光纖端面與高反膜之間平行，光纖端面與高反膜之間的距離不能大于ΙΟμπι。
[0022]進(jìn)一步的，所述磁致伸縮薄膜上表面距離被測電流回路的距離不大于5cm，以便于磁場的測量，具體距離和所測電流強(qiáng)度相關(guān)。
[0023]進(jìn)一步的，非磁性金屬管有一定的長度，且與非磁性金屬板垂直，以保證光纖端面與高反膜面保持平行；
[0024]進(jìn)一步的，所述metglass的長、寬、厚尺寸為20mmX5mmXCL025mm。
[0025]由奧斯特發(fā)現(xiàn)的電生磁理論可知，如果一條直的金屬導(dǎo)線通過電流，那么在導(dǎo)線周圍的空間將產(chǎn)生圓形磁場，導(dǎo)線中流過的電流越大，產(chǎn)生的磁場越強(qiáng)，磁場成圓形，圍繞導(dǎo)線周圍。它是利用磁致伸縮材料對(duì)變化的磁信號(hào)產(chǎn)生形變，而法布里一珀羅干涉儀可以測量磁致伸縮材料的形變，它是利用光纖端面與磁致伸縮材料之間構(gòu)成一個(gè)F-P腔，當(dāng)磁致伸縮材料發(fā)生形變時(shí)，F(xiàn)-P腔的腔長發(fā)生變化，此時(shí)F-P腔的輸出光的參量隨之變化，通過對(duì)這參量的分析，從而解調(diào)出位移信息，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測量，而位移是和磁信號(hào)對(duì)應(yīng)，磁信號(hào)又和電流信號(hào)對(duì)應(yīng)，至此完成了電流信號(hào)至磁信號(hào)再到光信號(hào)的傳感。
[0026]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果:
[0027]I)利用了法布里一珀羅干涉技術(shù)對(duì)位移變化的高靈敏性特點(diǎn)，通過法布里一珀羅干涉腔實(shí)現(xiàn)微位移測量，從而實(shí)現(xiàn)電流的測量，技術(shù)方案新穎；；
[0028]2)采用的光纖法布里一珀羅干涉技術(shù)靈敏度很高，傳統(tǒng)光強(qiáng)調(diào)制反射型微位移測量靈敏度為5μπι，而法布里一珀羅干涉技術(shù)微位移測量的靈敏度可以達(dá)到幾十個(gè)納米，相比之下，靈敏度至少提高了 2個(gè)數(shù)量級(jí)；
[0029]3)制備的微位移測量的電流傳感頭性能穩(wěn)定，在各種環(huán)境下都能保持很好的性能，并且制作的傳感頭攜帶方便，可以固定在測試環(huán)境中也可以移動(dòng)至其他測試環(huán)境中；
[0030]4)使用的材料造價(jià)低廉，工藝流程簡單易用，大大減少了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0031]圖l(a)_(c)為在metglass上、下表面濺射磁致伸縮薄膜以及濺射高反膜的過程；
[0032]圖2(a)_(c)為將非磁性金屬塊和金屬板固定在高反膜上的示意圖；
[0033]圖3(a)_(c)是將光纖穿過非磁性金屬管示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明構(gòu)成的法布里一珀羅干涉腔；
[0035]圖5為基于本發(fā)明完成的微位移測量的電流傳感器的使用原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]圖1(a)是metglass，圖1(b)是在metglass上、下兩個(gè)表面做的磁致伸縮薄膜，圖1(C)是在metglass下表面的磁致伸縮薄膜上派射了一層高反膜。
[0038]圖2(a)是在metglass高反膜面兩端各粘貼一塊非磁性金屬塊，圖2(b)是在非磁性金屬板的正中間鉆一個(gè)直徑適宜的孔，圖2(c)是將鉆了孔的金屬板粘貼到非磁性金屬塊的另一端。
[0039]圖3(a)是單模光纖，圖3(b)是內(nèi)孔直徑和光纖相當(dāng)?shù)姆谴判越饘俟埽瑘D3(c)是將單模光纖通過非磁性金屬管，并使光纖端面出金屬管口 1mm，同時(shí)將光纖與金屬管固定，并使單模光纖的端面與高反膜之間保持平行，他們之間的距離為ΙΟμπι。
[0040]圖4是將非磁性金屬管穿過非磁性金屬板正中間的孔，并使金屬管與金屬板之間固定，使光纖端面與高反膜之間形成一個(gè)光纖法布里一珀羅干涉腔。
[0041]圖5是本發(fā)明完成的基于微位移測量的電流傳感器的使用原理示意圖，圖中的“X”代表電流方向是垂直紙面向里的，那個(gè)大的實(shí)線圓圈代表通電導(dǎo)線；圖中的B表示通電導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場，虛線表示磁場的分布情況，虛線上的箭頭表示磁場的方向；圖中的實(shí)線箭頭表示光的傳播方向，圖中那個(gè)包含一個(gè)彎曲箭頭的圓圈是環(huán)形器，它的作用是改變光的傳播方向，使光按照所需要的方向傳播；圖中的ASE代表放大自發(fā)福射光源，F(xiàn)1D代表光電探測器。
[0042]當(dāng)所測電流回路有電流通過時(shí)，在導(dǎo)線周圍會(huì)產(chǎn)生一個(gè)繞導(dǎo)線的環(huán)形磁場，磁場方向平行于磁致伸縮薄膜表面，并沿著磁致伸縮薄膜的長度方向；當(dāng)磁場作用在磁致伸縮薄膜上時(shí)，會(huì)使得磁致伸縮薄膜發(fā)生形變，電流越大，形變?cè)酱?。磁致伸縮薄膜的兩端是固定的，所以薄膜會(huì)向中間拱起來，從而導(dǎo)致光纖法布里一珀羅干涉腔的腔長發(fā)生了變化;當(dāng)光信號(hào)射到光纖端面時(shí)，由于空氣的折射率與光纖的折射率不一樣，會(huì)導(dǎo)致有一部分光被光纖端面反射回來一部分光透過光纖端面，透過光纖端面的光信號(hào)射到高反膜上而被反射，并沿著原路返回，進(jìn)而射進(jìn)光纖里面與開始被光纖端面反射的光發(fā)生干涉；由于磁致伸縮效應(yīng)，光纖法布里一珀羅干涉腔的腔長發(fā)生了變化，使得被高反膜反射的光信號(hào)的光程發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致兩束相干光的相位差發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致干涉信號(hào)的光強(qiáng)也發(fā)生變化，通過光電探測器可以檢查這個(gè)光強(qiáng)信號(hào)的變化，進(jìn)一步知道磁致伸縮薄膜的形變量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測量。
[0043]實(shí)例步驟:
[0044]I)切片，切取長為20mm，寬5mm的metglass片；
[0045]2)洗片，將切好的metglass片進(jìn)行清洗，首先用丙酮超聲清洗1min，然后用乙醇超聲清洗1min，最后用去離子水超聲清洗lOmin。
[0046]3)磁致伸縮薄膜的制備，用射頻磁控派射儀在metglass片上、下表面各派射一層Terfenol-D薄膜，厚度為2μπι。濺射參數(shù):濺射時(shí)間為45min(在此功率下這么長的時(shí)間內(nèi)可以生長2μπι的薄膜)，真空度為7 X 10—4Pa以下，靶間距為7cm，濺射功率300W，氣壓為3.5mTorr，基片采用水冷方式。
[0047]4)高反膜的制備，用射頻磁控濺射儀在metglass片下表面濺射一層鋁薄膜，為了實(shí)現(xiàn)高效反射，濺射的高反膜的厚度為500nm。濺射參數(shù):濺射時(shí)間為12min (在此功率下這么長的時(shí)間內(nèi)可以生長500nm的薄膜)，真空度為7 X 10—4Pa以下，靶間距為7cm，濺射功率300W，氣壓為3.5mTorr，基片采用水冷方式。
[0048]5)非磁性金屬塊和金屬板的制備，切取一塊尺寸為5mmX 2.5mmX 1mm(尺寸分別為長、寬、高，這里的長、寬和metglass寬、長對(duì)應(yīng))的非磁性金屬塊和一塊20mm X 5mm X 2mm(尺寸分別為長、寬、厚，這里的長、寬和metglass長、寬對(duì)應(yīng))，并在金屬板的正中間鉆一個(gè)直徑為Imm的孔，將非磁性金屬塊和非磁性金屬板按照?qǐng)D2的方式粘貼好。所述非磁性金屬材料包括但不限于銅、鋁以及鋁合金。
[0049]6)用光纖切割刀將單模光纖的一個(gè)端面切平整，取一個(gè)長為20mm直徑為0.21mm的非磁性金屬管，將單模光纖剛才切割了的那端穿過非磁性金屬管，并使單模光纖露出金屬管1_，以避免金屬管干擾，然后將金屬管穿過金屬板，使光纖端面與高反膜之間平行，并保持ΙΟμπι的距離，腔長在這個(gè)范圍內(nèi)光纖法布里一珀羅干涉儀的干涉效果明顯，至此光纖端面與高反膜之間形成了一個(gè)光纖法布里一珀羅干涉腔。
[0050]可知本發(fā)明提供了一種基于微位移測量的電流傳感器的制備工藝流程。其工藝流程簡單，不僅制備了磁致伸縮薄膜、高反膜，而且設(shè)計(jì)了一種光纖法布里一珀羅干涉腔，并通過仿真分析，證明這是一種行之有效的方案。
[0051]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于微位移測量的電流傳感器，其特征在于，包括磁致伸縮反射面和光纖，其中: 所述磁致伸縮反射面為長方形金屬玻璃metglass的一個(gè)表面上生成的厚度為300?500nm的高反膜，該高反膜與基底之間，以及metglass的另一面，設(shè)置有一層厚度為100nm?2000nm磁致伸縮薄膜； 所述高反膜兩端各設(shè)有一個(gè)非磁性金屬塊，兩個(gè)金屬塊的另一面，固定一個(gè)尺寸與metglass對(duì)應(yīng)的非磁性金屬板;所述非磁性金屬板的正中間設(shè)有一個(gè)通孔，用于光纖穿過； 所述光纖從通孔穿入，并固定在非磁性金屬板上;光纖端面精細(xì)切割，與高反膜平行且距離不大于ΙΟμπι，兩者構(gòu)成法布里一珀羅干涉儀。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流傳感器，其特征在于，所述非磁性金屬板通孔內(nèi)嵌有非磁性金屬管，其內(nèi)徑與光纖外徑相當(dāng)，其外徑與通孔內(nèi)徑相當(dāng)，用于固定光纖。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于，所述非磁性金屬板的強(qiáng)度，以保證磁致伸縮薄膜發(fā)生形變時(shí)非磁性金屬板不會(huì)發(fā)生形變?yōu)樵瓌t。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于，所述磁致伸縮薄膜包括但不限于巨磁致伸縮材料Ter f eno 1-D薄膜。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電流傳感器，其特征在于，所述高反膜包括但不限于鋁薄膜、銀薄膜;所述非磁性金屬塊、板、管的材料包括但不限于銅。6.一種基于微位移測量的電流傳感器的制造方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: (1)選取長方體形狀的金屬玻璃metglass； (2)將所述metglass清洗干凈，然后用射頻磁控濺射儀在其上、下表面各濺射一層厚度為100nm?2000nm磁致伸縮薄膜，形成磁致伸縮薄膜metglass片;然后再在下表面用射頻磁控濺射儀濺射一層厚度為300?500nm的高反膜，形成一個(gè)光信號(hào)的高反射表面； (3)在所述的磁致伸縮薄膜metglass下表面距離兩端合適的位置處各固定一個(gè)非磁性金屬塊； (4)在兩個(gè)非磁性金屬塊的另一面固定一塊強(qiáng)度適宜的非磁性金屬板，其平面尺寸與metglass相同；在該非磁性金屬板的正中間鉆一個(gè)適應(yīng)光纖穿入的通孔，金屬板的面積尺寸與metglass相同； (5)將光纖穿過非磁性金屬板上的通孔，使光纖端面與高反膜之間保持合適的距離，然后將光纖與非磁性金屬板固定，這樣在光纖端面與高反膜之間就形成了一個(gè)光纖法布里一I白羅干涉儀。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟(5)中光纖與非磁性金屬板通孔之間，設(shè)有一個(gè)非磁性金屬管，該金屬管內(nèi)徑與光纖相當(dāng)，外徑與通孔內(nèi)徑相當(dāng)，用于光纖固定，并且光纖端面穿出金屬管口 一定的距離。8.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的制備方法，其特征在于，磁致伸縮薄膜上表面距離被測電流回路的距離不大于5cm。9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的制備方法，其特征在于，所述metglass的長、寬、厚尺寸為20mm X 5mm X 0.025mm。10.根據(jù)權(quán)利要求2或7所述的制備方法，其特征在于，非磁性金屬管有一定的長度，且與非磁性金屬板垂直，以保證光纖端面與高反膜面保持平行。
【文檔編號(hào)】G01R19/00GK106093525SQ201610472240
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月23日
【發(fā)明人】朱本鵬, 李家普, 歐陽君, 王鮮然, 李俊宇, 劉項(xiàng)力, 陳實(shí), 楊曉非
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)