CN106125017B - 一种基于光纤光栅的磁场强度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：包括依次连接的光源模块、隔离器、耦合器、光电探测模块和信号处理模块，以及与耦合器连接的磁感应模块；所述磁感应模块，是由光纤、以等间距均匀布置在光纤上的光栅、粘贴于光栅上的磁致伸缩薄膜、装充在磁致伸缩薄膜所封闭的光栅间隔中的光纤匹配液，以及贴在磁致伸缩薄膜外表面的保护层所组成。本发明具有不受电磁干扰、测量精度高、结构简单、成本较低、使用方便等突出优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量装置，尤其是一种基于光纤光栅的磁场强度测量装置。
背景技术
磁场测量方法有很多，如磁通门法、磁光泵法、超导量子器件干涉法等。采用这些方法的测量仪器基本都是由电子器件组成，造成测量仪器抗电磁干扰和耐高温能力差，无法在恶劣的环境下工作，极大地限制了应用范围。具体而言，电子线路耐高温性能差，在温度150℃环境下使用时，测量仪器的工作时间都需要严格限制，无法长时间测量，不能满足高温长时间测量要求。其次，在电磁干扰严重的环境下测量信号容易受到干扰，测量误差大，导致所采集的信息可靠性和准确性无法得到保障。
与电子器件相比，光纤传感器在高灵敏度、高精度、大动态范围、抗电磁干扰、耐高温高压等性能方面更具技术优势。因而在磁场测量，特别是微弱磁场测量方面倍受关注。
现有磁场测量方法都不适于磁场的高精度测量，同时其测量仪器制作复杂成本较高，尚无高精度的磁场测量装置，这是市场的缺欠。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于光纤光栅的磁场强度测量装置，这种装置具有不受电磁干扰、测量精度高、结构简单、成本较低、使用方便的突出优点。
本发明采用的技术方案如下：
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，包括依次连接的光源模块、隔离器、耦合器、光电探测模块和信号处理模块，以及与耦合器连接的磁感应模块；所述磁感应模块包括光纤、以等间距均匀布置在光纤上的光栅、粘贴于光栅上的磁致伸缩薄膜、装充在磁致伸缩薄膜所封闭的光栅间隔中的光纤匹配液，以及贴在磁致伸缩薄膜外表面的保护层。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述磁感应模块，其光栅为Bragg光栅、光栅间距为2mm，光纤光栅的厚度为2mm，光纤光栅的反射光谱带宽在6nm-8nm。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述超磁致伸缩薄膜为树脂基超磁致伸缩薄膜；所述树脂基超磁致伸缩薄膜的制备方法包括以下几个步骤：
步骤一：制备树脂基超磁致伸缩材料；
步骤二：用金相砂纸将树脂基超磁致伸缩材料块表面打磨光亮，除去氧化层，然后分别用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗、晾干；
步骤三：将步骤而制备的样品固定在溅射板上，抽真空，充入Ar气，溅射清洗样品；
步骤四：将样品放入瓷方舟中，再把瓷方舟放入高真空热处理炉中，进行加热4小时后取出，冷却，制得树脂基超磁致伸缩薄膜。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述步骤一中树脂基超磁致伸缩材料的制备方法为：将体积比为12：12：2的E-44环氧树脂：650聚酰胺固化剂：铽镝铁合金粉末混合倒入容器中，再加入适量的丙酮溶液，反复搅拌脱气，并烘干让丙酮挥发，将混合物密封，放入200GS的弱磁场中取向，待7小时凝固后取出。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述光源模块为半导体光源；所述信号处理模块采用嵌入式计算机，安装有测量软件。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述光电探测模块包括PIN光电转换电路、除法器、低通滤波器和电压放大电路；所述PIN光电转换电路连接耦合器，用于将光信号转化成电流，再转化成电压；所述除法器连通PIN光电转换电路和低通滤波器，用于消除光源波动的影响；所述低通滤波器连接电压放大电路，用于进行滤波处理，减少输出电路中的噪声；所述电压放大电路，用于将处理的信号进行放大。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述PIN光电转换电路包括PIN光电二极管、电阻和运算放大器，所述PIN光电二极管串联电阻，再连接运算放大器。
以上PIN光电转换电路，PIN光电二极管完成光信号到电流信号的转换，转换效率高，电阻与运算放大器组成的放大器将电流信号转换为电压信号；同时PIN光电转换电路能够减小漏电电流，提高检测灵敏度。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述除法器包括运算放大器、电阻和模拟四象限乘法器。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述电压放大电路包括三运放和可调电阻。
以上电压放大电路，由于从除法器输出的信号较小，在经过低通滤波器的衰减，信号很弱，不便于采集，需要对信号进行放大；所采用的三运放的输入端的三极管提供差分双极输入，并采用低输入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流恒定，并使输入电压加到外部增益控制的电阻上，调节电阻的阻值，可使电压放大很多倍数，同时增益控制精度高。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，还包括测量方法：接通设备，将磁感应模块放置于非磁场中，通过光电探测模块收集反射光，并转化为信号处理模块可读取的数字信号，进行测量装置的标定；将磁感应模块放置于磁场中进行测量，所测的结果与标定的结果进行对比，找到磁场强度与波长之间的关系，检测波长就可以测得磁场强度。
本发明的工作原理是：从半导体光源发出的光经过隔离器、耦合器入射到置于测量磁场中的磁感应模块中，其超磁致伸缩薄膜受磁场作用产生形变，光纤光栅对薄膜形变非常敏感，入射光在光纤光栅中发生反射，反射光携带超磁致伸缩薄膜形变信息回到耦合器中，同时被光电探测模块收集转化，形成数字信号发送到信号处理模块，进行处理，就能通过计算得到磁场的强度。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：测量不受电磁干扰、测量精度高。理由是：(1)本测量装置中的光源、隔离器、耦合器、光电探测模块和信号处理模块，都可以屏蔽电磁干扰，而磁感应模块主体为光纤光栅结构具有良好屏蔽电磁干扰的作用。(2) 测量精度高，是因为：隔离器减小反射光对光源提供的入射光的影响，降低反射光的损耗；光纤匹配液吸收光纤光栅输出的透射光，减少对反射光的影响；超磁致伸缩薄膜感应磁场作用形变，而光纤光栅对薄膜形变非常敏感，磁致伸缩薄膜受磁场作用形变量越大，光纤光栅的测量就越明显，就能得到更好的处理结果，从而计算出更精准的磁场强度，有利于磁场强度的测量。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置结构示意图。
图2为本发明基于光纤光栅的磁感应模块结构示意图。
图中标记：1为光纤、2为光栅、3为光栅间隔、4为光纤匹配液、5为超磁致伸缩薄膜、6为保护层。
图3是PIN光电转换电路的电路图。
图4是除法器的电路图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1 ，本发明包括依次连接的光源模块、隔离器、耦合器、光电探测模块和信号处理模块，以及与耦合器连接的磁感应模块；如图2，所述磁感应模块包括光纤1、以等间距均匀布置在光纤1上的光栅2、粘贴于光栅2上的磁致伸缩薄膜5、装充在磁致伸缩薄膜5所封闭的光栅间隔3中的光纤匹配液4，以及贴在磁致伸缩薄膜外表面的保护层6。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述磁感应模块，其光栅为Bragg光栅、光栅间距为2mm，光纤光栅的厚度为2mm，光纤光栅的反射光谱带宽在6nm-8nm。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述磁致伸缩薄膜为树脂基超磁致伸缩薄膜；所述树脂基超磁致伸缩薄膜的制备方法包括以下几个步骤：
步骤一：制备树脂基超磁致伸缩材料；
步骤二：用金相砂纸将树脂基超磁致伸缩材料块表面打磨光亮，除去氧化层，然后分别用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗、晾干；
步骤三：将步骤而制备的样品固定在溅射板上，抽真空，充入Ar气，溅射清洗样品；
步骤四：将样品放入瓷方舟中，再把瓷方舟放入高真空热处理炉中，进行加热4小时后取出，冷却，制得树脂基超磁致伸缩薄膜。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述步骤一中树脂基超磁致伸缩材料的制备方法为：将体积比为12：12：2的E-44环氧树脂：650聚酰胺固化剂：铽镝铁合金粉末混合倒入容器中，再加入适量的丙酮溶液，反复搅拌脱气，并烘干让丙酮挥发，将混合物密封，放入200GS的弱磁场中取向，待7小时凝固后取出。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述光源模块为半导体光源；所述信号处理模块采用嵌入式计算机，安装有测量软件。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述光电探测模块包括PIN光电转换电路、除法器、低通滤波器和电压放大电路；所述PIN光电转换电路连接耦合器，用于将光信号转化成电流，再转化成电压；所述除法器连通PIN光电转换电路和低通滤波器，用于消除光源波动的影响；所述低通滤波器连接电压放大电路，用于进行滤波处理，减少输出电路中的噪声；所述电压放大电路，用于将处理的信号进行放大。
如图3，本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述PIN光电转换电路包括PIN光电二极管、电阻和运算放大器，所述PIN光电二极管串联电阻，再连接运算放大器。
如图4，本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述除法器包括运算放大器、电阻和模拟四象限乘法器。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，所述电压放大电路包括三运放和可调电阻。
本发明基于光纤光栅的磁场强度测量装置，还包括测量方法：接通设备，将磁感应模块放置于非磁场中，通过光电探测模块收集反射光，并转化为信号处理模块可读取的数字信号，进行测量装置的标定；将磁感应模块放置于磁场中进行测量，所测的结果与标定的结果进行对比，找到磁场强度与波长之间的关系，检测波长就可以测得磁场强度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组。
Claims (9)
1.一种基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：包括依次连接的光源模块、隔离器、耦合器、光电探测模块和信号处理模块，以及与耦合器连接的磁感应模块；所述磁感应模块包括光纤、以等间距均匀布置在光纤上的光栅、粘贴于光栅上的磁致伸缩薄膜、装充在磁致伸缩薄膜所封闭的光栅间隔中的光纤匹配液，以及贴在磁致伸缩薄膜外表面的保护层；所述磁致伸缩薄膜为树脂基超磁致伸缩薄膜；所述树脂基超磁致伸缩薄膜的制备方法包括以下几个步骤：
步骤一：制备树脂基超磁致伸缩材料；
步骤二：用金相砂纸将树脂基超磁致伸缩材料块表面打磨光亮，除去氧化层，然后分别用蒸馏水、丙酮和无水乙醇清洗、晾干；
步骤三：将步骤而制备的样品固定在溅射板上，抽真空，充入Ar气，溅射清洗样品；
步骤四：将样品放入瓷方舟中，再把瓷方舟放入高真空热处理炉中，进行加热4小时后取出，冷却，制得树脂基超磁致伸缩薄膜。
2.根据权利要求1所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述磁感应模块，其光栅为Bragg光栅、光栅间距为2mm，光纤光栅的厚度为2mm，光纤光栅的反射光谱带宽在6nm-8nm。
3.根据权利要求1所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述步骤一中树脂基超磁致伸缩材料的制备方法为：将体积比为12：12：2的E-44环氧树脂：650聚酰胺固化剂：铽镝铁合金粉末混合倒入容器中，再加入适量的丙酮溶液，反复搅拌脱气，并烘干让丙酮挥发，将混合物密封，放入200GS的弱磁场中取向，待7小时凝固后取出。
4.根据权利要求1所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述光源模块为半导体光源；所述信号处理模块采用嵌入式计算机，安装有测量软件。
5.根据权利要求1所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述光电探测模块包括PIN光电转换电路、除法器、低通滤波器和电压放大电路；所述PIN光电转换电路连接耦合器，用于将光信号转化成电流，再转化成电压；所述除法器连通PIN光电转换电路和低通滤波器，用于消除光源波动的影响；所述低通滤波器连接电压放大电路，用于进行滤波处理，减少输出电路中的噪声；所述电压放大电路，用于将处理的信号进行放大。
6.根据权利要求5所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述PIN光电转换电路包括PIN光电二极管、电阻和运算放大器，所述PIN光电二极管串联电阻，再连接运算放大器。
7.根据权利要求5所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述除法器包括运算放大器、电阻和模拟四象限乘法器；所述运算放大器的反向输入端连接电阻R1和R2，R2连接电压V2，R1连接模拟四象限乘法器；所述运算放大器的正向输入端接地；所述运算放大器的输出端连接模拟四象限乘法器；所述模拟四象限乘法器上还接入电压V1和V0。
8.根据权利要求5所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置，其特征在于：所述电压放大电路包括三运放和可调电阻。
9.一种根据权利要求1-8之一所述基于光纤光栅的磁场强度测量装置的测量方法，其特征在于：包括：接通设备，将磁感应模块放置于非磁场中，通过光电探测模块收集反射光，并转化为信号处理模块可读取的数字信号，进行测量装置的标定；将磁感应模块放置于磁场中进行测量，所测的结果与标定的结果进行对比，找到磁场强度与波长之间的关系，检测波长就可以测得磁场强度。
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