[發明專利]一種光纖磁致折變效應測量系統及方法

有效

• 申請號: 202110635314.9
• 申請日: 2021-06-08
• 公開（公告）號: CN113514787B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 王廷云;劉思晨;黃懌;鄧傳魯;胡程勇
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種光纖磁致折變效應測量系統及方法，包括激光器、耦合器甲、傳感光纖、參考光纖、載波發生器、耦合器乙、光電探測器、數據采集與處理模塊。耦合器甲、傳感光纖、參考光纖和耦合器乙構成Mach?Zehnder光纖干涉儀。外界磁場對傳感光纖的折射率產生影響，引起傳感光纖與參考光纖兩路光信號的光程差變化，改變耦合器乙輸出的干涉光信號強度，通過對干涉光強的檢測與處理，實現對磁場作用下傳感光纖的折射率變化測量。本發明系統具有靈敏度高，結構簡單，可遠程控制，可分布式測量的優點。

技術領域

本發明涉及磁場測量領域，具體涉及一種光纖磁致折變效應測量系統及方法。

背景技術

磁場測量技術在信息工業領域有著十分廣泛的應用，已被應用于磁性掃雷、艦船消磁、搜索武器、潛艇探測等領域。例如在潛艇探測領域，現代潛艇廣泛應用了隱身技術，使得潛艇的噪聲很低，削弱聲納的探潛能量，因此對磁場探測器的靈敏度提出了較高的要求。高靈敏度的微弱磁場測量技術一直是許多國家的研究熱點。

干涉型光纖磁場測量系統具有靈敏度高、結構簡單、可遠程操作且能實現分布式測量的特點，在微弱磁場測量領域占據著十分重要的地位。目前，市場上的干涉型光纖磁場測量系統大多基于鎳合金、鐵氧體、TbDyFe等材料的磁致伸縮效應，外磁場作用使磁致伸縮材料產生形變，引起傳感光纖和參考光纖的光程差變化，進而改變干涉光強，通過相關的相位解調算法對干涉光強進行解調，可達到磁場測量的目的。然而，基于磁致伸縮效應的干涉型光纖磁場測量系統，大多都存在以下問題：一是，必須在光纖表面涂覆磁致伸縮材料，加大了光纖傳感結構復雜度，并且操作難度大，對傳感器制作工藝提出了較高的要求；二是，磁致伸縮效應原理非常復雜，磁致伸縮材料在磁場作用下，橫向和縱向上都會發生形變，并且形變量與磁場的大小和方向以及材料的涂敷狀態都有著十分復雜的關系，將導致后期的相位解調和磁場定標工作十分困難；三是，磁場測量系統搭建完成后，磁致伸縮材料的狀態將會隨著時間發生變化，降低磁場測量的準確度，系統的后期維護成本將會非常高。

發明內容

針對基于磁致伸縮效應的磁場測量系統存在的傳感結構復雜、傳感器制作困難和系統維護成本高等問題，本發明基于光纖磁致折變效應設計一種磁場測量系統用于解決上述弊端。光纖的磁致折變效應測量是研究基于光纖磁致折變效應的磁場測量系統的前提，本發明提出一種光纖磁致折變效應測量系統及方法，通過傳感光纖的磁致折變效應，將磁場信號調制為傳感光纖的折射率信號，引起傳感光纖與參考光纖兩路光信號的光程差變化，改變輸出端的干涉光信號強度，通過檢測干涉光強測量傳感光纖在磁場作用下的折射率變化。本發明為研究基于光纖磁致折變效應的磁場測量系統打下基礎。

為達到上述發明創造目的，本發明采用如下發明構思：

本發明原理如下：

當外界磁場作用于傳感光纖時，光纖的介電常數張量將發生如下變化：

n_l為無磁場作用下的光纖折射率，δ_l＝Cf₁χB/μ為磁場對光纖的作用因子，下標l代表纖芯或包層，其中l＝1,2；C為傳感光纖中磁敏感材料的摻雜濃度，f₁和χ分別為磁敏感摻雜材料的一級磁光系數和磁化率，μ為磁導率，B為磁感應強度。將不同磁場下的介電常數張量代入Maxwell方程，可得到不同的模式解，意味著傳感光纖的模式有效折射率將隨磁場變化，具體變化關系與磁敏感材料摻雜濃度和光纖結構參數有關，傳感光纖折射率n_s與磁感應強度B的關系可表示為：

n_s＝f(B)

當傳感光纖折射率變化后，傳感光纖與參考光纖中傳輸的兩路光信號之間的相位差將發生變化，相位差與磁感應強度B的關系為：