CN205826845U - 一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，涉及光纤磁场传感领域。包括光源，信号发生器，铌酸锂电光波导强度调制器，光纤耦合器，延迟器，光纤环形衰荡腔，光电探测器和示波器。光纤环形衰荡腔由耦合器，单模光纤和光子晶体光纤组成。利用双光纤环形衰荡腔结构消除测量过程中外界因素的影响，在提高系统探测灵敏度的同时增强了系统的运行稳定性，本实用新型适用于高精度光纤磁场传感。

Description

一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器

技术领域

本实用新型涉及光纤传感领域，具体涉及一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器。

背景技术

磁场传感器是将各种磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置，现代的磁场传感器已经广泛的应用在航空、航天、航海等诸多领域，近几年来，随着信息化、工业化、交通运输、电子技术、医疗仪器、家用电器等等的快速发展和电子技算机应用的普及，需要大量的磁场传感器将非电参量转换成可与其兼容的信号，使得磁场传感器得到更多的发展和应用，因此研究新型的磁场传感器具有十分重大的理论意义和实用价值，已成为国内外学者研究的重点和热点问题。

目前测量磁场的传感器很多，按照测量方法来分，主要有：霍尔效应法、磁阻敏效应法、电磁感应法、磁光效应法和磁饱和法等，但是，传统的磁场传感器由于存在体积大又笨重、易受电磁干扰、温漂大、磁滞现象和铁磁共振等问题而具备一定的局限性，光纤作为一种本质绝缘的材料，具有耐腐蚀、耐高温、防爆、重量轻等优点，随着各种光纤器件的大量涌现，使用光纤及光纤器件来进行磁场传感的方法越来越受到人们的广泛关注，与传统的磁场传感器相比，光纤磁场传感器在磁场传感方面有着突出的优势，除了体积小轻便、重量轻以外，还具有抗辐射、抗干扰、防爆等优点，因此，光纤磁场传感器正广泛应用于军事、工业、通信等领域。

现有的光纤磁场传感技术的研究方向主要有基于磁致伸缩材料的磁场传感方法以及基于磁光效应的磁场传感方法。

基于磁致伸缩材料的磁场传感器原理是使用磁致伸缩材料为磁场传感介质，将磁场信息转变为应变信息，然后利用光纤器件感应这种应变信息，从而反过来推出待测磁场信息的间接式磁场传感，但是此类磁传感器由于机械结构如悬臂梁、磁致伸缩材料等本身固有属性的限制，使得转化效率、灵敏度、精度、波长移动量受到影响。

基于磁光效应的磁场传感器基本原理是磁场与在磁光材料中传输的光发生直接或者间接的相互作用，从而改变光的参数，包括光的强度、波长和偏振态等，该类传感器具有测量分辨率高、精度高等优点，该类传感器按调制方式可以分为基于相位调制和强度调制的磁光磁场传感器，基于相位调制的光纤磁场传感器由于受温飘问题限制，无法满足测量精度，而光源调制波动、外界环境影响、散射和吸收效应等问题严重影响了基于强度调制的光纤传感器的测量性能。

发明内容

针对现有强度调制磁光光纤磁场传感器的不足，本实用新型的目的是提供一种抗环境影响的高灵敏度光纤磁场传感器。

本实用新型的技术方案如下：

本实用新型提出一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，包括：光源、信号发生器、铌酸锂电光波导强度调制器、光纤分束器、第一至第五光纤耦合器、磁场传感装置、环境传感装置、延迟装置、光电探测器、示波器；

所述各器件的连接如下：

所述光源与光纤分束器的输入端口相连，光纤分束器第一输出端口与光纤环型衰荡腔一输入端相连，光纤分束器第二输出端口与延迟装置输入端相连，延迟装置输出端与光纤环型衰荡腔二输入端相连，光纤环型衰荡腔一输出端与光电探测器一相连，光纤环型衰荡腔二输出端与光电探测器二相连，光电探测器一和光电探测器二输出端同时连接示波器；

光纤环形衰荡腔一由第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、磁场传感装置组成，其器件的连接为：第一光纤耦合器的第一输入端口为光纤环型衰荡腔一的输入端口，输出端口与第二光纤耦合器的输入端口相连，第二光纤耦合器的第一输出端口为光纤环型衰荡腔一的输出端口，第二输出端口与磁场传感装置的输入端口相连，磁场传感装置的输出端口与第一光纤耦合器的第二输入端口相连；

光纤环形衰荡腔二由第三光纤耦合器、第四光纤耦合器、环境传感装置组成，其器件的连接：第三光纤耦合器的第一输入端口为光纤环型衰荡腔二的输入端口，输出端口与第四光纤耦合器的输入端口相连，第四光纤耦合器的第一输出端口为光纤环型衰荡腔二的输出端口，第二输出端口与环境传感装置的输入端口相连，环境传感装置的输出端口与第三光纤耦合器的第二输入端口相连；

本实用新型的有益效果具体如下：

本实用新型提出一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，利用光纤环型腔衰荡技术实现了光纤磁场传感器灵敏度在现存光纤磁场传感器基础上提高了一个数量级，并通过双光路传感信号差分方法实现了抗环境敏感，该光纤磁场传感器对解决目前光纤磁场传感器实用化中存在的测量精度不够及受环境影响严重等问题具有重要的意义。

附图说明

图1为一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，它包括包括光源（1）、铌酸锂电光波导强度调制器（3），信号发生器（2）、光纤分束器（14）、延迟装置（4）、光纤环型衰荡腔一（15）、光纤环型衰荡腔二（16）、光电探测器一（11）、光电探测器二（12）、示波器（13）；

光源（1）发出光信号，该信号通过强度调制器（3）和与之相连接的信号发生器（2）被调制为光脉冲信号，经过1X2光纤分束器（14）后被分为两路，光路一（17）中光信号通过第一光纤耦合器（5）耦合进入光纤环型衰荡腔一（15），光路二（18）中光信号经延迟装置（4）之后通过第三光纤耦合器（8）进入光纤环型衰荡腔二（16），光路一输出信号光由光电探测器一（11）探测输出，光路二输出信号光由光电探测器二（12）探测输出，两探测器信号均由示波器（13）探测观察。

具体实施方式二：本实施方式对具体实施方式一所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，所述光源（1）为中心波长1550nm、带宽40nm的ASE宽带光源，所述光纤分束器（14）分光比为1:1，所述光纤耦合器（6、9）输出端分光比为0.3:99.7。

具体实施方式三：本实施方式对具体实施方式一所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，所述光纤环型衰荡腔一（15）对环境和磁场敏感，所述光纤环型衰荡腔二（16）对环境敏感，对磁场不敏感。

具体实施方式四：本实施方式对具体实施方式一所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，所述光纤环型衰荡腔一（15）总长度为80-100m，其中光子晶体光纤长度为2-4cm，其余为单模光纤，所述光纤环型衰荡腔二（16）总长度及其中光子晶体光纤长度与光纤环一（15）相同，光信号在光纤环型衰荡腔一（15）内传输一圈所用时间与光信号在光纤环型衰荡腔二（16）内传输一圈所用时间相同，并且所经历环境影响相同；

所述延迟装置（4）用于分离两光路的输出信号。

具体实施方式五：本实施方式对具体实施方式一所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，光电探测器一（11）与第二光纤耦合器（6）的0.3%输出端相连，光电探测器二（12）与第四光纤耦合器（9）的0.3%输出端相连。

具体实施方式六：本实施方式对具体实施方式一所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，所述磁场传感装置（7），入射端和出射端均由单模光纤与光子晶体光纤熔接实现；

所述磁场传感装置（7）中光子晶体光纤，将其部分包层腐蚀去掉，所得光子晶体光纤外径为120-130μm，腐蚀后将其内部气孔利用毛细作用填充磁流体，两端分别与单模光纤熔接之后整体浸入磁流体中；

具体实施方式七：本实施方式对具体实施方式一所述的一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器的进一步限定，本实施方式中，,所述环境传感装置（10），入射端和出射端均由单模光纤与光子晶体光纤熔接实现；

所述环境传感装置（10）中光子晶体光纤长度为2-3cm，采用氢氟酸（HF）将其部分包层腐蚀去掉，所得光子晶体光纤外径为120-130μm，腐蚀后对其内部气孔及外表面进行镀膜，所镀材料折射率与无外加磁场时磁性液体折射率相同，之后将其两端分别与单模光纤进行熔接。

工作原理：

一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器

工作过程：如图1所示，光源（1）输出光信号经调制器（3）调制产生脉冲光信号，该脉冲信号经光纤分束器（14）分成两束相同的脉冲光信号并分别进入光路一（17）和光路二（18），光路一（17）中脉冲信号进入光纤环形衰荡腔一（15)，光纤环形衰荡腔一（15）输出光信号由光电探测器一（11）探测并由示波器（13）显示，光路二（18）中脉冲信号经过延迟装置（4）延迟之后进入光纤环型衰荡腔二（16），光纤环形衰荡腔二（16）输出光信号由光电探测器二（12）探测并由示波器（13）显示；

在磁场传感过程中，磁场传感装置（7）放置于待测磁场中，所述磁场方向垂直于磁场传感器（7）；

在磁场传感过程中，环境传感装置（10）放置于同待测磁场相同条件下的无磁场环境中。

Claims (8)

1.一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征在于，所述光纤磁场传感器包括光源（1）、铌酸锂电光波导强度调制器（3），信号发生器（2）、光纤分束器（14）、延迟装置（4）、光纤环型衰荡腔一（15）、光纤环型衰荡腔二（16）、光电探测器一（11）、光电探测器二（12）、示波器（13）；

所述光源（1）发出光信号，该信号通过强度调制器（3）和与之相连接的信号发生器（2）被调制为光脉冲信号，经过1X2光纤分束器（14）后被分为两路，光路一（17）中光信号通过第一光纤耦合器（5）耦合进入光纤环型衰荡腔一（15），光路二（18）中光信号经延迟装置（4）之后通过第三光纤耦合器（8）进入光纤环型衰荡腔二（16），光路一输出信号光由光电探测器一（11）探测输出，光路二输出信号光由光电探测器二（12）探测输出，两探测器信号均通过示波器（13）显示观察；

所述光纤环型衰荡腔一（15）由第一光纤耦合器（5）、第二光纤耦合器（6）、磁场传感装置（7）和单模光纤组成，光信号由第一光纤耦合器（5）耦合进入光纤环型衰荡腔一（15），经过第二光纤耦合器（6）分为两束，一束输出用于探测，另一束经单模光纤传入磁场传感装置（7），之后经由第一光纤耦合器（5）再次经历光纤环一；

所述光纤环型衰荡腔二（16）由第三光纤耦合器（8）、第四光纤耦合器（9）、环境传感装置（10）和单模光纤组成，光信号由第三光纤耦合器（8）耦合进入光纤环型衰荡腔二（16），经过第四光纤耦合器（9）分为两束，一束输出用于探测，另一束经单模光纤传入环境传感装置（10），之后经由第三光纤耦合器（8）再次经历光纤环二。

2.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，光源（1）为中心波长1550nm、带宽40nm的ASE宽带光源，所述光纤分束器（14）分光比为1:1，所述光纤耦合器（6、9）输出端分光比为0.3:99.7。

3.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，所述光纤环型衰荡腔一（15）对环境和磁场敏感，所述光纤环型衰荡腔二（16）对环境敏感，对磁场不敏感。

4.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，所述光纤环型衰荡腔一（15）总长度为80-100m，其中光子晶体光纤长度为2-4cm，其余为单模光纤，所述光纤环型衰荡腔二（16）总长度及其中光子晶体光纤长度与光纤环一（15）相同，光信号在光纤环型衰荡腔一（15）内传输一圈所用时间与光信号在光纤环型衰荡腔二（16）内传输一圈所用时间相同，并且所经历环境影响相同；

所述延迟装置（4）用于分离两光路的输出信号。

5.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，所述光路一（17）和光路二（18）同时采用光纤环形腔衰荡光谱技术。

6.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，磁场传感装置（7），入射端和出射端均由单模光纤与光子晶体光纤熔接实现；

所述磁场传感装置（7）中光子晶体光纤为磁流体填充腐蚀光子晶体光纤。

7.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，环境传感装置（10）入射端和出射端均由单模光纤与光子晶体光纤熔接实现；

所述环境传感装置（10）中光子晶体光纤为内部镀膜腐蚀光子晶体光纤，长度为2-3cm。

8.根据权利要求1所述一种环境不敏感高灵敏度光纤磁场传感器，其特征是，通过光路一（17）和光路二（18）在同一环境下同时传感，同时探测，实现对磁场传感过程中环境影响因素的消除。