CN101509962B - 一种磁感应强度的测量方法及装置 - Google Patents

一种磁感应强度的测量方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN101509962B
CN101509962B CN2009100585245A CN200910058524A CN101509962B CN 101509962 B CN101509962 B CN 101509962B CN 2009100585245 A CN2009100585245 A CN 2009100585245A CN 200910058524 A CN200910058524 A CN 200910058524A CN 101509962 B CN101509962 B CN 101509962B
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
magnetic
fbg
mode switch
optical fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN2009100585245A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101509962A (zh
Inventor
武保剑
程立伟
邱昆
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN2009100585245A priority Critical patent/CN101509962B/zh
Publication of CN101509962A publication Critical patent/CN101509962A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101509962B publication Critical patent/CN101509962B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

一种磁感应强度的测量方法及装置,属于电子信息技术中的光纤传感技术领域,涉及磁感应强度的测量方法及装置。本发明基于FBG结构与磁光法拉第效应,通过测量已知光强的线偏振光入射到已知磁感应强度B的磁场作用下的FBG后的模式转换反射光(或透射光)的相对强度,得到FBG模式转换反射光(或透射光)的相对强度与外加磁场磁感应强度B的线性关系;然后通过测量已知光强的线偏振光入射到待测磁感应强度B的磁场作用下的FBG后的模式转换反射光(或透射光)的相对强度,并根据前述所得的线性关系,即可确定待测磁场的磁感应强度B的大小。本发明具有测量精度高、简单易用、成本低廉的特点,尤其适用于电磁铁磁极中磁场大小的测量和高压电流产生的磁场的测量。

Description

一种磁感应强度的测量方法及装置技术领域
[0001] 本发明属于电子信息技术中的光纤传感技术领域,涉及磁感应强度的测量方法及 装置,具体地说,是涉及一种通过检测磁场作用下光纤光栅(FBG)的反射光谱(或透射光 谱)中模式转换光的强度来测量磁感应强度的方法及装置。背景技术
[0002] 光纤光栅作为传感元器件,除了具有普通光纤传感器不受电磁干扰、灵敏度高、带 宽宽、质量轻、体积小、耐腐蚀、易于复用、可远距离遥测、能埋入工程结构等优点外,而且易 于集成,能够实现多点分布式测量,克服了传统传感器测量成本高、精度低的缺点。
[0003] 目前,基于光纤材料的磁场测量方法,主要包括:(a)基于磁致伸缩效应的光纤型 磁场传感器,在磁场作用下,磁致伸缩材料的伸缩带动光纤折射率和长度发生变化,通过检 测其相位变化来间接测量磁场大小;(b)基于磁光法拉第效应的光纤型磁场传感器,当光 波通过置于磁场中的磁光光纤(如YIG或者掺Tb玻璃光纤等)后,其法拉第旋转角发生一 定程度的偏转,通过测量法拉第旋转角的变化来间接测量磁场大小;(c)基于磁致伸缩效 应的FBG型磁场传感器,在光纤光栅外涂上磁致伸缩材料或者将光纤光栅镶入磁致伸缩材 料中形成磁场传感头,通过磁力效应对光纤光栅施加应力,再利用光纤光栅对外应力的敏 感性,达到磁场测量的目的;(d)基于磁光法拉第效应的FBG型磁场传感器,其原理是在外 加磁场作用下,光纤光栅中的左旋和右旋圆偏振光的布拉格反射波长发生漂移,通过测出 波长漂移量来确定磁场的大小。上述四种磁场测量方法均存在以下两个问题:一是,对用作 磁场探头的光纤(或光纤光栅)材料要求苛刻,材料的磁光效应必须足够强;相对于普通光 纤,这种光纤的拉制比较困难,价格昂贵;二是,光信号检测系统极其复杂且不稳定。发明内容
[0004] 本发明基于FBG结构与磁光法拉第效应共同作用的原理,提供一种简单易用的磁 场(磁感应强度)的测量方法;并且,根据该方法所建立的磁感应强度的测量装置具有结构 简单、易于实现、成本低廉的特点。
[0005] 本发明磁场测量方法基于FBG结构与磁光法拉第效应共同作用的原理。磁光法拉 第效应使FBG中同一传播方向的光波之间发生偏振模式转换,宏观上表现为光波偏振面发 生旋转,g卩θ =VBL,其中θ为光波偏振面的旋转角度,V为FBG材料的verdet常数,B为 外加磁感应强度,L为FBG材料与磁场的相互作用长度。另外,FBG结构使正向和反向传播 的偏振光发生耦合。这样由外加磁场引起的偏振模式转换便反映到FBG的反射光谱(或透 射光谱)上,其结果是在FBG的带隙边缘出现两个尖锐的谱线,该尖锐线谱强度即为模式转 换光强度。数值分析表明:由于模式转换效应的引入,需对传统FBG中的光传输方程进行修 正,得到光场的耦合模方程,再利用FBG满足的边界条件,推导得到模式转换反射光(或透 射光)的相对强度,该模式转换光的相对强度正比于θ,进而正比于外加磁场B,根据模式 转换反射光(或透射光)的相对强度与外加磁场B之间的线性关系,可以通过测量模式转换反射光(或透射光)的相对强度来测量外加磁场磁感应强度的大小。
[0006] 根据上述原理,本发明的技术方案是:
[0007] 一种磁感应强度的测量方法,如图1所示,包括以下步骤:
[0008] 步骤1 :采用两个或两个以上已知磁感应强度B的磁场作用于FBG,测量已知光强 的线偏振光入射到FBG后的模式转换反射光或模式转换透射光的强度,并将模式转换反射 光或模式转换透射光的强度换算成相对于入射线偏振光光强的相对强度,绘制出FBG模式 转换反射光或模式转换透射光的相对强度与外加磁场磁感应强度B的线性关系。
[0009] 步骤2 :将待测磁感应强度B的磁场作用于FBG,测量已知光强的线偏振光入射到 FBG后的模式转换反射光或模式转换透射光的相对强度,根据步骤1所得的FBG模式转换反 射光或透射光的相对强度与外加磁场磁感应强度的线性关系确定待测磁场的磁感应强度B 的大小。
[0010] 上述技术方案中,所述已知光强的线偏振光可用宽谱光源的输出光经光纤起偏器 起偏获得;所述模式转换反射光或模式转换透射光可由与所述光纤起偏器偏振方向垂直的 光纤检偏器检偏获得。
[0011] 本发明所述的磁感应强度的测量方法,基于FBG结构与磁光法拉第效应共同作用 的原理,可采用普通硅光纤做成的FBG作为磁场传感探头,而无需先前磁场传感技术中选 用的强磁致伸缩效应材料光纤、YIG光纤或者掺Tb磁光玻璃光纤等特种材料FBG,从而使得 这种磁场测量方法更加实用、易行。附图说明
[0012] 图1是本发明提供的一种磁感应强度的测量方法的流程示意图。
[0013] 图2是根据本发明一种磁感应强度的测量方法确定的FBG模式转换反射光或模式 转换透射光的相对强度与外加磁场磁感应强度B的线性关系。
[0014] 图3是根据本发明一种磁感应强度的测量方法确定的透射式磁感应强度测量装 置示意图。
[0015] 图4是根据本发明一种磁感应强度的测量方法确定的反射式磁感应强度测量装 置示意图。
[0016] 图5是运用本发明一种磁感应强度的测量方法测量电磁铁磁极打孔处磁感应强 度的示意图。
[0017] 图6是是运用本发明一种磁感应强度的测量方法测量大电流产生磁场的磁感应 强度的示意图。具体实施方式
[0018] 具体实施方式一
[0019] 根据本发明提供的一种磁感应强度的测量方法,一种透射式磁感应强度测量装 置,如图3所示,包括宽谱光源、光纤起偏器、光纤光栅(FBG)、光纤检偏器、可调法珀半导体 光放大器(FP-SOA)和光谱仪。所述宽谱光源的输出光经光纤起偏器起偏后入射到FBG中, FBG在外加磁场作用下的透射光经与所述光纤起偏器偏振方向垂直的光纤检偏器检偏后转 换成模式转换透射光;所述模式转换透射光经可调FP-SOA放大后输入光谱仪。[0020] 上述技术方案中,检偏器和光谱仪之间只用到一个可调FP-S0A。实际测量过程中, 为了增加FP-SOA的光放大效果,以便于光谱仪检测模式转换光的强度,可在可调FP-SOA两 段通过耦合器连接一个直通臂,形成一个含有可调FP-SOA的M-Z干涉仪结构对模式转换光 进行功率放大,在干涉仪输出端(即直通臂输出端或耦合臂输出端)使用光谱仪测量模式 转换光的强度,这样可以提高测量精度。
[0021] 具体实施方式二
[0022] 根据本发明提供的一种磁感应强度的测量方法,一种反射式磁感应强度测量装 置,如图4所示,包括宽谱光源、光纤起偏器、光环形器、光纤光栅(FBG)、光纤检偏器、可调 法珀半导体光放大器(FP-SOA)和光谱仪。所述宽谱光源的输出光经光纤起偏器起偏并经 光环形器入射到FBG中,FBG在外加磁场作用下的反射光经光环形器、并经与所述光纤起偏 器偏振方向垂直的光纤检偏器检偏后转换成模式转换反射光;所述模式转换反射光经可调 FP-SOA放大后输入光谱仪。
[0023] 上述技术方案中,检偏器和光谱仪之间只用到一个可调FP-S0A。实际测量过程中, 为了增加FP-SOA的光放大效果,以便于光谱仪检测模式转换光的强度,可在可调FP-SOA两 段通过耦合器连接一个直通臂,形成一个含有可调FP-SOA的M-Z干涉仪结构对模式转换光 进行功率放大,在干涉仪输出端(即直通臂输出端或耦合臂输出端)使用光谱仪测量模式 转换光的强度,这样可以提高测量精度。
[0024] 上述两种实施方式所述的磁感应强度测量装置实现磁场测量的过程如下:宽谱光 源发出一段光波(如C波段,1530-1565nm),经光纤起偏器输出的线偏振光(如χ方向的线 偏振光)入射到普通FBG探头中,FBG相当于一个梳状滤波器,在外加磁场作用下FBG可使 入射线偏振光发生偏振模转换,模式转换透射光(或反射光)经与所述光纤起偏器偏振方 向垂直的光纤检偏器检偏后(如y方向的线偏振光),此时FBG透射谱(或反射谱)中含有 尖锐线谱结构的模式转换光,根据上述模式转换光强度与外加磁场B之间的线性关系,通 过检测FBG反射谱(或透射谱)中偏振模式转换光的强度并换算成相对于入射线偏振光光 强的相对强度,即可测量出外加磁场大小。
[0025] 由于普通FBG材料中磁光法拉第效应微弱,所导致的模式转换光强度也较弱,一 般的检测设备如光谱仪、光功率计等不易直接探测出来。本发明磁场传感装置中,采用基于 M-Z干涉仪结构的可调FP-SOA来放大较弱的模式转换光。可调FP-SOA的作用在于:1) 与发生偏振模式转换的反射(或透射)线谱精确对准;2)增强反射(或透射)线谱强度。 采用了 M-Z干涉仪结构放大光信号的优点是:1)可以获得比直接采用FP-SOA作为光放大 更大的增益,灵敏度高;幻该结构对相位差不敏感,当确定好可调FP-SOA的工作点后,则无 需再调整两臂的相位延迟。
[0026] 需要说明的是,通常采用M-Z干涉仪结构放大光信号时,会对模式转换光带来一 定的相位延迟,相位延迟会给磁感应强度的测量带来误差。实际测量时,最好确定可调 FP-SOA的工作点后以使放大后的模式转换光的相位延迟Φ为零(如图2所示),以提高磁 感应强度的测量精度。
[0027] 本发明提供的磁感应强度测量方法及装置,具有灵活、多样的优点,在磁场加载方 式、待测光信号谱类型、FP-SOA位置和检测端口等几方面可有不同的组合应用,如表1所 示。本发明提供的磁感应强度测量方法及装置,将普通FBG作为传感探头置于需测定的磁5场中,适合测量的磁场场合有多种选择,如电磁铁气隙中的磁场、电磁铁磁极中的磁场、螺 线管中的磁场、永磁铁中的磁场以及电流产生的感应磁场等等;可以检测FBG反射端的模 式转换光强度,也可以检测FBG透射端的模式转换光强度;可调FP-SOA在M-Z干涉仪中的 位置,可以是在直通臂,也可以是在耦合臂;可以通过干涉仪的直通臂输出端口或者耦合臂 输出端口来检测模式转换光强度或光功率,模式转换光强度与外加磁场B成正比。
[0028] 表1磁场传感装置和测量方式的选择
[0029]
Figure CN101509962BD00061
[0030] 电磁铁磁极中磁场大小的测量是个困难并且容易忽略的问题,而磁极中磁场大小 的分布对光信息处理的某些领域来说又是很重要的问题。本发明提供的磁感应强度测量方 法及装置可用于测量电磁铁磁极中的磁场大小,如图5所示。将普通FBG探头置于磁极穿 孔某处,通过检测FBG透射光谱(或反射光谱)中的模式转换光强度,即可得出该处磁极中 的磁场大小,通过测量磁极中多点处的磁场,就可知磁极中的磁场分布。
[0031] 在电力行业,高压电流的测量是困扰人们难题,利用FBG的耐高温、绝缘等特性, 可以利用本发明提供的磁感应强度测量方法及装置实现高压电流产生的磁场的测量,如图 6所示。高压电流直导线通过一特制圆环,该圆环绕置含有普通FBG探头的光纤环。通过测 量FBG反射光谱(或透射光谱)中模式转换光强度即可测量出高压电流产生的感应磁场, 从而可以间接测量出电流的大小。

Claims (6)

1. 一种磁感应强度的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤1 :采用两个或两个以上已知磁感应强度B的磁场作用于FBG,测量已知光强的线 偏振光入射到TOG后的模式转换反射光或模式转换透射光的强度,并将模式转换反射光或 模式转换透射光的强度换算成相对于入射线偏振光光强的相对强度,绘制出FBG模式转换 反射光或模式转换透射光的相对强度与外加磁场磁感应强度B的线性关系;步骤2 :将待测磁感应强度B的磁场作用于FBG,测量已知光强的线偏振光入射到FBG 后的模式转换反射光或模式转换透射光的相对强度,根据步骤1所得的FBG模式转换反射 光或透射光的相对强度与外加磁场磁感应强度的线性关系确定待测磁场的磁感应强度B 的大小;其中,所述模式转换反射光为FBG在外加磁场作用下,由外加磁场引起的偏振模式转 换在FBG反射光谱的带隙边缘出现两个尖锐的谱线;所述模式转换透射光为FBG在外加磁 场作用下,由外加磁场引起的偏振模式转换在FBG透射光谱的带隙边缘出现两个尖锐的谱 线。
2.根据权利要求1所述的磁感应强度的测量方法,其特征在于,所述已知光强的线偏 振光用宽谱光源的输出光经光纤起偏器起偏获得;所述模式转换反射光或模式转换透射光 由与所述光纤起偏器偏振方向垂直的光纤检偏器检偏获得。
3. 一种实现如权利要求1所述方法的磁感应强度的测量装置,包括宽谱光源、光纤起 偏器、FBG、光纤检偏器、可调FP-SOA和光谱仪;其特征在于,所述宽谱光源的输出光经光纤 起偏器起偏后入射到FBG中,FBG在外加磁场作用下的透射光经与所述光纤起偏器偏振方 向垂直的光纤检偏器检偏后转换成模式转换透射光;所述模式转换透射光经可调FP-SOA 放大后输入光谱仪。
4.根据权利要求3所述的磁感应强度的测量装置,其特征在于,在可调FP-SOA两段通 过耦合器连接一个直通臂,形成一个含有可调FP-SOA的M-Z干涉仪结构对模式转换光进行 功率放大,在干涉仪输出端,即直通臂输出端或耦合臂输出端,使用光谱仪测量模式转换光 的强度。
5. 一种实现如权利要求1所述方法的磁感应强度的测量装置,包括宽谱光源、光纤起 偏器、光环形器、FBG、光纤检偏器、可调FP-SOA和光谱仪;其特征在于,所述宽谱光源的输 出光经光纤起偏器起偏并经光环形器入射到FBG中,FBG在外加磁场作用下的反射光经光 环形器、并经与所述光纤起偏器偏振方向垂直的光纤检偏器检偏后转换成模式转换反射 光;所述模式转换反射光经可调FP-SOA放大后输入光谱仪。
6.根据权利要求5所述的磁感应强度的测量装置,其特征在于,在可调FP-SOA两段通 过耦合器连接一个直通臂,形成一个含有可调FP-SOA的M-Z干涉仪结构对模式转换光进行 功率放大,在干涉仪输出端,即直通臂输出端或耦合臂输出端,使用光谱仪测量模式转换光 的强度。
CN2009100585245A 2009-03-06 2009-03-06 一种磁感应强度的测量方法及装置 Expired - Fee Related CN101509962B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100585245A CN101509962B (zh) 2009-03-06 2009-03-06 一种磁感应强度的测量方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009100585245A CN101509962B (zh) 2009-03-06 2009-03-06 一种磁感应强度的测量方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101509962A CN101509962A (zh) 2009-08-19
CN101509962B true CN101509962B (zh) 2011-05-11

Family

ID=41002421

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009100585245A Expired - Fee Related CN101509962B (zh) 2009-03-06 2009-03-06 一种磁感应强度的测量方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101509962B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103604972A (zh) * 2013-10-22 2014-02-26 北京交通大学 一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101750590B (zh) * 2009-10-16 2012-09-12 电子科技大学 一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置
CN101762795B (zh) 2009-12-31 2013-01-23 上海舜宇海逸光电技术有限公司 光纤磁光探测系统和方法
JP5843668B2 (ja) * 2012-01-23 2016-01-13 株式会社豊田自動織機 センサ用光ファイバおよび電力装置監視システム
CN103176159B (zh) * 2013-02-20 2016-08-10 国网智能电网研究院 用于互易型反射式光学电压传感单元的测试装置及其方法
CN103913298B (zh) * 2014-03-31 2016-06-29 电子科技大学 一种测量高非线性光纤Verdet常数的装置和方法
CN108169696A (zh) * 2017-12-27 2018-06-15 北京信息科技大学 一种基于fbg的磁场强度传感器及其性能测试方法
CN109459598B (zh) * 2018-11-14 2021-02-09 国网黑龙江省电力有限公司信息通信公司 一种基于fbg的电压数值检测装置及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1176003A (zh) * 1995-02-22 1998-03-11 西门子公司 利用法拉第效应测量磁场的并带有对强度变化补偿功能的方法和装置
CN101026892A (zh) * 2006-12-30 2007-08-29 电子科技大学 光分组交换中的标签与净荷的分离方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1176003A (zh) * 1995-02-22 1998-03-11 西门子公司 利用法拉第效应测量磁场的并带有对强度变化补偿功能的方法和装置
CN101026892A (zh) * 2006-12-30 2007-08-29 电子科技大学 光分组交换中的标签与净荷的分离方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Bao-Jian Wu et al..Magneto-optic Fiber Bragg Gratings with Application to High-resolution Magnetic Field Sensors.《APOS:2008 1ST ASIA-PACIFIC OPTICAL FIBER SENSORS CONFERENCE》.2008,第1-3页. *
Brian Culshaw.Fiber Optics in Sensing and Measurement.《IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS》.2000,第6卷(第6期),第1014-1021页. *
J. L. Arce-Diego et al..Fiber Bragg grating as an optical filter tuned by a magnetic field.《OPTICS LETTERS》.1997,第22卷(第9期),第603-605页. *
JP特开2001-33492A 2001.02.09
JP特开2003-130934A 2003.05.08
杨颖等.磁光纤光栅传感器灵敏度及动态范围研究.《光通信技术》.2009,(第2期),第48-50页. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103604972A (zh) * 2013-10-22 2014-02-26 北京交通大学 一种利用光栅光纤为反射元件的全光纤电流传感器
CN103604972B (zh) * 2013-10-22 2017-08-22 北京交通大学 一种利用全反射光栅光纤为全反射元件的全光纤电流传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CN101509962A (zh) 2009-08-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101509962B (zh) 一种磁感应强度的测量方法及装置
CN101598773B (zh) 一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置
CN102859383A (zh) 光纤电流传感器
EP2183624A2 (en) Distributed optical fiber sensor system
CN105093136A (zh) 一种全光纤微弱磁场测量装置
CN100338449C (zh) 反射型保偏光纤温度传感器
CN101782601A (zh) 一种级连式光纤光栅自解调电流传感器
Ding et al. Distributed optical fiber current sensor based on magnetostriction in OFDR
CN109116272A (zh) 一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器以及制备方法
CN205038331U (zh) 基于gmm-fbg工频电流互感及幅频特性测试联合装置
CN104459267A (zh) 具有温度补偿的薄膜型全光纤电流互感器
CN201532450U (zh) 一种磁感应强度传感头
KR100575244B1 (ko) 광섬유 격자를 이용한 온도 보상 광 변류기
CN108254616A (zh) 一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器
CN209746025U (zh) 一种基于双光纤光栅的电流测量系统
CN1844937B (zh) 高灵敏度的微电子机械系统的光电检流计、制作及其检测方法
CN101608930A (zh) 一种光纤干涉仪π/2相位偏置的实现方法
CN207992311U (zh) 一种具有温度补偿的螺线管式光学小电流传感器
CN207352076U (zh) 一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器
CN207215897U (zh) 一种基于全光纤互感器的大电流电流检测传感器
CN107607889B (zh) 一种基于Li-Fi的全光传输磁场检测系统
RU170319U1 (ru) Волоконно-оптическое информационно-измерительное устройство электрического тока и магнитного поля
CN105823429B (zh) 一种利用光纤萨格纳克干涉仪测量应变的方法
CN2653499Y (zh) 磁性液体磁致光透射变化率测量仪
RU2428704C1 (ru) Волоконно-оптическое устройство магнитного поля и электрического тока

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110511

Termination date: 20160306