[發明專利]基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭

有效

• 申請號: 201710331805.8
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN107247243B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 劉月明;施陽陽;韓曉紅
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明是一種基于超磁致伸縮效應的十字微懸光纖橋磁場傳感探頭，屬于光纖傳感器技術領域。結構包括：光纖、固支端、十字微懸橋、中間反射體、法布里?珀羅諧振腔、鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜。十字微懸橋位于光纖端面，通過固支端與光纖連接，十字微懸橋與光纖端面構成法布里?珀羅諧振腔，十字微懸橋外表面依次鍍鉻金屬膜和超磁致伸縮膜。本發明采用法布里?珀羅諧振腔結構可以達到高精度檢測磁場的需要，十字微懸橋能有效保持法布里?珀羅諧振腔兩個極板平行，增加量程。

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，涉及一種基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭。

背景技術

目前的磁場傳感器主要基于霍爾效應、磁阻效應、磁通門效應等機理。霍爾效應是利用自由電子在外磁場作用下會向兩邊聚集，并形成與磁感應強度成正比的電勢差；磁阻傳感器是繼霍爾傳感器后派生的另一種磁敏傳感器，采用的半導體材料與霍爾傳感器大體相同，但兩者對磁場的作用機理不同；磁通門檢測儀器是利用磁芯在交變磁場激勵下發生導磁特性變化從而調制被測磁場，通過檢測調制信號實現對外磁場的測量。

這些傳統的磁場傳感器均需要電信號激勵，電信號激勵產生的磁場通常會對被測磁場產生附加干擾，從而限制了該類傳感器檢測精度的進一步提高。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明在光纖端面加工基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋，實現光纖一體化結構，中間反射體增加法布里-珀羅諧振腔極板的面積，有效保持兩極板平行，在光纖微懸橋外表面鍍有超磁致伸縮薄膜(GMF：Giant?Magnetostrictive?ThinFilm)，構成一種基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭，該磁場傳感探頭不需要電信號激勵，因而沒有激勵電信號對待測電磁場的干擾的問題，可以實現微型化，并且有效地提高了檢測精度和量程。

采用的技術方案為：本發明包括激光光源、探測器、光纖定向耦合器、匹配液和傳感探頭。激光光源與光纖定向耦合器一側的一個光纖端口光連接，探測器與光纖定向耦合器一側的另一個光纖端口光連接，光纖定向耦合器另一側的一個光纖端口與光纖微懸梁諧振子光連接，光纖定向耦合器另一側的另一個端口通過光纖浸入匹配液。

所述的基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭，包括四個對稱的固支端和十字微懸橋。形成光纖一體化結構。

所述的十字微懸橋外側面緩沖膜材料選用鉻金屬，厚度為30nm-50nm，磁致伸縮薄膜鍍在鉻金屬外表面，為TbDyFe材料，厚度為1μm-1.5μm。

所述的基于中間反射體的光纖微懸橋長度為95μm-105μm，其中中間反射體長為30μm-40μm，寬為30μm-40μm，微懸橋厚度為3μm-5μm。

所述的固支端長度為10-15μm，固支端寬度為15μm-25μm，十字微懸橋與光纖端面通過固支端連接，十字微懸橋與光纖端面構成F-P腔。

本發明檢測磁場的基本原理為：在磁場中，超磁致伸縮薄膜發生伸縮，使基于超磁致伸縮效應的十字微懸橋發生撓曲，法布里-珀羅腔的腔長發生相應改變，中間反射體部分增加了F-P腔的面積，四個對稱固支端使F-P腔在腔長變化時仍較大程度保持端面平行，從而增加了對待測磁場的測量范圍。由激光光源發出的調制光經過耦合進入光纖，入射到法布里-珀羅腔中，在法布里-珀羅腔中反射后沿原路返回、相遇而產生干涉，最后由光電探測器接收，如圖3所示。磁場強度越大，超磁致伸縮材料的收縮程度越大，光纖微懸橋的撓曲程度越大，法布里-珀羅腔的腔長變化越大，因此光電探測器接收到的干涉輸出信號也發生相應變化。通過對光電探測器接收到的干涉輸出信號進行信號調解可得外界磁場的大小。

本發明的有益效果是：

1、器件結構簡單，無需外加電信號激勵，不會對待測磁場產生干擾。光纖傳感探頭體積小，滿足傳感器微型化要求，適用于狹小空間檢測。