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YbBi??YIG磁光电流传感器性能研究

作者:admin来源:本网 日期:2017-11-13 14:55:03 人气: 标签:

  红外与毫米波学报YbBiYIG磁光电流传感器性能研究1赵渭忠(浙江大学物理系和硅材料国家重点,中最大晶体尺寸达22<15K12mm.所长晶体经粉未X射线衍射测量后确定为石榴石相单晶,经EPMA扫描电镜能谱分析得到单晶的分子式成份为Y2.289Yb.246Bi.465Ffi512,其尺寸和光学质量可以满足制作光纤电流传感器等一些磁光器件对晶体材料的要求。

  2磁光性能测试与分析面切割,磨、抛成约20少m厚的薄片,用CGX-1FR测量装置测量了晶体。8~1.Im范围内法拉试结果如所示。在室温饱和和磁化的情况下,YbB*YIG单晶的比法拉第旋转为-404deg/cm(入=1.55),约为YIG晶体的2倍,而光吸收系数约为3. 6cm-1,与YIG的吸收系数相近。磁光晶体的法拉第旋转角与光吸收损耗之比,即磁光优值(Magento~opticfigureofmerit,MOFG),更能反映材料的磁光性能之优劣。根据法拉第旋转角与光吸收系数求得YbB*YIG在Q8~ 1.,1的磁光优值(见),中还给出YIG的磁光优值以作比较。YbBi*YIG的磁光优值为25.8deg/dB(入=1.55卜1),比丫扣提高。另外,还用该装置测量丫匕-B*YIG的饱和磁化场为1400通过在测试样品架上加一可变温装置,测量了YbB*YIG晶体300~ 400K法拉第旋转角随温度变化关系,结果如所示。定义法拉第旋转角温度系数为1.55m)。它与YIG晶体相比有所减小。

  表铪出了几种常见稀土石榴石晶体的磁光性能。

  比法拉第旋转角(deg/cm)光吸收系数(cm-l)磁光优值(deg/dB)法拉第旋转角温度系数(K-“饱和磁场(Oe)表1几种常见稀土石榴石晶体的磁光性能(X=1.5少m)Table1Magneto-opticproperties晶体YbBi*YIG晶体与纯YIG等稀土石榴石晶体相比,有更大的法拉第旋转角、更大的磁光优值和较小的温度依赖性,以及合适的饱和磁化强度,因此选用YbBi:YIG晶体作为法拉第转子材料进行光纤电流传感器性能研究,可望取得较好的结果。

  对于法拉第电流传感器,其灵敏度与在外加磁场H下产生的法拉第旋转角心有关,它为一与光源光强无关的量。因而可以通过测量与光源光强无关的量P,进而测得电流的大小。

  选择生长质量较好、尺寸较大的YbBi:YIG单晶,沿面定向切割成95<1.1mm的薄片体,并对圆片端面进行打磨、抛光,以减少端面的吸收散射等损耗。将此加工好的单晶作为法拉第转子材料。系统光源采用X:1.53屮m,输出功率为45.TW(150mA)的LED,光电二极管为带前置放大的宽动态范围PIN光接收组件PFWM92,其探测灵敏度为0.97A/W(X:1.5ym)。传感器输出光信号通过PIN组件进行光电转换,经电路放大至12位AD进行AD转换,由计算机进行数据采集与处理,得出输出信号。

  实验所需的大电流由n3000/m,L:R:100mm的长直螺线管模拟提供。螺线管轴线中心的磁场强度为(以直流电流为例):比较式(11)和式(12)可知此螺线管电流为1A时,其中心磁场大约相当于高压直导线3000A电流所产生的磁场。

  测试时将传感头置于长直螺线管中心,方向与螺线管中心线平行,此时光在法拉第转子材料中行进的方向与磁场平行。通过改变加于螺线管的电流来改变作用于传感器的磁场,测试传感器输出信号与磁场的关系。给螺线管加50Hz交变电流,测量传感系统在交变磁场下的传感性能。

  由于实验条件的限制,实验测量的电流范围为0.1~5.0A.为输出信号与螺线管电流/的关系。从中可见,输出信号与螺线管电流/,即与外加磁场H有较好的线性关系。

  经实验测定,传感系统实验原型测量灵敏度为0.0032A/mV(折合长直导线电流所产生的磁场,相应的测量灵敏度为9.5A/mV),测量精度约为士1%,最大线性偏离为0.在此实验原型中,所采用的系统结构及相关的信号采集与处理系统都较简单,但它仍然有较高的精度灵敏度和较好的线性关系。经过进一步的改进,如采用双光路结构更精确的数据采集和处理系统等方法,其传感性能将有更大的提高。因此采用YbBi:YIG等稀土石榴石晶体为法拉第转子材料的磁光光纤电流传感器,具有高灵敏度、高精度和低温度依赖性等特点,可望成为电流传感器的高性能新产品。

  4结语本文从材料与器件两方面相结合的角度出发,对磁光光纤电流传感器系统进行了实验性研究。根据具有法拉第旋转角随温度变化关系相反的不同稀土石榴石复合的补偿效应,选择生长YbBi:YIG晶体用于磁光光纤电流传感器研制。用高温助熔剂熔盐法生长出了分子式成份为Y2. Fe5i2的YbB:YIG晶体,测试结果显示YbBi:YIG晶体比纯YIG有更大的比法拉第旋转角、更大的磁光优值和较小的温度依赖性,非常适用于高灵敏度高精度、低温度依赖的磁光光纤电流传感器等一些磁光器件的应用。以YbBi:YIG晶体作法拉第转子材料,建立了一套磁光光纤电流传感器实验原型,在50Hz交变电流下,测试了YbBi:YIG晶体传感性能,结果显示了该系统具有较高的精度和灵敏度,并有较好的线性关系。

  稿件收到日期2000-12-09,修改稿收到日期

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