CN113805124A - 双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，本发明的回音壁模式光学谐振腔包含传感模式和参考模式两种谐振模式，并在光纤锥的前端或后端熔接了一个光纤气泡腔，形成双腔混合结构。本发明通过参考回音壁模式光学谐振腔参考模式的波长偏移量和光纤气泡腔谐振模式的波长偏移量，进行加权算法处理解算得到温度变化引起的谐振模式波长偏移量，并用解算的波长偏移量对回音壁模式光学谐振腔中传感模式由温度效应和待测磁场效应共同引起的谐振模式波长偏移量进行补偿修正，消除温度对传感系统的影响，准确解调出待测磁场信息。本发明克服了现有技术存在温度效应影响的缺点，同时还具有制备简单，易加工，微型化，可集成化等优点。

Description

双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统
技术领域
本发明涉及的是一种双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，具体涉及的是由光纤气泡腔和填充磁致伸缩材料的中空玻璃管制作的回音壁模式(WhisperingGallery Mode,WGM)光学谐振腔构建的双参考型混合磁场传感结构，属于光学领域。
背景技术
回音壁模式光学谐振腔由于高品质因数、小模式体积以及与光纤器件具有良好的兼容性，使其具有成为超高灵敏度传感器的潜力，吸引了研究人员的广泛关注。然而磁场传感器在军事、生物医疗、数字经济、工业自动化等领域都有超高灵敏度应用需求。因此，研究人员将回音壁模式光学谐振腔应用于磁场传感领域，用于提高磁场传感器的探测灵敏度和探测精度。现有的磁场传感系统主要是光学系统和磁致伸缩介质构建而成，通过光纤锥与回音壁模式光学谐振腔耦合形成一种单腔磁场传感系统。它利用磁致伸缩介质对待测磁场的伸缩响应，改变光学谐振腔的腔长，进而导致谐振模式的波长偏移，再通过追踪单个谐振模式的波长偏移量解调出待测磁场信息。这种单腔磁场传感系统探测灵敏度较高，但忽略了温度效应的影响。光场在光纤传输过程中，环境温度会有波动，而温度改变会使谐振腔的腔长及有效折射率发生变化，从而导致腔谐振波长发生偏移。因此，在这种单腔磁场传感系统中，透射谱线的谐振模式的波长偏移是由待测磁场和温度效应共同作用引起的，通过追踪单腔透射谱线中单个谐振模式的波长偏移量解算待测磁场信息并不准确。为了准确解调出待测磁场信息，则需要补偿温度效应的影响。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，对环境温度效应进行补偿，准确解调出待测磁场信息。
本发明双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，包括宽带光源、光隔离器、光衰减器、偏振控制器、光纤气泡腔、光纤锥、回音壁模式光学谐振腔、光谱仪，数据处理模块；
所述的宽带光源输出的光通过光隔离器、光衰减器、偏振控制器，经单模光纤送入光纤锥，光场以倏逝场形式耦合进回音壁模式光学谐振腔，回音壁模式光学谐振腔内的光场经光纤锥输出端到达光谱仪的接收端，光谱仪输出的透射谱线送入数据处理模块。所述的回音壁模式光学谐振腔包含传感模式和参考模式两种谐振模式，且内嵌了磁致伸缩介质；所述的光纤气泡腔不含磁致伸缩介质，熔接在光纤锥的前端或后端，且与回音壁模式光学谐振腔形成混合结构；所述的回音壁模式光学谐振腔中传感模式的波长偏移量由温度和待测磁场共同决定，而参考模式的波长偏移量只受温度影响，光纤气泡腔谐振模式的波长偏移也仅由温度变化导致，其中光纤气泡腔谐振模式和回音壁光学谐振腔中参考模式形成双参考模型；所述的数据处理模块包含模式识别、偏移量提取和加权解算三个算法。其中，模式识别算法通过模式展宽方法识别分辨出光纤气泡腔的谐振模式、回音壁模式光学谐振腔的参考模式和传感模式；偏移量提取算法通过追踪三个谐振模式响应前后的中心波长并进行作差得到相应谐振模式的波长偏移量；加权解算算法通过参考光纤气泡腔的谐振模式波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔中参考模式的波长偏移量，进行加权平均处理解算出由环境温度变化引起谐振模式的波长偏移量。
磁致伸缩介质对待测磁场产生伸缩响应，生成的力驱动谐振腔腔长发生变化，引起谐振模式的波长偏移；环境温度波动会引起谐振腔腔长和有效折射率发生变化，导致谐振模式的波长偏移。因此在双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统中，首先对回音壁模式光学谐振腔进行设计改进，使其包含传感模式和参考模式，其中传感模式受待测磁场和温度效应共同作用影响，而参考模式仅对温度产生响应；其次在光纤锥前端或后端熔接一个光纤气泡腔，该气泡腔仅具有温度响应能力。因此，可以利用光纤气泡腔谐振模式和回音壁模式光学谐振腔中参考模式都仅具有温度响应特性，形成双参考模型。通过参考光纤气泡腔的谐振模式波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔中参考模式的波长偏移量，进行加权平均处理解算出环境温度效应引起的谐振模式波长偏移量，再用解算出的波长偏移量补偿修正回音壁模式光学谐振中传感模式由环境温度效应和待测磁场共同引起的谐振模式波长偏移量，从而消除温度效应影响，进而准确解调出待测磁场信息。
所述的宽带光源波长范围能够扫描出光纤气泡腔谐振模式，回音壁模式光学谐振腔的参考模式和传感模式。
所述的回音壁模式光学谐振腔结构参数要保证能够同时获得参考模式和传感模式。
作为优选，所述的WGM光学谐振腔材料为二氧化硅空心管或气泡腔。
作为优选，所述的WGM光学谐振腔内嵌的磁致伸缩介质为铁镓丝或Terfenol-D。
作为优选，所述的WGM光学谐振腔能够让光在腔内传输，并且有倏逝波存在于腔的外表面。
作为优选，所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长。
作为优选，所述的光纤锥与WGM光学谐振腔始终处于耦合状态。
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，所述的光纤气泡腔为封闭型气泡微腔，直径为60-80μm，壁厚为2-3μm，品质因数达106，对温度响应灵敏。光纤气泡腔可利用熔接机的尖端放电加热的方式制备，通过调节熔接机的放电强度、放电时间等参数可以制备出不同直径的气泡腔，进而获得不同品质因数的气泡腔。
本发明相对于现有技术具有效果：本发明通过改进设计回音壁模式光学谐振腔，使其包含参考模式和传感模式，且在光纤锥前端或后端熔接一个光纤气泡腔，构成双腔混合结构。通过光纤气泡腔的谐振模式和回音壁模式光学谐振腔的参考模式仅具有温度响应的特性，形成双参考模型。并能够参考光纤气泡腔的谐振模式波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔参考模式的波长偏移量，进行加权平均解算出温度效应引起的谐振模式波长偏移量补偿修正回音壁模式光学谐振腔传感模式波长偏移量，准确解调出待测磁场信息，解决了现有技术中存在温度效应影响而不能准确解调待测磁场信息的问题。
附图说明
图1为所发明的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统示意图。
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：
如图1所示，本实施方式所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，它包括宽带光源1、光隔离器2、光衰减器3、偏振控制器4、光纤气泡腔5、光纤锥6、回音壁模式光学谐振腔7、光谱仪8，数据处理模块9。
所述的宽带光源1输出的光依次通过光隔离器2、光衰减器3、偏振控制器4后，经单模光纤送入光纤气泡腔5，再由光纤锥6将光以倏逝场形式耦合进回音壁模式光学谐振腔7，腔内光场经光纤锥6输出端到达光谱仪8的接收端，光谱仪8输出的透射谱线送入数据处理模块9。
传感系统中宽带光源1、光隔离器2、光衰减器3、偏振控制器4、光纤气泡腔5、光纤锥6、光谱仪8之间采用光纤连接，光谱仪8和数据处理模块9之间采用电学线缆连接。光谱仪8用来记录透射谱线，数据处理模块9能够利用模式展宽技术识别相应谐振腔的谐振模式和波长偏移量，并能够通过加权算法解算出温度效应对波长偏移量的影响，补偿修正温度效应影响，解调出待测磁场信息。
本发明一种双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，首先对回音壁模式光学谐振腔进行结构设计，使其光学模式中包含传感模式和参考模式，其中传感模式具有对温度和待测磁场的响应能力，而参考模式只受温度变化的影响；其次在光纤锥前端或后端熔接一个光纤气泡腔，该气泡腔仅对温度效应产生响应；通过参考光纤气泡腔谐振模式的波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔中参考模式的波长偏移量，加权平均解算出环境温度效应引起谐振模式的波长偏移量，并利用解算出的波长偏移量补偿修正回音壁模式光学谐振腔中传感模式由温度效应和待测磁场共同引起的谐振模式波长偏移量，从而消除温度效应的影响，进而准确解调出待测磁场信息。所提出的双参考型混合结构的磁场传感系统可解决传感参数的交叉灵敏度问题，进而准确获得外界磁场信息。

Claims (10)

1.双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：包括宽带光源(1)、光隔离器(2)、光衰减器(3)、偏振控制器(4)、光纤气泡腔(5)、光纤锥(6)、回音壁模式光学谐振腔(7)、光谱仪(8)、数据处理模块(9)；
所述的宽带光源(1)输出的光依次通过光隔离器(2)、光衰减器(3)、偏振控制器(4)，经单模光纤送入光纤锥(6)，光场以倏逝场形式耦合进回音壁模式光学谐振腔(7)，回音壁模式光学谐振腔(7)内的光场再经光纤锥(6)输出端到达光谱仪(8)的接收端，光谱仪(8)输出的透射谱线送入数据处理模块(9)中；所述的回音壁模式光学谐振腔(7)包含传感模式和参考模式两种谐振模式，且内嵌了磁致伸缩介质；所述的光纤气泡腔(5)不含磁致伸缩介质，熔接在光纤锥的前端或后端，且与回音壁模式光学谐振腔(7)形成混合结构；所述的回音壁模式光学谐振腔(7)中传感模式的波长偏移量由温度和待测磁场共同决定，而参考模式的波长偏移量只受温度影响，光纤气泡腔(5)谐振模式的波长偏移量也仅由温度变化引起，其中光纤气泡腔(5)谐振模式和回音壁光学谐振腔(7)中参考模式形成双参考模型；所述的数据处理模块(9)包含模式识别、偏移量提取和加权解算三个算法，其中模式识别算法通过模式展宽方法识别分辨出光纤气泡腔(5)的谐振模式、回音壁模式光学谐振腔(7)的参考模式和传感模式，偏移量提取算法通过追踪三个谐振模式响应前后的中心波长并进行作差得到相应谐振模式的波长偏移量，加权解算算法通过参考光纤气泡腔(5)的谐振模式波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔(7)中参考模式的波长偏移量，进行加权平均处理解算出由环境温度变化引起谐振模式的波长偏移量。
2.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：偏振控制器输出的光场进入光纤气泡腔，光纤气泡腔中光场仅由温度变化导致谐振模式的波长偏移，进入填充磁致伸缩介质的回音壁模式光学谐振腔的光场，传感模式受温度和待测磁场共同作用引起谐振模式的波长偏移，参考模式仅由温度改变引起谐振模式的波长偏移；利用光纤气泡腔谐振模式和回音壁模式光学谐振腔中参考模式都仅具有温度响应的特性，形成双参考模型；通过参考光纤气泡腔的谐振模式波长偏移量和回音壁模式光学谐振腔中参考模式的波长偏移量，进行加权平均处理解算出环境温度变化引起的谐振模式波长偏移量，再用解算出的波长偏移量补偿修正回音壁模式光学谐振中传感模式由环境温度和待测磁场共同引起的谐振模式波长偏移量，从而消除温度效应影响，进而准确解调出待测磁场信息。
3.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的宽带光源波长范围能够扫描出光纤气泡腔谐振模式，以及回音壁模式光学谐振腔的参考模式和传感模式。
4.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的回音壁模式光学谐振腔材料为二氧化硅空心管或气泡腔，其结构参数要保证能够同时获得参考模式和传感模式，且有倏逝波在其外表面传输。
5.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的回音壁模式光学谐振腔内嵌的磁致伸缩介质为铁镓丝或Terfenol-D。
6.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的数据处理模块中的模式识别、偏移量提取和加权解算三个算法要尽量精确，以便剔除温度对系统的影响，准确解算出待测磁场信息。
7.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的光纤锥的锥区部分的截面直径小于输入光波长。
8.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的光纤锥与回音壁模式光学谐振腔始终处于耦合状态。
9.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：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。
10.根据权利要求1所述的双参考型混合结构补偿温度效应影响的磁场传感系统，其特性在于：所述的光纤气泡腔为封闭型气泡微腔，直径为60-80μm，壁厚为2-3μm，品质因数达106。
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