[發明專利]一種基于磁致伸縮的光纖微弱磁場檢測系統

在審

• 申請號: 201710902600.0
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107703369A
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 楊慧;朱奎寶;呂英進
• 申請（專利權）人: 北京計算機技術及應用研究所
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心11011
• 代理人: 張然

技術領域

本發明屬于光纖陀螺技術領域，具體涉及一種基于磁致伸縮的光纖微弱磁場檢測系統。

背景技術

磁場測量技術的應用已深入到工業、農業、國防，以及生物、醫學、宇航等各個部門。在工業上，探磁法找礦、探測地下管道；在國防上，磁性掃雷、艦船消磁、搜索武器、探測潛艇、近炸水雷等都離不開磁場測量技術；在醫學上。通過測量人體心臟跳動和頭內磁場變化做出“心磁圖”、“腦磁圖”來診斷疾病。這些都對磁場測量提出了新的要求，特別是探潛方面，隨著現代潛艇的發展，在潛艇中廣泛應用了隱身技術，使潛艇的噪聲很低，削弱了聲納的探潛效果。雖然，一些國家也在研究磁隱身技術，但潛艇中有很多鋼鐵結構，難以做到完全磁隱身，所以，用探磁方式來探潛是一種行之有效的方法。這給探磁儀提出了更高的要求：探測極弱的磁場。

光纖傳感法有基于法拉第旋光效應的探磁方法和基于磁致伸縮的光纖磁場傳感器探測法。基于磁致伸縮的光纖磁場傳感器可達到超導量子器件干涉法的靈敏度，并具有抗電磁干擾、重量輕、體積小等優點。因此，是一種很有發展前景的微弱磁場傳感器。

國外研究現狀

1980年，Yariv和Winsor首先提出將具有磁致伸縮特性的Ni粘貼在光纖上作為Mach-Zehnder干涉儀的信號臂，利用磁致伸縮材料對光纖的擾動改變光相位來探測微弱磁場，并理論上預測了最小可探測磁場達1.6x10-12G。美國軍方給予了高度重視，美國海軍實驗室在當年就制作出了第一個利用磁致伸縮材料的光纖微弱磁場傳感器。1993年，他們又進行了兩個三軸向的光纖微弱磁場傳感器陣列的水下實驗。該系統在0.1Hz下相位分辨率為磁場分辨率為同年，又使用八個三軸向的光纖傳感器陣列，在挪威海岸，進行了跟蹤艦船的長達一年的水下試驗。正是由于美國軍方的重視和大力投資，使得干涉型光纖磁場傳感器快速步入實用階段，并裝備美國海軍。據報導，目前在實驗室條件下，干涉型光纖弱磁場傳感器的靈敏度在34kHz時能達到

目前，“稀土超磁致伸縮材料”是當今世界最新型的磁致伸縮功能材料,是一種高效的Tb-Dy-Fe合金。稀土超磁致伸縮材料由三個組元組成(Tbl－xDyx)Fey(X＝0.27～0.40，Y＝1.90～2.0)在較低磁場下具有很高磁致伸縮應變λ的合金，如Tbo0.3Dy0.7Fe1.95，首先于20世紀70年代初由美國海軍表面武器實驗室的A.C.Clark博士等人發明。隨后美國的Gibson和Verhoeven等人對Tbo0.3Dy0.7Fe1.95合金晶體取向棒材(包括管材，片材等)的制造設備，技術與工藝做了大量的研究，發明了一種連續生產取向(Tb－Dy－Fe)磁致伸縮材料的方法。國外研究磁致伸縮材料的部分企業有：美國Edge Technologies公司、瑞典Feredyn AB公司、英國稀土制品公司、日本住友輕金屬公司等。

國內研究現狀

與國外相比，國內主要從事該領域研究的單位有：電子科技大學，華中科技大學、東南大學、上海大學、國防科技大學等。但是，由于各方面的原因，達到的指標并不高，遠未達到探潛的要求。某些高校在實驗室條件下，根據系統的相位靈敏度計算得到利用超磁致伸縮材料測量若磁場的系統，最小可測到幅度為2.2x10-8T的交流磁場信號。

目前，國內研究超磁致伸縮材料的部分高校與企業有：北京科技大學、中科院物理研究所、國防科技大學、甘肅天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司、南方稀土、稀土研究院等等。

對比發現其主要差距與需要解決的主要問題在于以下幾個方面。首先，傳感器對光纖和光源的要求較高，需要仔細選擇和制作；對于干涉型光纖磁場傳感器而言，一定要求參與干涉的光的偏振方向一致，但光在普通單模光纖中傳輸時偏振態會發生隨機變化，嚴重影響系統可見度，因此必須應用有效的消偏振衰落技術才能使傳感器實用化。

此外，由于光纖磁場傳感器，特別是干涉型光纖磁場傳感器具有極高的靈敏性，對信號檢測系統的響應速度和響應能力提出了很高的要求，同時系統必須能夠較好地抑制外界環境溫度、噪聲等干擾的影響，從大噪聲中提取出微弱有效信號，因此傳感器信號檢測系統在靈敏度、穩定性、動態范圍、抑制噪聲能力等多方面的電學性能必須與光學探頭的特點和實際要求相匹配。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于磁致伸縮的光纖微弱磁場檢測系統，用于解決背景技術中現有技術各自存在的缺陷。