CN113514787A - 一种光纤磁致折变效应测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤磁致折变效应测量系统及方法，包括激光器、耦合器甲、传感光纤、参考光纤、载波发生器、耦合器乙、光电探测器、数据采集与处理模块。耦合器甲、传感光纤、参考光纤和耦合器乙构成Mach‑Zehnder光纤干涉仪。外界磁场对传感光纤的折射率产生影响，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变耦合器乙输出的干涉光信号强度，通过对干涉光强的检测与处理，实现对磁场作用下传感光纤的折射率变化测量。本发明系统具有灵敏度高，结构简单，可远程控制，可分布式测量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量领域，具体涉及一种光纤磁致折变效应测量系统及方法。
背景技术
磁场测量技术在信息工业领域有着十分广泛的应用，已被应用于磁性扫雷、舰船消磁、搜索武器、潜艇探测等领域。例如在潜艇探测领域，现代潜艇广泛应用了隐身技术，使得潜艇的噪声很低，削弱声纳的探潜能量，因此对磁场探测器的灵敏度提出了较高的要求。高灵敏度的微弱磁场测量技术一直是许多国家的研究热点。
干涉型光纤磁场测量系统具有灵敏度高、结构简单、可远程操作且能实现分布式测量的特点，在微弱磁场测量领域占据着十分重要的地位。目前，市场上的干涉型光纤磁场测量系统大多基于镍合金、铁氧体、TbDyFe等材料的磁致伸缩效应，外磁场作用使磁致伸缩材料产生形变，引起传感光纤和参考光纤的光程差变化，进而改变干涉光强，通过相关的相位解调算法对干涉光强进行解调，可达到磁场测量的目的。然而，基于磁致伸缩效应的干涉型光纤磁场测量系统，大多都存在以下问题：一是，必须在光纤表面涂覆磁致伸缩材料，加大了光纤传感结构复杂度，并且操作难度大，对传感器制作工艺提出了较高的要求；二是，磁致伸缩效应原理非常复杂，磁致伸缩材料在磁场作用下，横向和纵向上都会发生形变，并且形变量与磁场的大小和方向以及材料的涂敷状态都有着十分复杂的关系，将导致后期的相位解调和磁场定标工作十分困难；三是，磁场测量系统搭建完成后，磁致伸缩材料的状态将会随着时间发生变化，降低磁场测量的准确度，系统的后期维护成本将会非常高。
发明内容
针对基于磁致伸缩效应的磁场测量系统存在的传感结构复杂、传感器制作困难和系统维护成本高等问题，本发明基于光纤磁致折变效应设计一种磁场测量系统用于解决上述弊端。光纤的磁致折变效应测量是研究基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统的前提，本发明提出一种光纤磁致折变效应测量系统及方法，通过传感光纤的磁致折变效应，将磁场信号调制为传感光纤的折射率信号，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变输出端的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤在磁场作用下的折射率变化。本发明为研究基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统打下基础。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：
本发明原理如下：
当外界磁场作用于传感光纤时，光纤的介电常数张量将发生如下变化：
nl为无磁场作用下的光纤折射率，δl＝Cf1χB/μ为磁场对光纤的作用因子，下标l代表纤芯或包层，其中l＝1,2；C为传感光纤中磁敏感材料的掺杂浓度，f1和χ分别为磁敏感掺杂材料的一级磁光系数和磁化率，μ为磁导率，B为磁感应强度。将不同磁场下的介电常数张量代入Maxwell方程，可得到不同的模式解，意味着传感光纤的模式有效折射率将随磁场变化，具体变化关系与磁敏感材料掺杂浓度和光纤结构参数有关，传感光纤折射率ns与磁感应强度B的关系可表示为：
ns＝f(B)
当传感光纤折射率变化后，传感光纤与参考光纤中传输的两路光信号之间的相位差将发生变化，相位差
与磁感应强度B的关系为：
L为干涉仪臂长，λ为光波波长，nr为参考光纤折射率。相位差的变化影响了传感光纤与参考光纤两路光信号的干涉光强，干涉光强表示为
Is为传感光纤输出光强，Ir为参考光纤输出光强，A＝Ir+Is，V为干涉可见度。通过检测干涉光强，即可实现对传感光纤在磁场作用下的折射率变化测量。
根据上述发明构思，本发明采用如下技术方案：
一种光纤磁致折变效应测量系统，包括激光器、耦合器甲、传感光纤、参考光纤、载波发生器、耦合器乙、光电探测器、数据采集与处理模块；
所述激光器的输出端口与耦合器甲的第一端口连接，耦合器甲的第二端口与传感光纤的第一端口连接，且耦合器甲的第三端口与参考光纤的第一端口连接；所述传感光纤的第二端口与耦合器乙的第二端口连接，且参考光纤的第二端口与耦合器乙的第三端口连接；所述耦合器乙的第一端口与光电探测器的输入端口连接；所述的数据采集与处理模块的输入端口与光电探测器的输出端口连接；
所述的传感光纤置于磁场环境中，用于将磁场信号调制为折射率信号；
所述的载波发生器通过在参考光纤上缠绕压电陶瓷绕制而成，且压电陶瓷与信号发生器相连，用于产生相位载波信号。
优选地，激光器输出的光信号经过耦合器甲分为传感光纤和参考光纤传输的两束光，两束光在耦合器乙处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器检测并转为电信号，被数据采集与处理模块采集和处理。
优选地，耦合器甲、传感光纤、参考光纤、耦合器乙连接构成一个Mach-Zehnder光纤干涉仪，传感光纤构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的传感臂，参考光纤构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的参考臂，耦合器甲的第一端口为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输入端口，耦合器乙的第一端口为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输出端口。
优选地，所述系统基于传感光纤的磁致折变效应，传感光纤的折射率受到外界磁场调制，引起传感光纤与参考光纤中两路光信号的光程差变化，最终改变耦合器乙输出的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤在磁场作用下的折射率变化。
优选地，所述数据采集与处理模块包括信号发生器、混频器、低通滤波器、微分器、乘法器、减法器、积分器和带通滤波器；所述信号发生器用于产生基频载波和二倍频载波信号；所述混频器、低通滤波器、微分器、乘法器数量分别均为2个；所述低通滤波器的截止频率在磁场信号频率与载波频率之间。
一种光纤磁致折变效应测量系统及方法，包括以下步骤：
a.激光器输出的光信号经过耦合器甲分为传感光纤和参考光纤传输的两束光，两束光在耦合器乙处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器检测；
b.直流磁场测量时，在传感光纤上施加直流磁场，磁场改变传感光纤的折射率，引起传感光纤与参考光纤中光信号的光程差变化，改变耦合器乙的输出干涉光信号强度，干涉光强被光电探测器转为干涉电压，通过检测干涉电压测量直流磁场作用下传感光纤的折射率变化；交流磁场测量时，在传感光纤上施加交流磁场，且在参考光纤上通过载波发生器施加相位载波信号，耦合器乙输出被交流磁场调制的干涉光信号，干涉光信号被光电探测器转为干涉电压信号被采集至数据采集与处理模块，对干涉电压信号进行数据处理还原传感光纤磁致折变效应引起的相位变化；
c.针对直流磁场测量，根据每个磁场下检测的干涉电压，通过干涉公式计算传感光纤在磁场下对应的折射率，实现直流磁场作用下传感光纤的折射率变化测量；针对交流磁场测量，将干涉电压信号与基频载波信号和二倍频载波信号分别混频得到两路混频信号，采用低通滤波器将两路混频信号中的高频信号滤除得到两路滤波信号，将两路滤波信号进行微分交叉相乘运算得到一路信号和二路信号，对一路信号和二路信号依次进行减法运算、积分运算和带通滤波后得到光纤磁致折变效应引起的相位变化，通过解调相位实现交流磁场作用下传感光纤的折射率变化测量。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明可实现在直交流磁场作用下，对光纤的磁致折变效应进行测量，为实现基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统打下基础；
2.通过本发明测量了光纤的磁致折变效应后，可实现对磁场的测量，与传统电学磁场测量系统相比，灵敏度高、结构简单、可远程控制、可实现分布式磁场测量；
3.以本发明为基础的基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统，无需在光纤表面涂敷磁致伸缩材料，避免了磁致伸缩材料涂敷工艺复杂、状态不稳定、后期维护成本高等问题，无需借助磁致伸缩材料即可实现对磁场的高灵敏度测量。
附图说明
图1为本发明的光纤磁致折变效应测量系统的结构示意图。
图2为本发明的数据采集与处理模块的结构示意图。
图3为本发明实施例中，直流磁场作用下，干涉电压与磁场的对应关系图。
图4为本发明实施例中，直流磁场作用下，传感光纤折射率与磁场的对应关系图。
图5为本发明实施例中，交流磁场作用下，示波器观测到的干涉波形图。
图6为本发明实施例中，交流磁场作用下，传感光纤折射率解调波形图。
图7为本发明实施例中，交流磁场作用下，传感光纤折射率与磁场的对应关系图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种光纤磁致折变效应测量系统，包括激光器1、耦合器甲2、传感光纤3、参考光纤4、载波发生器5、耦合器乙6、光电探测器7、数据采集与处理模块8；
所述激光器1的输出端口与耦合器甲2的第一端口21连接，耦合器甲2的第二端口22与传感光纤3的第一端口31连接，且耦合器甲2的第三端口23与参考光纤4的第一端口41连接；所述传感光纤3的第二端口32与耦合器乙6的第二端口62连接，且参考光纤4的第二端口42与耦合器乙6的第三端口63连接；所述耦合器乙6的第一端口61与光电探测器7的输入端口连接；所述的数据采集与处理模块8的输入端口与光电探测器7的输出端口连接；
所述的传感光纤3置于磁场环境中，用于将磁场信号调制为折射率信号；
所述的载波发生器5通过在参考光纤4上缠绕压电陶瓷绕制而成，且压电陶瓷与信号发生器相连，用于产生相位载波信号。
本实施例的激光器1输出的光信号经过耦合器甲2分为传感光纤3和参考光纤4传输的两束光，两束光在耦合器乙6处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器7检测并转为电信号，被数据采集与处理模块8采集和处理。
本实施例光纤磁致折变效应测量系统能通过传感光纤的磁致折变效应，将磁场信号调制为传感光纤的折射率信号，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变输出端的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤在磁场作用下的折射率变化。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1，耦合器甲2、传感光纤3、参考光纤4、耦合器乙6连接构成一个Mach-Zehnder光纤干涉仪，传感光纤3构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的传感臂，参考光纤4构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的参考臂，耦合器甲2的第一端口21为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输入端口，耦合器乙6的第一端口61为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输出端口。
在本实施例中，参见图1，所述系统基于传感光纤3的磁致折变效应，传感光纤3的折射率受到外界磁场调制，引起传感光纤3与参考光纤4中两路光信号的光程差变化，最终改变耦合器乙6输出的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤3在磁场作用下的折射率变化。
在本实施例中，参见图1和图2，所述数据采集与处理模块8包括信号发生器8-1，8-2、混频器8-3，8-4、低通滤波器8-5，8-6、微分器8-7，8-8、乘法器8-9，8-10、减法器8-11、积分器8-12和带通滤波器8-13；所述信号发生器8-1，8-2用于产生基频载波和二倍频载波信号；所述混频器8-3，8-4、低通滤波器8-5，8-6、微分器8-7，8-8、乘法器8-9，8-10数量分别均为2个；所述低通滤波器8-5，8-6的截止频率在磁场信号频率与载波频率之间。
本实施例光纤磁致折变效应测量系统的耦合器甲、传感光纤、参考光纤和耦合器乙构成Mach-Zehnder光纤干涉仪。外界磁场对传感光纤的折射率产生影响，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变耦合器乙输出的干涉光信号强度，通过对干涉光强的检测与处理，实现对磁场作用下传感光纤的折射率变化测量。本实施例系统具有灵敏度高，结构简单，可远程控制，可分布式测量的优点。
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图1和图2，一种权利要求1所述光纤磁致折变效应测量系统及方法，包括以下步骤：
a.激光器1输出的光信号经过耦合器甲2分为传感光纤3和参考光纤4传输的两束光，两束光在耦合器乙6处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器7检测；
b.直流磁场测量时，在传感光纤3上施加直流磁场，磁场改变传感光纤3的折射率，引起传感光纤3与参考光纤4中光信号的光程差变化，改变耦合器乙6的输出干涉光信号强度，干涉光强被光电探测器转为干涉电压，通过检测干涉电压测量直流磁场作用下传感光纤3的折射率变化；交流磁场测量时，在传感光纤3上施加交流磁场，且在参考光纤4上通过载波发生器5施加相位载波信号，耦合器乙6输出被交流磁场调制的干涉光信号，干涉光信号被光电探测器7转为干涉电压信号被采集至数据采集与处理模块，对干涉电压信号进行数据处理还原传感光纤3磁致折变效应引起的相位变化；
c.针对直流磁场测量，根据每个磁场下检测的干涉电压，通过干涉公式计算传感光纤3在磁场下对应的折射率，实现直流磁场作用下传感光纤3的折射率变化测量；针对交流磁场测量，将干涉电压信号与基频载波信号和二倍频载波信号分别混频得到两路混频信号，采用低通滤波器将两路混频信号中的高频信号滤除得到两路滤波信号，将两路滤波信号进行微分交叉相乘运算得到一路信号和二路信号，对一路信号和二路信号依次进行减法运算、积分运算和带通滤波后得到光纤磁致折变效应引起的相位变化，通过解调相位实现交流磁场作用下传感光纤3的折射率变化测量。
本实施例可实现在直交流磁场作用下，对光纤在磁场作用下的折射率变化进行测量，为实现基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统打下基础；通过本实施例测量了光纤的磁致折变效应后，可实现对磁场的测量，与传统电学磁场测量系统相比，灵敏度高、结构简单、可远程控制、可实现分布式磁场测量；以本实施例为基础的基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统，无需在光纤表面涂敷磁致伸缩材料，避免了磁致伸缩材料涂敷工艺复杂、状态不稳定、后期维护成本高等问题，无需借助磁致伸缩材料即可实现磁场的高灵敏度测量。
实施例四：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，如图1所示，所述激光器1的输出端口与耦合器甲2的第一端口21连接，耦合器甲2的第二端口22与传感光纤3的第一端口31连接，且耦合器甲2的第三端口23与参考光纤4的第一端口41连接；所述传感光纤3的第二端口32与耦合器乙6的第二端口62连接，且参考光纤4的第二端口42与耦合器乙6的第三端口63连接；所述耦合器乙6的第一端口61与光电探测器7的输入端口相连；所述的数据采集与处理模块8的输入端口与光电探测器7的输出端口相连；所述的传感光纤3置于磁场环境中，用于将磁场信号调制为折射率信号；所述的载波发生器5通过在参考光纤上缠绕压电陶瓷绕制而成，且压电陶瓷与信号发生器相连；
如图2所示，所述的数据采集与处理模块包括信号发生器8-1，8-2、混频器8-3，8-4、低通滤波器8-5，8-6、微分器8-7，8-8、乘法器8-9，8-10、减法器8-11、积分器8-12和带通滤波器8-13；所述信号发生器用于产生基频载波信号和二倍频载波信号；所述混频器、低通滤波器和微分器和乘法器数量均为2个；所述低通滤波器的截止频率在磁场信号频率与载波频率之间。
在本实施例中，激光器1输出的光信号经过耦合器甲2分为传感光纤3和参考光纤4传输的两束光，两束光在耦合器乙6处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器7检测并转为电信号，被数据采集与处理模块8采集和处理。本实施例光纤磁致折变效应测量系统能通过传感光纤的磁致折变效应，将磁场信号调制为传感光纤的折射率信号，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变输出端的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤在磁场作用下的折射率变化。
实施例五：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，采用实施例四中的光纤磁致折变效应测量系统，测量直流磁场作用下传感光纤的折射率变化。本实施例选用的激光器工作波长为1550nm，耦合器甲与耦合器乙的耦合比均为50:50，选用的传感光纤为掺铒光纤，传感光纤长度为31.638cm，选用的参考光纤为单模光纤，选用示波器作为数据采集模块，选用计算机软件实现数据处理模块中涉及的信号发生器、混频器、低通滤波器、微分器、乘法器、减法器和带通滤波器，选用的磁场发生装置由可调电流电源和螺线管组成。
未施加磁场的情况下，将光电探测器的干涉电压输出到示波器，示波器显示为一条直线，用手臂拨动传感光纤，可观测到示波器上的直线在一定范围内上下拨动，电压读数在实时变化，记录电压最大值Umax和最小值Umin，Umax的测量结果为3.92V，Umin的测量结果为0.88V，示波器上的电压读数将在0.88-3.92V之间波动。
将传感光纤置于磁场发生装置中，磁场发生装置输出不同的直流磁场，在每个磁场Bi下，记录干涉电压Ui，切换磁场时需隔一段时间保证传感光纤折射率对磁场有足够的响应时间。最终得到干涉电压与磁场的对应关系如图3所示。根据下面的干涉电压公式计算每个磁场下的传感光纤折射率ns：
经过计算，传感光纤的折射率与磁场的对应关系如图4所示。由测量结果可得，直流磁场作用下，传感光纤的折射率随磁场变化的灵敏度为4.838×10-6RIU/mT。通过本实施例测量了光纤的磁致折变效应后，可实现对磁场的测量，与传统电学磁场测量系统相比，灵敏度高、结构简单、可远程控制、可实现分布式磁场测量，并且无需借助磁致伸缩材料即可实现对磁场的高灵敏度测量。
实施例六：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，磁场发生装置输出交流磁场，作用于传感光纤，以测量交流磁场作用下传感光纤的折射率变化。
将传感光纤置于磁场发生装置中，磁场发生装置输出交流磁场，并开启载波发生器向系统中引入相位载波信号，通过示波器可观测干涉信号波形，如图5所示。将干涉信号采集到数据处理模块进行数据处理。系统输出的干涉光强信号为
V为干涉可见度，C为调制深度，cosωct为相位载波信号。将干涉信号与基频载波信号和二倍频载波信号分别混频得到两路混频信号，两路混频信号分别经过低通滤波器后得到两路滤波信号L1(t)和L2(t)：
L1(t)和L2(t)经过微分交叉相乘运算之后可得一路信号X1(t)和二路信号X2(t)：
当X1(t)和X2(t)经过减法运算、积分运算和带通滤波后可得解调信号：
通过解调相位
可计算传感光纤折射率ns在时间域上的波形，如图6所示。取出一个周期的磁场和折射率数据，在该周期内，将磁场与折射率一一对应，即可得到交流磁场作用下传感光纤的折射率与磁场的对应关系，如图7所示。由测量结果可得，交流磁场作用下，传感光纤的折射率随磁场变化的灵敏度为4.245×10-6RIU/mT。通过本实施例测量了光纤的磁致折变效应后，可实现对磁场的测量，与传统电学磁场测量系统相比，灵敏度高、结构简单、可远程控制、可实现分布式磁场测量，并且无需借助磁致伸缩材料即可实现对磁场的高灵敏度测量。
综上所述，上述实施例光纤磁致折变效应测量系统及方法，包括激光器、耦合器甲、传感光纤、参考光纤、载波发生器、耦合器乙、光电探测器、数据采集与处理模块。耦合器甲、传感光纤、参考光纤和耦合器乙构成Mach-Zehnder光纤干涉仪。外界磁场对传感光纤的折射率产生影响，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变耦合器乙输出的干涉光信号强度，通过对干涉光强的检测与处理，实现对磁场作用下传感光纤的折射率变化测量。上述实施例系统具有灵敏度高，结构简单，可远程控制，可分布式测量的优点。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光纤磁致折变效应测量系统，其特征在于：包括激光器(1)、耦合器甲(2)、传感光纤(3)、参考光纤(4)、载波发生器(5)、耦合器乙(6)、光电探测器(7)、数据采集与处理模块(8)；
所述激光器(1)的输出端口与耦合器甲(2)的第一端口(21)连接，耦合器甲(2)的第二端口(22)与传感光纤(3)的第一端口(31)连接，且耦合器甲(2)的第三端口(23)与参考光纤(4)的第一端口(41)连接；所述传感光纤(3)的第二端口(32)与耦合器乙(6)的第二端口(62)连接，且参考光纤(4)的第二端口(42)与耦合器乙(6)的第三端口(63)连接；所述耦合器乙(6)的第一端口(61)与光电探测器(7)的输入端口连接；所述的数据采集与处理模块(8)的输入端口与光电探测器(7)的输出端口连接；
所述的传感光纤(3)置于磁场环境中，用于将磁场信号调制为折射率信号；
所述的载波发生器(5)通过在参考光纤(4)上缠绕压电陶瓷绕制而成，且压电陶瓷与信号发生器相连，用于产生相位载波信号。
2.根据权利要求1所述的光纤磁致折变效应测量系统，其特征在于，激光器(1)输出的光信号经过耦合器甲(2)分为传感光纤(3)和参考光纤(4)传输的两束光，两束光在耦合器乙(6)处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器(7)检测并转为电信号，被数据采集与处理模块(8)采集和处理。
3.根据权利要求1所述的光纤磁致折变效应测量系统，其特征在于，耦合器甲(2)、传感光纤(3)、参考光纤(4)、耦合器乙(6)连接构成一个Mach-Zehnder光纤干涉仪，传感光纤(3)构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的传感臂，参考光纤(4)构成Mach-Zehnder光纤干涉仪的参考臂，耦合器甲(2)的第一端口(21)为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输入端口，耦合器乙(6)的第一端口(61)为Mach-Zehnder光纤干涉仪的光输出端口。
4.根据权利要求1所述的光纤磁致折变效应测量系统，其特征在于，所述系统基于传感光纤(3)的磁致折变效应，传感光纤(3)的折射率受到外界磁场调制，引起传感光纤(3)与参考光纤(4)中两路光信号的光程差变化，最终改变耦合器乙(6)输出的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤(3)在磁场作用下的折射率变化。
5.根据权利要求1所述的光纤磁致折变效应测量系统，其特征在于，所述数据采集与处理模块(8)包括信号发生器(8-1，8-2)、混频器(8-3，8-4)、低通滤波器(8-5，8-6)、微分器(8-7，8-8)、乘法器(8-9，8-10)、减法器(8-11)、积分器(8-12)和带通滤波器(8-13)；所述信号发生器(8-1，8-2)用于产生基频载波和二倍频载波信号；所述混频器(8-3，8-4)、低通滤波器(8-5，8-6)、微分器(8-7，8-8)、乘法器(8-9，8-10)数量分别均为2个；所述低通滤波器(8-5，8-6)的截止频率在磁场信号频率与载波频率之间。
6.一种权利要求1所述光纤磁致折变效应测量系统及方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.激光器(1)输出的光信号经过耦合器甲(2)分为传感光纤(3)和参考光纤(4)传输的两束光，两束光在耦合器乙(6)处发生干涉，干涉光信号强度被光电探测器(7)检测；
b.直流磁场测量时，在传感光纤(3)上施加直流磁场，磁场改变传感光纤(3)的折射率，引起传感光纤(3)与参考光纤(4)中光信号的光程差变化，改变耦合器乙(6)的输出干涉光信号强度，干涉光强被光电探测器转为干涉电压，通过检测干涉电压测量直流磁场作用下传感光纤(3)的折射率变化；交流磁场测量时，在传感光纤(3)上施加交流磁场，且在参考光纤(4)上通过载波发生器(5)施加相位载波信号，耦合器乙(6)输出被交流磁场调制的干涉光信号，干涉光信号被光电探测器(7)转为干涉电压信号被采集至数据采集与处理模块，对干涉电压信号进行数据处理还原传感光纤(3)磁致折变效应引起的相位变化；
c.针对直流磁场测量，根据每个磁场下检测的干涉电压，通过干涉公式计算传感光纤(3)在磁场下对应的折射率，实现直流磁场作用下传感光纤(3)的折射率变化测量；针对交流磁场测量，将干涉电压信号与基频载波信号和二倍频载波信号分别混频得到两路混频信号，采用低通滤波器将两路混频信号中的高频信号滤除得到两路滤波信号，将两路滤波信号进行微分交叉相乘运算得到一路信号和二路信号，对一路信号和二路信号依次进行减法运算、积分运算和带通滤波后得到光纤磁致折变效应引起的相位变化，通过解调相位实现交流磁场作用下传感光纤(3)的折射率变化测量。
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|---|---|---|---|---|
| CN116972890B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-01-09 | 之江实验室 | 光纤传感器及其调制方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58180963A (ja) * | 1982-04-18 | 1983-10-22 | Ko Taketomi | 磁性流体光学磁気センサを使用する磁束密度測定法及び装置 |
| CN205404775U (zh) * | 2016-03-10 | 2016-07-27 | 浙江师范大学 | 一种微弱磁场光纤传感器 |
| CN106338702A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-18 | 哈尔滨理工大学 | 基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器 |
| CN110879487A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-03-13 | 桂林电子科技大学 | 一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器 |
| CN111486938A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-04 | 中国地质大学（武汉） | 基于自适应滤波的干涉型光纤振动传感探测系统和方法 |
| CN112666503A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种并行双m-z光纤磁传感装置及其制作方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4147979A (en) * | 1975-04-16 | 1979-04-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Movable probe carrying optical waveguides with electro-optic or magneto-optic material for measuring electric or magnetic fields |
| US4376248A (en) * | 1981-03-06 | 1983-03-08 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Fiber optical magnetic field sensor using magnetostrictive material |
| US4899042A (en) * | 1987-11-17 | 1990-02-06 | The Boeing Company | Integrated optic field sensor consisting of an interferometer formed in substrate |
| US4929050A (en) * | 1988-10-31 | 1990-05-29 | Unisys Corporation | Traveling wave fiber optic interferometric sensor and method of polarization poling fiber optic |
| US4979798A (en) * | 1989-10-18 | 1990-12-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Pressure sensitive optical fiber having optimized coatings |
| US5430814A (en) * | 1994-01-05 | 1995-07-04 | Advec Corporation | Temperature transient detection system for superconducting magnets |
| US6816266B2 (en) * | 2000-02-08 | 2004-11-09 | Deepak Varshneya | Fiber optic interferometric vital sign monitor for use in magnetic resonance imaging, confined care facilities and in-hospital |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS58180963A (ja) * | 1982-04-18 | 1983-10-22 | Ko Taketomi | 磁性流体光学磁気センサを使用する磁束密度測定法及び装置 |
| CN205404775U (zh) * | 2016-03-10 | 2016-07-27 | 浙江师范大学 | 一种微弱磁场光纤传感器 |
| CN106338702A (zh) * | 2016-09-20 | 2017-01-18 | 哈尔滨理工大学 | 基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器 |
| CN110879487A (zh) * | 2019-10-29 | 2020-03-13 | 桂林电子科技大学 | 一种基于孔助光纤的可调谐光纤滤波器 |
| CN111486938A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-08-04 | 中国地质大学（武汉） | 基于自适应滤波的干涉型光纤振动传感探测系统和方法 |
| CN112666503A (zh) * | 2021-01-07 | 2021-04-16 | 南京信息工程大学 | 一种并行双m-z光纤磁传感装置及其制作方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 雷雪琴: "基于磁流体的干涉型光纤磁场传感器研究", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)信息科技辑》 * |
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