CN1737602A - 磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头 - Google Patents

Abstract

一种磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，属于测试技术领域。本发明包括：输入单模光纤、第一单模光纤3dB耦合器、马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤、压电陶瓷环、马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤、跑道型骨架、闭环磁致伸缩带，第二单模光纤3dB耦合器、两路输出单模光纤，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤用环氧胶首尾两点粘贴，紧紧缠绕在压电陶瓷环上，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤和压电陶瓷环设在跑道型骨架内，在跑道型骨架上紧紧缠绕闭环磁致伸缩带，马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤紧紧缠绕闭环磁致伸缩带，首尾用环氧胶与跑道型骨架固定。本发明结构一体化、方向性好、灵敏度高和性能更可靠。

Description

磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头

技术领域

本发明涉及的是一种测试技术领域的装置，具体地说，是一种磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头。

背景技术

微弱磁场探测应用于很多重要领域。目前实现灵敏度最高的是超导量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device SQUID)，但其探头体积大，成本高，操作复杂，而且需要工作在低温条件下。光纤干涉型磁场传感器具有体积小，成本低，常温下工作。光纤材料具有抗电磁干扰、耐腐蚀性。而且美国海军实验室F.Bucholtz等人报道了磁致伸缩光纤马赫—曾德尔干涉型磁传感器在一定条件下能探测到

的磁场，其灵敏度接近SQUID。磁致伸缩光纤干涉型磁传感系统的灵敏度高低与探头有很大关系。L.L.Picon等人总结了四种典型探头结构，被称作贴片(ribbon)、三明治(sandwich)、圆柱体(cylinder)和外部护套包裹型(external sheath coating)，其中，在圆柱体骨架上缠绕磁致伸缩材料和光纤被实验验证磁场反应最灵敏，但它无法分辨圆柱截面上磁场方向。

经对现有技术的文献检索发现，美国海军实验室的专家于95年提出了在绕线筒上粘贴两片磁致伸缩材料，缠绕光纤制作探头并构建磁传感系统应用于海上船只航线测量实验，申请了美国国家专利(美国专利号5 305 075，1994年4月19日，一种具有三个缠绕马赫—曾德尔干涉仪的双贴片式光纤磁致伸缩换能器的磁致伸缩传感器探头)，但只有部分磁致伸缩材料引起光纤形变，且磁致伸缩材料与光纤的粘贴式结合，伸缩不充分。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其结构一体化、方向性好、灵敏度高和性能更可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：输入单模光纤、第一单模光纤3dB耦合器、马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤、压电陶瓷环、马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤、跑道型骨架、闭环磁致伸缩带，第二单模光纤3dB耦合器、两路输出单模光纤，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤用环氧胶首尾两点粘贴，紧紧缠绕在压电陶瓷环上，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤和压电陶瓷环设在跑道型骨架内，在跑道型骨架上紧紧缠绕闭环磁致伸缩带，马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤紧紧缠绕闭环磁致伸缩带，首尾用环氧胶与跑道型骨架固定，输入单模光纤与第一单模光纤3dB耦合器光学连接，第一单模光纤3dB耦合器分别与马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤光学相连，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤分别与第二单模光纤3dB耦合器光学相连，第二单模光纤3dB耦合器与两路输出单模光纤光学相连。

所述的跑道型骨架，其中间是一个矩形，两端是半圆，矩形两长边向外呈拱形。该结构的闭环磁致伸缩带与被测场平行作用距离加长，从而提高探头灵敏度。两端半圆既是和矩形构成一个闭合整体，使磁致伸缩材料受磁场作用向外伸张，又是对光纤弯曲起到缓冲作用。矩形向外呈拱形是为了闭环磁致伸缩带的应力能更好地传递到马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤上。

所述的跑道型骨架，其内部设有一圆柱腔，用于设置压电陶瓷环。这样探头结构可以一体化，且光纤在探头内部，消除了很多环境因素的影响，如风和噪音等。

所述的跑道型骨架与闭环磁致伸缩带可以相对移动。由探头构成的磁传感系统的工作频率是探头的机械谐振频率，如果跑道型骨架与闭环磁致伸缩带不可以相对移动的话，则探头的谐振频率由跑道型骨架、闭环磁致伸缩带和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤确定，因跑道型骨架质量远远大于后面两项，使谐振频率大大降低，不利于后面信号处理。

所述的马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤和闭环磁致伸缩带构成一个闭环整体。所述的闭环整体，其机械谐振固有频率在15KHz～35KHz之间，并可以用ANSYS有限元分析出其谐振频率。

所述的输入单模光纤、两路输出单模光纤和压电陶瓷环的屏蔽线电极抽头在跑道型骨架外面。结构紧凑简单，使用者只要相应地接好五根线即可。因为电路中有高频信号发生器，所以压电陶瓷环的电极采用屏蔽线是防止高频噪音信号输入到压电陶瓷环中。

外部光源输出激光经过输入单模光纤到第一单模光纤3dB耦合器分成两路光信号。一路通过紧绕在压电陶瓷环上的马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤，二者作为一个整体放置在跑道型骨架的圆柱腔内。一路通过马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤。闭环磁致伸缩带紧绕在跑道型骨架上，然后再紧绕马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤。被测磁场使闭环磁致伸缩带产生形变，应变通过应力传递到马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤，产生相应的相位变化，这样两路光信号在第二单模光纤3dB耦合器处干涉就产生相应的相位差。该相位差被外界激励线圈产生的正弦磁场调制，从两路输出单模光纤输出给光电转换和检测电路解调就可以知道被测场大小。

马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤受外界噪音、温度等影响产生直流相位噪声，可以将检测电路输出的直流信号加载到压电陶瓷环上构成负反馈系统，不仅可以使马赫—曾德尔光纤干涉仪工作在最灵敏处，而且可以消除直流相位噪声。本探头采用跑道型骨架，使缠绕其表面的闭环磁致伸缩带与被测磁场的平行作用距离加长，从而使提高探头灵敏度和方向性。另外，探头采用一体化设计，结构简单，性能可靠。

附图说明

图1为本发明结构示意图

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：输入单模光纤1、第一单模光纤3dB耦合器2、马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤3、压电陶瓷环4、马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5、跑道型骨架6、闭环磁致伸缩带7，第二单模光纤3dB耦合器8、两路输出单模光纤9，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤3用环氧胶首尾两点粘贴，紧紧缠绕在压电陶瓷环4上，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤3和压电陶瓷环4设在跑道型骨架6内，在跑道型骨架6上紧紧缠绕闭环磁致伸缩带7，马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5紧紧缠绕闭环磁致伸缩带7，首尾用环氧胶与跑道型骨架6固定，输入单模光纤1与第一单模光纤3dB耦合器2光学连接，第一单模光纤3dB耦合器2分别与马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤3和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5光学相连，马赫—曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤3和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5分别与第二单模光纤3dB耦合器8光学相连，第二单模光纤3dB耦合器8与两路输出单模光纤9光学相连。

所述的跑道型骨架6，其中间是一个矩形，两端是半圆，矩形两长边向外呈拱形。该结构的闭环磁致伸缩带7与被测场平行作用距离加长，从而提高探头灵敏度。两端半圆既是和矩形构成一个闭合整体，使磁致伸缩材料受磁场作用向外伸张，又是对光纤弯曲起到缓冲作用。矩形向外呈拱形是为了闭环磁致伸缩带7的应力能更好地传递到马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5上。

所述的跑道型骨架6，其内部设有一圆柱腔，用于设置压电陶瓷环4。这样探头结构可以一体化，且光纤在探头内部，消除了很多环境因素的影响，如风和噪音等。

所述的跑道型骨架6与闭环磁致伸缩带7可以相对移动。由探头构成的磁传感系统的工作频率是探头的机械谐振频率，如果跑道型骨架6与闭环磁致伸缩带7不可以相对移动的话，则探头的谐振频率由跑道型骨架6、闭环磁致伸缩带7和马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5确定，因跑道型骨架6质量远远大于后面两项，使谐振频率大大降低，不利于后面信号处理。

所述的马赫—曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤5和闭环磁致伸缩带7构成一个闭环整体。所述的闭环整体，其机械谐振固有频率在15KHz～35KHz之间，并可以用ANSYS有限元分析出其谐振频率。

所述的输入单模光纤1、两路输出单模光纤9和压电陶瓷环4的屏蔽线电极抽头在跑道型骨架6外面。结构紧凑简单，使用者只要相应地接好五根线即可。因为电路中有高频信号发生器，所以压电陶瓷环4的电极采用屏蔽线是防止高频噪音信号输入到压电陶瓷环4中。

Claims (7)

1.一种磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，包括：输入单模光纤(1)、第一单模光纤3dB耦合器(2)、马赫-曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤(3)、压电陶瓷环(4)、马赫-曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤(5)、跑道型骨架(6)、闭环磁致伸缩带(7)，第二单模光纤3dB耦合器(8)、两路输出单模光纤(9)，其特征在于，马赫-曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤(3)用环氧胶首尾两点粘贴，紧紧缠绕在压电陶瓷环(4)上，马赫-曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤(3)和压电陶瓷环(4)设在跑道型骨架(6)内，在跑道型骨架(6)上紧紧缠绕闭环磁致伸缩带(7)，马赫-曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤(5)紧紧缠绕闭环磁致伸缩带(7)，首尾用环氧胶与跑道型骨架(6)固定，输入单模光纤(1)与第一单模光纤3dB耦合器(2)光学连接，第一单模光纤3dB耦合器(2)分别与马赫-曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤(3)和马赫-曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤(5)光学相连，马赫-曾德尔光纤干涉仪参考臂光纤(3)和马赫-曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤(5)分别与第二单模光纤3dB耦合器(8)光学相连，第二单模光纤3dB耦合器(8)与两路输出单模光纤(9)光学相连。

2.根据权利要求1所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的跑道型骨架(6)，其中间是一个矩形，两端是半圆，矩形两长边向外呈拱形，两端半圆和矩形构成一个闭合整体。

3.根据权利要求1或2所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的跑道型骨架(6)，其内部设有一圆柱腔。

4.根据权利要求2或3所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的跑道型骨架(6)与闭环磁致伸缩带(7)可以相对移动。

5.根据权利要求1所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的马赫-曾德尔光纤干涉仪信号臂光纤(5)和闭环磁致伸缩带(7)构成一个闭环整体。

6.根据权利要求5所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的闭环整体，其机械谐振固有频率在15KHz～35KHz之间。

7.根据权利要求1所述的磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头，其特征是，所述的输入单模光纤(1)、两路输出单模光纤(9)和压电陶瓷环(4)的屏蔽线电极抽头在跑道型骨架(6)外面。