[發明專利]一種磁感應強度的測量方法及裝置

無效

• 申請號: 200910058524.5
• 申請日: 2009-03-06
• 公開（公告）號: CN101509962A
• 公開（公告）日: 2009-08-19
• 發明（設計）人: 武保劍;程立偉;邱昆
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 電子科技大學專利中心
• 代理人: 葛啟函

技術領域

本發明屬于電子信息技術中的光纖傳感技術領域，涉及磁感應強度的測量方法及裝置，具體地說，是涉及一種通過檢測磁場作用下光纖光柵(FBG)的反射光譜(或透射光譜)中模式轉換光的強度來測量磁感應強度的方法及裝置。

背景技術

光纖光柵作為傳感元器件，除了具有普通光纖傳感器不受電磁干擾、靈敏度高、帶寬寬、質量輕、體積小、耐腐蝕、易于復用、可遠距離遙測、能埋入工程結構等優點外，而且易于集成，能夠實現多點分布式測量，克服了傳統傳感器測量成本高、精度低的缺點。

目前，基于光纖材料的磁場測量方法，主要包括：(a)基于磁致伸縮效應的光纖型磁場傳感器，在磁場作用下，磁致伸縮材料的伸縮帶動光纖折射率和長度發生變化，通過檢測其相位變化來間接測量磁場大小；(b)基于磁光法拉第效應的光纖型磁場傳感器，當光波通過置于磁場中的磁光光纖(如YIG或者摻Tb玻璃光纖等)后，其法拉第旋轉角發生一定程度的偏轉，通過測量法拉第旋轉角的變化來間接測量磁場大小；(c)基于磁致伸縮效應的FBG型磁場傳感器，在光纖光柵外涂上磁致伸縮材料或者將光纖光柵鑲入磁致伸縮材料中形成磁場傳感頭，通過磁力效應對光纖光柵施加應力，再利用光纖光柵對外應力的敏感性，達到磁場測量的目的；(d)基于磁光法拉第效應的FBG型磁場傳感器，其原理是在外加磁場作用下，光纖光柵中的左旋和右旋圓偏振光的布拉格反射波長發生漂移，通過測出波長漂移量來確定磁場的大小。上述四種磁場測量方法均存在以下兩個問題：一是，對用作磁場探頭的光纖(或光纖光柵)材料要求苛刻，材料的磁光效應必須足夠強；相對于普通光纖，這種光纖的拉制比較困難，價格昂貴；二是，光信號檢測系統極其復雜且不穩定。

發明內容

本發明基于FBG結構與磁光法拉第效應共同作用的原理，提供一種簡單易用的磁場(磁感應強度)的測量方法；并且，根據該方法所建立的磁感應強度的測量裝置具有結構簡單、易于實現、成本低廉的特點。

本發明磁場測量方法基于FBG結構與磁光法拉第效應共同作用的原理。磁光法拉第效應使FBG中同一傳播方向的光波之間發生偏振模式轉換，宏觀上表現為光波偏振面發生旋轉，即θ＝VBL，其中θ為光波偏振面的旋轉角度，V為FBG材料的verdet常數，B為外加磁感應強度，L為FBG材料與磁場的相互作用長度。另外，FBG結構使正向和反向傳播的偏振光發生耦合。這樣由外加磁場引起的偏振模式轉換便反映到FBG的反射光譜(或透射光譜)上，其結果是在FBG的帶隙邊緣出現兩個尖銳的譜線，該尖銳線譜強度即為模式轉換光強度。數值分析表明：由于模式轉換效應的引入，需對傳統FBG中的光傳輸方程進行修正，得到光場的耦合模方程，再利用FBG滿足的邊界條件，推導得到模式轉換反射光(或透射光)的相對強度，該模式轉換光的相對強度正比于θ，進而正比于外加磁場B，根據模式轉換反射光(或透射光)的相對強度與外加磁場B之間的線性關系，可以通過測量模式轉換反射光(或透射光)的相對強度來測量外加磁場磁感應強度的大小。

根據上述原理，本發明的技術方案是：

一種磁感應強度的測量方法，如圖1所示，包括以下步驟：

步驟1：采用兩個或兩個以上已知磁感應強度B的磁場作用于FBG，測量已知光強的線偏振光入射到FBG后的模式轉換反射光或模式轉換透射光的強度，并將模式轉換反射光或模式轉換透射光的強度換算成相對于入射線偏振光光強的相對強度，繪制出FBG模式轉換反射光或模式轉換透射光的相對強度與外加磁場磁感應強度B的線性關系。

步驟2：將待測磁感應強度B的磁場作用于FBG，測量已知光強的線偏振光入射到FBG后的模式轉換反射光或模式轉換透射光的相對強度，根據步驟1所得的FBG模式轉換反射光或透射光的相對強度與外加磁場磁感應強度的線性關系確定待測磁場的磁感應強度B的大小。

上述技術方案中，所述已知光強的線偏振光可用寬譜光源的輸出光經光纖起偏器起偏獲得；所述模式轉換反射光或模式轉換透射光可由與所述光纖起偏器偏振方向垂直的光纖檢偏器檢偏獲得。

本發明所述的磁感應強度的測量方法，基于FBG結構與磁光法拉第效應共同作用的原理，可采用普通硅光纖做成的FBG作為磁場傳感探頭，而無需先前磁場傳感技術中選用的強磁致伸縮效應材料光纖、YIG光纖或者摻Tb磁光玻璃光纖等特種材料FBG，從而使得這種磁場測量方法更加實用、易行。

附圖說明

圖1是本發明提供的一種磁感應強度的測量方法的流程示意圖。