一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法

摘要

本发明公开了一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法。环形器的两个输出端分别与2×2保偏光纤耦合器和光谱分析仪相连，2×2保偏光纤耦合器输出端分别与第一保偏光纤、第二保偏光纤相连接，第一保偏光纤和第二保偏光纤通过90°焊接，第一保偏光纤中的一部分作为磁场感应区，作为磁场感应区中的第一保偏光纤和通电电极通过柔性材料包裹在一起，柔性材料和通电电极构成感应磁场的结构；通电电极受磁场作用产生安培力，间接作用于磁场感应区，保偏光纤产生应力双折射，从而改变干涉光相位差，进而获得磁场的大小。本发明具有制作简单、灵敏度高、成本低、结构和制作工艺简单等优点，提高了可探测的微弱磁场和恶劣环境的抗干扰的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场传感领域，尤其涉及了一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法。

背景技术

磁场的测量技术在地质勘探、工业检测、军事制导、生物医学工程以及日常生活有很重要的应用。传统磁场传感方法常因电磁干扰等问题受到许多使用的限制，光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰，还有体积轻、重量小、精度高，易于形成分布式测量等优点。

保偏光纤具有保偏、高双折射的特性，用其构成的Sagnac环对应力具有高敏感性，非常适用于磁场/电流传感器。但目前，磁场对保偏光纤的作用通常使用的磁致伸缩材料或者磁流体，制作复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法，通过结合柔性材料和保偏光纤的特性，柔性材料具有高应力系数，能够感知微弱的形变。本发明通过通电电极在磁场中受到的安培力，大大提高了磁场传感的灵敏度和抗干扰能力，结构与制作简单，同时采用的Sagnac干涉系统也保证了系统的稳定性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一、一种基于安培力的新型微弱磁场传感器：

本发明包括光源、起偏器、环形器和光谱分析仪，光源与起偏器相连，起偏器与环形器的输入端相连，还包括2×2保偏光纤耦合器、第一保偏光纤、第二保偏光纤、柔性材料和通电电极；环形器的两个输出端分别与2×2保偏光纤耦合器的一个输入端和光谱分析仪相连，2×2保偏光纤耦合器的另一个输入端空置，2×2保偏光纤耦合器的两个输出端分别与第一保偏光纤、第二保偏光纤的一端相连接，第一保偏光纤和第二保偏光纤的另一端通过90°焊接点焊接在一起，从而使得2×2保偏光纤耦合器、第一保偏光纤和第二保偏光纤构成Sagnac环；第一保偏光纤中的一部分作为磁场感应区，该部分和通电电极通过柔性材料包裹在一起，通电电极连接电源通电，输出恒定电流柔性材料和通电电极构成感应磁场的结构。

所述磁场感应区处第一保偏光纤被一层柔性材料均匀包裹，通电电极被柔性材料包裹在第一保偏光纤外，并平行于第一保偏光纤。磁场感应区处第一保偏光纤为感应磁场的感应区中的安培力敏感区域。

在90°焊接点处，第一保偏光纤和第二保偏光纤相互呈90度旋转连接使得两者的快轴与慢轴相连接，即第一保偏光纤的快轴和第二保偏光纤的慢轴连接，第一保偏光纤的慢轴和第二保偏光纤的快轴连接。

通过调节起偏器，使入射光的偏振方向为两根保偏光纤的主轴方向，并使得经过2×2保偏光纤耦合器后两路线偏振光的偏振方向分别在其中一根保偏光纤的快轴和另一根保偏光纤的慢轴上。

二、一种基于安培力的新型微弱磁场检测方法：

光源产生的光经过起偏器后变成线偏振光，并通过环形器输入至2×2保偏光纤耦合器，2×2保偏光纤耦合器输出端输出两束光强相等、相位差为90°的线偏振光，两束线偏振光分别经构成Sagnac环的第一保偏光纤和第二保偏光纤中快慢轴中传输，并经90°焊接点发生传输光轴的改变，在Sagnac环中传输一周后，回到2×2保偏光纤耦合器发生合波干涉，干涉光经过环形器输出至光谱分析仪获得干涉光的干涉波形等干涉数据；传输过程中，通电电极受磁场作用产生安培力，通过柔性材料间接作用于磁场感应区的第一保偏光纤，即两段保偏光纤构成的Sagnac环上，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变合波干涉的两路干涉光的相位差，通过比较分析干涉数据中的相位大小，获得磁场的大小。

所述的通电电极受安培力产生变形，通过柔性材料带动第一保偏光纤的变形，使第一保偏光纤内产生应力双折射(即光弹效应)。

进一步地，当空间中没有磁场时，从2×2保偏光纤耦合器输出端输出的两束偏振光在90°焊接点处发生传播光轴的改变，由于保偏光纤的快慢轴具有不同的折射率，故两束光在Sagnac环中传输一周后，具有不同的光程，在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉，经由环形器输出至光谱分析仪，观察光谱分析仪中显示的干涉波形。

当空间中有磁场时，3mm柔性材料处的光纤在两主轴方向折射率均有改变，两束光在Sagnac环中传输一周后产生的光程差发生变化，同样由光谱分析仪进行光谱分析，对比两者的干涉图像，计算干涉光的相位差，即可分析出空间中的微弱磁场，微弱磁场是指约为10^-2G强度的磁场。

进一步地，本发明微弱磁场检测过程包括以下步骤：

(1)调节起偏器，使其偏振方向为保偏光纤的主轴方向，经过2×2保偏光纤耦合器后输出的光的分光比为1:1，具体相位关系如下：

$\left(\begin{array}{c}{E}_3\\ E_4\end{array}\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}\left(\begin{array}{c}1i\\ i1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{E}_1\\ E_2\end{array}\right)$

其中，i为虚数单位，E₁、E₂表示从2×2保偏光纤耦合器两端输入的磁场，E₃、E₄表示从2×2保偏光纤耦合器两端输出的磁场。

本发明中仅从2×2保偏光纤耦合器的E₁一个端口输入偏振光。从2×2保偏光纤耦合器输出的E₃、E₄为振幅相同，相位差为90°的线偏振光。

(2)从2×2保偏光纤耦合器后输出的两束光在无磁场条件下在Sagnac环中传输一周后，在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉，此时，两束光的光程差为：

ΔL₁＝(n_slowl₁+n_fastl₂)-(n_fastl₁+n_slowl₂)＝(n_slow-n_fast)(l₁-l₂)

其中，n_slow表示保偏光线慢轴的折射率，n_fast表示保偏光线快轴的折射率，l₁表示第一保偏光纤的长度，l₂表示第二保偏光纤的长度，ΔL₁表示两束光发生合波干涉时的光程差。

求得相位差为

其中，表示两束光在感应区无磁场时发生合波干涉时的相位差，λ表示光的波长，ΔL₁表示两束光发生合波干涉时的光程差。

此时，保偏光纤上的归一化双折射率为：

$B_i=\Delta n=\frac{\lambda }{L_b}=n_{slow}-n_{fast}$

其中，B_i表示保偏光纤上的归一化双折射率，Δn表示保偏光纤慢轴折射率和快轴折射率之间的差值，λ表示光的波长，L_b为模式间拍长，n_slow表示保偏光线慢轴的折射率，n_fast表示保偏光线快轴的折射率。

(3)光纤受到外力作用后，产生应力双折射，保偏光纤的归一化折射率产生变化，具体变化与力的关系式如下：

$B_e=\frac{{\mathrm{acfn}}^3{k}_0}{2d}$

其中，B_e表示光纤受力之后由于光弹效应引起的双折射，a＝1.58为常数，c表示光弹系数c＝3.7×10^-12m²/N，f为光纤单位长度所受外力大小，n为保偏光纤的折射率，k₀为真空中波数，d为保偏光纤外径。

此时合成折射率为

$B=\sqrt{{B_i}^2+{B_e}^2-2B_i{B}_{e}cos2\alpha }$

其中，B表示由B_i和B_e合成的双折射，α表示外力与保偏光纤慢轴的夹角，a＝1.58为常数，c表示光弹系数c＝3.7×10^-12m²/N，B_i表示保偏光纤上的归一化双折射率，B_e表示光纤受力之后由于光弹效应引起的双折射。

两束光在柔性材料涂覆长度Δl₂内，产生的相位差为：

其中，表示在感应区两束光产生的相位差，λ表示光的波长，B表示由B_i和B_e合成的双折射，Δl₂表示光纤中涂覆着柔性材料的长度。

(4)在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉的干涉光的总的相位差为两部分相位差总和，忽略掉Δl₂范围内n_fast和n_slow的影响。由此可得出总的相位差的大小，并可以根据相位差大小计算出磁场强度。

其中，表示两束光发生合波干涉时的总的相位差，表示两束光在感应区无磁场时发生合波干涉时的相位差，表示在感应区两束光产生的相位差，λ表示光的波长，ΔL₁表示两束光发生合波干涉时的光程差，Δl₂表示光纤中涂覆着柔性材料的长度。

(5)在本发明中，设置直流电源的电流为I安培，则保偏光纤单位长度受力f＝B_x*I△l₂/△l₂＝B_x*I，设置电极与慢轴呈45°，则α＝45，相移与磁场关系如下：

其中，表示在感应区两束光产生的相位差，B_i表示保偏光纤上的归一化双折射率，a＝1.58为常数，c表示光弹系数c＝3.7×10^-12m²/N，f为光纤单位长度所受外力大小，n为保偏光纤的折射率，k₀为真空中波数，d为保偏光纤外径。B_x为微弱磁场强度，Δl₂表示光纤中涂覆着柔性材料的长度，λ表示光的波长。

本发明的有益效果是：

本发明通过结合柔性材料和保偏光纤的特性，提出的传感器通过通电电极在磁场中受到的安培力，大大提高了磁场传感的灵敏度和抗干扰能力，结构与制作简单。同时，本发明采用的Sagnac干涉系统也保证了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图中：光源1、起偏器2、环形器3、光谱分析仪4、2×2保偏光纤耦合器5、第一保偏光纤6、第二保偏光纤7、柔性材料8、通电电极9、90°焊接点10、磁场感应区11。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1，本发明的新型微弱磁场传感器的整体结构示意图包括光源1、起偏器2、环形器3、光谱分析仪4、2×2保偏光纤耦合器5、第一保偏光纤6、第二保偏光纤7、柔性材料8和通电电极9。

由光源1产生的光经由起偏器2起偏后，形成一束单一偏振方向的线偏振光，控制偏振光的偏振方向与保偏光纤主轴方向一致。偏振光通过环形器输入至2×2保偏光纤耦合器的输入端，从两个输出端输出两束光强相等，相位差为90°的线偏振光。两束光在第一保偏光纤、第二保偏光纤构成Sagnac环中传输,在保偏光纤90°点焊接处发生其传输的光轴的改变，在此处光线从原先的在快轴或慢轴传播，变成在慢轴或快轴传播，焊接点的位置将两侧光纤分为两段，且两段长度差为3m。两束光在Sagnac环中传输一周后，在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉，干涉光经过环形器输出至光谱分析仪观察干涉光的干涉波形；第一保偏光纤上均匀涂覆一层长度为3mm的柔性材料，柔性材料中包裹着通电电极，通电电极受磁场作用产生的安培力通过柔性材料，间接作用在由两段保偏光纤构成的Sagnac环上，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变干涉光的相位差，通过相位差的大小计算得到磁场的大小。

光源1是SLD宽带光源，工作波长为1310nm，具有输出功率大、亮度高、定性高的性质，用于产生光线。

起偏器2是保偏光纤起偏器，该起偏器采用高双折射光纤，以一定的卷绕方式进一步加大双折射，使其中的一个模式截止。在保偏光纤起偏器的一头使用连接头使从起偏器输出的光线与保偏光纤的慢轴对准。

环形器3是一种使光单向环形传输的器件，能够使光只能沿着某个特定的方向就行传播。从起偏器2输出的线偏振光经过环形器3后只能输出至2×2保偏光纤耦合器5，而从2×2保偏光纤耦合器5反向输出端输出的光线通过环形器3只能输出至光谱分析仪4。

本发明的光谱分析仪4是一种干涉光谱分析仪，能够根据接收到的光立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出光谱图，根据光谱图可以观察光的状态，分析干涉光的相位差，通过相位差的大小计算得到磁场的大小。

本发明的2×2保偏光纤耦合器5是一种由保偏光纤制成的保偏光纤耦合器，它具有将光从入射段口射入的光，分成两束分光比为1:1，相位差为90°的两束线偏振光；将在Sagnac传播一周之后的两束线偏振光合成一束光从反向输出端出射的合光作用，同时，它还能保持线偏振光偏振状态不变。

第一保偏光纤6、第二保偏光纤7构成Sagnac环是当对光纤的应力发生改变时，光纤长度和纤芯与包层导模的有效折射率都会产生改变，使得透射光谱的形状与强度分布也随之改变，具有有结构简单、灵敏度高、调节灵活等特点。本发明将保偏光纤上涂覆着柔性材料，柔性材料中包裹着通电电极接在Sagnac环上，然后当有磁场的变化时，产生安培力的变化，对光纤产生的应力发生改变，从而引起光的折射率改变。

柔性材料8具有高应力系数，能够感知微弱的形变。通电电极9是通电镍电极，通电电极受磁场作用产生的安培力通过柔性材料8，间接作用在两段保偏光纤构成的Sagnac环上，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变干涉光的相位差。

本发明的90°点焊接10是运用现代技术，将两截光纤进行90°焊接，当光传播到此处时，光的偏振态将发生改变，即从快轴/慢轴方向传播转化为慢轴/快轴方向传播。

本发明的具体实施例及其实施过程如下：

(1)调节起偏器，使其偏振方向与保偏光纤的慢轴对准，经过2×2保偏光纤耦合器后输出的光的分光比为1:1，获得相位关系；

(2)从2×2保偏光纤耦合器后输出的两束光在无磁场条件下在Sagnac环中传输一周后，在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉，获得两束光的光程差；

保偏光纤上的归一化双折射率B_i为：

B_i＝λ/L_b＝1310nm/2.66m＝4.92*10^-7

(3)恒流源调整为1A，光纤受到外力作用后，产生应力双折射，保偏光纤的归一化折射率产生变化，获得具体变化与力的关系式：

并获得合成折射率为：

$B=\sqrt{0.3488\times B_x}$

两束光在柔性材料涂覆长度Δl₂内，产生的相位差得到为：

由于实施例的光谱分析仪只能分析[0～2π]范围内的相位差，故能够探测的最大磁场为:1.67*10^-4G。

(4)在2×2保偏光纤耦合器处发生合波干涉的干涉光的总的相位差为两部分相位差总和，忽略掉Δl₂范围内n_fast和n_slow的影响。由此可得出总的相位差的大小，根据相位差大小计算获得磁场强度。

由此可见，本发明通过结合柔性材料和保偏光纤的特性实现了微弱磁场的检测，提高了磁场传感的灵敏度和抗干扰能力，稳定性好，具有突出显著的技术效果。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。