[發明專利]基于光學游標效應的高靈敏度光纖磁場傳感器

有效

• 申請號: 202111160878.8
• 申請日: 2021-09-30
• 公開（公告）號: CN113805125B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 鄧明;谷三峰;張天衡;牛洋洋;鄧舒丹
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 重慶雙馬智翔專利代理事務所(普通合伙) 50241
• 代理人: 顧曉玲

本發明提供一種基于光學游標效應的高靈敏度光纖磁場傳感器，傳感器中寬帶光源的輸出端連接單模光纖的第一端，單模光纖的第二端與光譜分析儀連接，單模光纖包括位于其第一端與第二端之間的第一拉錐段和第二拉錐段，第一拉錐段穿設在第一毛細管內，第一拉錐段與第一毛細管對齊的兩端封閉設置且第一毛細管內填充有空氣，第二拉錐段穿設在所述第二毛細管內，第二拉錐段與第二毛細管對齊的兩端封閉設置且第二毛細管內填充有磁流體，第一毛細管及其內部的第一拉錐段和空氣構成參考MZI馬赫?曾德爾干涉儀，第二毛細管及其內部的第二拉錐段和磁流體構成傳感MZI。本傳感器可以提高磁場測量靈敏度且結構簡單、體積較小。

技術領域

本發明屬于磁場傳感領域，具體涉及一種基于光學游標效應的高靈敏度光纖磁場傳感器。

背景技術

磁場作為一種客觀存在的物質，其包含十分豐富的物理信息，對其精密測量可以獲取待測物質的物理特性。在電力系統、海洋環境勘測、工業生產等領域，磁場與溫度的測量顯得尤為重要。例如在工業制造領域，當材料內部存在缺陷時，其周圍磁場將發生微小變化，通過精密測量微弱的磁場變化，即可推斷出缺陷的大小和位置等信息。在地磁測量領域，通過對地磁場的異常監測，可以預測地震、確定火山巖位置以及進行礦場監測。在海洋探測領域，可以根據磁場梯度，確定光纜掩埋深度。但由于磁場強度十分微弱，且環境惡劣，因此對磁場傳感器的性能提出了更高要求。

光纖干涉器件是一類具有廣泛應用前景的重要傳感元件。但在一些特殊情況下，例如測量地震波的傳播軌跡，礦產分布等，傳統的光纖干涉式磁場傳感器的敏感度仍然不夠，且體積較大。

發明內容

本發明提供一種基于光學游標效應的高靈敏度光纖磁場傳感器，以解決傳統的光纖干涉式磁場傳感器敏感度仍較低且體積較大的問題。

根據本發明實施例的第一方面，提供一種基于光學游標效應的高靈敏度光纖磁場傳感器，包括寬帶光源、單模光纖、第一毛細管、第二毛細管和光譜分析儀，所述寬帶光源的輸出端連接所述單模光纖的第一端，所述單模光纖的第二端與所述光譜分析儀連接，所述單模光纖包括位于其第一端與第二端之間的第一拉錐段和第二拉錐段，所述第一拉錐段穿設在所述第一毛細管內，所述第一拉錐段與所述第一毛細管對齊的兩端封閉設置且所述第一毛細管內填充有空氣，所述第二拉錐段穿設在所述第二毛細管內，所述第二拉錐段與所述第二毛細管對齊的兩端封閉設置且所述第二毛細管內填充有磁流體，所述第一毛細管及其內部的第一拉錐段和空氣構成參考MZI馬赫-曾德爾干涉儀，所述第二毛細管及其內部的第二拉錐段和磁流體構成傳感MZI。

在一種可選的實現方式中，所述寬帶光源將產生的光源傳輸給級聯的參考MZI、傳感MZI，所述光源在通過級聯的參考MZI、傳感MZI時產生光學游標效應，形成帶有包絡的干涉光譜，此后所述干涉光譜被傳輸給所述光譜分析儀，由所述光譜分析儀對所述干涉光譜的包絡進行分析，實現外界磁場測量，所述傳感MZI用于對外界磁場的變化進行傳感，在傳感過程中所述外界磁場通過所述傳感MZI中的磁流體，對所述干涉光譜的包絡進行調制。

在另一種可選的實現方式中，所述光源在通過所述參考MZI的過程中發生干涉，生成干涉圖樣，所述參考MZI后面接收到的光源攜帶所述干涉圖樣被傳輸給所述傳感MZI，在所述傳感MZI處再次發生干涉，兩次干涉疊加，產生所述帶有包絡的干涉光譜。

在另一種可選的實現方式中，所述參考MZI和傳感MZI的自由光譜范圍接近且不相等，以使所述光源在通過級聯的參考MZI、傳感MZI時產生光學游標效應。

在另一種可選的實現方式中，所述參考MZI中第一拉錐段在接收到所述光源后，首先以基模沿著所述第一拉錐段的纖芯傳輸，隨著所述光源傳輸至所述第一拉錐段的錐腰區時，激發包層模，所述光源同時沿著所述第一拉錐的纖芯和包層傳輸，由于所述基模和包層模有效折射率不同，導致其傳輸速度不同，在傳輸一段距離，累積的相位差將滿足相位匹配條件后，所述光源在所述參考MZI處發生不同模式間的干涉，生成干涉圖樣，所述參考MZI后面接收到的光源攜帶所述干涉圖樣被傳輸給所述傳感MZI。