专利名称：一种全光纤外差电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光电子技术领域，具体涉及光学量的测量方法和金属线栅的偏振选择特性，及基于此的一种在全光纤条件下实现外差电流测量的光纤电流传感器的制作方法和应用。
背景技术：
现有工业化应用的电流传感采用的以电磁感应原理为基础的常规电流互感技术， 暴露出一系列问题充油互感器在超高压环境有被击穿发生爆炸的危险、存在磁饱和与磁滞效应的不利效应、体积重量大、价格昂贵、易受电磁干扰影响等，难以满足新一代智能电网电力系统发展的需要。而相比较而言，光纤传感技术具有以下显著优势绝缘介质材料抗干扰能力强、可以在极端恶劣环境下工作、体积小重量轻且可以自由布局、测量范围大线性度好、容易与光纤通信系统衔接组合。所以，将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为应用于的新一代智能电网电力系统的很好方法。光纤式电流互感器是一种新型光机电一体化设备，可广泛应用于智能电网多个领域。但由于温度、应力等对测量性能影响难以计算，产品制造工艺难度大，部件一致性差，制造成本居高不下，至今光纤式电流互感器仍难以大规模应用。我们研制的基于金属纳米线栅的全光纤电流传感器采用全光纤传感光路，旨在提高光纤传感的稳定性和精度，并且大幅降低产品成本。随着日本这次核电站泄露事件的影响，中国暂停了部分新核电项目的审批。再加上国家于“十二五”期间对特高压电网建设的投资将达5000亿元，智能电网的发展势必将迎来春天。基于智能电网技术的特高压电网将是数字化电站技术、基于光纤通讯的控制系统、智能传感等新技术应用的大舞台。而传统的电流互感已难以满足新一代智能电网电力系统在线检测、高精度故障诊断、高干扰下作业、大电流测量、电力数字网等发展的需要。将光纤传感技术引入到电流检测中的光纤电流传感器成为解决上述难题的最好方法。预计用于下一代特高压智能电网系统中的光电互感器价值将超过百亿元，其中引领技术发展趋势的光纤电流传感器势必将占据很大的份额。所以，面向智能电网的光纤电流传感器市场前景极其乐观。综合国内外所有研究来看，光纤技术电流传感器主要分为以下两大类第一大类是基于电流发热效应的温度等效传感，如基于光纤布拉格光栅的分布式电流传感器，这类技术的优点在于其基础温度传感技术众多，而与此相对的很大缺点在于温度传感反应时间缓慢、易受环境条件影响等，这很大程度限制了其工业应用。第二大类是基于光纤介质法拉第磁光效应的电流传感，优点在于传感精确、反应时间快，缺点在于光纤环中存在不利的线性双折射，且光纤介质的范德尔系数(磁光系数) 小，以至传感灵敏度偏低。本作品所阐述的光纤电流传感器正是基于反射式光纤光路的磁光效应电流传感。 国际上基于这种技术的光纤电流传感研究也有不少，但是所有的研究几乎都是在传感头(如引入微光纤环、谐振腔技术)、或者传感光路(如利用Sagnac干涉光路)做改进，还没有研究做到在偏振检测端引入全光纤外差技术。外差技术在传感中为提高测量精度起到关键作用，现有的做法是在光检测端使用独立的晶体状分光棱镜，而分立元件的引入造成与上述使用磁光晶体同样的缺点，即对于器件的小型化、性能可靠性造成了很大的影响。而本作品除了具有光纤电流传感的一般优点外，其独特优势还在于引用了光纤金属纳米线栅的检偏技术，得以第一次实现无任何分立元件的全光纤外差电流传感系统，有利于器件的小型化、低成本化，而外差法的引入还可以很大程度上提高器件稳定性，在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下也可正常工作。

发明内容
本发明目的是利用光纤端面的金属线栅的光信号检偏技术，制备出一种新型的全光纤外差电流传感器及全光纤外差电流传感方法。本发明的技术方案是一种全光纤外差电流传感器，包括一个半导体激光器光源输入端，一个光纤偏振控制器，一个光纤电流感应单兀，一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计，第一第二两个光纤环路器，其中半导体激光器光源输入端通过光纤偏振控制器接第一光纤环路器后再连接光纤电流感应单元；第一光纤环路器第三端并联第二光纤环路器的第一端口，第二光纤环路器的第二端设有端面金属光栅和第一光功率计、第二光纤环路器的第二端接第二光功率计。所述光纤电流感应单元采用光纤环与电流环互绕的结构，光纤环的一端接法拉第旋转镜面，光纤环的另一端接第一光纤环路器输出端交互光信号的输入与输出，电流环接入待测电流感应单元的电流电路；从电流感应单元反射回来的信号光通过第一环路器入射到第二环路器的第一端口。端面金属光栅为亚波长金属光栅，实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制的全光纤光偏振控制器。采用全光纤条件下实现外差测量的方法，设置光路特征为半导体激光器光源输入端的入射光通过所述的全光纤光偏振控制器时，透射光通过光功率计测量光强It，反射光通过一个光纤环路器引入另一段光纤测量光强Ip经过信号处理得到外差结果外差结果
S= γ-J-。入射光到光纤环形器I的第一端口，环形器I第三端口通过光纤直接连接第二
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光功率计，入射光通过环形器第一端口至光纤环形器的第二端口和全光纤光偏振控制器的透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤到第一光功率计测量光强；透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强It，反射光通过一个光纤环路器引入另一段光纤测量光强Ip透射光光强It = Ιο8 η2(δ/2)，反射光光强L =ItlCOS2(SA),其中δ为相位差，Itl为入射偏振光的光强；透射光与反射光强的结果只与由于电流变化引起的光相位差S有关，与电流传感无关的诸如光源波动、环境温度变化、微弱机械振动等不利因素皆可排除。使用环路器I将光源，电流感应单元和全光纤外差光路连接起来；光源包括半导体激光器光源和普通光纤偏振控制器。利用微加工技术直接或间接的在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射或透射光的偏振性控制。本发明光纤电流传感器所使用基本传感原理是法拉第磁光效应。平面偏振光在某些有磁场作用的非旋光物质中传播时，若传播方向沿磁场作用方向，则光波的偏振面将发生旋转，其转角正比于磁场强度和所穿过的介质的长度，β = Y / Hdl，其中Y为磁光系数(范德尔系数)，H为磁场强度，I为磁光效应相互作用的空间长度，β为偏振光的方位角偏振角度。在本发明中光纤既作为信号光的传输载体，又作为产生法拉第磁光效应的传感性物质，即法拉第传感效应直接发生在信号光在光纤中的传输过程中。图I所示为本发明的导线、光纤相互绕制的结构示意图。多圈光纤平行紧密绕制在一个中心有空洞的圆柱体上(图中深色部分)，导线绕着圆柱体的内外壁均匀螺旋装绕制(图中标有电流I的直线)，则此结构电流产生的磁场方向沿着圆柱体壁的圆周方向(即光在光纤中的传输方向)，由此可直接在光纤环中利用图I所示的法拉第磁光效应来测量导线中电流的变化。在偏振型光纤传感系统中，偏振光的检偏技术在整体传感系统起到关键作用。本发明中使用全新的基于金属纳米线栅的偏振光检偏器，它有体积小、测量精度高、易于与光纤系统结合构建全光纤系统的优势。金属纳米线栅的结构如图2所示，一维无限长的条状金属(如金、银等)与条状空气机构周期性间隔排列在衬底(如二氧化硅)上，入射光垂直于线栅表面入射。根据有效介质理论，当光栅的周期(纳米量级)远小于入射光的光波长时，该光栅可等效为整体双折射材料，偏振平行于线栅方向的入射光近乎全部被反射，而偏振垂直于线栅方向的入射光近乎全部能透射。由此形成对于入射偏振光的检偏功能。光外差的方法对于提高偏振检测精度起到了很大的作用。常规的光信号偏振检测方法是在信号光待检测的出射端加上一个分光棱镜(由多块双折射晶体组成)，把出射光分成两束(或者多束)，各束二级出射光之间存在由分光棱镜决定的固定相位差，分别用光功率计(或光谱仪)收集各束光的光强、频率和相位等信息，然后再利用数学运算得到排除外界干扰的纯传感信号。可以排除的外界干扰因素一般包括光源强度的波动、环境温度的扰动、测量光路的微弱机械振动等。但是这种外差技术存在的明显缺点是所使用的分束棱镜都是体块晶体材料，而体块材料的引用就不可避免地使得测量需要在自由光路中进行， 于是就丧失了全光纤器件体积小、重量轻、机械稳定性好的优点。本发明的有益效果是(I)本发明中采用基于光纤端面纳米金属线栅的光路偏振检偏技术，得以实现全光纤外差数据采集，大幅度提高器件稳定性，可以在光源大幅波动、温度大幅波动等极端条件下正常工作。(2)本发明是第一次实现了无任何分立元件的全光纤电流传感，系统可靠性得以提高，器件小型化，更利于实际智能电网中灵活布局。(3)该电流传感器所使用的关键部件——光纤纳米金属线栅可使用纳米压印技术批量生产，产品成本可以控制到十分低。


图I感应单元中导线、光纤相互绕制的结构示意图2金属线栅偏振器的工作原理入射的TE光被反射，TM光透射；图3基于光纤端面金属线栅的全光纤外差测量光路；图4全光纤外差电流传感器的结构设置与工作原理；图5利用FIB方式，在光纤截面纤芯处得到的金属光栅结构。图5(a)为金属光栅的照片；图5(b)为纤芯处有线栅结构的光纤截面照片；图6为实施例2中光信号电流传感测量结果和外差计算结果；图7所示为外差法测量与普通测量的对比测量曲线。图7(a)中所示的曲线是光源纯在强度不稳情况下的透射信号；图7(b)中所示的曲线是光源纯在强度不稳情况下的反射信号(光功率计2信号)测量结果；图7(c)所示的是综合透射、反射信号进过外差处理后的测量曲线。
具体实施例方式下面通过实施例来进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施例来限制本发明。基于光纤端面金属线栅的全光纤外差电流传感器包括(I)光纤端面金属线栅的制作。利用微纳加工技术，通过直接或间接的方法在光纤表面制作金属线栅。直接法包括聚焦离子束刻蚀(FIB)，微纳遮挡板定向沉积技术，及软模板打印(金属)；间接法包括纳米压印、光刻技术、全息干涉及电子束直写(EBL)。具体说明直接法中的聚焦离子束刻蚀技术为利用聚焦镓离子束溅射掉光纤端面目标区域的金属膜层，得到金属线栅结构；微纳遮挡板定向沉积技术为利用遮挡板的空间遮挡效应，直接在光纤端面定向沉积金属线栅；软模板打印技术为在软模板的微纳结构表面沉积金属膜层， 打印转移金属线栅至光纤端面。间接法还可以分为两类，一是在光纤端面沉积的金属膜层上利用微纳加工技术制备结构挡层，并以此为阻挡利用湿法刻蚀或干法刻蚀刻蚀掉凹槽处的金属，最终洗脱掉挡层，得到金属线栅结构；另一种方案是先制备微结构挡层，再沉积金属，然后洗脱掉挡层及沉积其上的金属，即得到目标金属线栅结构。本发明中使用的光纤端面金属光栅做成偏振控制器可以很方便地消除这些缺点， 实现全光纤条件下电流传感的目的，因为它具有天生的外光纤外差优势，方法如图3所示。 图2中所示的金属纳米线栅制作光纤端面，实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制，即为一种全光纤光偏振控制器。图4所示为该全光纤外差电流传感器工作原理图，具体说明如下首先半导体激光光源产生单波长(如波长为1550纳米的红外)信号光输入到普通单模光纤中，该信号光经过在线式的光纤偏振控制器调整输入光的偏振特性，然后输入到导线环/光纤环绕制的电流传感头，反射端加入法拉第旋转镜面使反射光相对于入射光轴向旋转90度，以消除光纤环中的固有双折射、应力双折射等不利因素。环路器I用于收集由传感头端反射而来的信号光，再输入环路器2。信号光经过环路器2入射到光纤端面的金属纳米线栅上，线栅透射光由光功率计I测量，线栅反射光由环路器2收集再输入到光功率计2上测量。两个光功率计的测量值进行外差计算。当感应单元上导线中的电流发生变化时，引起光纤周围磁场的变化，从而再引起光纤中传输光偏振态的变化，偏振态的变化在光纤端面金属纳米线栅上得到全光纤外差检偏。
间接法第一种方案的一般操作步骤如下(a)在光纤端面沉积一层金属膜(膜厚O. 01-2微米)。(b)在该光纤端面涂上光刻胶或抗蚀层(c)利用微纳加工技术对光刻胶或抗蚀层图案化(d)显影去胶或去除残留(e)利用湿法刻蚀或干法刻蚀刻蚀掉上方没有光刻胶覆盖的金属(f)用溶剂溶解去除剩余的光刻胶层，即可获得所需的光栅结构间接法第二种方案的操作步骤包括(a)在光纤端面涂上光刻胶或抗蚀层(b)利用微纳加工技术对光刻胶或抗蚀层图案化(C)显影去胶或去除残留(d)在图案表面沉积特定厚度(O. 01-2微米)的金属膜(e)用溶剂溶解去除光刻胶层，即可获得所需的光栅结构金属线栅周期为O. 05-50微米，占空比为0-1之间的任意值，金属膜厚为O. 01-2 微米。(2)全光纤条件下的外差电流传感光路的设置。利用上述方法制得的光纤端面金属光栅，构建如图I所示的光纤条件下的外差测量光路。光纤中传输光受到感应单元电流大小变化的影响，使得入射到检测端的光偏振态发生变化，则光纤端面金属光栅的透射光和反射光的光强会相应地发生变化。透射光通过一个光纤耦光V形槽耦合入一段光纤测量光强It，反射光通过一个光纤环形器引入另一段光纤测量光强Ip经过信号处理得到外差
结果，从而在全光纤的条件下实现了经典的外差测量方法，外差结果可以剔除如
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光源强度的波动、环境温度的扰动、测量光路的微弱机械振动等与特定传感无关外界因素。实施例I用光纤切割刀切割单模光纤以获得平整的光纤端面，并用溅射法在光纤端面镀 O. 07微米厚的金膜。利用聚焦离子束刻蚀系统(Strata FIB 201，FEI公司，30keV镓离子源)，7pA束流的条件下，用聚焦镓离子束溅射掉光纤端面目标区域的金属膜层，从而在光纤的纤芯处获得面积为10微米XlO微米，周期为O. 2微米，占空比为O. 5的金线栅，如图 5所示。实施例2如图4所示的全光纤外差电流传感器，应用实施例I中制得的光纤端面金属线栅， 与环路器2、光功率计I、光功率计2共同组成全光纤外差传感光路。感应单元中光纤环420 圈，导线环60圈，光纤中电流变化范围为O到10A，所以等效电流变化范围为0-600A。图6 所示为电流传感曲线，检测灵敏度达到O. 528degree/A,最小检测精度O. 5mA,由于光纤传感与电流并不直接接触所以传感器本身没有最大测量上限(只受传导电流的导线限制)。 图7所示为外差法测量与普通测量的对比测量曲线。当测量系统中存在光源不稳、机械扰动、环境温度变化等不利因素时，非外差法测量得到的结果就会不准确。图7(a)中所示的曲线是光源纯在强度不稳情况下的透射信号(光功率计I信号)测量结果，图7 (b)中所示的曲线是光源纯在强度不稳情况下的反射信号(光功率计2信号)测量结果，它们均受到外界不利因素影响导致线性度很差。而图7(c)所示的是综合透射、反射信号进过外差处理后的测量曲线，消除了外界因素对于测量曲线的影响。
权利要求
1.一种全光纤外差电流传感器，其特征是包括一个半导体激光器光源、一个普通光纤偏振控制器、一个光纤电流感应单兀、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计、第一和第二两个光纤环路器，其中半导体激光器光源输出端通过光纤偏振控制器接第一光纤环路器后再连接光纤电流感应单元；第一光纤环路器第三端并联第二光纤环路器的第一端口，第二光纤环路器的第二端设有端面金属光栅和第一光功率计，第二光纤环路器的第三端接第二光功率计。
2.根据权利要求I要求所述的全光纤外差电流传感器，其特征在于光纤电流感应单元采用光纤环与电流环互绕的结构，光纤环的一端接法拉第旋转镜面，光纤环的另一端接第一光纤环路器第二端，起到光信号的输入与输出功能，电流环接入待测电流感应单元的电路；从电流感应单元反射回来的信号光通过第一环路器第三端口入射到第二环路器的第一端口。
3.根据权利要求I要求所述的全光纤外差电流传感器，其特征在于端面金属光栅为亚波长金属光栅，是实现对该光纤端面不同偏振态入射光的透射率和偏振率的控制的全光纤光偏振控制器；光纤电流感应单元由多圈光纤平行紧密绕制在一个中心有空洞的圆柱体上，导线绕着圆柱体的内外壁均匀螺旋状绕制，直接在光纤环中利用法拉第磁光效应来测量导线中电流的变化。
4.根据权利要求I要求所述的全光纤外差电流传感器方法，其特征在于采用一种全光纤条件下实现外差测量的方法，设置光路特征为半导体激光器光源输入端的入射光通过所述的全光纤光偏振控制器时，透射光通过光功率计测量光强It，反射光通过光纤环形器引入另一段光纤测量光强Iy经过信号处理得到外差结果S = ;具体而言，入射光到光纤环形器I的第一端口，环形器I的第三个端口与环形器2的第一个端口相连，环形器2 的第二个端口通过光纤耦光到第一光功率计测量透射光强It，环形器2的第三端口通过光纤直接连接第二光功率计测量反射光强L ;透射光光强It = I0Sin2 (δ /2)，反射光光强仁 = Iticos2O/2)，其中δ为相位差，Itl为入射偏振光的光强；透射光与反射光的结果只与由于电流变化引起的光相位差δ有关，与电流传感无关的诸如光源波动、环境温度变化、微弱机械振动等不利因素皆可排除。
5.根据权利要求4所述的全光纤外差电流传感方法，其特征在于使用环路器I将光源、电流感应单元和全光纤外差光路连接起来；光源包括半导体激光器光源和普通光纤偏振控制器。
6.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法，其特征在于利用微纳加工技术直接或间接地在光纤端面制备金属线栅，利用金属线栅对特定偏振光的选择性反射或透射效应，实现对特定光波段的反射光或透射光的偏振性控制。
7.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法,其特征在于半导体激光光源产生单波长信号光输入到普通单模光纤中，该信号光经过在线式的光纤偏振控制器调整输入光的偏振特性，然后输入到导线环/光纤环绕制的电流传感头，反射端加入法拉第旋转镜面使反射光相对于入射光轴向旋转90度，以消除光纤环中的固有双折射、应力双折射等不利因素；环路器I用于收集由传感头端反射而来的信号光，再输入环路器2 ;信号光经过环路器2入射到光纤端面的金属纳米线栅上，线栅透射光由光功率计I测量，线栅反射光由环路器2收集再输入到光功率计2上测量；两个光功率计的测量值进行外差计算；当感应单元上导线中的电流发生变化时，引起光纤周围磁场的变化，从而再引起光纤中传输光偏振态的变化，偏振态的变化在光纤端面金属纳米线栅上得到全光纤外差检偏。
8.根据权利要求4或5所述的全光纤外差电流传感方法，其特征是光纤包括单模光纤、 多模光纤、保偏光纤，其特征是具有平整的光纤端面；半导体激光器光源、普通光纤偏振控制器、光纤环路器、光功率计和法拉第旋转镜面均为商用产品。
9.根据权利要求1、3、5、6所述的全光纤外差电流传感方法，其特征是所述的金属线栅，其特征是材质包括金、银、铝、铜、钼、铬等金属，线栅结构周期为O. 05-50微米，线栅的膜厚为O. 01-2微米，结构区域覆盖光纤纤芯。
10.根据权利要求1、3、5、6所述的全光纤外差电流传感实现外差测量的方法光信息处理系统、光纤传感及精密光学测量系统中的应用。
全文摘要
一种全光纤外差电流传感器，包括一个半导体激光器光源、一个普通光纤偏振控制器、一个光纤电流感应单元、一段端面有亚波长金属光栅的光纤和第一、第二两个光功率计、第一和第二两个光纤环路器，其中半导体激光器光源输出端通过光纤偏振控制器接第一光纤环路器后再连接光纤电流感应单元；第一光纤环路器第三端并联第二光纤环路器的第一端口，第二光纤环路器的第二端设有端面金属光栅和第一光功率计，第二光纤环路器的第三端接第二光功率计。采用基于光纤端面纳米金属线栅的全光纤光路，电流传感器在灵敏度、稳定性、及器件本身简化方面都有很大提高。
文档编号G01R15/24GK102590577SQ20121006217
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月9日 优先权日2012年3月9日
发明者周峰, 徐飞, 胡伟, 赵云, 陆延青 申请人:南京大学