CN106872912A - 一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置 - Google Patents

一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，涉及光纤磁场传感领域。包括光脉冲信号发生部分、温度补偿部分、磁场传感部分和信号检测部分。利用磁性液体填充光子晶体光纤，通过单模光纤连接构成光纤环型衰荡腔，在增强测量灵敏度的同时通过在衰荡腔内加入温度补偿装置解决现阶段光纤磁场传感器中存在的温飘问题，并且通过引入两段延迟光纤实现了传感距离的灵活设定，对远距离光纤磁场传感研究具有重要的意义。本发明适用于远距离高精度光纤磁场传感。

Description

一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置。
背景技术
随着社会的发展以及科技的不断进步，磁场传感已成为信息技术和信息产业中不可或缺的传感技术之一,并且在安全、准确、可靠等方面提出了更高的要求，因此必须研究新的磁场传感设备以适应当今社会的要求,其中光纤磁场传感器是重点发展的一种磁场传感器。
传统的磁场传感器由于体积大又笨重、易受电磁干扰、温漂大、磁滞现象和铁磁共振等问题而具备一定的局限性；而与传统的磁场传感器相比，光纤磁场传感器在磁场传感方面有着突出的优势，除了体积小、重量轻以外，还具有抗辐射、抗干扰、防爆等优点，因而逐渐在磁场探测领域取代传统的磁场传感器，对于现代信息产业的发展具有极其重要的意义。
磁光效应、磁致伸缩、压电效应、电光效应、热效应等是光纤磁场传感器目前所利用的主要的物理效应，其中基于磁光效应的磁场传感器基本原理是磁场与在磁光材料中传输的光发生直接或者间接的相互作用，从而改变光的参数，包括光的强度、波长和偏振态等，该类光纤磁场传感器具有测量分辨率好、精度高等优点，在光纤电流与磁场传感方向具有很大的发展潜力。
除了以上优点以外,此类光纤磁场传感器在其实用化过程中也存在其自身的缺陷，其中温度对测量结果的影响尤为突出,随着温度的变化表现为测量结果出现时间上的漂移，因此，研制具有温度补偿功能的、可进行远距离探测的光纤磁场传感装置具有现实意义。
发明内容
针对现有光纤磁场传感器的不足，本发明的目的是提供一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置。
本发明的技术方案如下：
本发明提出一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，包括：光源、电光波导强度调制器、信号发生器、光纤耦合器一、可调衰减器、光纤耦合器二、磁场传感装置、延迟光纤一、延迟光纤二、温控装置、光电探测器、显示装置、温度测量装置；
所述各器件的连接如下：
光源与电光波导强度调制器的输入端口相连，电光波导强度调制器的调制端口连接信号发生器，构成光脉冲信号发生部分；
可调衰减器的控制端口连接温控装置，温控装置连接温度测量装置构成温度补偿部分；
电光波导强度调制器的输出端口与光纤耦合器一的第一输入端口相连，光纤耦合器一的输出端口与可调衰减器的输入端口相连，可调衰减器的输出端口与光纤耦合器二的输入端口相连，光纤耦合器二的第一输出端口与磁场传感装置相连接，磁场传感装置的另一端口与光纤耦合器一的第二输入端口相连构成基于光纤环型腔衰荡技术的磁场传感部分；
光纤耦合器二的第二输出端口与光电探测器的输入端口相连，光电探测器的输出端口与显示装置相连构成信号检测部分；
所述磁场传感部分中光纤环型衰荡腔内包含温度补偿装置；
所述磁场传感装置为单模光纤-光子晶体光纤-单模光纤结构，所述单模光纤与光子晶体光纤外径相同；
所述单模光纤-光子晶体光纤-单模光纤结构连接方式为：取内径与所述单模光纤和光子晶体光纤外径相等的毛细玻璃套管，分别将单模光纤与光子晶体光纤插入，对接之后将套管两端用无影胶将玻璃套管与光纤固定；
所述光子晶体光纤气孔内选择性填充磁性液体，利用内外引入压力差方法，首先将部分气孔两端用胶密封，然后用注射器将磁性液体注入未密封气孔中，完成后将两端带有密封胶的部分切掉之后与单模光纤进行对接；
所述磁性液体可以为水基铁磁流体或油基铁磁流体；
所述光子晶体光纤长度范围为3-10cm；
所述光源为ASE宽带光源，所述电光波导强度调制器为铌酸锂晶体构成的电光波导强度调制器，所述显示装置为示波器或者计算机或者相应的电信号接收装置，所述光纤耦合器分光比范围为0.2:99.8至1:99；
所述磁场传感部分中光纤环型衰荡腔内包含两段延迟光纤，延迟光纤一和延迟光纤二，所述延迟光纤一和延迟光纤二长度可在5-2000m范围内自由设定，从而可实现远距离传感；
本发明的有益效果具体如下：
本发明提出一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置；
将基于光子晶体光纤的光纤环型腔衰荡技术与温度补偿相结合，实现光纤磁场传感器灵敏度在现有基础上提高了一个数量级并同时增强了系统运行的稳定性；
在传感光纤衰荡腔内引入两段延迟光纤，对实现远距离磁场传感研究具有重要意义。
附图说明
图1为一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置；
图2为磁场传感装置放大结构；
图3为系统输出信号；
图4为衰荡时间与磁场关系曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，它包括包括光源（1）、电光波导强度调制器（2）、信号发生器（3）、光纤耦合器一（4）、可调衰减器（5）、光纤耦合器二（6）、磁场传感装置（7）、延迟光纤一（8）、延迟光纤二（9）、温控装置（10）、光电探测器（11）、显示装置（12）、光纤光栅测温装置（13）；
光源（1）发出的宽频带光信号经连接信号发生器（3）的电光波导强度调制器（2）调制产生光脉冲信号，该脉冲信号经光纤耦合器一（4）的第一输入端口进入光纤衰荡腔，经历温控可调衰减器（5）之后，该光信号的99.5%有光纤耦合器二（6）的第一输出端口传入磁场传感装置（7），该路光信号在进行磁场传感之后，经光纤耦合器一（4）第二输入端口再次经历与初始输入光信号相同的过程，如此往复循环，直至该脉冲强度衰减为零，另一路0.5%光脉冲信号经光纤耦合器二（6）的第二输出端输出，由光电探测器探测并输入电信号显示装置；
本实施方式所述光源（1）为ASE宽带光源，带宽为40nm，中心波长为1550nm；
本实施方式所述光纤耦合器分光比均为0.5:99.5；
本实施方式所述电光波导强度调制器（2）为铌酸锂电光波导强度调制器；
本实施方式所述显示装置（12）为示波器；
本实施方式所述温度测量装置（13）为光纤光栅测温装置。
具体实施方式二：图2，所述磁场传感装置（7）结构包括：输入单模光纤（14）、光子晶体光纤（17）、输出单模光纤（18）、玻璃毛细管（16）、磁流体（20）；
将光子晶体光纤部分气孔两端用胶密封，使用注射器利用引入内外压力差方法将磁流体注入未密封空气孔内，完成后将两端带有密封胶的部分切掉，然后将处理完的光子晶体光纤（17）两端分别插入毛细玻璃管（16,21）并分别与输入单模光纤（14）和输出单模光纤（18）进行对接，对接完成之后用无影胶（15）将单模光纤与毛细玻璃管固定；
所述磁流体为水基铁磁流体；
所述玻璃毛细管内径和光子晶体光纤外径与单模光纤外径相同；
所述光子晶体光纤长度为10cm。
工作原理：
基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感：
工作过程：如图1所示，光源（1）输出光信号经铌酸锂电光波导强度调制器（2）调制产生光脉冲信号，光脉冲信号经光纤耦合器一（4）进入光纤环形衰荡腔，经可调衰减器（3）后经由耦合器二（6）0.5%信号光输出用于探测，剩余99.5%信号光继续在衰荡腔内传播，经过光纤磁场传感装置（7），经由由耦合器一（4）再一次经历衰荡腔，如此循环传输，每传输一圈，衰减一次，并由光纤耦合器二（6）输出一个待测信号，由光电探测器（11）探测，示波器（12）显示；
在磁场传感过程中，将磁场传感装置（7）置于待测磁场中，所述磁场方向垂直于磁场传感装置（7）中光子晶体光纤。
具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式二做进一步说明，在磁场传感过程中，所述光纤光栅测温装置（13）与温控装置（10）相连，实时地将传感过程中环境温度反馈给温控装置（10），通过温控装置（10）控制光纤环型衰荡腔内可调衰减器的衰减大小，从而补偿温度对腔内光脉冲信号的影响。
具体实施方式四：图3为示波器（12）所接收信号。
具体实施方式五：图4，利用计算机对示波器（12）所接收信号进行处理，得到待测信号衰荡时间与磁场之间的关系曲线。

Claims (9)

1.一种基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于，所述光纤磁场传感装置包括：光源（1）、电光波导强度调制器（2）、信号发生器（3）、光纤耦合器一（4）、可调衰减器（5）、光纤耦合器二（6）、磁场传感装置（7）、延迟光纤一（8）、延迟光纤二（9）、温控装置（10）、光电探测器（11）、显示装置（12）、温度测量装置（13）；
所述各器件连接如下：
光源（1）与电光波导强度调制器（2）的输入端口相连，电光波导强度调制器（2）的调制端口连接信号发生器（3），构成光脉冲信号发生部分；
可调衰减器（5）的控制端口连接温控装置（10），温控装置（10）连接温度测量装置（13）构成温度补偿部分；
电光波导强度调制器（2）的输出端口与光纤耦合器一（4）的第一输入端口相连，光纤耦合器一（4）的输出端口与可调衰减器（5）的输入端口相连，可调衰减器（5）的输出端口与光纤耦合器二（6）的输入端口相连，光纤耦合器二（6）的第一输出端口与磁场传感装置（7）相连接，磁场传感装置（7）的另一端口与光纤耦合器一（4）的第二输入端口相连构成基于光纤环型腔衰荡技术的磁场传感部分；
光纤耦合器二（6）的第二输出端口与光电探测器（11）的输入端口相连，光电探测器（11）的输出端口与显示装置（12）相连构成信号检测部分。
2.根据权利要求1所述基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：所述磁场传感部分中光纤环型衰荡腔内包含温度补偿装置。
3.根据权利要求1所述基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：所述磁场传感装置（7）为单模光纤-光子晶体光纤-单模光纤结构，所述单模光纤与光子晶体光纤外径相同。
4.所述单模光纤-光子晶体光纤-单模光纤结构连接方式为：取内径与所述单模光纤和光子晶体光纤外径相等的毛细玻璃套管，分别将单模光纤与光子晶体光纤插入，对接之后将套管两端用无影胶将玻璃套管与光纤固定。
5.根据权利要求3所述磁场传感装置（7），期特征在于：所述光子晶体光纤气孔内选择性填充磁性液体，利用内外引入压力差方法，首先将部分气孔两端用胶密封，然后用注射器将磁性液体注入未密封气孔中，完成后将两端带有密封胶的部分切掉之后与单模光纤进行对接；
所述磁性液体可以为水基铁磁流体或油基铁磁流体；
所述光子晶体光纤长度范围为3-10cm。
6.根据权利要求1所述基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：所述磁场传感装置（7）垂直于待测磁场方向放置。
7.根据权利要求1所述基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：所述光源（1）为ASE宽带光源，所述电光波导强度调制器（2）为铌酸锂晶体构成的电光波导强度调制器，所述显示装置（12）为示波器或者计算机或者相应的电信号接收装置，所述光纤耦合器分光比范围为0.2:99.8至1:99。
8.根据权利要求1所述基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：所述磁场传感部分中光纤环型衰荡腔内包含两段延迟光纤，延迟光纤一（8）和延迟光纤二（9），所述延迟光纤一（8）和延迟光纤二（9）长度可在5-2000m范围内自由设定，从而可实现远距离传感。
9.根据权利要求1至6所述，基于温度补偿高灵敏度远距离光纤磁场传感装置，其特征在于：将基于光子晶体光纤的光纤环型腔衰荡技术与温度补偿相结合，实现光纤磁场传感器灵敏度在现有基础上提高了一个数量级并同时增强了系统的稳定性。
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