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一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法
申请号	CN201911138840.3	申请日	2019-11-20	公开(公告)号	CN111121841A	公开(公告)日	2020-05-08
申请人	桂林电子科技大学;			发明人	徐荣辉; 牛国振; 张先强; 刘厚权; 邓洪昌; 邓世杰; 苑立波;
摘要	本文公开了一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法。包括宽带光源 (1)、光隔离器(2)、光纤耦合器 (3)、第一光纤镜(4)、磁场传感头(5)、第二光纤镜(6)、光谱仪(7)。由光纤耦合器、第一光纤镜、磁场传感头和第二光纤镜构成的迈克尔逊光纤干涉仪对宽带光源进行光谱切割。由磁流体芯液芯光纤构成的磁场传感头受外部磁场作用，磁流体芯液芯光纤中的磁流体折射率发生改变，从而使迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂与传感臂之间产生附加光程差，从而改变切割光谱的自由光谱范围，通过光谱仪对切割光谱的自由光谱范围的测量即可计算出磁场传感头所处环境磁场强度。本传感装置结构简单、制作成本低、性能稳定、发展潜力大。
权利要求	1.一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、光纤耦合器(3)、第一光纤镜(4)、磁场传感头(5)、第二光纤镜(6)、光谱仪(7)，宽带光源(1)的输出端与光隔离器(2)的一端相连，光隔离器(2)的另一端与光纤耦合器A端的A1端口相连，光纤耦合器B端的B1端口与第一光纤镜(3)连接，光纤耦合器B端的B2端口与磁场传感头(5)的一端连接，磁场传感头的另一端与第二光纤镜(6)相连，光纤耦合器A端的A2端口与光谱仪(7)的光输入端口相连。 2.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，光纤耦合器、第一光纤镜、磁场传感头、第二光纤镜连接构成一个迈克尔逊光纤干涉仪，光纤耦合器B1端口连接第一光纤镜构成迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂，光纤耦合器B2端口、磁场传感头及第二光纤镜连接构成迈克尔逊光纤干涉仪的传感臂，第一光纤镜和第二光纤镜分别用作参考臂和传感臂的反射镜，光纤耦合器A1端口为迈克尔逊光纤干涉仪的光输入端口，光纤耦合器A2端口为迈克尔逊光纤干涉仪的光输出端口。 3.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，构成传感臂的磁场传感头为一段单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构构成，磁流体芯液芯光纤在外界磁场的作用下，磁流体芯液芯光纤中的磁流体折射率发生改变，从而改变通过传感臂传输光的光程。 4.根据权利要求1所述的一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，当磁场传感头所处环境存在磁场或磁场改变时，作为切割宽谱光源的迈克尔逊光纤干涉仪传输谱的自由光谱范围也发生改变，由传输谱的自由光谱范围的变化就可以求出磁场传感头所处环境的磁场大小或变化。
说明书全文	一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法技术领域 [0001] 本发明属于光纤传感领域，涉及一种迈克尔逊光纤磁场传感器。背景技术 [0002] 磁场传感器是将各种磁场及其变化的量转变成可读取信号的装置。传统的磁场传感器一般是通过霍尔效应、法拉第磁光效应、巨磁感应效应、磁饱和效应等实现磁场的测量计算，但是有源金属探头会扰乱被测磁场的分布，使得测量不准确，同时传输信号的电缆会产生噪声，给探测信号的处理分析带来不便，造成传统的磁场传感器抗电磁干扰性低、灵敏度低、损耗大等缺点。 [0003] 光纤由于具有抗电磁干扰性强、损耗小、成本低等优点而广泛应用于传感领域，迈克尔逊干涉型光纤磁场传感器由于其结构简单、功耗低、性能稳定而被广泛应用。近十几年来，随着微纳光纤制备技术和磁性材料研究的发展，一种基于磁流体材料的新型微纳光纤磁场传感技术成为人们研究的热点。这种微纳光纤磁场传感器采用磁流体包裹微纳光纤的方法制备磁场传感头。微纳光纤由于其周围倏逝场对外界环境折射率变化非常敏感，因而能提高测量磁场灵敏度，但是微纳光纤制备设备价格昂贵，在制备过程中容易受到外界环境因素的影响，制备的微纳光纤机械强度低，容易断裂，磁场传感头制作并不方便；磁场传感头直接连接光谱仪进行磁场测量的装置稳定性较差，外界干扰对装置影响较大。 [0004] 针对以上问题，本发明提出一种成本相对较低，稳定性良好，磁场传感头制作工艺简单方便、机械强度高的迈克尔逊光纤磁场传感器。发明内容 [0005] 本发明提出一种制作工艺简单，系统成本较低，性能稳定，可发展空间大的迈克尔逊光纤磁场传感器。 [0006] 为实现上述目的提出以下技术方案： [0007] 一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、光纤耦合器(3)、第一光纤镜(4)、磁场传感头(5)、第二光纤镜(6)、光谱仪(7)；宽带光源(1)的输出端与光隔离器(2)的一端相连，光隔离器(2)的另一端与光纤耦合器A端的A1端口相连，光纤耦合器B端的B1端口与第一光纤镜(3)连接，光纤耦合器B端的B2端口与磁场传感头(5)的一端连接，磁场传感头的另一端与第二光纤镜(6)相连，光纤耦合器A端的A2端口与光谱仪(7)的光输入端口相连。 [0008] 所述磁场传感头采用单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构；在进行磁流体填充时，首先将未填充磁流体的空芯石英光纤一端用具有弹性的橡胶管与注射器相连，然后将空芯石英光纤的另一端插入磁流体液中，用注射器将磁流体液抽入石英空芯光纤中完成填充，得到磁流体芯液芯光纤；然后将磁流体芯液芯光纤两头分别以除去涂覆层且光纤端头切平的单模光纤封堵，并用UV胶加以密封加固，完成单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构磁场传感头的制备。磁流体芯液芯光纤中的磁流体在未受磁场作用时不表现磁性，在受到磁场作用时，磁流体的折射率随着所受磁场的变化而变化。 [0009] 所述光纤耦合器、第一光纤镜、磁场传感头、第二光纤镜连接构成一个迈克尔逊光纤干涉仪，光纤耦合器B1端口连接第一光纤镜构成迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂，光纤耦合器B2端口、磁场传感头及第二光纤镜连接构成迈克尔逊光纤干涉仪的传感臂，第一光纤镜和第二光纤镜分别用作参考臂和传感臂的反射镜。 [0010] 所述磁场传感头所处磁场环境发生变化时，作为宽谱光源切割滤波器的迈克尔逊光纤干涉仪传输谱的自由光谱范围也发生改变，由传输谱的自由光谱范围的变化就可以求出磁场传感头所处的磁场大小或变化。 [0011] 本发明的工作原理： [0012] 宽带光源经光隔离器后进入迈克尔逊光纤干涉仪，分别传入迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂与传感臂，光束经迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂返回光纤耦合器的光称之为参考光，经迈克尔逊光纤干涉仪传感臂返回光纤耦合器的光称之为信号光，信号光与参考光在光纤耦合器发生双光束干涉。磁场传感头为单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构。在环境温度为室温时，当磁场传感头所处环境存在磁场或磁场改变，磁流体芯液芯光纤中的磁流体折射率n(H)会遵循朗之万公式随着所受磁场的变化而发生变化，即，其中n0为外加磁场小于某个临界磁场强度Hc,n时磁流体的折射率，ns为外加磁场在饱和时磁流体的折射率，T为热力学温度，H为外加磁场强度，α为调节参数。迈克尔逊光纤干涉仪的输入光源波长λ与磁场传感头中磁流体芯液芯光纤的长度L不变时，迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围可用公式：表示，公式中λ为输入光源波长，Δn为传感区域折射率的变化即Δn＝n(H)-n0，L为磁场传感头中磁流体芯液芯光纤的长度。磁场传感头所处环境存在磁场或磁场改变时，会引起磁流体芯液芯光纤的磁流体折射率n(H)发生变化，从而导致迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂与传感臂之间的附加光程差发生改变即Δ＝ΔnL，使得迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围FSR发生改变，通过迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围FSR的变化就可以根据朗之万公式求出磁场传感头所处环境的磁场大小或变化。 [0013] 本发明的优点是： [0014] 该发明采用单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构作为磁场传感器的传感头，磁场传感头制备工艺简单、机械强度高，不需要昂贵的专用光纤加工设备，传感系统成本低，具有广阔的发展前景。附图说明 [0015] 图1是迈克尔逊光纤磁场传感器原理示意图。 [0016] 图中的附图标记解释为：1-宽带光源，2-光隔离器，3-光纤耦合器，4-第一光纤镜，5-磁场传感头，6-第二光纤镜，7-光谱仪。具体实施方式 [0017] 下面结合附图对本发明的技术方案进一步的说明。 [0018] 一种迈克尔逊光纤磁场传感装置与方法，其特征在于，包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、光纤耦合器(3)、第一光纤镜(4)、磁场传感头(5)、第二光纤镜(6)、光谱仪(7)；宽带光源(1)的输出端与光隔离器(2)的一端相连，光隔离器(2)的另一端与光纤耦合器A端的A1端口相连，光纤耦合器B端的B1端口与第一光纤镜(3)连接，光纤耦合器B端的B2端口与磁场传感头(5)的一端连接，磁场传感头的另一端与第二光纤镜(6)相连，光纤耦合器A端的A2端口与光谱仪(7)的光输入端口相连。 [0019] 所述磁场传感头采用单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构；在进行磁流体填充时，首先将未填充磁流体的空芯石英光纤一端用具有弹性的橡胶管与注射器相连，然后将空芯石英光纤的另一端插入磁流体液中，用注射器将磁流体液抽入石英空芯光纤中完成填充，得到磁流体芯液芯光纤；然后将磁流体芯液芯光纤两头分别以除去涂覆层且光纤端头切平的单模光纤封堵，并用UV胶加以密封加固，完成单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构磁场传感头的制备。磁流体芯液芯光纤中的磁流体在未受磁场作用时不表现磁性，在受到磁场作用时，磁流体的折射率随着所受磁场的变化而变化。 [0020] 所述光纤耦合器、第一光纤镜、磁场传感头、第二光纤镜连接构成一个迈克尔逊光纤干涉仪，光纤耦合器B1端口连接第一光纤镜构成迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂，光纤耦合器B2端口、磁场传感头及第二光纤镜连接构成迈克尔逊光纤干涉仪的传感臂，参考臂与传感臂等长，第一光纤镜和第二光纤镜分别用作参考臂和传感臂的反射镜。 [0021] 所述磁场传感头所处磁场环境发生变化时，作为宽谱光源切割滤波器的迈克尔逊光纤干涉仪传输谱的自由光谱范围也发生改变，由传输谱的自由光谱范围的变化就可以求出磁场传感头所处的磁场大小或变化。 [0022] 本发明的工作机理： [0023] 宽带光源经光隔离器后进入迈克尔逊光纤干涉仪，分别传入迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂与传感臂，光束经迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂返回光纤耦合器的光称之为参考光，经迈克尔逊光纤干涉仪传感臂返回光纤耦合器的光称之为信号光，信号光与参考光在光纤耦合器发生双光束干涉。磁场传感头为单模光纤-磁流体芯液芯光纤-单模光纤三明治结构，在环境温度为室温时，当磁场传感头所处环境存在磁场或磁场改变，磁流体芯液芯光纤中的磁流体折射率n(H)会遵循朗之万公式随着所受磁场的变化而发生变化，朗之万公式为其中n0为外加磁场小于某个临界磁场强度Hc,n时磁流体的折射率，ns为外加磁场在饱和时磁流体的折射率，T为热力学温度，H为外加磁场强度，α为调节参数。迈克尔逊光纤干涉仪的输入光源波长λ与磁场传感头中磁流体芯液芯光纤的长度L不变时，迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围可用公式：表示，公式中λ为输入光源波长，Δn为传感区域折射率的变化即Δn＝n(H)-n0，L为磁场传感头中磁流体芯液芯光纤的长度。磁场传感头所处环境存在磁场或磁场改变时，会引起磁流体芯液芯光纤的磁流体折射率n(H)发生变化，从而导致迈克尔逊光纤干涉仪的参考臂与传感臂之间的附加光程差发生改变即Δ＝ΔnL，使得迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围FSR发生改变，通过迈克尔逊光纤干涉仪光谱传输响应的自由光谱范围FSR的变化就可以根据朗之万公式求出磁场传感头所处环境的磁场大小或变化。 [0024] 所述宽带光源的输出光谱范围为C+L波段，输出功率为100mW。 [0025] 所述光隔离器为保证宽带光源输出的光单向传输，避免相反方向的光进入宽带光源。 [0026] 所述光纤耦合器为3dB光纤耦合器。 [0027] 所述磁流体芯液芯光纤为了保证纤芯中的磁流体折射率大于液芯光纤包层折射率，填充液芯光纤的磁流体经特殊配比处理。 [0028] 所述第一光纤镜、第二光纤镜均为具有反射作用的光纤镜。 [0029] 以上对本发明的工作过程进行了详细的说明，对本领域的普通技术人员依据本发明提供的思想，在具体实施的方式上可能有改变之处，这些改变也应视为本发明的保护范围。