CN108254708A - 光纤荧光全光学磁场传感器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤荧光全光学磁场传感器及传感系统。其中传感器包括：光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。其中纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上；或者光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。本发明的传感器技术本质上仅测量光纤中的光信号，测量响应频率高，核心结构简单。
Description
技术领域
本发明属于光纤荧光传感器领域，进一步涉及一种光纤荧光全光学磁场传感器，还涉及一种光纤荧光全光学磁场传感系统。
背景技术
光纤传感器被广泛的用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH 值和应变等物理量的测量，而在当前信息化时代广泛应用的主要原因里比较重要的有三个。一个是因为光纤具有很多优异的材料性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能。另一个是光纤中传输的光的强度、相位、频率或偏振态等可直接或间接被测量性质调制。还有一个就是在光信息系统中表现的大宽带、大容量、远距离传输和能实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点等。
然而光纤传感技术中的现有光纤磁场传感技术，目前往往需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料，利用磁场到形变的转换再用光读取形变信息，或磁场驱动颗粒再分布进而造成光纤芯周围或内部光折射率的变化。但上述添加的这些材料往往在特殊应用环境中(比如：高压变电站等有高强感应电磁场的环境下)带来潜在的安全隐患或污染物 (感应电流产热、磁性颗粒扩散污染)，而且大多核心器件结构复杂，也易受温度等环境干扰。
光纤荧光寿命测量温度技术常在特殊环境中应用，有着测量精确，稳定性好，灵敏度高的优点，比荧光光强等方法的设备更具优势，所以荧光寿命法是目前光纤荧光传感领域的主流应用和发展方向。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤荧光全光学磁场传感器及系统，以至少部分解决以上所述的技术问题。
根据本发明的一方面，提供一种光纤荧光全光学磁场传感器，包括：光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。
在进一步的实施方案中，所述纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上。
在进一步的实施方案中，所述光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。
在进一步的实施方案中，所述纳米金刚石荧光层中，NV色心的含量在1×1016个每立方厘米以上。
在进一步的实施方案中，还包括保护套，所述保护套套设在光纤一端上，以包覆所述纳米金刚石NV色心荧光层。
在进一步的实施方案中，所述保护套为四氟乙烯保护套。
在进一步的实施方案中，还包括旁路光纤荧光温度测量模块，用于全光学的荧光寿命法测量外界温度。
根据本发明的另一方面，提供一种光纤全光学磁场传感系统，包括：以上任意一种传感器；光强和荧光寿命复合测量单元，连接于所述光纤的另一端，用于测量光纤上的光强信号和相位信号。
在进一步的实施方案中，所述复合测量单元为可编程双锁相放大器与时间数字转换器组成的光强和荧光寿命复合测量单元。
在进一步的实施方案中，所述光强和荧光寿命复合测量单元还包括光电测量器件以及时间数字转换芯片。
采用本发明使用的技术方案，完全能够满足光纤全光学测量磁场的应用要求，具体表现在：
相较于传统的需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料的光纤磁场传感技术，在特殊应用环境(比如：高压变电站等有高强感应电磁场的环境下)带来潜在的安全隐患或污染物(感应电流产热、磁性颗粒扩散污染)，本发明展示的这种综合利用金刚石NV色心和光纤全光学磁场传感方法显然可以避免上述潜在的安全隐患或污染物；
本发明技术本质上仅测量光纤中的光信号，测量响应频率高，核心结构简单，易于加工和长时间使用，非常适用于高压变电站的感应磁场监控，高铁高压电网异常放电的监控，以及火花放电装置的感应磁场监控等场合；
可应用于荧光寿命或荧光强度全光学磁场测量，适合电磁环境复杂、高电压等特殊环境感应磁场测量方面。
附图说明
图1和图2分别是本发明实施例光纤荧光全光学磁场传感器的NV色心的荧光能级在有和无外磁场(B)作用下非辐射跃迁改变的对比示意图；
图3是本发明实施例的光纤全光学磁场传感器非嵌入型示意图；
图4是本发明实施例的光纤全光学磁场传感器非嵌入型示意图；
图5是本发明实施例的光纤全光学磁场传感器嵌入型示意图；
图6是本发明实施例的一种实际应用的便携式光纤全光学磁场传感系统设计示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的优点以及功效将通过本发明所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本发明中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本发明所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。
根据现有光纤磁场传感技术，往往需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料，利用磁场到形变的转换再用光读取形变信息，或磁场驱动颗粒再分布进而造成光纤芯周围或内部光折射率的变化。但上述添加的这些材料往往在特殊应用环境中，而且大多核心器件结构复杂，也易受温度等环境干扰。
本发明的基本构思在于，提供不含有导电物质或可移动纳米颗粒的光纤传感器，避免类似使用了磁致形变材料或磁性颗粒材料的光纤磁场传感技术在特殊应用环境下的缺陷；并且是使用全光学磁场测量技术，消除磁场到形变再到光学量的中间转换步骤，结构尽可能简单可靠，应用方便，测量响应速度快，磁场强度测量范围广。
根据本发明实施例的一方面，提供一种光纤荧光全光学磁场传感器，包括：
光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。
以下将首先对本实施例传感器的检测原理进行理论分析：
金刚石中带负电荷的NV色心是由与金刚石相邻晶格位置中的空位 (V)相关联的替代氮原子(N)，其空位捕获电子组成，具有C3v对称结构。如图1所示，在有外磁场条件下，发生与电子自旋有关的基态能级和激发态能级的塞曼劈裂，而这种NV缺陷的光诱导自旋极化和自旋相关的电子能级布局分布发生改变，造成非辐射跃迁增加，最终导致：荧光寿命减小和光致发光降低。所以，可以使用NV缺陷光学响应来提取关于外磁场的信息，最实用的特性是：纳米金刚石颗粒中，多个对称轴方向随机分布的NV，当外磁场(B)在0-150G的范围内，其光致发光和荧光寿命统计强度值随磁场的增大而减小，如图2所示，并且对比度下降一般超过30％。
当把这种含有NV色心的纳米金刚石颗粒，封装为光纤器件后，如图 3所示，就可用于全光学磁场测量，并且该器件的组成元素仅含有；C、 Si、O、N、H这几种非金属元素。(常用无机光纤核心成分为SiO2，光纤芯外或有机光纤的封皮则主要由C、H、O元素构成，而关键的含有NV 的单晶金刚石颗粒则是C、N元素构成。)
根据本发明的具体实施方式，如图3所示，所述光纤全光学磁场传感器可以由含NV色心的纳米金刚石颗粒、光学胶、四氟乙烯保护套、单根多模光纤组成，本发明包含两种：非嵌入光纤型设计；如图4所示，或者为嵌入光纤型设计。
图3中，光纤4可以为单根多模光纤，在其一端上，通过光学胶2与含NV色心的纳米金刚石颗粒组成荧光层1安装至光纤4上，典型的NV 纳米金刚石荧光层1制备方式为在光纤4端面上粘取少量光学胶2，然后粘附一层NV色心平均含量在 1×1016个每立方厘米以上的纳米金刚石颗粒；另外，在安装NV纳米金刚石荧光层1的一端上包覆有保护套3，保护套可以为四氟乙烯材料，在四氟乙烯保护套和光学胶保护下的NV纳米金刚石荧光层可以在-150℃～ 125℃的温度范围，抗震动性能优秀。
图4中，光纤4可以为单根多模光纤，其内部为光纤芯5，在光纤芯一端上，可通过嵌入方式将N纳米金刚石荧光层安装于其上，该端可以进一步覆盖光学胶2和保护套3，同样起到抗震动效果。对于传感器感测的数据处理，本发明实施采用光强测量法与荧光寿命相位测量法这两种数据采集方案相结合的测量方法。如果仅测量光纤中的光强信号，从而利用光强变化反应出外磁场变化，虽然比较简单，但光纤光强测量较易受环境影响，在实际生产运行中很不稳定；本发明发明设计采用用高灵敏度和高响应频率的光电测量器件以及时间数字转换芯片(如：雪崩二极管和时间数字转换器)，综合可编程双HF2LI锁相放大器，通过相位法来精确测量荧光寿命，但是因为锁相放大器同时可以得到幅值与相位信息，所以本发明可以同时得到光强和荧光寿命信号，从而更精确地得到外磁场。另外用光纤荧光温度测量体系，来专门反映外界温度变化，纠正NV色心荧光磁场测量系统受温度变化而产生的测量误差。
根据本发明实施例的另一方面，提供一种全光学磁场传感系统，包括以上所述的传感器；以及荧光寿命测量单元，连接于所述光纤的另一端，用于测量光纤上的光强信号。
在一些实施例中，所述复合测量单元为可编程双锁相放大器与时间数字转换器组成的光强和荧光寿命复合测量单元。
在一些实施例中，所述光强和荧光寿命复合测量单元还包括光电测量器件以及时间数字转换芯片。
以下将结合具体例子进行阐述，但应理解的是，以下具体连接方式以及光学元件的描述仅用于理解本发明，而不应理解为对其进行的限定。
如图6所示，本发明实施例提供一种便携式光纤全光学磁场传感系统设计，一种便携式光纤全光学磁场传感系统设计，应注意的是，以下元件仅为示意性说明，并不是用于限制本发明。其中614为本发明图3标注的全光学磁场传感探头；该系统可以包括终端显示601；嵌入式卡片电脑和高速数据采集卡602；信号发生器603；时间数字转换器604(例如型号TDC-GP22)；光纤荧光温度测量系统主机605；相关函数滤波器606(双 HF2LI锁相放大)；激光驱动器607；增益放大器608；523nm激光二极管609；光电探测器610；雪崩光电二极管611；550nm短通滤光片612； 630nm长通滤光片613；光纤荧光磁场探头614；光纤荧光寿命温度探头 615；Y光纤616和617以及光纤荧光温度测量系统光纤618。
其中，纳米金刚石中NV色心被激发荧光的光路说明如下：激光二极管9发出的523nm的激发光，经550nm短通滤光片611滤波处理后，经 Y光纤617上光路传播后，激发全光学磁场传感探头14中的纳米金刚石 NV色心荧光层，发出荧光经Y光纤617下光路，又经过630nm长通滤光片613滤光后打在雪崩光电二极管611上。电子信号采集与处理的说明过程如下：嵌入式卡片电脑和高速数据采集卡602控制信号发生器603发生正弦信号，经激光驱动器607放大后，驱动523nm激光二极管609发射激光强度也随之正弦变化的激光，同时信号发生器603把激光器驱动正弦信号作为参考信号导入相关函数滤波器606所示可编程锁相放大器HF2LI (带有相关检测功能，过滤噪声)，得到幅度，而其产生比较良好的周期数据再导入时间数字转换器604中，标记为“stat”信号路。
同时光电探测器610采集Y光纤16分束的NV色心激发光而产生的信号，经相关函数滤波器606滤波后输入时间数字转换器604，标记为“stopl”信号路；另外雪崩光电二极管611采集到NV色心受到532nm光激发而产生的600nm～700nm的荧光信号，经相关函数滤波器606检测滤波后输入时间数字转换器604，标记为“stop2”信号路；以上“start”、“stop1”和“stop2”——在时间数字转换器604进行比较，从而得到信号幅值和相位差，二者分别对应光致发光强度和荧光寿命因为二者都对外磁场是单调减函数，在嵌入式卡片电脑和高速数据采集卡602修正温度影响后(其中，光纤荧光温度测量系统主机605、光纤荧光温度测量系统光纤618、光纤荧光寿命温度探头615组成荧光温度测量模块)，和校准值列表比较，得到外磁场大小，最后显示在终端显示601上。
如图6所示，设计的便携式光纤全光学磁场传感系统包含两种数据采集方式：正交锁相放大法和时间数字转换器检波法，扩大了系统的应用条件。
上述系统使用了附属荧光寿命温度测量系统来校准去除温度影响。便携系统数据处理方式是：把激光器驱动信号作为参考信号导入相关检测 (相关函数滤波器606所示可编程锁相放大器，带有相关检测功能，过滤噪声)，得到幅度，而其产生比较良好的周期数据再倒入TDC中，进行波峰时间提取，从而得到相位差。信号幅值和相位差，二者分别对应光致发光强度和荧光寿命因为二者都对外磁场是单调减函数，可以最终和校准值比较，得到外磁场的变化。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于包括：
光纤；
纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。
2.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，
所述纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上。
3.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。
4.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述纳米金刚石荧光层中，NV色心的含量在1×1016个每立方厘米以上。
5.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，还包括保护套，所述保护套套设在光纤一端上，以包覆所述纳米金刚石NV色心荧光层。
6.根据权利要求5所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述保护套为四氟乙烯保护套。
7.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，还包括旁路光纤荧光温度测量模块，用于全光学的荧光寿命法测量外界温度。
8.一种光纤全光学磁场传感系统，其特征在于包括：
权利要求1-7任一所述的传感器；
光强和荧光寿命复合测量单元，连接于所述光纤的另一端，用于测量光纤上的光强信号和相位信号。
9.根据权利要求8所述的光纤全光学磁场传感系统，其特征在于，所述复合测量单元为可编程双锁相放大器与时间数字转换器组成的光强和荧光寿命复合测量单元。
10.根据权利要求9所述的光纤全光学磁场传感系统，其特征在于，所述光强和荧光寿命复合测量单元还包括光电测量器件以及时间数字转换芯片。
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