基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器

技术领域

本发明属于磁场传感领域，具体涉及一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器。

背景技术

磁场作为一种客观存在的物质，其包含十分丰富的物理信息，对其精密测量可以获取待测物质的物理特性。在电力系统、海洋环境勘测、工业生产等领域，磁场与温度的测量显得尤为重要。例如在工业制造领域，当材料内部存在缺陷时，其周围磁场将发生微小变化，通过精密测量微弱的磁场变化，即可推断出缺陷的大小和位置等信息。在地磁测量领域，通过对地磁场的异常监测，可以预测地震、确定火山岩位置以及进行矿场监测。在海洋探测领域，可以根据磁场梯度，确定光缆掩埋深度。但由于磁场强度十分微弱，且环境恶劣，因此对磁场传感器的性能提出了更高要求。

光纤干涉器件是一类具有广泛应用前景的重要传感元件。但在一些特殊情况下，例如测量地震波的传播轨迹，矿产分布等，传统的光纤干涉式磁场传感器的敏感度仍然不够，且体积较大。

发明内容

本发明提供一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器，以解决传统的光纤干涉式磁场传感器敏感度仍较低且体积较大的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器，包括宽带光源、单模光纤、第一毛细管、第二毛细管和光谱分析仪，所述宽带光源的输出端连接所述单模光纤的第一端，所述单模光纤的第二端与所述光谱分析仪连接，所述单模光纤包括位于其第一端与第二端之间的第一拉锥段和第二拉锥段，所述第一拉锥段穿设在所述第一毛细管内，所述第一拉锥段与所述第一毛细管对齐的两端封闭设置且所述第一毛细管内填充有空气，所述第二拉锥段穿设在所述第二毛细管内，所述第二拉锥段与所述第二毛细管对齐的两端封闭设置且所述第二毛细管内填充有磁流体，所述第一毛细管及其内部的第一拉锥段和空气构成参考MZI马赫-曾德尔干涉仪，所述第二毛细管及其内部的第二拉锥段和磁流体构成传感MZI。

在一种可选的实现方式中，所述宽带光源将产生的光源传输给级联的参考MZI、传感MZI，所述光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应，形成带有包络的干涉光谱，此后所述干涉光谱被传输给所述光谱分析仪，由所述光谱分析仪对所述干涉光谱的包络进行分析，实现外界磁场测量，所述传感MZI用于对外界磁场的变化进行传感，在传感过程中所述外界磁场通过所述传感MZI中的磁流体，对所述干涉光谱的包络进行调制。

在另一种可选的实现方式中，所述光源在通过所述参考MZI的过程中发生干涉，生成干涉图样，所述参考MZI后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI，在所述传感MZI处再次发生干涉，两次干涉叠加，产生所述带有包络的干涉光谱。

在另一种可选的实现方式中，所述参考MZI和传感MZI的自由光谱范围接近且不相等，以使所述光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应。

在另一种可选的实现方式中，所述参考MZI中第一拉锥段在接收到所述光源后，首先以基模沿着所述第一拉锥段的纤芯传输，随着所述光源传输至所述第一拉锥段的锥腰区时，激发包层模，所述光源同时沿着所述第一拉锥的纤芯和包层传输，由于所述基模和包层模有效折射率不同，导致其传输速度不同，在传输一段距离，累积的相位差将满足相位匹配条件后，所述光源在所述参考MZI处发生不同模式间的干涉，生成干涉图样，所述参考MZI后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI。

在另一种可选的实现方式中，所述传感MZI中第二拉锥段在接收到携带有所述干涉图样的光源后，同样地，携带有所述干涉图样的光源在所述传感MZI的传输过程中存在基模和包层模，因而携带有所述干涉图样的光源在所述传感MZI处再次发生不同模式间的干涉，两次干涉叠加，产生所述带有包络的干涉光谱。

在另一种可选的实现方式中，所述第一拉锥段与所述第一毛细管对齐的两端封闭处，以及所述第二拉锥段与所述第二毛细管对齐的两端封闭处均由UV胶封装。

在另一种可选的实现方式中，所述第一拉锥段、第二拉锥段、第一毛细管和第二毛细管的中心轴重叠。

在另一种可选的实现方式中，所述第一拉锥段与所述第一毛细管对齐的两端处，所述第一拉锥段的截面与所述第一毛细管之外单模光纤的截面相同，且所述第一拉锥段的锥腰区位于所述第一毛细管的中间位置处；

所述第二拉锥段与所述第二毛细管对齐的两端处，所述第二拉锥段的截面与所述第二毛细管之外单模光纤的截面相同，且所述第二拉锥段的锥腰区位于所述第二毛细管的中间位置处。

在另一种可选的实现方式中，首先建立所述传感MZI输出的干涉光谱包络的波谷/波峰对应波长与磁场强度的对应关系，如此在对外界磁场进行测量时，光谱分析仪根据干涉光谱包络的波谷/波峰对应波长，确定外界磁场的对应强度，从而实现外界磁场测量。

本发明的有益效果是：

本发明通过采用级联的参考MZI和传感MZI，使宽带光源产生的光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应，形成带有包络的干涉光谱，基于该干涉光谱对外界磁场进行测量，由此可以提高光纤磁场传感器的灵敏度，且在制作参考MZI、传感MZI时，本发明采用单模光纤，将单模光纤的中间两段分别拉成第一拉锥段和第二拉锥段，将第一拉锥段和第二拉锥段分别穿入第一毛细管和第二毛细管内，在第一毛细管和第二毛细管内分别填充入空气和磁流体后，将第一毛细管和第二毛细管的两端封闭，可见该参考MZI和传感MZI的结构非常简单、体积非常小且易制备，利用传感MZI中磁流体对外界磁场的准确且快速的响应，可以进一步提高光纤磁场传感器的灵敏度，并且本发明中磁流体是填充在第二毛细管中的，相比于填充到光纤包层空气孔中，填充操作更加简单。另外，基于磁流体和光纤干涉仪的磁场传感器同时克服了传统电学磁场传感器存在的功耗高、抗电磁干扰能力差及对环境要求苛刻等缺点。

附图说明

图1是本发明基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器的一个实施例结构示意图；

图2是图1中参考MZI和传感MZI的放大后剖视图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明实施例中技术方案作进一步详细的说明。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参见图1，为本发明基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器的一个实施例结构示意图。结合图2所示，该基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器可以包括宽带光源1、单模光纤2、第一毛细管41、第二毛细管51和光谱分析仪6，所述宽带光源1的输出端连接所述单模光纤2的第一端，所述单模光纤2的第二端与所述光谱分析仪6连接，所述单模光纤2包括位于其第一端与第二端之间的第一拉锥段21和第二拉锥段22，所述第一拉锥段21穿设在所述第一毛细管41内，所述第一拉锥段21与所述第一毛细管41对齐的两端43封闭设置且所述第一毛细管41内填充有空气42，所述第二拉锥段22穿设在所述第二毛细管51内，所述第二拉锥段22与所述第二毛细管51对齐的两端53封闭设置且所述第二毛细管51内填充有磁流体52，所述第一毛细管41及其内部的第一拉锥段21和空气构成参考MZI马赫-曾德尔干涉仪4，所述第二毛细管51及其内部的第二拉锥段22和磁流体52构成传感MZI 5。其中，所述第一毛细管和第二毛细管可以为毛细玻璃管，所述第一拉锥段21、第二拉锥段22、第一毛细管41和第二毛细管51的中心轴重叠。所述第一拉锥段与所述第一毛细管对齐的两端处，所述第一拉锥段的截面与所述第一毛细管之外单模光纤的截面相同，且所述第一拉锥段的锥腰区位于所述第一毛细管的中间位置处；所述第二拉锥段与所述第二毛细管对齐的两端处，所述第二拉锥段的截面与所述第二毛细管之外单模光纤的截面相同，且所述第二拉锥段的锥腰区位于所述第二毛细管的中间位置处。

本实施例中，所述宽带光源1将产生的光源传输给级联的参考MZI 4、传感MZI 5，所述光源在通过级联的参考MZI 4、传感MZI 5时产生光学游标效应，形成带有包络的干涉光谱，此后所述干涉光谱被传输给所述光谱分析仪6，由所述光谱分析仪6对所述干涉光谱的包络进行分析，实现外界磁场测量，所述传感MZI 5用于对外界磁场的变化进行传感，在传感过程中所述外界磁场通过所述传感MZI 5中的磁流体52，对所述干涉光谱的包络进行调制。其中，所述光源在通过所述参考MZI 4的过程中发生干涉，生成干涉图样，所述参考MZI 4后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI 5，在所述传感MZI 5处再次发生干涉，两次干涉叠加，产生所述带有包络的干涉光谱。此外，所述参考MZI和传感MZI的自由光谱范围需要接近且不相等，如此才能保证所述光源通过级联的参考MZI和传感MZI时产生光学游标效应，通过级联的参考MZI和传感MZI后形成的干涉光谱的包络适用于外界磁场测量，且决定了外界磁场测量灵敏度的放大倍数，级联的参考MZI和传感MZI的自由光谱范围可以表示为：

测量灵敏度放大倍数可以表示为：

对于级联的参考MZI 4和传感MZI 5，具体地，所述参考MZI 4中第一拉锥段21在接收到所述光源后，首先以基模沿着所述第一拉锥段21的纤芯211传输，随着所述光源传输至所述第一拉锥段21的锥腰区时，激发包层模，所述光源同时沿着所述第一拉锥21的纤芯211和包层212传输，由于所述基模和包层模有效折射率不同，导致其传输速度不同，在传输一段距离，累积的相位差将满足相位匹配条件后，所述光源在所述参考MZI 4处发生不同模式间的干涉，生成干涉图样，所述参考MZI 4后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI 5。

所述传感MZI 5中第二拉锥段在接收到携带有所述干涉图样的光源后，同样地，携带有所述干涉图样的光源在所述传感MZI的传输过程中存在基模和包层模，因而携带有所述干涉图样的光源在所述传感MZI 5处再次发生不同模式间的干涉，两次干涉叠加，产生所述带有包络的干涉光谱。传感MZI 5中磁流体52的折射率会随着外界磁场的变化而变化，因而在传感MZI 5的传感过程中所述外界磁场通过所述传感MZI 5中的磁流体，可以对所述干涉光谱的包络进行调制。本发明可以首先建立所述传感MZI 5输出的干涉光谱包络的波谷/波峰对应波长与磁场强度的对应关系，如此在对外界磁场进行测量时，光谱分析仪6可以根据干涉光谱包络的波谷/波峰对应波长，确定外界磁场的对应强度，从而实现外界磁场测量。

在制备参考MZI、传感MZI时，所述第一拉锥段21和第二拉锥段22均由光纤拉锥机对单模光纤2制备而成，相比于腐蚀FBG(Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅)，其结构更加简单且更易制备，通过更改光纤拉锥机的参数，更容易实现所述参考MZI、传感MZI的自由光谱范围匹配。在第一拉锥段和第二拉锥段制备好后，可以首先在第一拉锥段和第二拉锥段外分别套上第一毛细管和第二毛细管，在将第一拉锥段套入第一毛细管后，可以直接将第一毛细管两端密封，此时第一毛细管内填充有空气，在将第二拉锥段套入第二毛细管后，可以首先将磁流体填充至第二毛细管内，然后将第二毛细管两端密封。所述第一拉锥段21与所述第一毛细管41对齐的两端封闭处，以及所述第二拉锥段22与所述第二毛细管51对齐的两端封闭处可以均由UV胶封装，UV胶水是光学胶水，对光的损耗影响小。其中参考MZI和传感MZI均为同一作用机械制造的干涉仪，使两者在外界干扰物理量(温度、应变)变化时的响应度几乎相同，这样可以降低外界干扰物理量对磁场测量的影响。

由上述实施例可见，本发明通过采用级联的参考MZI和传感MZI，使宽带光源产生的光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应，形成带有包络的干涉光谱，基于该干涉光谱对外界磁场进行测量，由此可以提高光纤磁场传感器的灵敏度，且在制作参考MZI、传感MZI时，本发明采用单模光纤，将单模光纤的中间两段分别拉成第一拉锥段和第二拉锥段，将第一拉锥段和第二拉锥段分别穿入第一毛细管和第二毛细管内，在第一毛细管和第二毛细管内分别填充入空气和磁流体后，将第一毛细管和第二毛细管的两端封闭，可见该参考MZI和传感MZI的结构非常简单、体积非常小且易制备，利用传感MZI中磁流体对外界磁场的准确且快速的响应，可以进一步提高光纤磁场传感器的灵敏度，并且本发明中磁流体是填充在第二毛细管中的，相比于填充到光纤包层空气孔中，填充操作更加简单。另外，磁流体作为一种特殊的磁性材料，既具有固体磁性材料的特性，又具有液体的流动特性，而且还具有线性双折射、圆双折射、折射率可调等优良光学特性；加之光纤干涉仪具有的高分辨率、高灵敏度、耐高温耐腐蚀、实时在线和分布式测量等显著优点。因此，基于磁流体和光纤干涉仪的磁场传感器同时克服了传统电学磁场传感器存在的功耗高、抗电磁干扰能力差及对环境要求苛刻等缺点。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来管制。