一种光学电流互感器传感头及传感方法技术

一种光学电流互感器传感头，包括光波导基底、位于所述光波导基底上的磁光感应膜层；所述磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁性介电材料复合构成；所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特征。所述电流传感方法利用了ｐ偏振光与具有纳米结构特征的表面等离子激元金属材料发生的相互作用，在磁场下使磁光感应膜层产生的磁光效应，由此通过光波导基底入射在磁光感应膜层上的光波特征参量受到外界电流磁场变化的调制，检测光波通过本发明专利技术所述传感头前后的强度、偏振态、相位或波长的变化可以实现电流的光学传感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学电流互感器领域，特别涉及一种光学电流传感头及其传感方法。
技术介绍
随着电力系统中电网电压等级的不断提高，容量不断增加，对电流互感器提出了 更高的要求。传统的电磁式电流互感器逐渐暴露出了严重的缺陷，主要包括(1)当系统发 生短路、电流异常增大时，互感器铁心饱和严重，其测量动态范围有限，且暂态性能恶化，使 二次电流不能正确反映一次电流，造成继电保护拒动或误动；(2)暂态信号和谐波测量能 力差，其线性度和动态特性均不能满足快速故障响应的要求；(3)随着电压等级的提高，依 靠油绝缘、气体绝缘的绝缘结构越来越复杂，成本高、重量重、体积大且有爆炸危险；(4)不 能直接提供数字信号，不适应电力计量与保护数字化信息化的发展要求。鉴于此，暂态性能 和绝缘性能更好的电子式电流互感器成为进一步发展的重点。目前，电子式电流互感器主要分为两大类光学电流互感器和空心线圈电流互感 器(又称Rogowski线圈式电流互感器)。比较而言，目前后者的实用化程度更高，但仍存在 很多难题需要克服。空心线圈电流互感器的传感头往往由漆包线均勻绕制在环形骨架上， 骨架采用塑料或者陶瓷等非铁磁材料，其相对磁导率与空气中的相对磁导率相同。空心线 圈电流互感器由于不带铁心，易受外界电磁干扰；其线圈绕制形状和工艺要求很高，且线圈 骨架的温度稳定性不高，尤其在电流波形发生畸变的情况下，其测量准确度不够高；其输出 信号是被测电流的微分，目前利用的模拟和数字积分电路还不能在宽频带上实现准确积分 功能，限制了其暂态性能；由于其高压侧信号处理电路需要长期可靠的供电电源，稳定供能 设计和低功耗设计是其目前发展的难点和关键，同时也限制了其绝缘性能。虽然近年来出 现了印刷电路板式空心线圈，提高了布线的精度和灵活性，以及线圈骨架的温度稳定性，但 作为有源电子式互感器，需要在高压侧引入电源和地，使得整个装置非常复杂。所以在电力 系统中应用互感器的理想形式应该是无源型的光学电流互感器，以大大降低绝缘要求。目前，光学电流互感器的种类有很多，按敏感材料类型可分为块状磁光材料型、磁 致伸缩材料型和全光纤型等几大类。块状磁光材料包括磁光玻璃和磁光晶体等，可加工成 条状或围绕载流导体的闭合环状传感头使用。对于环状磁光玻璃为传感头的光学互感器， 被测电流通过直线导体从主体玻璃环中心的孔穿过，偏振光经过反射面的多次全反射围绕 导体一周。这种传感头的不足之处是随时间的推移，反射面的性质会发生变化，测量的精度 和可靠性越来越差，长期稳定性不好，而且加工难度大，安装不方便。磁光晶体(以石榴石 晶体为代表)也被研究应用于电流测量领域，但其费尔德常数受温度影响比较大，磁化过 程带有随机性，使测量的稳定性和精度都不高，且成本较高。磁致伸缩材料与光纤结合可实 现电流传感，但由于光纤和磁致伸缩材料耦合的负载效应、磁致伸缩材料本身的磁饱和和 磁致效应的限制以及材料对温度和振动等环境因素的敏感性，都制约了该类传感头在光学 互感器中的实际应用。全光纤传感头就是将光纤直接绕制在载流导体上实现电流传感，光 路结构简单。由于温度、应力等环境因素可导致光纤内部双折射的随机变化，大大影响了基于偏振检测的全光纤电流互感器的测量精度和稳定性。虽然基于干涉检测方法的Sagnac 全光纤电流互感器近年来得到了足够的重视，也出现了挂网试运行的样机，但这种方案很 难区分由振动引起的光陀螺效应对传感检测的影响。近年来，随着功能薄膜技术的发展，光学电流互感器的传感头也有向薄膜化发展 的趋势。美国专利US0103380公开了一种基于磁光材料薄膜和光波导共振结构的电流传感 元件。美国专利US5736856公开了一种利用磁光克尔效应以铁磁材料或亚铁磁材料薄膜为 敏感元件的磁场传感器。中国专利CN101672870公开了一种电流传感器，其敏感单元为保 护层、永磁薄膜和磁光材料层叠生长结构。中国专利CN101672865公开了一种光纤电流传 感器，传感光纤上涂有磁致伸缩材料膜层。但由于上述技术方案仍受磁性材料性能的限制， 所以在实际应用中存在许多问题。随着纳米技术的迅速发展和人们对微观世界认识的深化，以表面等离子激元为代 表的纳米光子学领域取得了很大进展。表面等离子体激元是指金属表面自由电子同入射光 子相互耦合形成的非辐射“局域”电磁模式，金属表面自由电子在入射光场的激励下集体相 干振荡，将光能量聚集在金属和介质的界面上几百纳米的空间范围内，产生巨大的局域电 磁场增强效应，极大加强了光与物质之间的相互作用，可显著增强金属膜层的磁光特性，从 而加强了其对外界磁场变化的光传感响应能力。表面等离子激元的激发可以通过全反射现象、利用光纤和平面光波导等方式来实 现。除了可以激发金属薄膜单界面的表面等离子激元，通过合理设计金属与电介质的多层 薄膜结构，在金属膜层上下两个界面的表面等离子激元可以实现耦合，称为长程表面等离 子激元，可以实现在界面的更长距离传播。利用光栅结构、周期纳米孔结构和纳米金属粒子 等金属微纳结构可产生更强的局域高场增强效果，被称为局域表面等离子体激元共振。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服目前光学电流互感器实用化中存在的传感信号较弱且易受 环境因素干扰，温度稳定性差且具有随机性而无法有效补偿等问题，提出一种以表面等离 子激元的纳米效应为基础的新型光学电流传感头及其传感方法。本专利技术的光学电流互感器传感头，包括光波导基底和位于该基底上的磁光感应膜 层。磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁 性介电材料复合所构成。其中所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特 征。磁光感应膜层可以由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层层叠构成。磁光感应膜层也可以由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层与一个或几个 非磁性介电材料膜层层叠构成。进一步地，磁光感应膜层也可以是一种夹心结构，即一个表 面等离子激元金属材料膜层夹在两个非磁性介电材料膜层之间，或一个非磁性介电材料膜 层夹在两个表面等离子激元金属材料膜层之间；或者，磁光感应膜层由一个表面等离子激 元金属材料膜层和一个非磁性介电材料膜层构成，其中表面等离子激元金属材料膜层夹在 光波导基底与非磁性介电材料膜层之间。较好的，上述表面等离子激元金属材料膜层具有周期性或除膜层厚度以外的非周 期性纳米尺度特征。优选的，上述的表面等离子激元金属材料膜层具有纳米光栅或纳米孔阵列周期结 构；所述的表面等离子激元金属材料膜层具有岛状非周期纳米结构。磁光感应膜层还可以是由含有表面等离子激元金属材料纳米结构的材料掺杂入 非磁性介电材料膜层构成的。所述的表面等离子激元金属材料是Au、Ag、Cu或Al中的一种或几种。所述的光波导基底利用全反射现象实现光在材料中的传导，包括光纤和平面光波导。在所述光波导基底与所述磁光感应膜层之间存在中间联接层，中间联接层可增加 光波导基底与所述磁光感应膜层之间连接的牢固程度。在所述磁光感应膜层上存在保护层，以减少外界环境因素对磁光感应膜层的影 响。所述的表面等离子激元材料纳米结构特征是指表面等离子激元金属材料纳米膜 层的厚度，或表面等离子激元金属材料纳米粒子的粒径，或在纳米复合材料中表面等离子 激元金属材料的纳米结构形式。所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
一种光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的传感头包括光波导基底和位于所述光波导基底上的磁光感应膜层；所述磁光感应膜层由表面等离子激元金属材料构成，或由表面等离子激元金属材料与非磁性介电材料复合构成；所述磁光感应膜层具有表面等离子激元金属材料纳米结构特征。2.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层层叠构成。3.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是由一个或几个表面等离子激元金属材料膜层与一个或几个非磁性介电材料膜层层叠 构成。4.根据权利要求3所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层是一种夹心结构，即一个表面等离子激元金属材料膜层夹在两个非磁性介电材料膜层之 间或一个非磁性介电材料膜层夹在两个表面等离子激元金属材料膜层之间。5.根据权利要求3所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层的一个表面等离子激元金属材料膜层夹在所述光波导基底与一个所述非磁性介电材料 膜层之间。6.根据权利要求2至5中任一项所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的 表面等离子激元金属材料膜层具有周期性或除膜层厚度以外的非周期性纳米结构。7.根据权利要求6所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的周期性纳米 结构是纳米光栅结构或纳米孔阵列结构；所述的非周期性纳米结构是表面岛状非周期纳米 结构。8.根据权利要求1所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于，所述的磁光感应膜 层由含有表面等离子激元金属材料纳米结构的材料掺杂入非磁性介电材料膜层构成。9.根据权利要求1至5或7至8中任一项所述的光学电流互感器的传感头，其特征在于 所述的表面等离子激元材料纳米结构特征是指表面等离子激元金属材料纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫存极，罗雪峰，韩立，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：11