CN108051762A - 一种基于fp的磁场强度传感器及其性能测试方法 - Google Patents

一种基于fp的磁场强度传感器及其性能测试方法 Download PDF

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祝连庆
何巍
娄小平
董明利
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Abstract

本发明公开了一种基于FP的磁场强度传感器，包括FP本体和锥形管；所述FP本体通过螺旋弹簧固定在锥形管的内部，且FP本体通过环氧树脂与螺旋弹簧粘接；所述锥形管的尾部贯穿有FP尾纤，且FP尾纤与锥形管的连接出设置有氧树脂塞；所述锥形管的端部通过环氧树脂粘接有磁头，且磁头与FP本体远离FP尾纤的一端连接；本发明涉及光纤传感技术领域，该基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法，通过PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪、连接器和控制器的配合使用，使得FP的磁场强度测试根据简单化，提高了测试的准确性，缩短了测试时间，实用性强，易于推广使用。

Description

一种基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体为一种基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法。
背景技术
随着光纤微纳传感制作工艺的不断提高和成熟，世界各国对光纤微纳传感的应用研究迅速开展起来。伴随着光纤微纳传感的优良特性的逐步展现，其在传感领域得到了广泛研究和应用。光纤微纳传感器作为新型光纤传感器，除具有重量轻，抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温等光纤传感器的特点外，还具有许多独特的优点：
干涉型光纤传感器通过探测干涉条纹移动或干涉光谱漂移来实现对外界介质特性改变的测量。当外界环境发生变化时，光纤内相干光光程差随之改变，从而引起干涉信号的变化。干涉型传感器测量灵敏度高，具有很快的响应速度，被广泛应用于温度、折射率、应变、曲率和湿度等参数的测量。迄今为止，测量温度和折射率的方法有很多，由于干涉型传感器自身的优点以及光纤微结构的发展，基于光纤端面微结构的光纤干涉型传感器受到广泛青睐。
由于FP的磁场传感器灵敏度高，具有很快的响应速度，在基于FP对周期性磁场强度进行测试时候操作非常困难，测试非常复杂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法，解决了FP对周期性磁场强度进行测试的问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种基于FP的磁场强度传感器，包括FP本体和锥形管；所述FP本体通过螺旋弹簧固定在锥形管的内部，且FP本体通过环氧树脂与螺旋弹簧粘接；所述锥形管的尾部贯穿有FP尾纤，且FP尾纤与锥形管的连接出设置有氧树脂塞；所述锥形管的端部通过环氧树脂粘接有磁头，且磁头与FP本体远离FP尾纤的一端连接。
作为本发明的进一步优选方案，所述FP本体的传感机理为：FP传感机理是基于波动光学中的多光束干涉。在光纤FP传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
当反射率R很小时，(1)式可简化为
式(1)，式(2)和式(3)表明：当外界参量作用于微腔时，可以通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析,解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，实现传感测量的目的。
作为本发明的进一步优选方案，一种基于FP的磁场强度传感器性能测试方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器；
步骤2、将步骤1中选取的第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器通过固定座与安装板固定连接，第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器中的锥形管1的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器的FP尾纤分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长，从而完成了对第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器性能的检测。
作为本发明的进一步优选方案，一种基于FP的磁场强度传感器性能测试方法，步骤3中所述的测试系统包括PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪和连接器；所述ASE光源的光源发射端口通过光纤与光纤环形器的输入端连通，且光纤环形器的输出端通过连接器与第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器连通；所述光纤环形器的输出端通过导线与光谱分析仪的输入端电性连接，且光谱分析仪的输出端通过控制器与PC端电性连接；所述ASE光源的控制端通过导线与PC端电性连接；所述第一FP磁场传感器和第二FP磁场传感器的磁头均位于环形磁圈内部。
有益效果
本发明提供了一种基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法。具备以下有益效果：
该基于FP的磁场强度传感器及其性能测试方法，通过PC端、ASE光源、光纤环形器、光谱分析仪、连接器和控制器的配合使用，使得FP的磁场强度测试根据简单化，提高了测试的准确性，缩短了测试时间，实用性强，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的测试系统框图；
图3为本发明的FP腔磁场传感器在不同距离时FP光谱变化图；
图4为本发明的同间距下的FP磁场传感器的磁场强度光谱图；
图中：1-FP本体、2-锥形管、3-螺旋弹簧、4-FP尾纤、5-氧树脂塞、6-磁头、7-第一FP磁场传感器、8-第二FP磁场传感器、9-固定座、10-安装板、11-PC端、12-ASE光源、13-光纤环形器、14-光谱分析仪、15-连接器、16-控制器。
具体实施方式
下面将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。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于FP的磁场强度传感器，包括FP本体1和锥形管2；所述FP本体1通过螺旋弹簧3固定在锥形管2的内部，且FP本体1通过环氧树脂与螺旋弹簧3粘接；所述锥形管2的尾部贯穿有FP尾纤4，且FP尾纤4与锥形管2的连接出设置有氧树脂塞5；所述锥形管2的端部通过环氧树脂粘接有磁头6，且磁头6与FP本体1远离FP尾纤4的一端连接。
一种基于FP的磁场强度传感器，所述FP本体1的传感机理为：FP传感机理是基于波动光学中的多光束干涉。在光纤FP传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
当反射率R很小时，(1)式可简化为
式(1)，式(2)和式(3)表明：当外界参量作用于微腔时，可以通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析,解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，实现传感测量的目的。
一种基于FP的磁场强度传感器性能测试方法，具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8；
步骤2、将步骤1中选取的第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8通过固定座9与安装板10固定连接，第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8中的锥形管1的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8的FP尾纤5分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长，从而完成了对第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8性能的检测。
步骤3中所述的测试系统包括PC端11、ASE光源12、光纤环形器13、光谱分析仪14和连接器15；所述ASE光源12的光源发射端口通过光纤与光纤环形器13的输入端连通，且光纤环形器13的输出端通过连接器15与第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8连通；所述光纤环形器13的输出端通过导线与光谱分析仪14的输入端电性连接，且光谱分析仪14的输出端通过控制器16与PC端11电性连接；所述ASE光源12的控制端通过导线与PC端11电性连接；所述第一FP磁场传感器7和第二FP磁场传感器8的磁头6均位于环形磁圈内部。
在这种设计中，我们用50个永磁体(25个周期)固定在带有匹配尺寸槽的夹具中，为了获得测试探头和(有限元法)之间的适当距离，建立了模型，以分析磁性表面的磁场分布。模型描述：具有N/S交替的4个永磁体(2个周期)，永磁体的参数如表1所示。磁栅尺的上方空气层是传感器探头的位置。设计的FP传感器探测器检测变化的磁场，然后可以通过信号处理检测磁场强度。
表1永磁体参数
空气层顶部的压力为3mm，磁栅尺圆间距为10mm，相当于2π/5rad，交替排列五对N/S。空气层磁场强度是一个重要特征，要求其分割更精细，结果更可靠，因此定义了空气层的最大尺寸为0.01mm。
当磁化强度变化时，磁通密度将增加，但不会改变正弦曲线。正弦曲线可以从模拟数据中得出：
实现方案
将FP腔封装在在最大内径为5.2mm的锥形管内，锥形管2的长度分别为45mm。FP腔的一端、FP本体1及螺旋弹簧3用环氧树脂粘结后插入锥形管2中，并且通过使用环氧树脂将该FP尾纤4固定在锥形尾管中。封装处理中最重要的部分是对FP腔进行预加载，使得传感器支持测量压缩载荷。
操作过程：磁头6对准其中一个位置，ASE光源12发出的宽谱光经过光纤环形器13入射到FP腔，磁头6和FP本体1受与磁栅作用力产生形变，光谱分析仪14对反射谱解调寻峰，通过上位机软件将中心波长值解调为FP腔的波谷变化。
ASE光源12通过光纤环形器13耦合到FP腔，50:50耦合比的1×2耦合器两个端口分别连接到光纤环形器13和光谱分析仪14用于监测FP腔波谷波长偏移。光纤环形器13的端口3与PC端11连接。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于FP的磁场强度传感器，其特征在于：包括FP本体(1)和锥形管(2)；所述FP本体(1)通过螺旋弹簧(3)固定在锥形管(2)的内部，且FP本体(1)通过环氧树脂与螺旋弹簧(3)粘接；所述锥形管(2)的尾部贯穿有FP尾纤(4)，且FP尾纤(4)与锥形管(2)的连接出设置有氧树脂塞(5)；所述锥形管(2)的端部通过环氧树脂粘接有磁头(6)，且磁头(6)与FP本体(1)远离FP尾纤(4)的一端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于FP的磁场强度传感器，其特征在于：所述FP本体(1)的传感机理为：FP传感机理是基于波动光学中的多光束干涉。在光纤FP传感器中输出信号一般利用反射光强度IR表示：
式(1)中φ为任意两束光的相位差，R为两端面的反射率，且
其中，n为腔内介质的折射率，L为腔长，λ为入射光的波长，θ为反射光与反射平面法线的夹角。
当反射率R很小时，(1)式可简化为
式(1)，式(2)和式(3)表明：当外界参量作用于微腔时，可以通过反射光强变化，对反射光干涉条纹波长的漂移进行分析,解调出相干光的相位移，推出外界参量变化，实现传感测量的目的。
3.一种基于FP的磁场强度传感器性能测试方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1、选取需要测量的第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)；
步骤2、将步骤1中选取的第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)通过固定座(9)与安装板(10)固定连接，第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)中的锥形管(1)的尾部朝上，端部朝下；
步骤3、将第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)的FP尾纤(5)分别接入到测试系统中，并记录所测试的中心波长，从而完成了对第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)性能的检测。
4.根据权利要求书2所述的一种基于FP的磁场强度传感器性能测试方法，其特征在于，步骤3中所述的测试系统包括PC端(11)、ASE光源(12)、光纤环形器(13)、光谱分析仪(14)和连接器(15)；所述ASE光源(12)的光源发射端口通过光纤与光纤环形器(13)的输入端连通，且光纤环形器(13)的输出端通过连接器(15)与第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)连通；所述光纤环形器(13)的输出端通过导线与光谱分析仪(14)的输入端电性连接，且光谱分析仪(14)的输出端通过控制器(16)与PC端(11)电性连接；所述ASE光源(12)的控制端通过导线与PC端(11)电性连接；所述第一FP磁场传感器(7)和第二FP磁场传感器(8)的磁头6均位于环形磁圈内部。
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