專利名稱：一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭及磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭及磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量方法及其裝置，屬于光纖傳 感及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磁場測(cè)量在國防、工業(yè)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著重要的意義。主要應(yīng)用有磁性掃雷、 武器搜索、磁導(dǎo)航、潛艇探測(cè)、電流測(cè)量、礦產(chǎn)探測(cè)以及醫(yī)學(xué)儀器等方面。用于弱磁 場(<10'8T)的傳感器有多種，如磁通門磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì)和超導(dǎo)量子干涉器件 等。其中超導(dǎo)量子干涉器件是已知靈敏度最高的磁場傳感器，分辨率可達(dá)1(T14T以上， 但由于系統(tǒng)需要工作在液氮溫度下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，因此只適合在實(shí)驗(yàn)室條件 下工作。1980年，A.Yariv和H.V.Winsor首次提出了利用磁致伸縮材料對(duì)光纖擾動(dòng)以 改變光波相位的方法來探測(cè)弱磁場(Proposal for detection of magnetic field through magnetostrictive perturbation of optical fibres, QpA5(3): 87-89， 1980)，從i里論纟合 出了最小可探測(cè)磁場達(dá)到1.2x10—"T。這種光纖弱磁場傳感器繼承了光纖傳感器結(jié)構(gòu)簡 單、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣條件下工作。
利用磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量弱磁場的光纖傳感器主要采用三種干涉儀結(jié)構(gòu)馬赫-曾德
干涉儀、邁克耳孫干涉儀和法布里-珀羅干涉儀(FPI)。研究最多、最全面的是馬赫-曾德干涉儀，但是這種雙臂結(jié)構(gòu)容易受到環(huán)境因素的影響。邁克耳孫干涉儀與馬赫-曾德干涉儀類似。FPI理論上具有比前兩種干涉儀更高的相位測(cè)量靈敏度，并且結(jié)構(gòu) 更加緊湊。非本征型光纖FPI是目前應(yīng)用最為廣泛的一種光纖FPI，它由兩個(gè)端面鍍 膜的單模光纖密封在特種管道內(nèi)構(gòu)成，并要求端面嚴(yán)格平行、同軸。1997年，KiDong Oh等人將單模光纖和金屬玻璃絲放置在空心管中，制作出世界上第一個(gè)基于非本征型FPI白勺光纟千磁:t湯ft感器(Optical fiber Fabry誦Perot interferometric sensor for magnetic field measurement, P/zoto". Tec/mo/.9(6)， 797-799， 1997)。這種傳感器不易受溫度影 響，但缺點(diǎn)是在拉伸過程中端面可能不再平行，導(dǎo)致光束不能返回原光纖，使傳感器 失效。本征型光纖FPI是研究最早的一種光纖FPI，通過在光纖中引入兩個(gè)反射端面 構(gòu)成。由于光在光纖內(nèi)傳播，損耗很小，易于全光纖結(jié)構(gòu)，但是光纖本身的溫度敏感 性制約了它的發(fā)展。光纖光柵FPI是由在同一根光纖中寫入兩個(gè)相同的光纖布拉格光 柵(以下縮寫為FBG)構(gòu)成，制作簡單，但是溫度的影響始終是困擾光纖光柵FPI傳 感器的最大問題。

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題
為了避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提出一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭及磁感應(yīng)強(qiáng)度 測(cè)量方法及其裝置，改善了原有磁場傳感器的性能，制作工藝相對(duì)簡單，可以通過同 一套裝置實(shí)現(xiàn)溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的高靈敏度同時(shí)檢測(cè)。
技術(shù)方案
一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭，其特征在于其特征在于包括光纖光柵法布里-珀羅干涉儀 1、磁致伸縮材料2、 2塊永磁體3和兩組線圈4; 2塊永磁體7相對(duì)平行置于磁致伸縮 材料2的兩側(cè)，兩組線圈4相對(duì)置于磁致伸縮材料2的兩端，光纖光柵法布里-珀羅干 涉儀1的光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料2上；磁致伸縮材料1的長度等于光纖 光柵F-P腔長或小于光纖光柵F-P腔長的1.5倍；2塊永磁體3的長度大于或等于光纖 光柵F-P腔長的長度；所述光纖光柵FPI位于光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的兩段光纖 光柵5之間。
所述光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的反射率小于5%。一種利用上述任一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法，其 特征在于步驟如下-
步驟i:將磁場傳感頭置于待測(cè)磁場中，輸入一個(gè)發(fā)出波長為;u光強(qiáng)為/o的單色
光源的光信號(hào)，磁場傳感頭輸出一個(gè)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號(hào)；
步驟2:根據(jù)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號(hào)得到光纖光柵法布里-珀羅干涉儀光纖光
柵F-P腔長變化量M =
arccos
、
^ "oW/i 乂
A ，其中A為光纖光柵FPI對(duì)波長
2朋
為義的單色光強(qiáng)度的峰值反射率，^為光纖光柵FPI干涉信號(hào)的初相位，《為光纖纖 芯的折射率；
步驟3:根據(jù)A/z與磁場強(qiáng)度H的線性關(guān)系，得到磁場強(qiáng)度的測(cè)量值#為 = ^cos(叫")，其中Ho為磁場傳感頭中的永磁體在磁致伸縮材料處的
磁場強(qiáng)度，^為磁場傳感頭中的線圈在磁致伸縮材料產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值，納為磁場 傳感頭中的線圈中產(chǎn)生交變電流的圓頻率，p為磁場傳感頭中的線圈中產(chǎn)生交變電流 的圓頻率的初相位值，A為磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)；
步驟4:根據(jù)測(cè)量值/T與實(shí)際值7/對(duì)溫度的補(bǔ)償關(guān)系，得出環(huán)境中所測(cè)量的磁場
強(qiáng)度實(shí)際值為// = §^^，其中Ar為溫度的變化量，根據(jù)^的變化在實(shí)驗(yàn)得 Ceff
到的A與T的曲線中查得；7X為磁致伸縮材料應(yīng)變對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)、K,為磁致
伸縮材料的溫度磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，Ceff為磁致伸縮材料在測(cè)量溫度下的磁致伸 縮系數(shù)，三個(gè)系數(shù)值由常規(guī)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的方式得到；
步驟5:通過空氣中的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，得到實(shí)際環(huán)境中的磁感應(yīng) 強(qiáng)度3=^#，其中^為真空中的磁導(dǎo)率。
一種實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法的裝置，其特征在于包括單模光纖6、單色光源7、光電探測(cè)器8、光纖耦合器9、磁場傳感頭10和折射率匹配液11;磁場
傳感頭10連接光纖耦合器9的一個(gè)端口，光纖耦合器9的另一個(gè)端口通過單模光纖插 入到折射率匹配液11中，光纖耦合器9的另外兩個(gè)端口分別連接單色光源7和光電探 測(cè)器8。
有益效果
本發(fā)明的磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭及磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量方法及其裝置，解決了傳統(tǒng)磁場傳 感器中溫度和磁場的交叉敏感性，實(shí)現(xiàn)了溫度對(duì)磁感應(yīng)強(qiáng)度的補(bǔ)償測(cè)量，提高了測(cè)量 精度，通過加載高頻調(diào)制磁場，還可以降低測(cè)量低頻磁場時(shí)的噪聲。同時(shí)，本發(fā)明既 可以測(cè)量直流磁場，也可測(cè)量交變磁場，其中對(duì)于較弱磁場的測(cè)量有較高的靈敏度。 本發(fā)明還可通過提高磁場對(duì)磁致伸縮元件的作用效果和光纖光柵F-P腔受制于磁致伸 縮元件部分的長度兩種方式來改善電流測(cè)量的靈敏度和量程。


圖1為本發(fā)明提出的溫度補(bǔ)償型磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭
圖2為本發(fā)明提出的基于光纖光柵FPI的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖
圖3為兩組線圏中通以恒定強(qiáng)度和恒定頻率的電流時(shí)，單色光強(qiáng)度峰值反射率A 與溫度的變化關(guān)系。橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為A。
其中1、光纖光柵FPI， 2、磁致伸縮材料，3、永磁體，4、線圈，5、光纖光柵 FPI固定點(diǎn)，6、單模光纖，7、單色光源，8、光電探測(cè)器，9、光纖耦合器，10、磁 感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭，11、折射率匹配液。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
參閱附圖l，為所述光纖光柵FPI磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器探頭。光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料2上，永磁體3平行固定在磁致伸縮材料2兩側(cè)，兩組線圈4置于磁 致伸縮材料2的兩端，為測(cè)量裝置加載高頻交變磁場。
參閱附圖2，為基于光纖光柵FPI的磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。附圖1中 傳感器探頭的光纖光柵FPI1通過單模光纖6與光纖耦合器9 一側(cè)的一個(gè)端口連接，另 一端口與折射率匹配液11相連，光纖耦合器9的另一側(cè)的兩個(gè)端口分別與單色光源7 和光電探測(cè)器8連接。
所述光纖光柵FPU的F-P腔受制于磁致伸縮材料2，兩光纖光柵部分自由放置； 所述光纖光柵FPIl反射率小于5%。
所述單色光源發(fā)出波長為義、光強(qiáng)為/o的光信號(hào)，通過耦合器傳輸?shù)焦饫w光柵FPI 傳感器探頭中。由于光纖光柵FPI的反射率小于5。/。，所以反射回的光信號(hào)近似為雙光
束干涉信號(hào)，可近似表示為
=/0i A [1 + cos(2兀wA/z / A + &)]
式中，A表示腔長變化過程中光纖光柵FPI對(duì)波長為A的單色光強(qiáng)度的峰值反射 率，由光纖光柵FPI兩端的FBG決定；w表示光纖纖芯的折射率；AA表示腔長的伸縮 量；灼表示光纖光柵FPI干涉信號(hào)的初相位，對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響，為一常值。由此 得到到光纖光柵F-P腔的腔長變化量A/z為
廣
arccos
丄 2朋
磁致伸縮材料在永磁體的作用下，工作在線性區(qū)。兩組線圈中通入強(qiáng)度和頻率均 已知的高頻交變電流，產(chǎn)生交變磁場，作用于磁致伸縮材料，引起磁致伸縮材料周期 性伸縮。磁致伸縮材料在永磁體、線圈和待測(cè)磁場的共同作用下發(fā)生形變，從而引起 光纖光柵FPI的腔長周期性伸縮。已知永磁體在磁致伸縮材料處的磁場強(qiáng)度為//Q，線
圈在磁致伸縮材料處產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值為//p線圈中產(chǎn)生交變電流的圓頻率為若測(cè)量得到的磁場強(qiáng)度為'，并根據(jù)光纖光柵F-P腔的腔長變化量A/2與磁場強(qiáng)度
的關(guān)系為線性關(guān)系A(chǔ)/^A//，則
= A/f = A[//。 +cos(w, + p) + F'] 式中A為比例系數(shù)，可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得。因此得到在不考慮溫度影響的情況下，
磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量值//'與實(shí)際值//相等，由前兩式可以得到
義
arccos
仏
1
.一 i/0 - i/, cos(w'" p)
2朋A
調(diào)節(jié)線圈中電流的強(qiáng)度，保證線圈在磁致伸縮材料處產(chǎn)生的磁場幅值i/i遠(yuǎn)大于
考慮溫度對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。光纖光柵FPI在環(huán)境溫度的影響下發(fā)生形變，引起 光纖長度和纖芯折射率發(fā)生變化。光纖光柵FPI兩端的FBG反射率隨之發(fā)生改變，進(jìn) 而導(dǎo)致A變化。測(cè)量溫度時(shí)要求A和溫度有一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即^隨溫度單調(diào)變化。 請(qǐng)參閱附圖3，為A隨溫度升高單調(diào)下降的區(qū)間。為獲得最大的溫度測(cè)量范圍，需要 選取合適的工作點(diǎn)。具體方法如下確定待測(cè)溫度的變化范圍，選取合適的工作波長， 使得A在中間溫度時(shí)為最大值的一半。
由于溫度的變化還會(huì)改變磁致伸縮材料的性質(zhì)，進(jìn)而影響到對(duì)磁場強(qiáng)度的測(cè)量。 因此，需要對(duì)磁場強(qiáng)度的測(cè)量值進(jìn)行修正。 一方面，溫度恒定時(shí)，磁致伸縮材料的伸 長量與材料所處的磁場強(qiáng)度成正比；另一方面，磁場強(qiáng)度恒定時(shí)，磁致伸縮材料的伸 長量與溫度也成正比。所以，可以假定磁致伸縮材料受溫度和磁場強(qiáng)度作用之后的應(yīng)
f =叢=Ceff// + ;tr, AT +《2//Ar 丄o
式中，《l為磁致伸縮材料應(yīng)變對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)、《2為磁 伸縮材料的溫度磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，Ceff為磁致伸縮材料在某一恒定溫度下的磁致伸縮系數(shù)。
三個(gè)系數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的方式得到。因此通過分析得到，磁場強(qiáng)度的實(shí)際修正值// 和實(shí)測(cè)的磁場強(qiáng)度值/Z'的關(guān)系為
ceff + &. w
最后通過空氣中的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系5=^#，得到實(shí)際環(huán)境中的磁感 應(yīng)強(qiáng)度為
B 二 PoCeff
因此，通過檢測(cè)輸出光信號(hào)的強(qiáng)度和頻率特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的同時(shí) 測(cè)量，進(jìn)而得到溫度補(bǔ)償后的實(shí)際磁感應(yīng)強(qiáng)度。
上述方法利用本發(fā)明提供的裝置實(shí)現(xiàn)光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料上， 并將其通過單模光纖與光纖耦合器的一個(gè)端口相連，單色光源與光電探測(cè)裝置與光纖 耦合器的另外兩個(gè)端口相連，光纖耦合器的第四個(gè)端口通過單模光纖插入到折射率匹 配液中。在測(cè)量過程中，將光纖光柵FPI磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器探頭置于待測(cè)磁場中，所
用的光纖光柵FPI在室溫(20°C)下的中心波長為1550nm附近，帶寬〈0.2nm，光柵 反射率<5%，用改性丙烯酸酯膠將F-P腔粘貼在磁致伸縮材料表面，兩粘貼點(diǎn)間距為 6cm。當(dāng)所需測(cè)量磁場中的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小發(fā)生變化時(shí)，單色光源發(fā)出的窄帶光，經(jīng) 由光纖光柵FPI發(fā)射后，再經(jīng)光電探測(cè)裝置探測(cè)到的信號(hào)，在示波器上顯示的測(cè)量波 形的周期特性會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)波形的不同周期特性得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的大??；當(dāng)環(huán)境 溫度發(fā)生變化時(shí)，示波器上顯示得到的波形的振幅會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而根據(jù)振幅的大小 得到溫度的大小。最終由磁場強(qiáng)度的實(shí)際修正值W和實(shí)測(cè)的磁場強(qiáng)度值/f的關(guān)系和磁 場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，得到溫度補(bǔ)償后的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的大小。
10
arccos
/n凡
—1
2朋A
一 //0 - //, cos(cy + p)
ceff+
權(quán)利要求
1.一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭，其特征在于包括光纖光柵法布里-珀羅干涉儀(1)、磁致伸縮材料(2)、2塊永磁體(3)和兩組線圈(4)；2塊永磁體(7)相對(duì)平行置于磁致伸縮材料(2)的兩側(cè)，兩組線圈(4)相對(duì)置于磁致伸縮材料(2)的兩端，光纖光柵法布里-珀羅干涉儀(1)的光纖光柵F-P腔粘貼在磁致伸縮材料(2)上；磁致伸縮材料(1)的長度等于光纖光柵F-P的腔長或小于光纖光柵F-P腔長的1.5倍；2塊永磁體(3)的長度大于或等于光纖光柵F-P腔長的長度；所述光纖光柵F-P腔位于光纖光柵法布里-珀羅干涉儀的兩段光纖光柵(5)之間。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度補(bǔ)償型的電流傳感頭，其特征在于所述光纖光柵法 布里-珀羅干涉儀的反射率小于5%。
3. —種利用權(quán)利要求1~2所屬的任一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法，其特征在于步驟如下步驟l:將磁場傳感頭置于待測(cè)磁場中，輸入一個(gè)發(fā)出波長為義、光強(qiáng)為/o的 單色光源的光信號(hào)，磁場傳感頭輸出一個(gè)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號(hào)；步驟2:根據(jù)光強(qiáng)為/的雙光束干涉信號(hào)得到光纖光柵法布里-珀羅干涉儀光纖光柵F-P的腔長變化量<formula>formula see original document page 2</formula>》，其中A為光纖光柵FPI2朋對(duì)波長為義的單色光強(qiáng)度的峰值反射率，^為光纖光柵FPI干涉信號(hào)的初相位，" 為光纖纖芯的折射率；步驟3:根據(jù)AA與磁場強(qiáng)度//的線性關(guān)系，得到磁場強(qiáng)度的測(cè)量值#為<formula>formula see original document page 2</formula>其中//o為磁場傳感頭中的水磁體在磁致伸縮材料處的磁場強(qiáng)度，A為磁場傳感頭中的線圈在磁致伸縮材料產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度幅值，^ 為磁場傳感頭中的線圈中產(chǎn)生交變電流的圓頻率，伊為磁場傳感頭中的線圈中產(chǎn)生 交變電流的圓頻率的初相位值，A為磁致伸縮材料的磁致伸縮系數(shù)；步驟4:根據(jù)測(cè)量值//'與實(shí)際值//對(duì)溫度的補(bǔ)償關(guān)系，得出環(huán)境中所測(cè)量的 磁場強(qiáng)度實(shí)際值為// = ^^^，其中Ar為溫度的變化量，根據(jù)^的變化在實(shí)驗(yàn)得到的A與T的曲線中査得； 為磁致伸縮材料應(yīng)變對(duì)溫度的靈敏度系數(shù)、 f2為磁致伸縮材料的溫度磁場強(qiáng)度交叉靈敏度系數(shù)，Ceff為磁致伸縮材料在測(cè)量溫 度下的磁致伸縮系數(shù)，三個(gè)系數(shù)值由常規(guī)實(shí)驗(yàn)定標(biāo)的方式得到；步驟5:通過空氣中的磁場強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，得到實(shí)際環(huán)境中的磁感 應(yīng)強(qiáng)度^^o"其中^為真空中的磁導(dǎo)率。
4. 一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求3的溫度補(bǔ)償測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度的方法的裝置，其特征在于包括 單模光纖(6)、單色光源(7)、光電探測(cè)器(8)、光纖耦合器(9)、磁場傳感頭 (10)和折射率匹配液(11);磁場傳感頭(10)連接光纖耦合器(9)的一個(gè)端 口，光纖耦合器(9)的另一個(gè)端口通過單模光纖插入到折射率匹配液(11)中， 光纖耦合器(9)的另外兩個(gè)端口分別連接單色光源(7)和光電探測(cè)器(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感頭及磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量方法及其裝置，其特征在于將磁場傳感頭置于待測(cè)磁場中，粘貼在磁致伸縮材料上的光纖光柵FPI感測(cè)周圍環(huán)境中的溫度、偏置磁場、調(diào)制磁場和待測(cè)磁場的大小。單色光源發(fā)出的光信號(hào)進(jìn)入光纖光柵F-P腔中，干涉后形成近似為雙光束干涉信號(hào)輸出。根據(jù)雙光束干涉信號(hào)得到光纖光柵F-P腔的腔長變化量，再通過腔長變化量與磁場強(qiáng)度的線性關(guān)系得到的測(cè)量值。最終，利用磁場強(qiáng)度測(cè)量值與實(shí)際待測(cè)值之間對(duì)溫度的補(bǔ)償關(guān)系，以及磁場強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度的關(guān)系，得出磁感應(yīng)強(qiáng)度的實(shí)際值。本發(fā)明既可以測(cè)量直流磁場，也可測(cè)量交變磁場，其中對(duì)于較弱磁場的測(cè)量有較高的靈敏度。
文檔編號(hào)G01R33/032GK101598773SQ20091002316
公開日2009年12月9日 申請(qǐng)日期2009年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月2日
發(fā)明者呂全超, 姜碧強(qiáng), 趙建林 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)