一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法

摘要

本发明涉及一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法，首先理论计算出基频和二倍频处信号幅值之比与法拉第磁偏角的幅值一一对应的关系曲线；利用交变法拉第线圈输出经过一支标准旋光管提供固定的旋光角度，产生固定的角度变化后，变化后的光信号经过光电转换后被采集，并对采集信号进行频谱分析，求得基频和二倍频处的信号幅值之比；根据得到的确定的比值,在确定的关系曲线上寻找对应的法拉第磁偏角的幅值，来精确确定法拉第磁偏角。该方法结构简单，一次定位，不需要机械结构的反复调整。可以实现对交变法拉第磁偏角的实时测量，测量范围大，完全消除了高频谐波对测量结果的影响，为将来新型电流传感器的发展提供了一种可能。

权利要求

1.一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的方法，其特征在于，包括利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置，装置依次包括光源（1）、起偏器（2）、法拉第线圈（4）、标准旋光管（5）、检偏器（6）、光电探测器（7）、放大器（8）、信号采集和信号处理单元（9）、显示器（10），起偏器（2）和检偏器（6）的光轴调至相互正交的位置，法拉第线圈（4）由频率为ω的交流电（3）驱动；测量方法具体步骤如下：

1）理论计算出基频和二倍频处信号幅值之比与法拉第磁偏角的幅值一一对应的关系曲线，建立关系曲线图；

2）利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置中，经过起偏器（2）后得到的固定振动方向的线偏振光，在法拉第线圈（4）的调制下，线偏振光的振动方向产生摆动，再经过一个标准旋光管（5），经过检偏器（6）后得到一个交变的光信号；

3）步骤2）的得到的交变的光信号经过光电探测器（7）将光信号变成交变的电信号，交变的电信号再经过放大器将信号放大后，被信号采集和信号处理单元（9）采集并进行傅立叶变换，得到信号的频率谱，并计算基频和二倍频处的信号幅值之比；

4）根据步骤3）所得幅值之比，在步骤1）中所示基频和二倍频的信号幅值之比A和法拉第磁偏角Φ0的关系图中，找到与该幅值之比对应的法拉第磁偏角Φ0，实现法拉第磁偏角的测量。

2.根据权利要求1所述利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的方法，其特征在于，所述光源（1）为半导体激光光源。

3.根据权利要求1所述利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的方法，其特征在于，所述步骤2）中的标准旋光管（5）可以使通过法拉第线圈（4）出射的线偏振光的偏振方向旋转固定角度α＝6.46度。

说明书

一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法。

背景技术

[0002] 法拉第效应提出近1个半世纪以来，得到了广泛的应用，尤其是在电流传感器、光隔离器和磁光调制器、化学成分分析等领域。在其应用中，法拉第磁偏角的测量一直是技术的核心和基础。

[0003] 当一束线偏振光经过一个磁场中的磁光物质时，其偏振方向会发生偏转，其偏转方向只与磁场方向有关而与光的传播方向无关，偏转角度的大小由法拉第效应计算得： ，其中Φ为法拉第磁偏角，V为菲尔德常数，B为磁场强度，L为光在介质中沿磁场方向传播的有效长度。

[0004] 目前为止，测量法拉第磁偏角的方法主要有3种，分别为角度补偿法、近似法和双光束干涉法。角度补偿法结构简单，但测量精度低，受机械旋转精度影响较大；近似法测量范围小，只适用于小角度测量，局限性大，无法完全消除高次谐波的影响；双光束干涉法结构复杂，成本高，对光路精度要求高。

发明内容

[0005] 本发明是针对目前测量法拉第磁偏角的方法精度低，测量范围小的问题，提出了一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法，从一个新的角度实现对法拉第磁偏角的测量。对交变的法拉第磁偏角，通过分析信号的频率谱，结合信号频率谱与法拉第磁偏角之间的关系，达到测量法拉第磁偏角的目的。该方法结构简单，测量精度高，测量范围大，完全消除了高频谐波对测量结果引起的误差。

[0006] 本发明的技术方案为：一种利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置，依次包括光源、起偏器、法拉第线圈、标准旋光管、检偏器、光电探测器、放大器、信号采集和信号处理单元、显示器，起偏器和检偏器的光轴调至相互正交的位置，法拉第线圈由频率为ω的交流电驱动。

[0007] 所述光源为半导体激光光源。

[0008] 所述利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的方法，包括利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置，具体包括如下步骤：

[0009] 1）理论计算出基频和二倍频处信号幅值之比与法拉第磁偏角的幅值一一对应的关系曲线，建立关系曲线图；

[0010] 2）利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置中，经过起偏器后得到的固定振动方向的线偏振光，在法拉第线圈的调制下，线偏振光的振动方向产生摆动，再经过一个标准旋光管，经过检偏器后得到一个交变的光信号；

[0011] 3）步骤2）的得到的交变的光信号经过光电探测器变成交变的电信号，交变的电信号再经过放大器将信号放大后，被信号采集和信号处理单元采集并进行傅立叶变换（FFT），得到信号的频率谱，并计算基频和二倍频处的信号幅值之比；

[0012] 4）根据步骤3）所得幅值之比，在步骤1）中所示基频和二倍频的信号幅值之比A和法拉第磁偏角Φ0的关系图中，找到与该幅值之比对应的法拉第磁偏角Φ0，实现法拉第磁偏角的测量。

[0013] 所述步骤2）中的标准旋光管可以使通过法拉第线圈出射的线偏振光的偏振方向旋转固定角度α＝6.46度。

[0014] 本发明的有益效果在于：本发明利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置及方法，通过数字信号处理的技术提高测量精度，完全消除了高频谐波对测量结果引起的误差，测量方法结构简单，测量范围大。

附图说明

[0015] 图1为本发明利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置原理图；

[0016] 图2为本发明基频和二倍频信号幅值比A与法拉第磁偏角φ0的关系曲线图；

[0017] 图3为本发明利用信号频谱分析测量交变法拉第磁偏角的装置中电信号仿真图；

[0018] 图4为本发明利用信号频谱分析测量交变法拉第磁偏角的装置中仿真信号的频谱图。

具体实施方式

[0019] 如图1所示利用信号频谱测量交变法拉第磁偏角的装置原理图，装置依次包括光源1、起偏器2、法拉第线圈4、标准旋光管5、检偏器6、光电探测器7、放大器8、信号采集和信号处理单元9、显示器10。光源为半导体激光光源。起偏器2和检偏器6的光轴调至相互正交的位置。法拉第线圈4由频率为ω的交流电3驱动。标准旋光管5可以使波长为534nm的线偏振光的偏振方向旋转α＝6.46度。

[0020] 在此装置中，法拉第线圈产生的磁偏角可以表示为：

[0021] ，（1）

[0022] 其中Φ0为最大磁偏角。由马吕斯定律可知，当起偏器与检偏器偏离正交位置的偏转角为θ时，出射光I光强为：

[0023] （2）

[0024] 其中I0为通过检偏器之前的光强。

[0025] 在本装置中，输出的光信号可以表示为：

[0026] （3）

[0027] 对此信号进行FFT变换，得到式（3）所示信号的频谱图，计算其基频和二倍频的信号幅值之比，即ω/2Π和2ω/(2Π)处的信号比值A。理论上不同的Φ0对应不同的A值，Φ0和A之间的关系曲线如图2所示。光电探测器7将光信号转换为电信号，电信号被信号采集和信号处理单元9采集。图3所示为系统采集到的电信号的仿真图，对图3中的仿真信号进行频谱分析得到该信号的频谱图（如图4所示），计算信号频谱中基频和二倍频的信号幅值之比，然后在图2中找到此幅值之比对应的法拉第磁偏角Φ0，实现法拉第磁偏角的测量。

[0028] 一种利用信号频谱分析测量交变法拉第磁偏角的方法，首先理论计算出基频和二倍频处信号幅值之比与法拉第磁偏角的幅值一一对应的关系曲线；通过光电转换，将光信号转换为电信号，采集电信号并对信号进行频谱分析，求得基频和二倍频处的信号幅值之比；根据得到的确定的比值,在确定的关系曲线上寻找对应的法拉第磁偏角的幅值。