CN111273204A - 宽温区ac场增强dc场传感精度的谐振腔磁场传感系统 - Google Patents

宽温区ac场增强dc场传感精度的谐振腔磁场传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，本发明激光器输出中心频率锁定在谐振腔透射谱上，磁致伸缩介质内嵌于谐振腔，或将谐振腔粘贴在磁致伸缩介质上；谐振腔外侧设有交变磁场，观测激光器波长锁定在谐振腔透射谱最低点或最高处时不同强度的直流磁场导致的交流磁场信号强度得变化规律，实现交流磁场增强的直流磁场探测；本发明具备宽温区、低成本、低功耗、抗电磁干扰、高精度直流磁场探测能力等优点。

Description

宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种宽温区交变磁场增强直流磁场传感精度的谐振腔磁场传感系统，具体涉及的是由巨磁致伸缩材料和光学谐振腔构建的磁场传感系统，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器作为众多传感器中的一种，具有无损探测的优势，既可以采集环境中的磁场信息，又能够测量影响磁场变化的电流、转速、位置、角度等物理量的信息，在国防、航空航天、汽车电子、医疗、能源、消费电子、工业控制等领域具有广泛的应用。目前的生物磁场探测设备造价高昂，低温的工作条件使其体积庞大，并且在进行探测时无法适应不同环境温度的需求，例如在低温-70℃的环境下的深海探测，受温度影响无法保证探测精度，又比如有些磁场环境复杂，同时具有交直流磁场的应用环境，受电磁干扰影响，无法保证其稳定工作。现有的超灵敏原子磁力计器件仍无法满足这些需求。基于此，我们提出了利用巨磁致伸缩材料和光学谐振腔构建一种兼具宽温区和高精度直流磁场探测能力的传感系统，该系统对温度敏感性低、具有-80～125℃的宽温区内工作的能力；该系统创新性提出利用交流磁场增强现有的直流磁场探测灵敏度，使其且在宽温区工作的同时具有更高的直流磁场传感灵敏度。该系统还能集成至光纤系统中、不受电磁干扰、且可进行远程探测，同时兼具低成本和低功耗的优点，未来可能直接应用于生物磁场测量或监控区域内异常磁场探测。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了宽温区交变磁场增强直流磁场传感精度的谐振腔磁场传感系统，可用于要求温度范围广和直流磁场探测能力强的磁场探测领域。
激光器输出中心频率锁定在谐振腔透射谱上，磁致伸缩介质内嵌于谐振腔，或将谐振腔粘贴在磁致伸缩介质上；谐振腔外侧设有交变磁场，观测激光器波长锁定在谐振腔透射谱最低点或最高处时不同强度的直流磁场导致的交流磁场信号强度得变化规律，实现交流磁场增强的直流磁场探测；
所述的磁致伸缩材料为TbxDy1-x(Fe1-yCoy)2；其中，x：0.01～0.43，y：0.1～0.3，工作温度范围覆盖-70℃～115℃；
所述的谐振腔与光纤锥始终处于耦合状态；
所述的交流磁场的频率要与谐振腔力学模式频率的频差小于500kHz。
作为优选，所述的激光器输出中心频率锁定通过热锁或PDH稳频系统实现。
作为优选，所述的磁致伸缩材料选用其它具有宽温区特性的在磁场作用下能够伸缩的介质材料。
作为优选，所述的谐振腔材料为二氟化钙或二氧化硅，形状为环形腔或微球腔；谐振腔要能够支持光波传输，且在腔外表面存在倏逝波。
作为优选，所述的磁致伸缩介质的形状为圆筒、平板或头盔状。
本发明中的磁场传感系统在宽温区具备较高的传感灵敏度，且具备交流磁场增强直流磁场探测性能的特性。同时，该系统主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。
附图说明
图1和图2均为所发明的宽温区交变磁场增强直流磁场传感精度的谐振腔磁场传感系统示意图；
图1采用PDH稳频的方式将激光器频率锁定在腔透射谱最低点处；
图2采用热锁模的方式将激光器频率锁定在腔透射谱的斜率最大处。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，通过PDH稳频系统实现的系统为：
包括线圈0、光纤激光器1、隔离器2、第一偏振控制器3、电光调制器4、第一光纤锥5、谐振腔6、磁致伸缩介质7、光电探测器8、偏置三通9、高通滤波器10、第一分束器11、混频器12、信号发生器13、谱仪14、示波器15、控制箱16、电压放大器17、第二偏振控制器18、第二光纤锥19、第二分束器20；
所述的光纤激光器1输出的光依次通过光隔离器2、第一偏振控制器3、电光调制器4和第二偏振控制器18后，经第一光纤锥5将光耦合进入谐振腔6内，腔内光场输出通过第二光线锥19至光电探测器8的接收端，而后送入偏置三通9将直流信号与交流信号进行分离，偏置三通9的输出端，偏置三通9的输出端分别接示波器15和高通滤波器10的输入端，其中分离的直流分量送入示波器15，交流分量经高通滤波器10滤波后，经过第一分束器11，一部分信号传送到谱仪14，另一部分送入混频器12；信号发生器13输出的信号送入第二分束器20后一部分送入电光调制器4，一部分经过混频器12后传送给控制箱16，控制箱16的两路输出信号一路送到示波器15，一路送入电压放大器17，电压放大器17的输出端连接在光纤激光器1上，线圈0的输入端连接信号发生器13的输出端，用来产生交流磁场；所述的谐振腔与磁致伸缩介质及光纤锥的位置是固定的；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径为0.5-0.75的输入光波长。
传感系统中光纤激光器1、隔离器2、偏振控制器3、电光调制器4、光电探测器8之间的连接均采用光纤连接；光电探测器8、偏置三通9、高通滤波器10、混频器12、信号发生器13、电压放大器17、控制箱16、示波器15之间使用两端口通用的电学线缆连接。示波器15显示PID控制箱16输出的锁频误差信号和透射谱。谱仪14用来记录噪声谱和信号，可观察到在激光器波长锁定在谐振腔透射谱最低点处时不同强度的直流磁场导致的交流磁场信号强度得变化，因此可以实现交流磁场增强的直流磁场探测。
如图2所示，通过热锁实现的系统为：包括第二信号发生器18、第二光纤激光器19、第二光隔离器20、第三偏振控制器21、第三光纤锥22、第二谐振腔23、第二磁致伸缩介质24、第二光电探测器25、第二控制箱26、第二示波器27；其中信号发生器18的输出信号送到第二光纤激光器19、送到第二示波器27和第二线圈28的输入端，线圈0用来产生交流磁场，线圈0设置在第二谐振腔23外侧，第二光纤激光器19的输出光信号经过第二光隔离器20和第三偏振控制器21送入第三光纤锥22，进入第三光纤锥22中的光场耦合进入第二谐振腔23后经第三光纤锥22送入第二光电探测器25，第二光电探测器25的输出电信号一部分送到第二控制箱26而后送入第二光纤激光器19，另一部分电信号直接送入第二示波器27进行观察分析；示波器27可观察到当激光器波长锁定在谐振腔透射谱的斜率最大处时在不同的直流磁场作用下交流磁场信号强度的变化规律，也可实现交流磁场增强的直流磁场探测功能。
所述的第一光纤激光器和第二光纤激光器的调谐范围要覆盖所选腔材料的透射低损耗区，波段与探测器的接收波段相匹配。
所述的第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输和易探测。
所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。

Claims (9)

1.宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特性在于：激光器输出中心频率锁定在谐振腔透射谱上，磁致伸缩介质内嵌于谐振腔，或将谐振腔粘贴在磁致伸缩介质上；谐振腔外侧设有交变磁场，观测激光器波长锁定在谐振腔透射谱最低点或最高处时不同强度的直流磁场导致的交流磁场信号强度得变化规律，实现交流磁场增强的直流磁场探测；
所述的磁致伸缩材料为TbxDy1-x(Fe1-yCoy)2；其中，x：0.01～0.43，y：0.1～0.3，工作温度范围覆盖-70℃～115℃；
所述的谐振腔与光纤锥始终处于耦合状态；
所述的交流磁场的频率要与谐振腔力学模式频率的频差小于500kHz。
2.根据权利要求1所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特性在于：所述的激光器输出中心频率锁定通过热锁或PDH稳频系统实现。
3.根据权利要求1所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特征在于：所述的磁致伸缩材料选用其它具有宽温区特性的在磁场作用下能够伸缩的介质材料。
4.根据权利要求1所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特征在于:所述的谐振腔材料为二氟化钙或二氧化硅，形状为环形腔或微球腔；谐振腔要能够支持光波传输，且在腔外表面存在倏逝波。
5.根据权利要求1所述的宽温区交变磁场增强直流磁场传感系统，其特征在于:所述的磁致伸缩介质的形状为圆筒、平板或头盔状。
6.根据权利要求2所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特性在于：通过PDH稳频系统实现的系统为：包括线圈(0)、光纤激光器(1)、隔离器(2)、第一偏振控制器(3)、电光调制器(4)、第一光纤锥(5)、谐振腔(6)、磁致伸缩介质(7)、光电探测器(8)、偏置三通(9)、高通滤波器(10)、第一分束器(11)、混频器(12)、信号发生器(13)、谱仪(14)、示波器(15)、控制箱(16)、电压放大器(17)、第二偏振控制器(18)、第二光纤锥(19)、第二分束器(20)；
所述的光纤激光器(1)输出的光依次通过光隔离器(2)、第一偏振控制器(3)、电光调制器(4)和第二偏振控制器(18)后，经第一光纤锥(5)将光耦合进入谐振腔(6)内，腔内光场输出通过第二光线锥(19)至光电探测器(8)的接收端，而后送入偏置三通(9)将直流信号与交流信号进行分离，偏置三通(9)的输出端，偏置三通(9)的输出端分别接示波器(15)和高通滤波器(10)的输入端，其中分离的直流分量送入示波器(15)，交流分量经高通滤波器(10)滤波后，经过第一分束器(11)，一部分信号传送到谱仪(14)，另一部分送入混频器(12)；信号发生器(13)输出的信号送入第二分束器(20)后一部分送入电光调制器(4)，一部分经过混频器(12)后传送给控制箱(16)，控制箱(16)的两路输出信号一路送到示波器(15)，一路送入电压放大器(17)，电压放大器(17)的输出端连接在光纤激光器(1)上，线圈(0)的输入端连接信号发生器(13)的输出端，用来产生交流磁场；所述的谐振腔与磁致伸缩介质及光纤锥的位置是固定的；所述的光纤锥的锥区部分的截面直径为0.5-0.75的输入光波长。
7.根据权利要求2所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特性在于：通过热锁实现的系统为：包括第二信号发生器(18)、第二光纤激光器(19)、第二光隔离器(20)、第三偏振控制器(21)、第三光纤锥(22)、第二谐振腔(23)、第二磁致伸缩介质(24)、第二光电探测器(25)、第二控制箱(26)、第二示波器(27)，第二线圈(28)；
其中信号发生器(18)的输出信号送到第二光纤激光器(19)、送到第二示波器(27)和第二线圈(28)的输入端，线圈(0)用来产生交流磁场，线圈(0)设置在第二谐振腔(23)外侧，第二光纤激光器(19)的输出光信号经过第二光隔离器(20)和第三偏振控制器(21)送入第三光纤锥(22)，进入第三光纤锥(22)中的光场耦合进入第二谐振腔(23)后经第三光纤锥(22)送入第二光电探测器(25)，第二光电探测器(25)的输出电信号一部分送到第二控制箱(26)而后送入第二光纤激光器(19)，另一部分电信号直接送入第二示波器(27)进行观察分析。
8.根据权利要求6或7所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特征在于:所述的第一光纤激光器和第二光纤激光器的调谐范围要覆盖所选腔材料的透射低损耗区，波段与探测器的接收波段相匹配。
9.根据权利要求6或7所述的宽温区AC场增强DC场传感精度的谐振腔磁场传感系统，其特征在于:所述的第一偏振控制器、第二偏振控制器、第三偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
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