CN104950266B - 一种光纤磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤磁场传感器。所述的光纤磁场传感器由光源、耦合器、Y波导、偏振分束器、光纤环、90°法拉第旋光反射镜和光电探测器组成，由SLD光源发出的光经耦合器后，到达Y波导，形成两束线偏振光。线偏振光经过偏振分束器，偏振分束器使得一束线偏振光偏振方向旋转90°后与另一束偏振光以正交模式在保偏光纤中传输。经过处于轴向磁场中的光纤环，产生相位差。携带相位信息的两束偏振光经90°法拉第旋光反射镜反射后，偏振模式互换。返回到处于轴向磁场中光纤环，再次产生相位差。两束正交模式的线偏光反向经过偏振分束器后，分成两束平行模式传输的线偏光，到达Y波导处发生干涉。携带干涉相位信息的光返回探测器后，由信号处理电路检测。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种利用干涉光相位检测磁场的光纤磁场传感器。
背景技术
磁场的测量现如今已经广泛地应用于国防科技、医学监测、工业检测等各种领域当中。医学方面，应用了通过测量人体心脏的跳动来诊断疾病的“心磁图”；国防方面，应用磁场检测来探测潜艇、舰船消磁；工业方面，地质勘探中应用探磁法来寻找地下矿石。光纤磁场传感器能够对磁场进行实时精确的测量，在这些领域里备受青睐。作为光纤传感器中的一种，光纤磁场传感器经历了多次发展，现已在测量方法、测量范围、测量技术等多方面有了改善与提升。
目前，传统的微弱磁场传感器主要包括磁通门式磁强计、质子旋进磁强计、光泵磁强计和超导量子干涉磁强计(SQUID)等。它们的工作原理与主要用途各有不同。然而，这些传统的磁场传感器有着成熟的技术，能够满足不同灵敏度的需求，但在实际应用中却存在着很多的限制因素，比如结构复杂且体积过大、成本过高、响应的动态范围小、频带窄、对环境的要求过于苛刻等。所以，传统的磁场传感器已难以适应科技的高速发展，人们正在不断的探索和研究突破常规缺陷的新型磁场传感器。
与传统的弱磁测量仪器相比，基于法拉第效应的干涉型光纤磁场传感器具有结构简单、灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、成本低、抗干扰能力强等优点，可以在强电磁干扰、高温高压、原子辐射、易爆、化学腐蚀等传统测磁仪器无法工作的恶劣条件下使用。
光纤微弱磁场传感器的研究开始于1979年，目前采用的主要方案为基于Michelson干涉仪、基于Mach-Zehnder干涉仪及基于F-P干涉仪的光纤磁场传感器。由于这三个方案采用的为非互易的光路结构，因此在光的偏振控制及抗干扰等方面存在局限。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了具有互易光路结构的光纤磁场传感器。所述的光纤磁场传感器由光源、耦合器、Y波导、偏振分束器、光纤环、90°法拉第旋光反射镜和光电探测器组成，所述的光纤环和90°法拉第旋光反射镜组成传感头。光信号在耦合器的输入端分成两路：一路是光源的尾纤同耦合器的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器的尾纤与耦合器的另一输入端光纤熔接在一起；耦合器的输出端与Y波导熔接，Y波导的一个输出端保偏光纤与偏振分束器的一个输入端保偏光纤熔接，Y波导的另一个输出端保偏光纤与偏振分束的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束器的输出端光纤同光纤环的输入端光纤熔接，光纤环的输出端光纤同90°法拉第旋光反射镜输入端熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，从而测量磁场。
附图说明
图1为本发明提供的光纤磁场传感器原理示意图。
图中：
1、光源； 2、耦合器； 3、Y波导；
4、偏振分束器； 5、光纤环； 6、90°法拉第旋光反射镜；
7、光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种光纤磁场传感器，如图1所示，由光源1、耦合器2、Y波导3、偏振分束器4、光纤环5、90°法拉第旋光反射镜6和光电探测器7组成，光信号在耦合器2的输入端分成两路：一路是光源1的尾纤同耦合器2的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器7的尾纤与耦合器2的另一输入端光纤熔接在一起；耦合器2的输出端与Y波导3熔接，Y波导3的一个输出端保偏光纤与偏振分束器4的一个输入端保偏光纤熔接，Y波导3的另一个输出端保偏光纤与偏振分束器4的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束器4的输出端光纤同光纤环5的输入端光纤熔接，光纤环5的输出端光纤同90°法拉第旋光反射镜6输入端熔接，所述的光纤环5和90°法拉第旋光反射镜6组成传感头。光电探测器7的输出端与信号处理电路相连接，从而测量磁场。所述的光纤环5采用保偏光纤绕制而成。
光路的基本原理为：SLD光源发出的光经耦合器2后，到达Y波导3，形成两束线偏振光。线偏振光经过偏振分束器4，偏振分束器4使得一束线偏振光偏振方向旋转90°后与另一束偏振光以正交模式在保偏光纤中传输。经过处于轴向磁场中的光纤环5，产生相位差。携带相位信息的两束偏振光经90°法拉第旋光反射镜6反射后，偏振模式互换。返回到处于轴向磁场中光纤环5，再次产生相位差。两束正交模式的线偏光反向经过偏振分束器4后，分成两束平行模式传输的线偏光，到达Y波导3处发生干涉。
垂直分量磁场引起的非互易相位差φ与光纤环5的总匝数m成正比，与光纤环5尺寸和形状无关：
其中，n为纤芯折射率，H为垂直分量磁场强度，V为维尔德常数，λ为波长，m为匝数。
由于光纤随机扭转和几何扭转的影响，两束正交偏振光在偏振面上同时转过相同角度，没有产生相位差。因此，当这两束偏振光在Y波导3处发生干涉时，检测到的相位差信息不含由光纤随机扭转和几何扭转产生的相位差。
本发明提供的光纤磁场传感器可以实现磁场测量的互易光路测量，取代目前的Michelson干涉仪等非互易光路方案。
Claims (4)
1.一种光纤磁场传感器，其特征在于：该光纤磁场传感器的传感头具备有光纤环和90°法拉第旋光反射镜 ；
当正交模式的两束偏振光第一次经过处于轴向磁场中的光纤环时，在垂直分量磁场的作用下，只有与垂直分量磁场正交的偏振光会产生模式场偏移；经过90°法拉第旋光反射镜后，两束光的偏振模式互换；另一束偏振光旋转到了与垂直分量磁场正交的位置，产生一个相反方向的模式场偏移；模式场偏移结合光纤弯曲产生光程差，从而使检测到的相位差只包含垂直分量磁场引起的非互易相位差。
2.根据权利要求1所述的光纤磁场传感器，其特征在于：垂直分量磁场引起的非互易相位差与光纤环的总匝数成正比，与光纤环尺寸和形状无关：
其中，n为纤芯折射率，H为垂直分量磁场强度，V为维尔德常数，λ为波长，m为匝数。
3.根据权利要求1所述的光纤磁场传感器，其特征在于：光纤环采用保偏光纤绕制而成。
4.根据权利要求1所述的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的光纤磁场传感器由光源、耦合器、Y波导、偏振分束器、光纤环、90°法拉第旋光反射镜和光电探测器组成，所述的光纤环和90°法拉第旋光反射镜组成传感头；光信号在耦合器的输入端分成两路：一路是光源的尾纤同耦合器的一输入端光纤熔接在一起，另一路是光电探测器的尾纤与耦合器的另一输入端光纤熔接在一起；耦合器的输出端与Y波导熔接，Y波导的一个输出端保偏光纤与偏振分束器的一个输入端保偏光纤熔接，Y波导的另一个输出端保偏光纤与偏振分束的另一个输入端保偏光纤熔接，偏振分束器的输出端光纤同光纤环的输入端光纤熔接，光纤环的输出端光纤同90°法拉第旋光反射镜输入端熔接，光电探测器的输出端与信号处理电路相连接，从而测量磁场。
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