CN107632276A - 一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，涉及光纤传感器技术领域。本发明包括LD光源、光纤定向耦合器、光电探测器、匹配液、Y型光纤本体和磁场传感器，其中，磁场传感器包括第一传感探头和第二传感探头。第一传感探头，直接构造在Y型光纤本体第一端部处，用于检测磁场内的温度以作温度补偿基础。所述第二传感探头包括D型光纤光栅悬臂梁、金属薄膜和超磁致伸缩薄膜。D型光纤光栅悬臂梁直接构造在Y型光纤本体第二端部处。金属薄膜涂覆在所述D型光纤光栅悬臂梁上表面处。超磁致伸缩薄膜布置在所述金属薄膜表面处，以感应磁场的强度。本发明工作在全光激励下，不会对待测磁场产生干扰，体积小，适用于狭小的空间使用。

Description

一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，特别是涉及一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统。

背景技术

磁场测量是电磁测量技术的一个重要分支。在工业生产和科学研究的许多领域都要涉及到磁场测量问题。如：电流测量、磁探矿、磁悬浮列车、地质勘探、同位素分离、质谱仪、电子束和离子束加工装置、受控热核反应，以及人造地球卫星等，甚至在医学和生物学方面也有应用。例如，磁场疗法治病，用“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病，环境磁场对生物和人体的作用，以及磁现象与生命现象的研究等都需要磁场测量技术和测磁仪器的研制，因此，磁场的测量技术与人们的生活密切相关。

目前的磁场传感器主要基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门效应、隧道效应和核磁共振效应等机理，这些传统的磁场传感器均需要电信号激励，电信号激励产生的磁场会对被测磁场产生干扰，从而限制了传感器检测精度的进一步提高。传统磁场传感器体积较大，难以对狭小空间的磁场进行检测。光纤磁场传感器不影响待测电磁场，并且有耐腐蚀、重量轻、体积小等优点，有利于在航空、航天领域以及狭小空间的应用。光纤悬臂梁磁场传感器结合了光纤磁场传感器和悬臂梁的特点，有微型化、易实现多点式分布检测、远距离检测、高精度、低功耗和全光传输等优点。

发明内容

本发明的一个目的是针对现有技术的缺陷，提供了一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统。

特别地，本发明提供了一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，包括LD光源、光纤定向耦合器、光电探测器、匹配液、Y型光纤本体和磁场传感器，其中，所述磁场传感器包括：

第一传感探头，直接构造在Y型光纤本体第一端部处，用于检测磁场内的温度以作温度补偿基础；和

第二传感探头，用于检测磁场内的磁场强度，其中，所述第二传感探头包括：

D型光纤光栅悬臂梁，直接构造在Y型光纤本体第二端部处，

金属薄膜，涂覆在所述D型光纤光栅悬臂梁上表面处，

超磁致伸缩薄膜，布置在所述金属薄膜表面处，以感应磁场的强度。

进一步地，所述光纤定向耦合器为2*2光纤定向耦合器，其具有第一端口至第四端口，所述第一端口与所述LD光源连接，所述第二端口与所述Y型光纤本体的输入端连接，第三端口通过光纤与所述光电探测器连接，所述第四端口与所述匹配液连接。

进一步地，所述第三端口与所述光电探测器连接之间的光纤上设有匹配光栅。

进一步地，所述D型光纤光栅悬臂梁构由所述Y型光纤本体的第二端部通过微机械加工出D型悬臂梁，再在所述D型悬臂梁处的纤芯处光刻光栅结构。

进一步地，所述光栅结构构造成倾斜光栅结构。

进一步地，所述第二传感探头与所述Y型光纤本体为一体化结构。

进一步地，所述超磁致伸缩薄膜的厚度为0.5μm-2μm。

进一步地，所述超磁致伸缩薄膜呈长条状，所述超磁致伸缩薄膜的宽度按等于纤芯的直径。

进一步地，所述金属薄膜为金或铬。

本发明的磁场检测系统包括LD光源、光纤定向耦合器、光电探测器、匹配液和具Y型光纤本体和和磁场传感器。其中，所述磁场传感器包括第一传感探头和第二传感探头。本发明通过第一传感探头检测磁场环境温度以作温度补偿基础，通过第二传感探头检测磁场的强度。本发明的磁场传感器工作在全光激励下，不会对待测磁场产生干扰，体积小，适用于狭小的空间使用。

进一步地，本发明在D型光纤光栅悬臂梁外表面处依次设有金属薄膜和超磁致伸缩薄膜形成双层敏感谐振结构。超磁致伸缩薄膜具有较大的磁致伸缩系数，能产生较大的磁致伸缩，从而有效地提高了对磁场的检测精度。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是本发明一个实施例的超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明一个实施例的超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，包括LD光源1、光纤定向耦合器2、光电探测器3、匹配液5、Y型光纤本体和磁场传感器，其中，所述磁场传感器包括第一传感探头8和第二传感探头9。第一传感探头8，直接构造在Y型光纤本体第一端部6处，用于检测磁场内的温度以作温度补偿基础。第二传感探头用于检测磁场内的磁场强度，其中，所述第二传感探头9包括D型光纤光栅悬臂梁、金属薄膜102和超磁致伸缩薄膜101。D型光纤光栅悬臂梁直接构造在Y型光纤本体第二端部7处。金属薄膜102涂覆在所述D型光纤光栅悬臂梁上表面处。超磁致伸缩薄膜101布置在所述金属薄膜102表面处，以感应磁场的强度。

本发明的磁场检测系统包括LD光源1、光纤定向耦合器2、光电探测器3、匹配液5和具Y型光纤本体和和磁场传感器。其中，所述磁场传感器包括第一传感探头8和第二传感探头9。本发明通过第一传感探头8检测磁场环境温度以作温度补偿基础，通过第二传感探头9检测磁场的强度。本发明的磁场传感器工作在全光激励下，不会对待测磁场产生干扰，体积小，适用于狭小的空间使用。进一步地，本发明在D型光纤光栅悬臂梁外表面处依次设有金属薄膜102和超磁致伸缩薄膜101形成双层敏感谐振结构。超磁致伸缩薄膜101具有较大的磁致伸缩系数，能产生较大的磁致伸缩，从而有效地提高了对磁场的检测精度。

如图1所示，本发明所述光纤定向耦合器2为2*2光纤定向耦合器，其具有第一端口21至第四端口24，所述第一端口21与所述LD光源1连接，所述第二端口22与所述Y型光纤本体的输入端连接，第三端口23通过光纤与所述光电探测器3连接，所述第四端口与所述匹配液5连接。所述第三端口23与所述光电探测器3连接之间的光纤上设有匹配光栅4。

在一实施例中，本发明所述D型光纤光栅悬臂梁构由所述Y型光纤本体的第二端部通过微机械加工出D型悬臂梁，再在所述D型悬臂梁处的纤芯处光刻光栅结构。所述光栅结构构造成倾斜光栅结构。进一步地，所述第二传感探头9与所述Y型光纤本体为一体化结构。所述超磁致伸缩薄膜101的厚度为0.5μm-2μm。所述超磁致伸缩薄膜101呈长条状，所述超磁致伸缩薄膜101的宽度按等于纤芯的直径。进一步地，所述金属薄膜102为金或铬。

本发明的磁场检测系统工作原理如下：经频率调制的红外激光由所述光纤定向耦合器2的第一端口21进入，由所述光纤定向耦合器2的第二端口耦合传输到所述Y型光纤本体中，所述第二传感探头9在所述D型光纤光栅悬臂梁涂覆有金属薄膜102，由于“双膜热效应”D型光纤光栅悬臂梁出现光热激励谐振，D型光纤光栅悬臂梁发生谐振时，光纤光栅的中心波长由于光纤光栅周期变化而变化，即光栅结构向下振动受到应力，向上振动受到拉力，周期发生变化，被光纤光栅调制的反射信号沿光纤光路返回，反射信号光通过光纤定向耦合器2的第三端口被光电探测器3接收。本发明的D型光纤光栅悬臂梁处还设有超磁致伸缩薄膜101，在磁场的作用下，超磁致伸缩薄膜101会在沿磁场不同的方向上伸长或缩短，外界磁场大小的不同引起超磁致伸缩薄膜101伸缩程度的不同，从而带动所述D型光纤光栅悬臂梁产生挠曲，进而导致所述D型光纤光栅悬臂梁振幅随之发生变化，D型光纤光栅悬臂梁上的光栅栅距受到的拉伸和挤压程也会发生变化，最终反射信号的中心波长变化范围也发生变化。磁场强度越高，D型光纤光栅悬臂梁产生挠曲、振幅越大，光栅的反射信号的中心波长变化的范围越宽。中心波长变化的反射信号入射到匹配光栅4中，匹配光栅4的透射光强被光电探测器3接收，匹配滤波匹配光栅4将D型光纤光栅悬臂梁中心波长的变化量转化为光强信号的变化进而来测量磁场的强度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (9)

1.一种基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，包括LD光源、光纤定向耦合器、光电探测器、匹配液、Y型光纤本体和磁场传感器，其中，所述磁场传感器包括：

第一传感探头，直接构造在Y型光纤本体第一端部处，用于检测磁场内的温度以作温度补偿基础；和

第二传感探头，用于检测磁场内的磁场强度，其中，所述第二传感探头包括：

D型光纤光栅悬臂梁，直接构造在Y型光纤本体第二端部处，

金属薄膜，涂覆在所述D型光纤光栅悬臂梁上表面处，

超磁致伸缩薄膜，布置在所述金属薄膜表面处，以感应磁场的强度。

2.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述光纤定向耦合器为2*2光纤定向耦合器，其具有第一端口至第四端口，所述第一端口与所述LD光源连接，所述第二端口与所述Y型光纤本体的输入端连接，第三端口通过光纤与所述光电探测器连接，所述第四端口与所述匹配液连接。

3.根据权利要求2所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述第三端口与所述光电探测器连接之间的光纤上设有匹配光栅。

4.根据权利要求2所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述D型光纤光栅悬臂梁构由所述Y型光纤本体的第二端部通过微机械加工出D型悬臂梁，再在所述D型悬臂梁处的纤芯处光刻光栅结构。

5.根据权利要求4所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述光栅结构构造成倾斜光栅结构。

6.根据权利要求5所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述第二传感探头与所述Y型光纤本体为一体化结构。

7.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述超磁致伸缩薄膜的厚度为0.5μm-2μm。

8.根据权利要求7所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述超磁致伸缩薄膜呈长条状，所述超磁致伸缩薄膜的宽度按等于纤芯的直径。

9.根据权利要求1所述的基于超磁致伸缩薄膜的磁场检测系统，其特征在于，所述金属薄膜为金或铬。