[发明专利]磁流体光学测量磁场或电流的传感技术

说明书

本发明涉及一种光学测量磁场或电流的技术，特别是一种用磁流体进行光学测量磁场或电流传感技术。

传统的磁场或电流的光学测量技术，是应用法拉第效应或磁致伸缩效应来进行的。法拉第效应法测量磁场或电流时，偏振光入射到置于电流所产生的磁场中的磁旋光玻璃或晶体中时，偏振面会产生与磁场强度成正比的旋转角，用检偏器检测到这个旋转角，就能测量出磁场的大小，并进一步推算出电流的大小。磁致伸缩效应法测量磁场或电流时，磁场使放在电流产生的磁场中的磁致伸缩光纤拉伸或压缩，从而使在光纤中传输的光的相位发生变化，用干涉法检测这个相位变化，就能测量出磁场的大小，并进一步推算出电流的大小。在法拉第效应法中，现有的透明度较好的旋光玻璃法拉第系数很小，信噪比小，法拉第系数大的晶体线性度不好，透明度不好，折射率大，光耦合困难，不能投入实际应用，加之，必须使用偏振光技术，技术复杂，受环境干扰大，可靠性较差。在磁致伸缩效应法中，磁致伸缩效应很小，不能实际应用。

本发明的目的就是提供一种磁流体光学测量磁场或电流的传感技术，它是利用磁流体热透镜耦合光磁效应去测量电流产生的磁场，简化了设备，避免了环境干扰，测量磁场的分辨率达到0.1奥斯特，与法拉第效应法的测量结果相一致。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，它主要包括如下的几个环节：

(1)将磁流体薄片置于被测的磁场或被测电流所产生的磁场中；磁流体薄片所在的平面应与磁场方向垂直；

(2)激光器射出的激光束经凸透镜聚焦于磁流体薄片上而产生衍射，衍射的状态与磁场强度相关；

(3)测出衍射面上某两个固定点光强大小，将该两点的光强值与预先校正好的值对比，就可以测知磁场的大小，根据磁场的大小，又可推算出产生磁场的电流大小。

在磁流体热透镜耦合光磁效应中，聚焦于置于磁场中的磁流体薄片的激光束会发生衍射，其衍射角θ与磁场的n次方成比正比，其中：对直流电产生的磁场，n＝1.85，对交流电产生的磁场，n＝1.62；衍射角θ与磁场之间呈非线性关系。根据这一关系，可以预先校正好一组衍射角θ或者衍射面上某两个固定点的光强大小与磁场大小的对应值，在实际测量过程中，只要测量出衍射面上这两个固定点的光强大小，就可以从标定值中对应地查出磁场的大小。

由于采用了上述技术方案，本发明所用的传感材料属纳米级磁流体，用量极少，仅需1cm×1cm×40μm薄层，接收光纤采用大口径塑料光纤或大数值口径的石英光纤，均比法拉第效应法中采用的保偏光纤价廉，或者比不用保偏光纤而采用起偏检偏缆上组件的法拉第法结构简单，由于不需使用偏振光技术，整个系统较为简单，也避免了保偏光纤易受环境如应力、温度等干扰的问题，而测量的精度和分辨率与法拉第效应法相当。

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

本发明主要包括如下的几个环节：

(1)将磁流体薄片置于被测的磁场或被测电流所产生的磁场中；磁流体薄片所在的平面应与磁场方向垂直；

(2)从633nm激光器射出的激光束经焦距为1.0～1.5cm的凸透镜聚焦于磁流体薄片上而产生衍射，衍射的状态与磁场强度相关，衍射半径随磁场增大而增大，即随着磁场的增大，衍射环沿半径向外移动；

(3)测出衍射面上某两个固定点光强大小，将该两点的光强值与预先校正好的值对比，就可以测知磁场的大小，根据磁场的大小，又可推算出产生磁场的电流大小。

磁流体薄片的制作方法是：用9nm带表面活化层的四氧化三铁微粒煤油基磁流体或其它磁流体作传感介质，以毛细吸入方式置于一个一侧开口的1cm×1cm×40μm玻片小腔中，然后如其余三侧一样用环氧树脂封口，构成一块磁流体传感薄片。

测量出衍射面上两个固定点的光强大小的方法是：将两条光纤的端面置于衍射面上相隔半个衍射环宽度位置上，并使在当磁场强度为零时其中一条光纤的出射光强最大，而另一条光纤的出射光强最小，两条光纤的另一端分别耦合入两个光纤光功率计，光功率计的电输出经模数转换接口输入计算机，计算机将从两条光纤输来的光强值与较对好的标准值进行对比，避免多值效应，得到对应的磁场值。

在衍射面上采用测量两个固定点的光强大小的目的是避免单点测量时，由于随着磁场增大，不同的衍射环相继扫过测量点而造成的磁场强度与光强度的多值对应关系，即一个光强度可能对应于多个磁场强度值，这就不能形成光强度与磁场强度的一一对应关系。