专利名称：带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，本发明同时还利用该种铁磁流体光学式电流传感装置，实现了一种能够提高铁磁流体光学式电流传感器性能、达到电流检测目的的方法。
背景技术：
铁磁流体光学式电流测量方法的基本原理是铁磁流体的纵向磁致旋光效应，即当单色偏振光束通过有纵向磁场调制的铁磁流体时，偏振光振动方向会发生旋转，且旋转角度的大小与调制磁场的强弱有关，故可通过测量偏振光振动方向旋转角的大小推导出调制磁场的强度。而调制磁场一般是由某一待测电流产生的，根据电流与磁场的关系，即可得到待测电流的参数。
现有铁磁流体光学式电流传感方法的主要缺陷是非恒定电流的响应时间长、灵敏度及精确度低。上述缺陷是铁磁流体被外加磁场作用下磁化时，磁性颗粒磁矩与外场取向趋同过程中弛豫时间较长引起的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一是提供一种带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置；本发明的目的之二是提供一种利用带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，实现电流检测的方法。本发明的目的之一是通过以下技术方案实现的本发明的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，包括单色光源、起偏器、铁磁流体薄膜、检偏器、光电探测器、预处理模块、数据采集器、数据处理器、控制�？�、驱动�？�、开关电源、励磁电源、人机交互接口、磁极I和磁极II;所述铁磁流体薄膜的表面与待测电流产生的磁场或待测磁场的方向保持垂直，所述单色光源用于发出检验光束，该光束经起偏器后成为振动方向一定的线偏振光，线偏振光垂直穿过由磁场调制的铁磁流体薄膜同时其振动方向发生旋转；所述检偏器设置于铁磁流体薄膜的另一侧，并配合光电探测器将旋转后的线偏振光光强大小转化为电压信号，并输出至预处理�？椋鲈ご砟？槎孕藕沤新瞬ê头糯蟠砗螅涑鲋潦莶杉鳎鍪莶杉鹘Ｄ庑藕抛晃中藕挪⑺腿胧荽砥鳎凰鍪荽碛肟刂颇？橛糜诙圆獾玫慕峁性怂愦砗螅獠瘟康南喙匦畔⑹涑鲋寥嘶换ソ涌冢保鍪荽砥鞲莶饬康慕峁卸ǖ缌�/磁场的类型和参数范围，发出相应的调整指令至控制�？椋凰隹刂颇？橛糜诟菔荽砥鞣⒊龅睦诺髡噶睿涑隼诺缭吹目刂菩藕牛缘鹘诤嵯蚱勾懦〉南喙夭问凰隼诺缭蠢诺缭�12在控制信号的调节作用下，用于为磁极I 14和磁极II15提供励磁电流，使得磁极产生磁场参量符合控制目的，所述磁极I和磁极II设置于铁磁流体薄膜，在励磁电源的作用下产生一个方向与偏振光传播方向相垂直的横向磁�。愿ㄖ帕魈逯写判钥帕５拇啪胤＝徊剑鲎爸没拱ㄇ？椋隹刂颇？榉⒊龅目刂菩藕啪？橹械缏返姆糯�、隔离和整定后，成为励磁电源中电力电子元件能够接受的控制信号；进一步，所述装置还包括开关电源，所述单色光源、光电探测器、预处理模块、数据采集器、数据处理器、控制�？楹颓？橹行枰牡缒苡煽氐缭刺峁唤徊剑龃偶獻包括电磁铁I和线圈I，磁极II包括电磁铁II和线圈II，所述电磁铁I和电磁铁II均为圆柱体，所述线圈I和线圈II为漆包线且分别密绕于电磁体I和电磁铁II上，所述线圈I的两线头端分别为电流输入端口 Pl和电流输出端口 P2，所述线圈II的两线头端分别为电流输入端口 P3和电流输出端口 P4，两电磁铁相对端面为磁靴结构且两个磁极的中轴线重合，相距f6mm ；
进一步，所述电磁铁I和电磁铁II的直径为l(T20mm，长度为25 60mm，材质为DT4
纯铁；进一步，所述磁靴边缘宽度为I. 5mm ；进一步，所述线圈I和线圈II均由型号为AWG27的漆包线构成，各50匝。本发明的目的之二是通过以下技术方案实现的所述方法包括以下步骤步骤一将铁磁流体光学式电流传感装置放入待测磁场中，其中铁磁流体薄膜为用铁磁流体制成的薄片，在调制磁场的作用下使偏振光的振动方向发生旋转；步骤二 将磁极I和磁极II以对称的方式分别放置于铁磁流体薄膜的两侧，在与调制磁场相垂直的方向对铁磁流体薄膜施加一个横向偏压磁场，提高铁磁流体对外加纵向磁场的响应速度；步骤三通过检偏器配合光电探测器将旋转后的线偏振光光强大小转化为电压信号，并输出至预处理�？椋鲈ご砟？槎孕藕沤新瞬ê头糯蟠砗螅涑鲋潦莶杉鳎鍪莶杉鹘Ｄ庑藕抛晃中藕挪⑺腿胧荽砥鹘性怂愦恚ü饬科窆庹穸较蛐堑拇笮⊥频汲龅髦拼懦〉那慷龋髦拼懦∮纱獾缌鞑莸缌饔氪懦〉墓叵担纯傻玫酱獾缌鞯牟问�。本发明的有益效果是I.本发明的装置通过在调制磁场相垂直的方向施加一个横向偏压磁�。行岣咛帕魈宥酝饧幼菹虼懦〉南煊λ俣龋佣醵烫帕魈逯写判钥帕Ｔ谕饧幼菹虼懦∽饔孟孪煊κ奔洌銮刻帕魈宕殴庑вΦ牧槊舳龋呕衅鞯亩匦裕�2.本发明扩大了基于铁磁流体纵向磁光效应进行电流/磁场传感和测量的对象类型，不仅能够对直流/恒定磁场、交变电流/交变磁场的参量进行变送，而且还能够对脉冲电流/脉冲磁场的参量进行变送。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中图I是带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置的结构框图；图2是带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置示意图；图3是产生横向偏压磁场的磁极不意图；图4为本发明的一个具体实施电路连接示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。如图I和图2所示，本发明的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，包括单色光源I、起偏器2、铁磁流体薄膜3、检偏器4、光电探测器5、预处理�？�6、数据采集器7、数据处理器8、控制�？�9、驱动�？�10、开关电源11、励磁电源12、人机交互接口13、磁极114和磁极1115 ；铁磁流体薄膜3的表面与待测电流产生的磁场或待测磁场的方向保持垂直，所述单色光源I用于发出检验光束，该光束经起偏器2后成为振动方向一定的线偏振光,线偏振光垂直穿过由磁场调制的铁磁流体薄膜同时其振动方向发生旋转；检偏器4设置于铁磁流体薄膜3的另一侧，并配合光电探测器5将旋转后的线偏振光光强大小转化为电压信号，并输出至预处理�？�6，所述预处理�？�6对信号进行滤波和放大处理后，输出至数据采集器7，所述数据采集器7将模拟信号转换为数字信号并送入数据处理器8 ；数据处理器8对测得的结果进行运算处理后，将待测参量的相关信息输出至人机交互接口，同时，数据处理器根据测量的结果判定电流/磁场的类型和参数范围，发出相应的调整指令至控制�？�9;控制�？�9用于根据数据处理器发出的励磁调整指令，对励磁电源中的开关元件进行控制，本发明中，数据处理器与控制�？橐环矫娑允莶杉魇涑龅氖中藕沤写恚从彻庋降缌鞔衅鞯纳杓埔馔迹ǖ缌�/磁场的量值、电流/磁场的变化规律等；另一方面输出励磁电源的控制信号，以调节横向偏压磁场的相关参数，包括横向偏压磁场的大小和变化规律等。本实施例中，控制模块9发出的控制信号经过驱动�？�10中电路的放大、隔离和整定后，成为励磁电源12中电力电子元件能够接受的控制信号。励磁电源12在控制信号的调节作用下，用于为磁极I 14和磁极II 15提供励磁电流，使得磁极产生磁场参量符合控制目的。磁极I 14和磁极II 15设置于铁磁流体薄膜，根据励磁电流的参数施加不同程度的横向偏压磁场至铁磁流体薄膜3上。本发明中，还可以根据需要增加信号变送�？椋糜诮荽砗涂刂颇？槭涑龅目刂菩藕沤行藕诺墓β史糯蟆⒌缙衾胍约靶藕判问降淖唬侠诺缭炊钥刂菩藕判问降囊蟆１臼凳├校龅ド庠�、光电探测器、预处理�？�、数据采集器、数据处理器、控制�？楹颓？橹行枰牡缒苡煽氐缭�11提供。如图2所不,本发明的装置中，磁极I和磁极II产生的磁场方向垂直于光束传播方向，铁磁流体薄膜3与磁极I、磁极II的中轴线重合。如图3所示，磁极I 14包括电磁铁I和线圈I，磁极II 15包括电磁铁II和线圈II，电磁铁I和电磁铁II为图中的Ml和M2，线圈I和线圈II为图中Cl和C2，电磁铁I和电磁铁II均为圆柱体，线圈I和线圈II为漆包线且分别密绕于电磁体I和电磁铁II上，线圈I的两线头端分别为电流输入端口 Pl和电流输出端口 P2，所述线圈II的两线头端分别为电流输入端口 P3和电流输出端口 P4，两电磁铁相对端面为磁靴结构且两个磁极的中轴线重合，相距6cm,不能超过6mm。本实施例中，电磁铁I和电磁铁II的直径为12mm,长度为40mm，材质为DT4纯铁。所述磁靴边缘宽度为I. 5mm。所述线圈I和线圈II均由型号为AWG27的漆包线构成，各50匝。图4为本发明采用的一个具体实现电路，其中，其中R1-R8为电阻元件，C1-C18为 电容元件，Fl为熔断器，BI为整流桥，L1-L6为电感元件，D1-D8为二极管，VT1-VT4为IGBT。Jl为单相电源输入插头，包含三个端子，其中插头的L端代表与电源的火线相连，N端代表与电源的零线相连，G端代表与地线相连。J2为励磁电源的输出配线盒，包含两路进线和四路出线，其中两个进线端子分别分接到两个出线端子上，一个进线端子与出线端子Pl和P3相连，另一个进线端子与出线端子P2和P4相连。Pl和P2分别接到图3所示磁极I的Pl和P2端口 ；P3和P4分别接到图3所示磁极2的P3和P4端口 ；TA1为电流互感器，将励磁电源的输出电流反馈到控制模块，与数据处理器的给定值之间进行比较，形成对励磁电源输出电流的闭环控制。Tl为输出变压器，其功能是对输出电压进行隔离和升压的作用。T2为电压互感器，将励磁电源的输出电压反馈到控制�？椋胧荽砥鞯母ㄖ抵浣斜冉希纬啥岳诺缭词涑龅缪沟谋栈房刂�。SI为电源开关，处于�？刺毙枰诺缭垂ぷ魇保训ハ嗟缭词淙氩逋酚�220V单相电源接通后即闭合电源开关SI。图中的A区域为滤波电路，包括电阻Rl、R2、电容Cl、C3、C4 C9以及电感Lf L3，B区域为IGBT电压输出通断电路，分为4组子电路，每一组均包括一个IGBT晶体管，每一IGBT晶体管的基极分别连接至驱动模块的一路控制输出端，通过驱动�？槭涑龅目刂菩藕糯シ⒌纪ǎü煌拥缏返拇シ⒌纪ǎ釉夭煌牡缪剐藕胖潦涑霰溲蛊鱐l的电压输入侦牝图中的C区域为励磁输出电路，用于将输出变压器Tl升压后的电压输出至J2。在实际应用中，上述电路各区域的功能不止采用如图中的具体电子件实现，只要能够实现相应的功能，也可以采用不同的电子件进行组装实现。本发明的测量原理如下:传感装置的核心部件为铁磁流体制成的三明治结构薄膜，该薄膜基于铁磁流体在外加纵向磁场作用下的磁致旋光效应。透光铁磁流体薄膜之后偏振光偏振面旋转的角度与外加纵向磁场强度之间有固定的函数关系。单色光源发出的光束经起偏器后成为线偏振光，经过外加磁场调制的铁磁流体薄膜后，偏振角向某一固定方向发生了旋转，然后经检偏镜检偏到达光电探测器。光振动面的磁致旋光角Θ与光在介质中通过的路程L以及外加磁场强度H在光传播方向的分量成正t匕。旋转角的大小为Θ = μ 0VHL (I)
其中Θ为磁致旋光角，V是磁光介质的Verdet常数，H是沿着光路方向的磁场强度的大�。琇是光程或磁光介质沿着光路方向的厚度。从电磁理论的角度分析可知，入射的偏振光波作为一种电磁波，当其从具有磁矩的铁磁流体中透射后，光的偏振态发生变化。这是具有磁矩的物质与电磁波的电场和磁场相互作用的结果。铁磁流体在外加调制磁场作用下的磁化是一个弛豫过程，因此其磁致旋光效应也存在弛豫时间。换句话说，铁磁流体磁致旋光效应的弛豫过程是由其内部磁性颗粒在外加磁场作用下的磁化弛豫决定的。磁性颗粒的磁化弛豫特性与颗粒尺寸之间存在密切关系较大的粒子对应更长的弛豫时间，而较小的粒子其弛豫时间也相对较短。铁磁流体中磁性纳米颗粒的磁化过程不仅取决于铁磁流体本身的性质，而且还与铁磁流体中磁性纳米颗粒的物理化学性质、微观结构以及外加磁场的性质有关。把单色激光束经起偏器后的偏振光看作输入信号，把光电探测器测量得到的偏振光强为输出信号，贝1J可以把外加纵向磁场作用下的铁磁流体薄膜与检偏器看作是一个传输特性不随时间变化的定常系统。根据系统分析中的卷积定理，可知归一化后的理想单位方波脉冲响应函数与输入信号的卷积即为该系统在此输入信号的响应。铁磁流体在纵向调制磁场作用下的传输特性可表示为
权利要求
1.带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述装置包括单色光源、起偏器、铁磁流体薄膜、检偏器、光电探测器、预处理�？椤⑹莶杉�、数据处理器、控制�？�、驱动�？�、开关电源、励磁电源、人机交互接口、磁极I和磁极II ； 所述铁磁流体薄膜的表面与待测电流产生的磁场或待测磁场的方向保持垂直，所述单色光源用于发出检验光束，该光束经起偏器后成为振动方向一定的线偏振光，线偏振光垂直穿过由磁场调制的铁磁流体薄膜同时其振动方向发生旋转； 所述检偏器设置于铁磁流体薄膜的另一侧，并配合光电探测器将旋转后的线偏振光光强大小转化为电压信号，并输出至预处理�？椋鲈ご砟？槎孕藕沤新瞬ê头糯蟠砗螅涑鲋潦莶杉鳎鍪莶杉鹘Ｄ庑藕抛晃中藕挪⑺腿胧荽砥鳎� 所述数据处理与控制�？橛糜诙圆獾玫慕峁性怂愦砗螅獠瘟康南喙匦畔⑹涑鲋寥嘶换ソ涌冢保鍪荽砥鞲莶饬康慕峁卸ǖ缌�/磁场的类型和参数范围，发出相应的调整指令至控制�？椋� 所述控制�？橛糜诟菔荽砥鞣⒊龅睦诺髡噶睿涑隼诺缭吹目刂菩藕牛缘鹘诤嵯蚱勾懦〉南喙夭问� 所述励磁电源励磁电源12在控制信号的调节作用下，用于为磁极I 14和磁极II 15提供励磁电流，使得磁极产生磁场参量符合控制目的，所述磁极I和磁极II设置于铁磁流体薄膜，在励磁电源的作用下产生一个方向与偏振光传播方向相垂直的横向磁�。愿ㄖ帕魈逯写判钥帕５拇啪胤�
2.根据权利要求I所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述装置还包括驱动�？椋隹刂颇？榉⒊龅目刂菩藕啪？橹械缏返姆糯�、隔离和整定后，成为励磁电源中电力电子元件能够接受的控制信号。
3.根据权利要求I或2所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述装置还包括开关电源，所述单色光源、光电探测器、预处理模块、数据采集器、数据处理器、控制�？楹颓？橹行枰牡缒苡煽氐缭刺峁�。
4.根据权利要求I或2或3所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述磁极I包括电磁铁I和线圈I，磁极II包括电磁铁II和线圈II，所述电磁铁I和电磁铁II均为圆柱体，所述线圈I和线圈II为漆包线且分别密绕于电磁体I和电磁铁II上，所述线圈I的两线头端分别为电流输入端口 Pl和电流输出端口 P2，所述线圈II的两线头端分别为电流输入端口 P3和电流输出端口 P4，两电磁铁相对端面为磁靴结构且两个磁极的中轴线重合,相距为f6mm。
5.根据权利要求I或2或3所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述电磁铁I和电磁铁II的直径为l(T20mm，长度为25飞Omm，材质为DT4纯铁。
6.根据权利要求I或2或3所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述磁靴边缘宽度为I. 5mm。
7.根据权利要求I或2或3所述的带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，其特征在于所述线圈I和线圈II均由型号为AWG27的漆包线构成，各50匝。
8.采用如权利要求I至7任一所述的铁磁流体光学式电流传感装置来进行电流检测的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤 步骤一将铁磁流体光学式电流传感装置放入待测磁场中，其中铁磁流体薄膜为用铁磁流体制成的薄片，在调制磁场的作用下使偏振光的振动方向发生旋转； 步骤二 将磁极I和磁极II以对称的方式分别放置于铁磁流体薄膜的两侧，在与调制磁场相垂直的方向对铁磁流体薄膜施加一个横向偏压磁�。岣咛帕魈宥酝饧幼菹虼懦〉南煊λ俣龋� 步骤三通过检偏器配合光电探测器将旋转后的线偏振光光强大小转化为电压信号，并输出至预处理�？椋鲈ご砟？槎孕藕沤新瞬ê头糯蟠砗螅涑鲋潦莶杉鳎� 所述数据采集器将模拟信号转换为数字信号并送入数据处理器进行运算处理，通过测量偏振光振动方向旋转角的大小推导出调制磁场的强度，而调制磁场由待测电流产生，根据电流与磁场的关系，即可得到待测电流的参数。
全文摘要
本发明公开了一种带有横向偏压装置的铁磁流体光学式电流传感装置，所述铁磁流体光学式电流传感器包括单色光源、起偏器、铁磁流体薄膜、检偏器、光电探测器，另外，在铁磁流体光学式电流传感器中加设一个横向偏压磁场发生装置，使用时，单色光束经起偏器后成为线偏振光，在外加纵向磁场调制作用下铁磁流体薄膜使透射其中的线偏振光振动方向旋转一定角度，旋转角度大小与外加纵向磁场强度有关，因此检测线偏振光旋转角度可得到产生外加纵向磁场的电流大�。珊嵯蚱勾懦》⑸爸貌拇懦】梢约涌焯帕魈逯写判钥帕Ｊ艿酵饧幼菹虼懦〉髦剖贝判钥帕４啪胤俣龋档拖煊κ奔洌岣叽衅鞯牧槊舳群途范龋换谏鲜鲎爸茫痉⒚骰构艘恢值缌鞑饬糠椒�。
文档编号G01R19/00GK102901859SQ20121043336
公开日2013年1月30日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者王士彬, 叶鹏, 王 华, 唐彬, 杜娟, 刁晓波, 曹霞, 全红 申请人:重庆市电力公司南岸供电局, 国家电网公司
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