CN114325510A - 基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统。激光器输出的光通过分束器分别送入干涉仪的参考臂和传感臂。参考臂上引入了光纤偏振控制器、光纤缠绕在PZT压电陶瓷换能器上，信号发生器产生交变电压信号作用于PZT压电陶瓷换能器用于调制参考臂的相位。同时信号发生器产生的交流电压送入DAQ数据采集设备；将集成了微带线的YIG材料与传感臂粘结在一起，在网络分析仪经线圈产生的射频场及与之方向垂直的直流磁场的共同作用下、YIG的铁磁共振被激发，使得该磁场传感系统能够探测高频段的磁场。传感臂和参考臂输出的光场通过耦合器耦合到一起后经光电探测器送入DAQ数据采集设备并与计算机连接，实现信号的采集、时域/频域分析以及结果显示等功能。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，具体涉及的是由光纤Mach-Zehnder干涉仪和磁性绝缘体钇铁石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG)材料构成的磁场传感结构，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器可以用于采集和监控不同环境中磁场及其相关物理量的信息。磁场传感器应用广泛，生物医学、宇宙空间探测、军事国防、地质调查、考古研究和导航系统等重要领域都对高性能磁场传感器有着强烈的需求，因此磁场传感系统朝着高精度、微小型、高灵敏度、高稳定性的方向持续发展。光纤具有抗电磁干扰、可靠性高、低传输损耗、耐腐蚀、绝缘性佳、体积小等优点，常被用于微弱磁场信号探测。光纤磁场传感系统是在光纤系统中引入磁感应材料实现通过磁信号与光信号的耦合，因此，可以通过光信号解调待测磁场信号。光纤干涉仪是一种基于光干涉技术，一般由分束器、参考臂和传感臂构成，可用于光学传感。在光纤干涉仪磁场传感系统中，当外界磁场信号作用于传感臂时，引起其上的磁致伸缩材料发生形变，进而改变传感臂中光的相位并反应到干涉信号中。为拓展该类传感器的高频磁场探测性能，这里我们提出了一种基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，引入YIG材料作为磁致伸缩材料、与光纤干涉仪相结合，YIG中产生的高频铁磁共振可对外界高频磁场信号进行放大，进而实现高频磁场信号的探测。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，可用于提升高频段磁场传感的灵敏度。
基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统包括激光器、分束器、偏振控制器、YIG材料、微带线、耦合器、光电探测器、PZT压电陶瓷换能器、信号发生器、DAQ数据采集器、计算机、矢量网络分析仪、电流源、线圈。
所述的激光器输出的光通过50/50分束器分别送入光纤干涉仪的参考臂和传感臂；其中，参考臂上引入了光纤偏振控制器，其上的光纤缠绕在PZT压电陶瓷换能器上，信号发生器产生交变电压信号作用于PZT压电陶瓷换能器调制参考臂的相位。同时信号发生器产生的交流电压送入DAQ数据采集器；将集成了微带线的YIG材料与传感臂粘结在一起，在网络分析仪经线圈产生的射频场及与之方向垂直的直流磁场的共同作用下，YIG的铁磁共振被激发。传感臂和参考臂输出的光场通过耦合器耦合到一起后经光电探测器送入DAQ数据采集器，DAQ数据采集器与计算机连接，实现信号的采集、时域/频域分析以及结果显示等功能。在计算机中引入相位载波解调法，解算待测磁场信号。由于YIG材料的力学模式频率位于GHz频段，则很容易通过直流磁场调谐方式使得力学模式频率和铁磁共振频率重合。因此当待测磁场信号频率与铁磁共振频率和力学模式频率相同时，谐振效果会大大增强，高频的磁场传感的灵敏度也会得到提升。
作为优选，所述的YIG材料可为柱形或其他易于缠绕光纤的结构，取向为110或100晶向。
作为优选，所施加的微波和直流磁场相互垂直、场强使YIG薄膜产生铁磁共振。
作为优选，所述的光纤干涉仪的参考臂和传感臂中非传感区可使用波导，波导要保证光的低损耗传播。
作为优选，光纤干涉仪中耦合器的分束比为50:50。
作为优选，激光器为激光器、其波长与探测器的探测波段一致、与光纤低损耗波段一致。
作为优选，光电探测器要具有宽探测频带，响应频率均大于铁磁共振频率，满足探测需求。
作为优选，偏振控制器中光的偏振态要调到光学品质因数最大，在探测过程中均保持不变。
作为优选，网络分析仪的探测频带选择需要覆盖探测信号频段。
作为优选，数据采集系统实现信号的数据采集、分析、频谱分析、时域分析以及结果显示功能。
本发明相对于现有技术具有效果：本发明通过设计将用微带线耦合的YIG材料与光纤Mach-Zehnder干涉仪相结合，并将YIG置于直流磁场和射频磁场中激发铁磁共振，使得系统在光纤干涉仪磁场传感系统的基础上提高其在高频段的磁场传感灵敏度。
附图说明
图1为所发明的基于光纤干涉仪和铁磁共振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，本实施方式所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，它包括激光器1、分束器2、偏振控制器3、YIG材料4、微带线5、矢量网络分析仪6、耦合器7、光电探测器8、PZT压电陶瓷换能器9、信号发生器10、DAQ数据采集器11、计算机12、电流源13、线圈14。
所述的激光器1输出的光通过分束器2，分束至光纤干涉仪的传感臂和参考臂中，其中一束入射光通过一个光学偏振器3送入由YIG材料4外围缠绕的光纤的传感臂中。电流源13驱动线圈14产生直流磁场信号、网络分析仪6输出射频磁场信号送入微带线5，两者方向垂直，微带线5中的射频磁场信号会激发YIG材料4的铁磁共振，增强基于光纤干涉仪的磁场传感系统灵敏度。在待测的交变磁场信号的作用下YIG材料4产生形变，实现缠绕在YIG上光纤的长度调制进而改变传感臂光纤的相位，使得光学干涉仪具备磁场探测能力。入射至参考臂的光通过光学偏振器3送入紧密缠绕在PZT压电陶瓷换能器9外壁的光纤中，信号发生器10产生交流电压供给到PZT压电陶瓷换能器9上，通过供给电压导致PZT的直径发生改变进而实现缠绕在PZT上光纤的长度调制，实现光纤中光的相位载波调制。传感臂和参考臂输出的光经耦合器后送入光电探测器8，光电探测器8输出电信号送入DAQ数据采集器11并与计算机12连接，实现信号的数据采集、分析、频谱分析、时域分析、相位载波解调以及结果显示等功能。
传感系统中激光器1、分束器2、偏振控制器3、耦合器7、光电探测器8、PZT压电陶瓷换能器9之间均采用光纤连接；微带线5、矢量网络分析仪6、信号发生器10、DAQ数据采集器11、计算机12、电流源13、线圈14之间均用电学线缆连接。
所述的YIG材料可为柱形或其他易于缠绕光纤的结构，取向为110或100晶向。
所施加的微波和直流磁场相互垂直、场强使YIG薄膜产生铁磁共振。
所述的光纤干涉仪的参考臂和传感臂中非传感区可使用波导，波导要保证光的低损耗传播。
光纤干涉仪中耦合器的分束比为50:50。
激光器为分布式反馈激光器、其波长与探测器的探测波段一致、与光纤低损耗波段一致。
光电探测器要具有宽探测频带，响应频率均大于铁磁共振频率，满足探测需求。
偏振控制器中光的偏振态要调到光学品质因数最大，在探测过程中均保持不变。
网络分析仪的探测频带选择需要覆盖探测信号频段。
数据采集系统实现信号的数据采集、分析、频谱分析、时域分析以及结果显示功能。
Claims (10)
1.基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于，包括：激光器、分束器、偏振控制器、YIG材料、微带线、矢量网络分析仪、耦合器、光电探测器、PZT压电陶瓷换能器、信号发生器、DAQ数据采集器、计算机、电流源、线圈；
所述的激光器输出的光通过分束器，分束至光纤干涉仪的两段光纤臂中，两段光纤臂分别为光纤干涉仪的传感臂和参考臂。其中一束入射光通过一个光学偏振器送入由YIG材料外围缠绕的光纤中；同时电流源驱动线圈产生直流磁场信号、网络分析仪输出射频磁场信号送入微带线，直流磁场信号与射频磁场信号方向垂直，微带线中的射频磁场信号会激发YIG材料的铁磁共振，增强基于光纤干涉仪的磁场传感系统灵敏度；同时磁场的作用导致YIG材料产生形变，实现缠绕在YIG上光纤的长度调制进而改变光纤中相位；参考臂一端激光入射通过光学偏振器送入紧密缠绕在PZT压电陶瓷换能器外壁的光纤中，信号发生器产生交流电压供给到PZT压电陶瓷换能器上，通过供给电压导致PZT的直径发生改变进而实现缠绕在PZT上光纤的长度调制，实现光纤中光的相位调制；传感臂和参考臂输出的光通过耦合器送入光电探测器，光电探测器输出电信号送入DAQ数据采集设备，DAQ数据采集设备与计算机连接，实现信号的数据采集、分析、频谱分析、时域分析、相位载波解调以及结果显示等功能。
2.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：用微带线耦合的YIG材料与光纤干涉仪相结合，并将YIG材料置于直流磁场和射频磁场中激发铁磁共振，使得光纤干涉仪磁场传感系统在高频段的磁场传感灵敏度得到提升。
3.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的YIG材料为柱形或矩形块；取向为110或100晶向。微带线与YIG材料紧贴，微带线表面几何中心与YIG材料表面几何中心一致。
4.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所施加的微波磁场和直流磁场相互垂直、场强和频率使YIG薄膜产生铁磁共振。
5.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的光纤干涉仪光纤干涉仪为光纤Mach-Zehnder干涉仪，干涉仪的参考臂和传感臂中非传感区可使用波导，波导要保证光的低损耗传播。
6.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的光纤耦合器的分束比为50:50。
7.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的激光器为分布式反馈激光器、其波长与探测器的探测波段一致、与光纤低损耗波段一致。
8.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的光电探测器要具有宽探测频带，响应频率均大于铁磁共振频率，满足探测需求；所述的网络分析仪的探测频带选择覆盖探测信号频段。
9.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的偏振控制器中光的偏振态要调到光学品质因数最大，在探测过程中均保持不变。
10.根据权利要求1所述的基于光纤干涉仪和铁磁共振的磁场传感系统，其特性在于：所述的数据采集系统和计算机实现信号的数据采集、分析、频谱分析、时域分析、相位载波解调以及结果显示功能。
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