CN111580024A - 一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，本发明信号发生器输出的两路信号中一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器。可调谐激光器的发射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器。光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入含有磁致伸缩介质的光学谐振腔内，腔内光场经过光纤锥耦合输出至光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号进入示波器或数据采集系统；本发明具备普通光学谐振腔谐振式磁场传感系统所不具备的优势，即高灵敏度区占据一段频带，且探测速度快、低成本、低功耗、抗电磁干扰等优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种由磁致伸缩介质和光学谐振腔构建光学谐振腔磁场传感系统，具体涉及的是一种基于光学谐振腔光力特性的谐振式磁场传感系统，一般情况下其谐振频率是分立的，因此灵敏度较高的频率范围也不是连续，为实现在特定连续频带范围内的高灵敏度，本文提出了通过结构设计实现在连续频带内具有高灵敏度的谐振式磁场传感，属于光学领域。
背景技术
现有高灵敏度的磁场传感系统的成本仍然很高，且系统体积庞大，灵活性低。基于光学谐振腔的磁场传感系统可与光纤系统集成、不易受电磁干扰、且兼具低成本、低功耗、高空间分辨率、可实现远程探测等优点，因此具有潜在的市场应用前景。基于谐振腔光力特性的磁场传感系统属谐振式磁场传感系统，它在谐振频率位置具有最佳的灵敏度，在非谐振频率处磁场传感灵敏度会降低。传感器的应用范围取决于灵敏度和探测频率，频率分立的谐振式传感器可能无法满足实际的探测频率需求，针对此问题，我们提出了通过结构设计实现谐振腔多个谐振频率的重叠，从而获得共振频带，将高灵敏度位置由分立的频率点拓展为一个频带的结构设计方法。通过结构设计获得连续频带的高灵敏度谐振式传感器以满足实际探测需求。
发明内容
本发明针对现有谐振式传感器技术的不足，提出了一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器件，可用于检测特定频带磁场的磁场探测领域。
一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器件，包括信号发生器、可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、含有磁致伸缩介质的谐振腔、光电探测器、示波器、数据采集、处理与显示系统；
所述的信号发生器输出的两路信号一路送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；可调谐激光器的光出射端与隔离器的输入端连接，隔离器的输出端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与一个或多个光纤锥输入端之间的光纤上设置有偏振控制器；其中接多个光纤锥时，偏振控制器与多个光纤锥之间设有分光器件；每个光纤锥输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔内，腔内光场经过每个光纤锥耦合输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号进入示波器，示波器输出的信号进入数据处理与显示系统。传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；光电探测器与示波器之间使用两端口通用的电学线缆连接；其中谐振腔中的磁致伸缩介质是利用胶水固定的，所述的谐振腔与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；所述的谐振腔与光纤锥始终处于耦合状态。所述的数据采集、处理和显示系统可以包括网络分析仪、谱仪、软件和电脑等传感所需设备；所述的磁致伸缩介质与谐振腔组成的高灵敏度区，保证从最低频力学模式算起，不低于2个低频力学模式的谐振频率相互间有交叠，力学模式的频率间隔不大于力学模式的线宽(力学模式频率与力学模式品质因数的比值)。
作为优选，所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。
作为优选，所述的谐振腔形状可以是柱状腔、瓶状腔、盘腔，保证激光器输出的光场在其内低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波。
作为优选，所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
作为优选，所述的磁致伸缩介质的形状为平板、圆筒或头盔状。
作为优选，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。
作为优选，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。
作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
作为优选，力学模式的品质因数要达到对应数据采集、处理与显示系统中谱仪或其他仪器的分辨率。高灵敏度区的展宽频率范围可以通过设计结构中力学模式的叠加数量来调控，展宽频率范围内的平整度可通过设计力学模式间的频率间隔来进行调节。
本发明中的谐振式传感系统在进行磁场传感时，其高灵敏度区具有较宽的频带，磁场探测能力更强。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为发明的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器件的示意图；
图2为力学模式的叠加与共振频带的产生效果图。
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，本实施方式所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器件包括信号发生器1、可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、含磁致伸缩介质7的谐振腔8、胶水9、光电探测器10、示波器11、数据采集、处理与显示系统12。其中，信号发生器1输出的两路信号一路送入可调谐激光器2的电压调谐端口，一路送入到示波器11。可调谐激光器2的光出射端与隔离器3的输入端连接，隔离器3的输出端与衰减器4的输入端连接，衰减器4的输出端与光纤锥6输入端之间的光纤上设置有偏振控制器5。光纤锥6输出的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔8内，腔内光场也可以经过光纤锥6耦合输出至光电探测器10的接收端，光电探测器10输出的信号进入示波器11，示波器11输出的信号进入数据采集、处理与显示系统12。传感系统中可调谐激光器2、隔离器3、衰减器4、偏振控制器5、光纤锥6、光电探测器10之间的连接均采用光纤连接；光电探测器10与示波器11之间使用两端口通用的电学线缆连接。数据处理系统12可采集探测器出来的信号、或处理示波器11上探测到的磁场信号，通过软件或其他方式将其显示出来。外界磁场的变化将导致磁致伸缩介质7发生形变，进而导致谐振腔8的腔长发生变化，因而示波器11上测量的腔的透射谱中将包含磁场信息，通过数据处理可以解调磁场的强度和频率信息。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器件的补充，所述的谐振腔中腔与磁致伸缩介质的相对位置、或具体的质量分布方式都不限定，只要满足不低于2个低频力学模式的谐振频率相互间有交叠(如图2所示)，力学模式的频率间隔不大于力学模式的线宽(力学模式频率与力学模式品质因数的比值)，力学模式的品质因数要达到对应数据采集、处理与显示系统中谱仪或其他仪器的分辨率。高灵敏度区的展宽频率范围可以通过设计结构中力学模式的叠加数量来调控，展宽频率范围内的平整度可通过设计力学模式间的频率间隔来进行调节。多个力学模式的频率接近，其品质因数也要在一个数量级上，相差不得超过5倍，否则叠加之后会加重灵敏度区的频率分立效应。此外，所述的用于数据采集的示波器11也可以利用多通道的数据采集卡替代，而数据采集、处理与显示系统12中也可以包含谱仪或网络分析仪等其他仪器，对应连接。
Claims (9)
1.一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：包括信号发生器(1)、可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、磁致伸缩介质(7)、谐振腔(8)、胶水(9)、光电探测器(10)、示波器(11)、数据采集、处理与显示系统(12)；
所述的信号发生器(1)输出的两路信号一路送入可调谐激光器(2)的电压调谐端口，一路送入到示波器(11)；可调谐激光器(2)的光出射端与隔离器(3)的输入端连接，隔离器(3)的输出端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与一个或多个光纤锥(6)输入端连接的光纤上设置有偏振控制器(5)；在光纤锥(6)内传输的光场通过倏逝波耦合的方式进入谐振腔(8)内，腔内出射光场再经光纤锥(6)耦合输出至对应光电探测器(10)的接收端，光电探测器(10)输出的信号进入示波器(11)，示波器(11)输出的信号进入数据采集、处理与显示系统(12)；传感系统中可调谐激光器(2)、隔离器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、光电探测器(10)之间的连接均采用光纤连接；光电探测器(10)与示波器(11)或数据采集、处理与显示系统(12)之间使用两端口通用的电学线缆连接；其中磁致伸缩介质(7)通过胶水(9)与谐振腔(8)固定在一起；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；所述的谐振腔与光纤锥始终处于耦合状态；所述的磁致伸缩介质与谐振腔组成的高灵敏度区，保证从最低频力学模式算起，不低于2个低频力学模式的谐振频率相互间有交叠，力学模式的频率间隔不大于力学模式的线宽。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：高灵敏度区的展宽频率范围通过结构中力学模式的叠加数量来调控，展宽频率范围内的平整度通过设计力学模式间的频率间隔来进行调节。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的谐振腔的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的谐振腔结构为环形腔、盘型腔、柱状腔或瓶状腔，光源输出的光场在其内低损耗的传输，同时在腔外表面存在倏逝波。
5.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
6.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的磁致伸缩介质的形状为平板、圆筒或头盔状。
7.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。
8.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：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。
9.根据权利要求1所述的一种高灵敏度区具有宽频带的光学谐振式磁场传感器，其特征在于：所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200825 |
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