CN113281011A - 磁致折变光纤折射率测量系统 - Google Patents

磁致折变光纤折射率测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种磁致折变光纤折射率测量系统，包括光源101，通过分光装置102将光源101的光分为两束，一束光作为参考光，另一束作为测量光，待测光纤105置于磁场中，测量光经过待测光纤105透射后和参考光进入光路干涉模块108。激光光源通过单模光纤连接输出到分光设备，分光设备分路器将光源分为两束，经反光镜改变路径后将经过磁致折变光纤的物光与参考光进行耦合合束，CCD感光界面形成干涉，通过调整分路器可以调节物光波与参考光波角度，光线聚焦获取清晰的全息图。通过干涉信息处理从而获取磁敏感光纤磁场下的折射率变化情况，进一步验证磁敏感掺杂元素光纤的磁致折变特性。

Description

磁致折变光纤折射率测量系统
技术领域
本发明涉及一种用于测量光纤在不同磁场下折射率变化的装置。
背景技术
磁场探测技术广泛应用于军事工程、资源勘探、地震预警、科学研究、工业检测、医疗等领域。然而传统的电学磁场传感器在实际应用中存在一些缺陷，在小型化、功耗、成本、稳定性、复用能力和远程监控等方面存在明显不足。高灵敏度，可应用于复杂环境磁探测技术，是目前磁场目标探测核心难题。相较于电子器件，光纤传感器具有高灵敏度、高精度、大动态范围、抗电磁干扰以及耐高温高压等显著技术优势，在磁场测量，特别是微弱磁场测量方面受到了广泛关注。随着光纤传感等技术的发展，各种磁性材料通过涂覆、粘贴、拼接等手段与光纤耦合，实现高灵敏度的磁场测量。
折射率作为衡量光纤性能的一个重要指标，不同于磁致伸缩效应导致材料形变不可逆，也区别与磁致旋光效应需要复杂系统增加成本，磁致折变效应可以进行无损测试以及多次重复测试，具有较高的稳定性和灵敏度，在光纤磁场传感应用方面均具有巨大优势。与传统的光纤磁场传感相比，通过在光纤中掺杂磁性材料，利用磁致折变特性实现磁场传感，以光纤本身作为敏感元不仅弥补了磁场传感中磁流体易挥发易沉积、制备困难等不足，而且在体积、灵敏度、灵活性、使用寿命等方面更具有优势。光纤的磁致折变特性测量系统可以解决现有磁探测仪灵敏度较低、体积大、需要供电、组网困难、无法满足复杂环境如水下长期工作的难题，为未来的基于光纤折射率磁场传感提供了新的解决方案。
但是目前鲜少有关于磁致折变光纤的相关研究。如何高精度的测量磁场下光纤的折射率变化，是目前光纤磁致折变特性研究的空白。在光纤中掺杂磁感应材料提高光纤的磁特性，通过光纤折射率变化来反映磁场大小，并且光纤本身抗电磁干扰可以强磁场恶劣环境下工作，具有测试范围广、抗电磁干扰、测试精度高的优势，在磁场传感领域具有广泛的研究意义和普遍的应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对目前没有专门用于测量光纤磁致折变特性装置的问题，提出一种磁致折变光纤折射率分布测量系统，为研究光纤的磁致折变特性提供新思路，在光纤磁场传感领域开创新道路。
本发明的技术方案是：
一种磁致折变光纤折射率测量系统，包括光源101，通过分光装置102将光源101的光分为两束，一束光作为参考光，另一束作为测量光，待测光纤105置于磁场中，测量光经过待测光纤105透射后和参考光进入光路干涉模块108。
待测光纤105垂直于测量光光路，测量光沿待测光纤105的横向传播。
待测光纤105安装在光纤自动对焦支架106上，光纤自动对焦支架106置于磁场发生装置2中。
待测光纤105浸没在含匹配液的比色皿中，再由光纤自动对焦支架106固定光纤和比色皿。
采用温控设备3调节待测光纤105的温度。
磁场发生装置2置于电磁屏蔽装置4中。
整个测量系统安装在真空稳定装置5中。
参考光和测量光的光路上安装反光镜103，参考光经反光镜103进入光路干涉模块108，测量光经反光镜103进入待测光纤105折射后进入光路干涉模块108。
分光装置102、两个反光镜103和光路干涉模块108布置在矩形的四个角，分光装置102和光路干涉模块108呈对角布置。
在光路干涉模块108的两条入射光路上设置光信号传输放大装置107；光路干涉模块108连接信号处理装置109。
本发明的有益效果：
激光光源通过单模光纤连接输出到分光设备，分光设备分路器将光源分为两束，经反光镜改变路径后将经过磁致折变光纤的物光与参考光进行耦合合束，CCD感光界面形成干涉，通过调整分路器可以调节物光波与参考光波角度，光线聚焦获取清晰的全息图。通过干涉信息处理从而获取磁敏感光纤磁场下的折射率变化情况，进一步验证磁敏感掺杂元素光纤的磁致折变特性。
1、在外加磁场下测量光纤折射率变化，可以实时无损地获取数据进行分析，灵敏度高，线性度好；
2、磁致折变效应显著的光纤体积小耐腐蚀，可以耦合进光纤磁场传感器中，对于磁场高灵敏度测量提供新方法；
3、快速、非接触以及无损地获取被测样品内部的折射率分布，装置结构简单，易于实现。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
实施例：
一种光纤磁致折变特性研究的测量系统，该系统包括：光纤折射率测量装置、磁场发生装置2、温控设备3、电磁屏蔽装置4、真空稳定装置5。该光纤折射率测量装置由光源101、分光装置102、反光镜103、待测光纤105、光纤自动对焦支架106、光信号传输放大装置107、光路干涉模块108、信号处理装置109组成。其中磁场发生装置2的磁场强度大小可调，交直流可调，适用于微弱磁场和中强度磁场的测量；待测光纤105浸没在含匹配液的比色皿中，再由支架固定光纤和比色皿，光纤自动对焦支架106具有自动对准聚焦功能，固定光纤，实现光路干涉；电磁屏蔽装置4由可拆卸的高磁导率多层软磁合金薄膜构成，便于实验操作和维护清理，避免磁场对测量设备影响；温控设备3温度可调，实时监测温度对光纤磁致折变特性的影响；真空稳定装置5提高测量系统稳定性。
分光装置102置于一反光镜103的正上方，光路干涉模块108布置在另一反光镜103正下方，分光装置102和光路干涉模块108呈对角布置，置于光学平台上，保证光路垂直。
所述的光路干涉模块10和信号处理装置109包括CCD感光元件和计算机模块，通过CCD感光元件获取干涉信息，并经计算机软件系统进行数据处理从实验所记录的数字全息图中提取出相位分布图，重建折射率分布图。
所述光源101采用可调谐激光器，通过单模光纤连接输出到分光装置102，分光装置102分路器将光源分为两束，经反光镜改变路径后将经过磁致折变光纤的测量光与参考光进行耦合合束，CCD感光界面形成干涉，通过调整分路器可以调节物光波与参考光波角度，光线聚焦获取清晰的全息图。
磁场发生装置2由可调节电流装置调控磁场大小的两块电磁铁构成，磁场可通过调节电流大小调谐以及交直流可替换的电磁铁设备产生，可对待测磁敏感材料光纤施加外加磁场，根据需求调整磁场范围大小，并且可以实现直流、交流磁场的切换。
温控设备3由一组加热元件和一组制冷元件构成，该温控仪器能自动加热、制冷到指定温度并数字化显示实时温度，监控温度进行超温保护。仪器模块化设计，体积小，安装拆卸简单。温控设备3放置在光纤自动对焦支架106外，监控光纤周围温度变化。
电磁屏蔽装置4由四块磁屏蔽防护外壳组装，所述四块外壳由高磁导率的坡莫合金制成，所述外壳的边侧位置设有对接螺孔,所述防护外壳通过对接螺孔与紧固螺栓之间相互连接，便于拆装。电磁屏蔽装置4安置在温控装置外，尽可能减少磁场对仪器设备的影响。电磁屏蔽装置4置于实验装置上方，屏蔽外界电磁场以及震动影响。
真空稳定装置5由镀有TiZrV薄膜的真空管道构成，所述薄膜经过低温180度激活后抽气真空，所述真空管道具有均匀抽速，结构简单，低成本的特点。
位于磁场中心的待测光纤105为磁敏感材料掺杂光纤，在磁场环境作用下，其折射率对磁场敏感，随磁场强度变化线性变化。磁敏感材料掺杂光纤放入装有光纤折射率匹配液的透明石英光谱比色皿中。光纤折射率匹配液与光纤包层折射率接近，则光线在液体与包层间的折射可忽略。所述的光纤折射率匹配液采用甘油和水的混合溶液，可选地折射率范围在1.45-1.7。磁敏感材料掺杂光纤和比色皿需要采用无磁性树脂材料支架固定，避免受到电磁铁的影响。
光纤自动对焦支架106配备自动感应装置，可固定光纤两端，并对准两块电磁体的中央处，且保证磁场方向垂直于光纤截面，光源垂直光纤照射，并沿光纤截面传播。本实施例采用的是英国PRIOR生产的自动对焦设备，PRIOR公司提供一些自动对焦的产品，可以实现XYZ三维移动，可以实现微米自动调焦或纳米自动对焦。
本磁致折变光纤折射率分布测量原理其具体过程如下：
激光光源101发出的光经单模光纤分路器102后分为两束,一束光经反射镜103反射后透过外加磁场的磁敏感光纤105并经过光信号传输放大装置107(显微物镜)放大成为携带光纤信息的物光(测量光),另一束光经反射镜103反射后也经显微物镜放大作为参考光。两束光在光传输设备中传输经单模光纤分路器处合束进入光路干涉模块108在CCD图像采集设备发生干涉形成全息图，将全息图进行数据处理得到其磁敏感光纤不同磁场下的光纤截面相位图谱和折射率分布情况，结合光纤内部掺杂结构以及折射率变化，从而得到准确实时的磁场-折射率关系。
利用测定磁场-折射率关系的光纤可以将磁场的变化转化为磁敏感光纤折射率的变化，通过观测光纤内部折射率的变化可以实现外界磁场的测量，具有较高的灵敏度，体积小，抗腐蚀，可重复测量具有实时性，适用于特殊恶劣环境的磁场监测。

Claims (10)

1.一种磁致折变光纤折射率测量系统，包括光源(101)，其特征在于：通过分光装置(102)将光源(101)的光分为两束，一束光作为参考光，另一束作为测量光，待测光纤(105)置于磁场中，测量光经过待测光纤(105)透射后和参考光进入光路干涉模块(108)。
2.根据权利要求1所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：待测光纤(105)垂直于测量光光路，测量光沿待测光纤(105)横向传播。
3.根据权利要求2所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：待测光纤(105)安装在光纤自动对焦支架(106)上，光纤自动对焦支架(106)置于磁场发生装置(2)中。
4.根据权利要求3所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：待测光纤(105)浸没在含匹配液的比色皿中，再由光纤自动对焦支架(106)固定光纤和比色皿。
5.根据权利要求3所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：采用温控设备(3)调节待测光纤(105)的温度。
6.根据权利要求4所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：磁场发生装置(2)置于电磁屏蔽装置(4)中。
7.根据权利要求5所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：整个测量系统安装在真空稳定装置(5)中。
8.根据权利要求1-7任一项所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：参考光和测量光的光路上安装反光镜(103)，参考光经反光镜(103)进入光路干涉模块(108)，测量光经反光镜(103)进入待测光纤(105)折射后进入光路干涉模块(108)。
9.根据权利要求8所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：分光装置(102)、两个反光镜(103)和光路干涉模块(108)布置在矩形的四个角，分光装置(102)和光路干涉模块(108)呈对角布置；光路干涉模块(108)的两条入射光路上设置光信号传输放大装置(107)；光路干涉模块(108)连接信号处理装置(109)。
10.根据权利要求9所述的磁致折变光纤折射率测量系统，其特征在于：真空稳定装置(5)是镀有TiZrV薄膜的真空管道，经过低温激活后抽气真空。
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