CN105487024B - 基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法，涉及磁场特性的测量装置技术领域。所述传感器包括基座、磁致伸缩体、双面法拉第反射镜、光纤准直探头、单模光纤以及迈克尔逊干涉装置。磁致伸缩体一端与基座机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜粘贴在一起；光纤准直探头通过单模光纤与迈克尔逊干涉装置连接，光纤准直器探头、双面法拉第反射镜中心在一条轴线上。本发明利用磁致伸缩体去感测外界磁场，带动反射镜线性位移，通过迈克尔逊光学干涉仪实现位移‑相位的光电转换和检测，进而获取磁场大小。该传感器避免了传统磁电传感器的复杂设计，有效减小温度的影响，灵敏度高，重复性好，可实现复杂磁电环境下的高精度弱磁场探测。

Description

基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法

技术领域

本发明涉及磁场特性的测量装置技术领域，尤其涉及一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法。

背景技术

磁探测技术采用测量磁性目标磁场或者地球磁场的方式，通过信号处理与分析获取相关信息，用于目标探测和资源调查等，在科学研究、工业生产、资源勘探、目标精确定位、地灾监测和国防科技中有广泛的需求。随着电子行业的迅猛发展，各种磁性材料和磁器件的应用越来越普遍，对微弱磁场测量精度、环境适应性也提出了更高的要求。

根据测量系统敏感元件的工作原理划分，商用的磁探测装置主要有磁通门传感器、磁阻传感器和电感式传感器等。磁通门传感器由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励磁电路。磁通门传感器分辨率可达最高可达10^-11T，但缺点是体积偏大、易碎、响应速度较慢，长期工作存在累积的基线漂移。磁阻传感器主要由铁磁材料如镍铁导磁合金制成，这种合金薄膜的电阻值随外界磁场的变化而变化，将其接于电桥后，电桥的输出电压正比于电阻的变化。系统的迟滞误差和零点温度漂移可以采用对磁阻传感器交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。但是控制电路复杂，仪器体积较大，应用成本较高。电感式传感器是基于磁场对电感感量的影响工作，通过特定电路测量感量的变化，进而计算出外磁场的大小。但这种方法受磁电耦合效率的影响，测量精度相对较低。上述弱磁场测量方法共同的特点是将磁场的变化转为电量变化后，通过检测微弱电信号提取信息，系统结构复杂，易受电磁干扰，稳定性不佳。

光学位移检测是一种无源的非接触位移检测手段，具有精度高、无源、抗电磁干扰等特点，可实现复杂电磁环境中的高精度位移测量。基于Fabry-Perot干涉仪、基于Mach-Zehnder干涉仪和基于迈克尔逊干涉仪的光纤磁场传感器相继被提出，它们将光学位移检测与磁致伸缩结合，通过磁光耦合实现弱磁场探测。研究结果表明：基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器温度稳定性差，对干涉条纹的检测要求高，精度相对较低；基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器抗偏振衰落性能差，稳定性不佳，实用化困难；而基于迈克尔逊干涉仪的光纤磁场传感器与Mach-Zehnder干涉仪工作原理类似，具有较好的应用前景，但目前迈克尔逊干涉仪的干涉臂多采用非对称结构设计，参考臂静止不动，测量臂通过磁致伸缩材料的力学效应牵引特定结构或装置来改变光学参量，进而改变反射信号的光程，实现磁光参量的耦合。但上述结构的解决方案易受温度的影响，且磁致伸缩材料的伸长量易受力学负载的限制，重复性差，测量精度不高，应用报道很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法，所述弱磁传感器可以有效减小温度的影响，进一步提升检测的灵敏度，结构简单，重复性好，可实现复杂电磁环境下的高精度弱磁场探测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：包括基座、磁致伸缩体、双面法拉第反射镜和等臂长迈克尔逊干涉仪，所述磁致伸缩体的一端与基座机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜粘接，当磁致伸缩体在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜的位置，双面法拉第反射镜的位置变化量被等臂长迈克尔逊干涉仪检测和处理后，将相应的磁致伸缩体的长度变化量转换为磁场的大小。

进一步的技术方案在于：所述双面法拉第反射镜包括2个法拉第旋光片和双面反射镜，所述双面反射镜夹在2个法拉第旋光片之间。

进一步的技术方案在于：所述等臂长迈克尔逊干涉仪包括一对光纤准直探头、光纤以及迈克尔逊干涉装置，所述光纤准直探头固定在所述面法拉第反射镜的两侧的基座上，所述光纤准直探头通过光纤与迈克尔逊干涉装置连接，所述一对光纤准直探头以及双面法拉第反射镜的中心在同一条轴线上。

进一步的技术方案在于：所述迈克尔逊干涉装置包括激光光源、光隔离器、光耦合器、光探测器、相位解调电路；所述激光光源的输出端口与光隔离器的输入端口连接，所述光隔离器的输出端口与光耦合器的第一端口连接，所述光耦合器的第二端口与光纤连接，光耦合器的第三端口与光纤连接，光耦合器的第四端口与光探测器的输入端口连接，光探测器输出端口与相位解调电路电连接。

进一步的技术方案在于：所述相位解调电路采用数字PGC解调电路提取相位信息。

本发明还公开了一种基于磁光耦合的弱磁传感器的磁场测量方法，其特征在于包括如下步骤：

将所述弱磁传感器置于标准磁场环境中，检测此时信号的相位输出，设定为参考相位；

将所述弱磁传感器置于外磁场中，磁致伸缩体长度发生变化，带动双面法拉第反射镜产生水平位移，使双面法拉第反射镜的两路反射光的光程发生变化；

反射光光程的变化导致等臂长迈克尔逊干涉装置中电信号的相位发生变化，通过数字PGC解调电路提取相位的变化，计算出法拉第反射镜的位移；电信号的相位变化ΔΦ与双面法拉第反射镜位移量Δx之间的按如下公式换算：

其中λ是激光光源的波长；

根据测算的双面法拉第反射镜位移量和已知磁致伸缩体的伸缩系数，计算出当前磁场的强度；比较外磁场中的相位值相对于参考相位值的变化趋势，进而确定外磁场的方向。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述弱磁传感器及测量方法充分发挥了迈克尔逊干涉仪高精度测量的优点，通过采用等臂长迈克尔逊干涉仪的差动位移测量方法，降低温度和偏振衰落对系统精度的影响，将灵敏度提高2倍；与此同时，利用磁致伸缩材料的自由伸缩结构来实现磁光耦合，有效避免了力学负载对磁致伸缩材料重复性的影响，突破了磁致伸缩材料在光学传感测量中的局限性，可真正实现磁光传感器的高精度测量。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为迈克尔逊干涉装置的结构示意图；

其中：1、基座2、磁致伸缩体3、双面法拉第反射镜4、光纤准直探头5、单模光纤6、迈克尔逊干涉装置301、法拉第旋光片302、双面反射镜601、窄线宽激光光源602、光隔离器，603光耦合器604、光探测器605、相位解调电路。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明公开了一种基于磁光耦合的弱磁传感器，包括基座1、磁致伸缩体2、双面法拉第反射镜3和等臂长迈克尔逊干涉仪。所述磁致伸缩体2的一端与基座1机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜3粘接，进一步的，所述双面法拉第反射镜3包括2个法拉第旋光片301和双面反射镜302，所述双面反射镜302夹在2个法拉第旋光片301之间；当磁致伸缩体2在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜3的位置，双面法拉第反射镜3的位置变化量被等臂长迈克尔逊干涉仪捕捉和处理后，将相应的磁致伸缩体2的长度变化量转换为磁场的大小。

磁致伸缩体2的材料为TbDvFe₂，其弱磁场条件下的线性度好，伸缩系数大，结构为长方体：2mm*6mm*10mm，10mm(长度)方向为磁化方向，磁致伸缩体上开设机械固定孔和卡槽，分别与基座1和双面法拉第反射镜3连接。法拉第旋光片301采用1mm*1mm，旋光角度为45°，误差小于+/-1°；双面反射镜302规格为1mm*1mm，反射率大于99％；双面反射镜302与两片法拉第旋光片301采用“三明治结构”叠装，采用紫外固化环氧树脂粘接。

如图1所示，所述等臂长迈克尔逊干涉仪包括一对光纤准直探头4、光纤5以及迈克尔逊干涉装置6，优选的，光纤准直探头采用长焦距的格林透镜，聚焦长度大于10mm，透镜外径Φ1.0mm*6mm，尾纤采用普通SMF-28单模光纤。所述光纤准直探头固定在所述面法拉第反射镜3的两侧的基座上，所述光纤准直探头通过光纤5与迈克尔逊干涉装置6连接，所述一对光纤准直探头4以及双面法拉第反射镜3的中心在同一条轴线上。

如图2所示，所述迈克尔逊干涉装置6包括激光光源601、光隔离器602、光耦合器603、光探测器604、相位解调电路605。所述激光光源601的输出端口与光隔离器603的输入端口连接，所述光隔离器602的输出端口与光耦合器603的第一端口连接，所述光耦合器603的第二端口与光纤5连接，光耦合器603的第三端口与光纤5连接，光耦合器603的第四端口与光探测器604的输入端口连接，光探测器604输出端口与相位解调电路605电连接。

优选的，所述激光光源601使用窄线宽激光光源，窄线宽激光光源的线宽小于100KHz，工作波长在1550nm，输出功率在2dBm，以保证有效地相干长度和系统足够的功率预算；光隔离器602工作波长在1550nm，隔离度大于45dB，插入损耗小于1dB，以减小反射光对光源的影响。光耦合器603为四端口耦合器，工作波长1550nm，1端口为输入端口，2、3端口为50：50的输出端口，4端口为反向输出端口。相位解调电路605采用数字PGC解调电路提取相位信息，本发明所涉及的PGC解调电路等，已经在水听计等中获得广泛应用。在此只是列举部分实现方式，不对模块的细部特征再做具体叙述。

本发明还公开了一种基于磁光耦合的弱磁传感器的磁场测量方法，包括如下步骤：

将所述弱磁传感器置于标准磁场环境中，检测此时信号的相位输出，设定为参考相位；

将所述弱磁传感器置于外磁场中，磁致伸缩体2长度发生变化，带动双面法拉第反射镜3产生水平位移，使双面法拉第反射镜3的两路反射光的光程发生变化；

反射光光程的变化导致等臂长迈克尔逊干涉装置6中电信号的相位发生变化，通过数字PGC解调电路提取相位的变化，计算出法拉第反射镜的位移；电信号的相位变化ΔΦ与双面法拉第反射镜3位移量Δx之间的按如下公式换算：

其中λ是激光光源的波长；

根据测算的双面法拉第反射镜3位移量和已知磁致伸缩体2的伸缩系数，校验传感系统的工作范围和线性工作区域。

比较外磁场中的相位值相对于参考相位值的变化趋势，进而确定外磁场的方向。假定标准磁场中的相位值为45°，在外磁场与标准磁场相当时，实测相位值大于45°，则意味着外磁场增强；实测相位值小于45°，意味着外磁场减弱。

所述弱磁传感器及测量方法充分发挥了迈克尔逊干涉仪高精度测量的优点，通过采用等臂长迈克尔逊干涉仪的差动位移测量方法，降低温度和偏振衰落对系统精度的影响，将灵敏度提高2-3倍；与此同时，利用磁致伸缩材料的自由伸缩结构来实现磁光耦合，有效避免了力学负载对磁致伸缩材料重复性的影响，突破了磁致伸缩材料在光学传感测量中的局限性，可真正实现磁光传感器的高精度测量。

Claims (6)

1.一种基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：包括基座(1)、磁致伸缩体(2)、双面法拉第反射镜(3)和等臂长迈克尔逊干涉仪，所述磁致伸缩体(2)的一端与基座(1)机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜(3)粘接，当磁致伸缩体(2)在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜(3)的位置，双面法拉第反射镜(3)的位置变化量被等臂长迈克尔逊干涉仪检测和处理后，将相应的磁致伸缩体(2)的长度变化量转换为磁场的大小。

2.如权利要求1所述的基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：所述双面法拉第反射镜(3)包括2个法拉第旋光片(301)和双面反射镜(302)，所述双面反射镜(302)夹在2个法拉第旋光片(301)之间。

3.如权利要求1所述的基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：所述等臂长迈克尔逊干涉仪包括一对光纤准直探头(4)、光纤(5)以及迈克尔逊干涉装置(6)，所述光纤准直探头固定在所述面法拉第反射镜(3)的两侧的基座上，所述光纤准直探头通过光纤(5)与迈克尔逊干涉装置(6)连接，所述一对光纤准直探头(4)以及双面法拉第反射镜(3)的中心在同一条轴线上。

4.如权利要求3所述的基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：所述迈克尔逊干涉装置(6)包括激光光源(601)、光隔离器(602)、光耦合器(603)、光探测器(604)、相位解调电路(605)；所述激光光源(601)的输出端口与光隔离器(603)的输入端口连接，所述光隔离器(602)的输出端口与光耦合器(603)的第一端口连接，所述光耦合器(603)的第二端口与光纤(5)连接，光耦合器(603)的第三端口与光纤(5)连接，光耦合器(603)的第四端口与光探测器(604)的输入端口连接，光探测器(604)输出端口与相位解调电路(605)电连接。

5.如权利要求4所述的基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：所述相位解调电路(605)采用数字PGC解调电路提取相位信息。

6.一种基于磁光耦合的弱磁传感器的磁场测量方法，其特征在于包括如下步骤：

将如权利要求4-5中任意一项所述的弱磁传感器置于标准磁场环境中，检测此时信号的相位输出，设定为参考相位；

将所述弱磁传感器置于外磁场中，磁致伸缩体(2)长度发生变化，带动双面法拉第反射镜(3)产生水平位移，使双面法拉第反射镜(3)的两路反射光的光程发生变化；

反射光光程的变化导致等臂长迈克尔逊干涉装置(6)中电信号的相位发生变化，通过数字PGC解调电路提取相位的变化，计算出法拉第反射镜的位移；电信号的相位变化ΔΦ与双面法拉第反射镜(3)位移量Δx之间的按如下公式换算：

其中λ是激光光源的波长；

根据测算的双面法拉第反射镜(3)位移量和已知磁致伸缩体(2)的伸缩系数，计算出当前磁场的强度；比较外磁场中的相位值相对于参考相位值的变化趋势，进而确定外磁场的方向。