CN102023287A - 反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器，属于测试技术领域。它包括宽带光源、光隔离器、3dB单模光纤耦合器、光纤起偏器、保偏传输光缆、四分之一波片、法拉第旋转镜和光电探测器及信号处理单元。法拉第旋转镜可同时提供无源偏置和传感的作用，同时和单根保偏传输光缆一起组成了全光纤的反射式萨格奈克干涉系统。本发明结构简单，灵敏度高，可靠性好。

Description

反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种新型的光纤磁场传感器，具体的说，是一种利用磁光晶体的法拉第旋光效应测量磁场的反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器。
背景技术
磁场探测应用于许多重要领域，例如在电磁兼容、电力工程、电机工程等领域都需要监测与磁信号有关的物理量。
法拉第磁光效应是指当施加外加磁场时，介质内传输的线偏振光的偏振方向会旋转一个角度，其大小与磁场强度成正比。法拉第效应目前被广泛用于光通信领域，如光隔离器、光环形器等。在传感器系统中，也可通过直接测量偏振光在磁场中的角度变化来得到磁场强度(见专利US6404190，US6370288等)。但是由于该角度很小，直接测量灵敏度和精度都不高。采用干涉的方法，将偏振角度的变化转变成相位的变化，可提高检测的灵敏度。萨格奈克干涉仪的两干涉光路完全相同，仅对非互易的磁光效应敏感，因此非常适用于磁场/电流传感器。1996年，James N.Blake首先提出了干涉型磁场/电流传感器的设想(专利号：US5644397)，其中磁场传感器的结构如附图3所示。该专利采用电光相位调制器，信号发生器和保偏光纤延迟线一起组成有源光波相位偏置，这样的有源相位偏置在系统的稳定性、信噪比等方面存在不足，成本也较高。另外在Blake等人的专利中，传感器件是分立的磁光元件，增加了系统的复杂度。
本发明针对已有技术存在的不足，提出一种新的反射式干涉型全光纤磁场传感器，采用由四分之一波片和法拉第旋转镜构成的稳定的无源相位偏置，并采用全光纤的结构。系统的复杂度大大降低，从而可在稳定性、信噪比方面得到提高，同时也降低了传感器的成本。
发明内容
本发明针对已有技术的缺陷，提供了一种反射式基于萨格奈克干涉仪型全光纤磁场传感器，可大大降低系统复杂度，提高传感器的灵敏度和稳定性，同时降低传感器的成本。
为了达到上述目的，本发明的构思是：
本发明主要由宽带光源、光隔离器、3dB单模光纤耦合器、光纤起偏器、保偏传输光缆、四分之一波片和法拉第旋转镜、光电探测器及信号处理单元组成。宽带光源发出的光通过光隔离器后，进入光纤耦合器，经过光纤起偏器后变成线偏振光，通过一个45°焊接点，将入射光分成两路正交的偏振光，在保偏传输光缆的两个主轴上传播至磁场传感头。磁场传感头由四分之一波片和法拉第旋转镜组成，法拉第旋转镜同时提供系统的无源偏置。由旋转镜的反射面反射回的信号经过保偏传输光缆后，在起偏器上干涉后由光纤耦合器的另一个端口输出，光电探测器将光信号转变为电信号后进行信号处理。
根据以上构思，本发明的技术方案如下：
一种反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器，包括宽带光源、光隔离器、3dB单模光纤耦合器、光纤起偏器、保偏传输光缆、四分之一波片和法拉第旋转镜、光电探测器及信号处理单元。其特征在于所述宽带光源通过光隔离器后与所述3dB单模光纤耦合器的一个正向输入端口相连，所述3dB单模光纤耦合器的一个正向输出端口与光纤起偏器的一个端口连接，光纤起偏器的另一端口与保偏传输光缆的一端连接，保偏传输光缆的另一端与磁场传感头相连，所述磁场传感头由四分之一波片和法拉第旋转镜构成。所述光纤耦合器的一个反向输出端口连接到光电探测器，光电探测器与信号处理单元相连。
上述反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器还可加入一个偏振分(合)波器和一个第二光电探测器。宽带光源通过光隔离器后与所述光纤耦合器的一个正向输入端口相连，所述光纤耦合器的一个正向输出端口与所述偏振分(合)波器的一个正向输入端口相连，再通过保偏传输光缆与磁场传感头连接。光纤耦合器的一个反向输出端口连接到第一光电探测器，偏振分(合)波器的一个反向输出端口连接到所述第二光电探测器，两探测器的信号同时送入信号处理单元处理。
本发明和现有技术相比具有的显著特点有：
1.本发明采用一个四分之一波片和法拉第旋转镜组成无源相位偏置系统，可以在萨格奈克干涉仪的两干涉光路中形成90度的相位差，其灵敏度明显优于基于法拉第效应的偏振角度检测系统。
2.本发明采用无源相位偏置系统，在系统的性能、成本等方面优于已有技术的有源相位偏置系统。
3.本发明采用的光纤法拉第旋转镜，集成了相位偏置、传感和反射的功能，大大简化了系统。
附图说明
图1是本发明一个实施例的结构框图
图2是本发明另一个实施例的结构框图
图3是已有技术的反射式的干涉型光纤磁场传感器的结构框图
具体实施方式
具体实施实例叙述于后。
实施例一：参见图1。本反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器包括宽带光源1、光隔离器2、3dB单模光纤耦合器3、光纤起偏器4、保偏传输光缆5、四分之一波片6、法拉第旋转镜7、光电探测器8和信号处理单元9。工作原理是：光波从宽带光源1输出，通过光隔离器2后，经过光纤耦合器3后进入光纤起偏器4，光纤起偏器4的另一端与保偏传输光缆5成45°焊接，沿保偏传输光缆5的两主轴方向传播的两路线偏振光经过传感头的四分之一波片6后，分别变为左旋和右旋圆偏振光，经过法拉第旋转镜7反射后，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光相互交换，并产生一个90°的相位差，两路反射圆偏振光经过四分之一波片6后，又变回两路线偏振光，经保偏传输光缆5传输到光纤起偏器4发生干涉。干涉信号经光纤耦合器3与光电探测器8连接，将光信号变成电信号，最后由信号处理单元9将处理结果输出。由于两路干涉光都是两次经过传感元件7，所以它们的相位差是单向光法拉第旋转角的4倍。
实施例二：参见图2。本反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器包括宽带光源1、光隔离器2、3dB单模光纤耦合器3、偏振分(合)波器10、保偏传输光缆5、四分之一波片6、法拉第旋转镜7、第一、第二两个光电探测器12、11和信号处理单元9。本实施例是在实施例一的基础上，用一个偏振分(合)波器10代替光纤起偏器4，并加上一个第二光电探测器11。两路反射回的线偏振光在偏振分(合)波器10的两个反向输出端口形成两路互补的干涉信号，分别由第一光电探测器12和第二光电探测器11进行检测，并同时送入信号处理单元9进行处理，由此构成的磁场传感器可用于直流磁场的测量。

Claims (4)

1.一种反射式萨格奈克干涉型全光纤磁场传感器，包括：宽带光源(1)、光隔离器(2)、3dB单模光纤耦合器(3)、光纤起偏器(4)、保偏传输光缆(5)、四分之一波片(6)、法拉第旋转镜(7)、光电探测器(8)和信号处理单元(9)；其特征在于所述宽带光源(1)通过光隔离器(2)后接入3dB单模光纤耦合器(3)，3dB单模光纤耦合器(3)的一个输出端与光纤起偏器(4)一端相连，光纤起偏器(4)的另一端与保偏传输光缆(5)成45°焊接，两正交偏振光通过保偏传输光缆(5)进入磁场传感头，所述磁场传感头包括四分之一波片(6)和法拉第旋转镜(7)，保偏传输光缆(5)通过四分之一波片(6)后连接法拉第旋转镜(7)，3dB单模光纤耦合器(3)的另一端口经过光电探测器(8)连接到信号处理单元(9)。
2.根据权利要求1所述的反射式萨格奈克干涉型磁场传感器，其特征在于所述光纤起偏器(4)的另一端与保偏传输光缆(5)的连接是：光纤。起偏器(4)的保偏尾纤和保偏传输光缆(5)的主轴之间成45°焊接。
3.一种反射式萨格奈克干涉型磁场传感器，包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、3dB单模光纤耦合器(3)、偏振分(合)波器(10)、保偏传输光缆(5)、四分之一波片(6)、法拉第旋转镜(7)、第一、第二两个光电探测器(12、11)和信号处理单元(9)，其特征在于所述宽带光源(1)通过光隔离器(2)后与3dB单模光纤耦合器(3)相连，3dB单模光纤耦合器(3)的一个正向端口与所述偏振分(合)波器(10)相连后，偏振分(合)波器(10)通过保偏传输光缆(5)与磁场传感头连接；所述磁场传感头是所述四分之一波片(6)连接法拉第旋转镜(7)，则所述保偏传输光缆(5)与四分之一波片(6)连接；所述3dB单模光纤耦合器(3)的另一端口连接到第一光电探测器(12)，偏振分(合)波器(10)的另一端口连接到所述第二光电探测器(11)，第一第二两个探测器(12、11)的信号同时送入信号处理单元(9)进行处理。
4.根据权利要求3所述的反射式萨格奈克干涉型磁场传感器，其特征在于偏振分(合)波器(10)与保偏传输光缆(5)的连接是：偏振分(合)波器(10)的保偏尾纤和保偏传输光缆(5)的主轴之间成45°焊接。
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