一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法。本发明专利技术通过设置三个磁光材料作为传感头，在测量导体电流时，保证三个磁光材料的相对位置固定不变。当这三个磁光材料处于通电导体所形成的磁场中时，三个磁光材料内通过的偏振光都会由于法拉第效应而使偏振方向发生偏转；通过测量三束偏振光经三个磁光材料后每一偏振光的偏振方向所发生的偏转角，结合三个磁光材料内通光光路方向之间的固定夹角和相对距离就可计算出导体内的电流。采用本发明专利技术测量导体电流时，三个磁光材料作为一个整体与导体之间的安装角度、安装距离不敏感，可消除现有技术中因磁光材料与导体之间安装位置的不确定性而造成的测量误差。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电流测量
，具体地说是一种利用磁光材料测量导体电流的装置及方法。
技术介绍
电流测量，尤其是大电流测量，是电力系统、供电系统和大型生产企业在电力保障方面的一项重要工作。目前该领域普遍采用的是电磁式互感测量方式，这种方式的测量技术非常成熟，但存在着一些严重的缺点：一、设备笨重(因为存在线包和铁芯)；二、在互感过程中耗能高；三、为了防止过热，需要将设备发热部分浸入到油中，带来极大的公共安全及正常生活秩序的隐患。近些年，采用光传感技术进行电流测量日益受到重视。目前主流技术是利用法拉第磁光效应。利用法拉第磁光效应测电流又分为两类，一类是采用光纤环绕在电流导体的周围，通过测量电流产生的磁感应强度，从而实现电流的测量；另一类是采用磁光材料，将磁光材料放在导体附近，通电导体产生的磁场会改变通过磁光材料的光的偏振态，通过测量光的偏振态随着磁场的变化情况，实现对导体的电流测量。如图1所示，图1是采用磁光材料测量导体电流的原理图。当一束偏振光通过一个处于磁场当中的磁光材料时，其偏振方向由于法拉第磁光效应而发生改变，在磁光材料长度一定的情况下，偏振方向改变的角度β随磁感应强度B的增加而增加。而在导体中有电流通过的时候，在导体周边就会产生随着电流的增加而增加的磁场，利用图1长度为D的磁光材料，通过测量偏振光由于磁场变化产生的偏转角度，从而计算出导体中的电流强度。在使用磁光材料测量导体电流的系统上，磁光材料作为一种传感介质，通常是将其放置在导体附近或者紧贴导体，从而实现电流测量。如图2所示，图2中示出了磁光材料、导体、光输入和光输出路径(光输入和光输出路径均采用光纤来实现)等的侧视图(图2(a))及端视图(图2(b))。目前普遍采用的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图如图3所示。其中光源产生一束光，通过一个起偏器变成偏振光，再通过放置在电流导体(图中所示为导体横截面)附近的磁光材料，由于电流磁场的作用，磁光材料使得通过的偏振光的偏振方向发生偏转，在另一端输出的光就是一个与之前输入的偏振光偏振方向不一致的偏振光。这个输出偏振光再通
过一个检偏器(或叫偏振片，这个检偏器的偏振化方向是已知的，比如和前面的起偏器的偏振化方向一致)；这时候通过检偏器的光强就会减弱，因为光的偏振方向发生了偏转，只有平行于检偏器偏振轴方向的偏振光分量能够通过。而且电流越大周边磁场越强，磁光材料对通过的偏振光偏振方向的偏转就越大，通过检偏器的光强就越小(这里选定磁光材料使偏振光偏振方向发生偏转的偏转角不超过45°)。使用一个光探测器接收检偏器的输出光，并产生一个电信号，通过一个信号处理电路与光源输出光光强进行比较、计算即可测出电流导体中的电流强度。图4是在图3基础上改进的利用磁光材料测量导体电流的系统示意图，其中光源发出的光经过起偏器变成偏振光以后进入磁光材料，在导体电流产生的磁场作用下，通过磁光材料的偏振光的偏振方向发生偏转，之后进入一个偏振分束器，被分束成两束偏振方向相互垂直的偏振光。通过测量这两束偏振光的光强并进行比较，即可计算出磁光材料对光的偏转程度，从而计算出电流强度。比如偏振分束器的一个偏振轴a与起偏器的偏振化方向一致，那么在接收到通过磁光材料的受磁场影响发生偏转的偏振光时，随着磁场的增强，通过偏振轴a的光强度就会减小，通过偏振分束器另外一个偏振轴b的光强就会增强。图4所示系统与图3相比的区别在于，只需要比较偏振分束器两个输出光的光强大小即可测量电流，而最重要的是这种系统不受光源输出功率波动和传输过程中光衰减的影响。但是，在放置磁光材料过程中，通常磁光材料相对于导体的位置会有不确定性。位置不确定包括两种情况，一种是磁光材料和被测导体之间的距离不确定；另一种是磁光材料和被测导体之间的角度不确定，也可以说是磁光材料内通光方向和被测导体内电流方向之间的角度不确定。造成磁光材料和被测导体之间距离不确定的原因有：被测导体有不同厚度的外包绝缘层；由于安装条件限制，测量电流用的探头无法紧贴导体；实际使用中不可避免的机械震动等。磁光材料是通过感受导体周边磁感应强度来测量电流的，而导体周边的磁场，是随着距离导体的远近而有变化的，距离导体越近，磁感应强度越大，距离导体越远，磁感应强度越小。这种情况就为采用磁光材料测量导体电流带来了不便，会因为磁光材料与导体之间距离的微小变化而产生测量误差。造成磁光材料和被测导体之间角度不确定的原因有：被测导体的外包绝缘层光滑不易固定磁光材料的安装角度；由于安装条件限制，测量电流用的探头无法和导体保持固定角度；实际使用中不可避免的机械震动等。导体内电流方向与磁光材料内通光方向之间的角度不同，会导致磁光材料对磁场的敏感度不同；当磁光材料内通光方向与导体内电流方向垂直时，磁光材料对电流产生的磁场感应最敏感，磁光材料内通光方向与导体内电流方向之间的角度偏离垂直位置越多，磁光材料感应磁场的变化越小。这种情况
同样为采用磁光材料测量导体电流带来了不便，会因为磁光材料与导体之间角度的微小变化而产生测量误差。因此，磁光材料与导体之间距离和角度的不确定性是采用非环绕磁光材料测量导体电流形成测量误差的最重要来源之一。
技术实现思路
本专利技术的目的之一就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的方法，该方法能够在磁光材料和被测导体之间距离以及角度不受限制的情况下准确测量导体的电流。本专利技术的目的之二就是提供一种利用磁光材料测量导体电流的装置，采用该装置测量导体电流，可同时消除现有技术中由于磁光材料与导体之间距离的不确定性和角度的不确定性而造成的测量误差。本专利技术的目的之一是这样实现的：一种利用磁光材料测量导体电流的方法，包括如下步骤：a、使第一磁光材料、第二磁光材料和第三磁光材料分别相对导体而放置，且三个磁光材料的相对位置固定不变；第一磁光材料与第二磁光材料平行，但与第三磁光材料不平行；第一磁光材料距导体的距离小于第二磁光材料距导体的距离，第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等；b、设置光源；使光源发出的光转变为三束偏振光，分别为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光；使第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料，使第三偏振光通光第三磁光材料；c、测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角β1，测量第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角β2，测量第三偏振光通过第三磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第三偏转角β3；d、根据三个偏转角计算出导体内的电流。本专利技术通过设置三个相对放置的磁光材料(例如为磁光晶体或磁光玻璃等)来同时作为电流传感器件，测量导体电流过程中，保证三个磁光材料两两之间的相对位置固定不变，且第一磁光材料与第二磁光材料平行，但两者距导体的距离不同；第三磁光材料与第一磁光材料和第二磁光材料均不平行，但第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等。在每一个磁光材料内通入一束偏振光，由于法拉第效应，偏振光在经过磁光材料后偏振方向发生了偏转，偏振方向改变的角度正比于磁感应强度。由于第一磁光材料和第二磁光材料两者距导体的距离不同，因此两个磁光材料处的磁感应强度不同，故两束偏振光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用磁光材料测量导体电流的方法，其特征是，包括如下步骤：a、使第一磁光材料、第二磁光材料和第三磁光材料分别相对导体而放置，且三个磁光材料的相对位置固定不变；第一磁光材料与第二磁光材料平行，但与第三磁光材料不平行；第一磁光材料距导体的距离小于第二磁光材料距导体的距离，第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等；b、设置光源；使光源发出的光转变为三束偏振光，分别为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光；使第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料，使第三偏振光通光第三磁光材料；c、测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角β1，测量第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角β2，测量第三偏振光通过第三磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第三偏转角β3；d、根据三个偏转角计算出导体内的电流。

【技术特征摘要】
1.一种利用磁光材料测量导体电流的方法，其特征是，包括如下步骤：a、使第一磁光材料、第二磁光材料和第三磁光材料分别相对导体而放置，且三个磁光材料的相对位置固定不变；第一磁光材料与第二磁光材料平行，但与第三磁光材料不平行；第一磁光材料距导体的距离小于第二磁光材料距导体的距离，第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等；b、设置光源；使光源发出的光转变为三束偏振光，分别为第一偏振光、第二偏振光和第三偏振光；使第一偏振光通过第一磁光材料，使第二偏振光通过第二磁光材料，使第三偏振光通光第三磁光材料；c、测量第一偏振光通过第一磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第一偏转角β1，测量第二偏振光通过第二磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第二偏转角β2，测量第三偏振光通过第三磁光材料后光束偏振方向发生偏转的第三偏转角β3；d、根据三个偏转角计算出导体内的电流。2.一种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括：第一磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料与第一磁光材料平行，且第二磁光材料距导体的距离大于第一磁光材料距导体的距离；第三磁光材料，相对导体而放置；第三磁光材料与第一磁光材料和第二磁光材料均不平行，且第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等；第一磁光材料、第二磁光材料和第三磁光材料三者的相对位置固定不变；光源，用于产生一束测量光；偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为三束偏振光，三束偏振光分别入射所述第一磁光材料、所述第二磁光材料和所述第三磁光材料；第一检偏器，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光；第二检偏器，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光；第三检偏器，用于接收来自所述第三磁光材料的出射光；第一光探测器，用于接收来自所述第一检偏器的检偏输出光，并产生一个第一电信号；第二光探测器，用于接收来自所述第二检偏器的检偏输出光，并产生一个第二电信号；第三光探测器，用于接收来自所述第三检偏器的检偏输出光，并产生一个第三电信号；
\t以及信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器和所述第三光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号和所述第三电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。3.根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束单元包括起偏器、第一分束器和第二分束器；所述起偏器用于接收所述光源产生的测量光并输出一束偏振光，所述第一分束器用于将所述起偏器输出的一束偏振光分束为两束偏振光，所述第二分束器用于将所述第一分束器输出的其中一束偏振光再次分束为两束偏振光。4.根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束单元包括第一分束器、第二分束器、第一起偏器、第二起偏器和第三起偏器；所述第一分束器用于将所述光源产生的一束测量光分束为两束测量光，所述第一分束器输出的其中一束测量光经所述第一起偏器后转变为一束偏振光，所述第一分束器输出的另一束测量光经所述第二分束器后再次被分束为两束测量光；所述第二分束器输出的其中一束测量光经所述第二起偏器后转变为一束偏振光，所述第二分束器输出的另一束测量光经所述第三起偏器后转变为一束偏振光。5.根据权利要求2所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述偏振分束单元包括第一偏振分束器和第二偏振分束器；所述第一偏振分束器用于将所述光源产生的一束测量光分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光，所述第二偏振分束器用于将所述第一偏振分束器输出的其中一束偏振光再次分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光。6.一种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括：第一磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料与第一磁光材料平行，且第二磁光材料距导体的距离大于第一磁光材料距导体的距离；第三磁光材料，相对导体而放置；第三磁光材料与第一磁光材料和第二磁光材料均不平行，且第三磁光材料距导体的距离与第一磁光材料距导体的距离相等或与第二磁光材料距导体的距离相等；第一磁光材料、第二磁光材料和第三磁光材料三者的相对位置固定不变；光源，用于产生一束测量光；第一偏振分束单元，用于接收所述光源产生的一束测量光并分束为三束偏振光，三束偏振光分别入射所述第一磁光材料、所述第二磁光材料和所述第三磁光材料；第二偏振分束单元，用于接收来自所述第一磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振方
\t向相互垂直的偏振光；第三偏振分束单元，用于接收来自所述第二磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光；第四偏振分束单元，用于接收来自所述第三磁光材料的出射光并将其分束为两束偏振方向相互垂直的偏振光；第一光探测器和第二光探测器，两者分别接收来自所述第二偏振分束单元的两束偏振光，并分别产生第一电信号和第二电信号；第三光探测器和第四光探测器，两者分别接收来自所述第三偏振分束单元的两束偏振光，并分别产生第三电信号和第四电信号；第五光探测器和第六光探测器，两者分别接收来自所述第四偏振分束单元的两束偏振光，并分别产生第五电信号和第六电信号；以及信号处理电路，分别与所述第一光探测器、所述第二光探测器、所述第三光探测器、所述第四光探测器、所述第五光探测器和所述第六光探测器相接，用于接收所述第一电信号、所述第二电信号、所述第三电信号、所述第四电信号、所述第五电信号和所述第六电信号，并根据接收到的电信号计算导体内的电流。7.根据权利要求6所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述第二偏振分束单元、所述第三偏振分束单元和所述第四偏振分束单元为偏振分束器或沃拉斯顿棱镜。8.根据权利要求7所述的利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，所述第二偏振分束单元为第一沃拉斯顿棱镜，所述第三偏振分束单元为第二沃拉斯顿棱镜，所述第四偏振分束单元为第三沃拉斯顿棱镜；在所述第一沃拉斯顿棱镜、所述第二沃拉斯顿棱镜和所述第三沃拉斯顿棱镜的后端均设置有双光纤准直器，且所述第一光探测器和所述第二光探测器分别通过光纤接收来自所述第一沃拉斯顿棱镜的光信号，所述第三光探测器和所述第四光探测器分别通过光纤接收来自所述第二沃拉斯顿棱镜的光信号，所述第五光探测器和所述第六光探测器分别通过光纤接收来自所述第三沃拉斯顿棱镜的光信号。9.一种利用磁光材料测量导体电流的装置，其特征是，包括：第一磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料，相对导体而放置；第二磁光材料与第一磁光材料平行，且第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨丽君，刘再旺，尉长江，姚晓天，钦明亮，
申请(专利权)人：河北大学，北京高光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：河北;13