CN101598773B - 一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，其特征在于：将磁场传感头置于待测磁场中，粘贴在磁致伸缩材料上的光纤光栅FPI感测周围环境中的温度、偏置磁场、调制磁场和待测磁场的大小。单色光源发出的光信号进入光纤光栅F-P腔中，干涉后形成近似为双光束干涉信号输出。根据双光束干涉信号得到光纤光栅F-P腔的腔长变化量，再通过腔长变化量与磁场强度的线性关系得到的测量值。最终，利用磁场强度测量值与实际待测值之间对温度的补偿关系，以及磁场强度和磁感应强度的关系，得出磁感应强度的实际值。本发明既可以测量直流磁场，也可测量交变磁场，其中对于较弱磁场的测量有较高的灵敏度。

Description

一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，属于光纤传感及光学测量领域。

背景技术

磁场测量在国防、工业以及医学等领域有着重要的意义。主要应用有磁性扫雷、武器搜索、磁导航、潜艇探测、电流测量、矿产探测以及医学仪器等方面。用于弱磁场(＜10^-8T)的传感器有多种，如：磁通门磁强计、光泵磁强计和超导量子干涉器件等。其中超导量子干涉器件是已知灵敏度最高的磁场传感器，分辨率可达10^-14T以上，但由于系统需要工作在液氮温度下，结构复杂、体积庞大，因此只适合在实验室条件下工作。1980年，A.Yariv和H.V.Winsor首次提出了利用磁致伸缩材料对光纤扰动以改变光波相位的方法来探测弱磁场(Proposal for detection of magnetic field throughmagnetostrictive perturbation of optical fibres，Opt.Lett.5(3)：87-89，1980)，从理论给出了最小可探测磁场达到1.2×10^-16T。这种光纤弱磁场传感器继承了光纤传感器结构简单、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等优点，可在恶劣条件下工作。

利用磁致伸缩效应测量弱磁场的光纤传感器主要采用三种干涉仪结构：马赫-曾德干涉仪、迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪(FPI)。研究最多、最全面的是马赫-曾德干涉仪，但是这种双臂结构容易受到环境因素的影响。迈克耳孙干涉仪与马赫-曾德干涉仪类似。FPI理论上具有比前两种干涉仪更高的相位测量灵敏度，并且结构更加紧凑。非本征型光纤FPI是目前应用最为广泛的一种光纤FPI，它由两个端面镀膜的单模光纤密封在特种管道内构成，并要求端面严格平行、同轴。1997年，Ki DongOh等人将单模光纤和金属玻璃丝放置在空心管中，制作出世界上第一个基于非本征型 FPI的光纤磁场传感器(Optical fiber Fabry-Perot interferometric sensor for magnetic field measurement，Photon.Technol.Lett.9(6)，797-799，1997)。这种传感器不易受温度影响，但缺点是在拉伸过程中端面可能不再平行，导致光束不能返回原光纤，使传感器失效。本征型光纤FPI是研究最早的一种光纤FPI，通过在光纤中引入两个反射端面构成。由于光在光纤内传播，损耗很小，易于全光纤结构，但是光纤本身的温度敏感性制约了它的发展。光纤光栅FPI是由在同一根光纤中写入两个相同的光纤布拉格光栅(以下缩写为FBG)构成，制作简单，但是温度的影响始终是困扰光纤光栅FPI传感器的最大问题。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，改善了原有磁场传感器的性能，制作工艺相对简单，可以通过同一套装置实现温度和磁感应强度的高灵敏度同时检测。

技术方案

一种磁感应强度传感头，其特征在于其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪1、磁致伸缩材料2、2块永磁体3和两组线圈4；2块永磁体3相对平行置于磁致伸缩材料2的两侧，两组线圈4相对置于磁致伸缩材料2的两端，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪1的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料2上；磁致伸缩材料2的长度等于光纤光栅F-P腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体3的长度大于或等于光纤光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅FPI位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅5之间。

所述光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的反射率小于5％。

一种利用上述任一种磁感应强度传感头实现温度补偿测量磁感应强度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将磁场传感头置于待测磁场中，输入一个发出波长为λ、光强为I₀的单色光源的光信号，磁场传感头输出一个光强为I的双光束干涉信号；

步骤2：根据光强为I的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光栅F-P腔长变化量： 其中R_λ为光纤光栅FPI对波长为λ的单色光强度的峰值反射率， 为光纤光栅FPI干涉信号的初相位，n为光纤纤芯的折射率；

步骤3：根据Δh与磁场强度实际值H的线性关系，得到磁场强度的测量值H′为 其中：H₀为磁场传感头中的永磁体在磁致伸缩材料处的磁场强度，H₁为磁场传感头中的线圈在磁致伸缩材料产生的磁场强度幅值，ω₁为磁场传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率， 

为磁场传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率的初相位值，A为磁致伸缩材料的磁致伸缩系数；

步骤4：根据测量值H′与磁场强度实际值H对温度的补偿关系，得出环境中所测量的磁场强度实际值为 

其中：ΔT为温度的变化量，根据R_λ的变化在实验得到的R_λ与T的曲线中查得；Tκ₁为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、κ₂为磁致伸缩材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，C_eff为磁致伸缩材料在测量温度下的磁致伸缩系数，三个系数值由常规实验定标的方式得到；

步骤5：通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系，得到实际环境中的磁感应强度B＝μ₀H，其中：μ₀为真空中的磁导率。

一种实现温度补偿测量磁感应强度的方法的装置，其特征在于包括单模光纤6、 单色光源7、光电探测器8、光纤耦合器9、磁场传感头10和折射率匹配液11；磁场传感头10连接光纤耦合器9的一个端口，光纤耦合器9的另一个端口通过单模光纤插入到折射率匹配液11中，光纤耦合器9的另外两个端口分别连接单色光源7和光电探测器8。

有益效果

本发明的磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，解决了传统磁场传感器中温度和磁场的交叉敏感性，实现了温度对磁感应强度的补偿测量，提高了测量精度，通过加载高频调制磁场，还可以降低测量低频磁场时的噪声。同时，本发明既可以测量直流磁场，也可测量交变磁场，其中对于较弱磁场的测量有较高的灵敏度。本发明还可通过提高磁场对磁致伸缩元件的作用效果和光纤光栅F-P腔受制于磁致伸缩元件部分的长度两种方式来改善电流测量的灵敏度和量程。

附图说明

图1为本发明提出的温度补偿型磁感应强度传感头

图2为本发明提出的基于光纤光栅FPI的磁感应强度测量装置结构示意图

图3为两组线圈中通以恒定强度和恒定频率的电流时，单色光强度峰值反射率R_λ与温度的变化关系。横坐标为温度，纵坐标为R_λ。

其中：1、光纤光栅FPI，2、磁致伸缩材料，3、永磁体，4、线圈，5、光纤光栅FPI固定点，6、单模光纤，7、单色光源，8、光电探测器，9、光纤耦合器，10、磁感应强度传感头，11、折射率匹配液。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

参阅附图1，为所述光纤光栅FPI磁感应强度传感器探头。光纤光栅F-P腔粘贴 在磁致伸缩材料2上，永磁体3平行固定在磁致伸缩材料2两侧，两组线圈4置于磁致伸缩材料2的两端，为测量装置加载高频交变磁场。

参阅附图2，为基于光纤光栅FPI的磁感应强度测量装置结构示意图。附图1中传感器探头的光纤光栅FPI1通过单模光纤6与光纤耦合器9一侧的一个端口连接，另一端口与折射率匹配液11相连，光纤耦合器9的另一侧的两个端口分别与单色光源7和光电探测器8连接。

所述光纤光栅FPI1的F-P腔受制于磁致伸缩材料2，两光纤光栅部分自由放置；所述光纤光栅FPI1反射率小于5％。

所述单色光源发出波长为λ、光强为I₀的光信号，通过耦合器传输到光纤光栅FPI传感器探头中。由于光纤光栅FPI的反射率小于5％，所以反射回的光信号近似为双光束干涉信号，可近似表示为

式中，R_λ表示腔长变化过程中光纤光栅FPI对波长为λ的单色光强度的峰值反射率，由光纤光栅FPI两端的FBG决定；n表示光纤纤芯的折射率；Δh表示腔长的伸缩量； 表示光纤光栅FPI干涉信号的初相位，对测量结果没有影响，为一常值。由此得到到光纤光栅F-P腔的腔长变化量Δh为

磁致伸缩材料在永磁体的作用下，工作在线性区。两组线圈中通入强度和频率均已知的高频交变电流，产生交变磁场，作用于磁致伸缩材料，引起磁致伸缩材料周期性伸缩。磁致伸缩材料在永磁体、线圈和待测磁场的共同作用下发生形变，从而引起光纤光栅FPI的腔长周期性伸缩。已知永磁体在磁致伸缩材料处的磁场强度为H₀，线圈在磁致伸缩材料处产生的磁场强度幅值为H₁，线圈中产生交变电流的圆频率为ω₁。 若测量得到的磁场强度为H′，并根据光纤光栅F-P腔的腔长变化量Δh与磁场强度H的关系为线性关系Δh＝AH，则

式中A为比例系数，可以通过实验测得。因此得到在不考虑温度影响的情况下，磁感应强度的测量值H′与实际值H相等，由前两式可以得到

调节线圈中电流的强度，保证线圈在磁致伸缩材料处产生的磁场幅值H₁远大于2π/A。

考虑温度对测量系统的影响。光纤光栅FPI在环境温度的影响下发生形变，引起光纤长度和纤芯折射率发生变化。光纤光栅FPI两端的FBG反射率随之发生改变，进而导致R_λ变化。测量温度时要求R_λ和温度有一一对应的关系，即R_λ随温度单调变化。请参阅附图3，为R_λ随温度升高单调下降的区间。为获得最大的温度测量范围，需要选取合适的工作点。具体方法如下：确定待测温度的变化范围，选取合适的工作波长，使得R_λ在中间温度时为最大值的一半。

由于温度的变化还会改变磁致伸缩材料的性质，进而影响到对磁场强度的测量。因此，需要对磁场强度的测量值进行修正。一方面，温度恒定时，磁致伸缩材料的伸长量与材料所处的磁场强度成正比；另一方面，磁场强度恒定时，磁致伸缩材料的伸长量与温度也成正比。所以，可以假定磁致伸缩材料受温度和磁场强度作用之后的应变量ε为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\ΔL}}{L_0}=C_{\mathrm{eff}}H+{\mathrm{\κ}}_1\mathrm{\ΔT}+{\mathrm{\κ}}_2\mathrm{H\ΔT}$

式中，κ1为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、κ2为磁致伸缩材料的温度 磁场强度交叉灵敏度系数，Ceff为磁致伸缩材料在某一恒定温度下的磁致伸缩系数。三个系数值可由实验定标的方式得到。因此通过分析得到，磁场强度的实际修正值H和实测的磁场强度值H′的关系为

$H=\frac{C_{\mathrm{eff}}{H}^{\′}-{\mathrm{\κ}}_1\mathrm{\ΔT}}{C_{\mathrm{eff}}+{\mathrm{\κ}}_2\·\mathrm{\ΔT}}$

最后通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系B＝μ₀H，得到实际环境中的磁感应强度为

因此，通过检测输出光信号的强度和频率特性可实现对温度和磁感应强度的同时测量，进而得到温度补偿后的实际磁感应强度。

上述方法利用本发明提供的装置实现：光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料上，并将其通过单模光纤与光纤耦合器的一个端口相连，单色光源与光电探测装置与光纤耦合器的另外两个端口相连，光纤耦合器的第四个端口通过单模光纤插入到折射率匹配液中。在测量过程中，将光纤光栅FPI磁感应强度传感器探头置于待测磁场中，所用的光纤光栅FPI在室温(20℃)下的中心波长为1550nm附近，带宽＜0.2nm，光栅反射率＜5％，用改性丙烯酸酯胶将F-P腔粘贴在磁致伸缩材料表面，两粘贴点间距为6cm。当所需测量磁场中的磁感应强度大小发生变化时，单色光源发出的窄带光，经由光纤光栅FPI发射后，再经光电探测装置探测到的信号，在示波器上显示的测量波形的周期特性会发生变化，根据波形的不同周期特性得到磁感应强度的大小；当环境温度发生变化时，示波器上显示得到的波形的振幅会发生变化，进而根据振幅的大小得到温度的大小。最终由磁场强度的实际修正值H和实测的磁场强度值H′的关系和磁场强度与磁感应强度的关系，得到温度补偿后的磁感应强度值的大小。

Claims (3)

1.一种磁感应强度传感头，其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(1)、磁致伸缩材料(2)、2块永磁体(3)和两组线圈(4)；2块永磁体(3)相对平行置于磁致伸缩材料(2)的两侧，两组线圈(4)相对置于磁致伸缩材料(2)的两端，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(1)的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料(2)上；磁致伸缩材料(2)的长度等于光纤光栅F-P的腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体(3)的长度大于或等于光纤光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅F-P腔位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅(5)之间。

2.根据权利要求1所述的磁感应强度传感头，其特征在于：所述光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的反射率小于5％。

3.一种利用权利要求1～2之一所述的磁感应强度传感头实现温度补偿测量磁感应强度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：将磁感应强度传感头置于待测磁场中，输入一个发出波长为λ、光强为I₀的单色光源的光信号，磁感应强度传感头输出一个光强为I的双光束干涉信号；

步骤2：根据光强为I的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光栅F-P腔的腔长变化量：

，其中R_λ为光纤光栅FPI对波长为λ的单色光强度的峰值反射率，

为光纤光栅FPI干涉信号的初相位，n为光纤纤芯的折射率；

步骤3：根据Δh与磁场强度实际值H的线性关系，得到磁场强度的测量值H′为

，其中：H₀为磁感应强度传感头中的永磁体在磁致伸缩材料处的磁场强度，H₁为磁感应强度传感头中的线圈在磁致伸缩材料处产生的磁场强度幅值，ω₁为磁感应强度传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率，

为磁感应强度传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率的初相位值，A为磁致伸缩材料的磁致伸缩系数；

步骤4：根据测量值H′与磁场强度实际值H对温度的补偿关系，得出环境中所测量的磁场强度实际值为

，其中：ΔT为温度的变化量，根据R_λ的变化在实验得到的R_λ与T的曲线中查得；κ₁为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、κ₂为磁致伸缩材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，C_eff为磁致伸缩材料在测量温度下的磁致伸缩系数，三个系数值由常规实验定标的方式得到；

步骤5：通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系，得到实际环境中的磁感应强度B＝μ₀H，其中：μ₀为真空中的磁导率。

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