[發明專利]基于光纖干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統

在審

• 申請號: 202111491069.5
• 申請日: 2021-12-08
• 公開（公告）號: CN114325510A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 于長秋;王曉旭;燕玉明;馬世昌;陳志遠;金蒙豪;周鐵軍
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 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

本發明提出了一種基于光纖干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統。激光器輸出的光通過分束器分別送入干涉儀的參考臂和傳感臂。參考臂上引入了光纖偏振控制器、光纖纏繞在PZT壓電陶瓷換能器上，信號發生器產生交變電壓信號作用于PZT壓電陶瓷換能器用于調制參考臂的相位。同時信號發生器產生的交流電壓送入DAQ數據采集設備；將集成了微帶線的YIG材料與傳感臂粘結在一起，在網絡分析儀經線圈產生的射頻場及與之方向垂直的直流磁場的共同作用下、YIG的鐵磁共振被激發，使得該磁場傳感系統能夠探測高頻段的磁場。傳感臂和參考臂輸出的光場通過耦合器耦合到一起后經光電探測器送入DAQ數據采集設備并與計算機連接，實現信號的采集、時域/頻域分析以及結果顯示等功能。

技術領域

本發明涉及的是一種基于光纖干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統，具體涉及的是由光纖Mach-Zehnder干涉儀和磁性絕緣體釔鐵石榴石(Yttrium Iron Garnet，YIG)材料構成的磁場傳感結構，屬于光學領域。

背景技術

磁場傳感器可以用于采集和監控不同環境中磁場及其相關物理量的信息。磁場傳感器應用廣泛，生物醫學、宇宙空間探測、軍事國防、地質調查、考古研究和導航系統等重要領域都對高性能磁場傳感器有著強烈的需求，因此磁場傳感系統朝著高精度、微小型、高靈敏度、高穩定性的方向持續發展。光纖具有抗電磁干擾、可靠性高、低傳輸損耗、耐腐蝕、絕緣性佳、體積小等優點，常被用于微弱磁場信號探測。光纖磁場傳感系統是在光纖系統中引入磁感應材料實現通過磁信號與光信號的耦合，因此，可以通過光信號解調待測磁場信號。光纖干涉儀是一種基于光干涉技術，一般由分束器、參考臂和傳感臂構成，可用于光學傳感。在光纖干涉儀磁場傳感系統中，當外界磁場信號作用于傳感臂時，引起其上的磁致伸縮材料發生形變，進而改變傳感臂中光的相位并反應到干涉信號中。為拓展該類傳感器的高頻磁場探測性能，這里我們提出了一種基于光纖干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統，引入YIG材料作為磁致伸縮材料、與光纖干涉儀相結合，YIG中產生的高頻鐵磁共振可對外界高頻磁場信號進行放大，進而實現高頻磁場信號的探測。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提出一種基于光纖Mach-Zehnder干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統，可用于提升高頻段磁場傳感的靈敏度。

基于光纖干涉儀和鐵磁共振的磁場傳感系統包括激光器、分束器、偏振控制器、YIG材料、微帶線、耦合器、光電探測器、PZT壓電陶瓷換能器、信號發生器、DAQ數據采集器、計算機、矢量網絡分析儀、電流源、線圈。

所述的激光器輸出的光通過50/50分束器分別送入光纖干涉儀的參考臂和傳感臂；其中，參考臂上引入了光纖偏振控制器，其上的光纖纏繞在PZT壓電陶瓷換能器上，信號發生器產生交變電壓信號作用于PZT壓電陶瓷換能器調制參考臂的相位。同時信號發生器產生的交流電壓送入DAQ數據采集器；將集成了微帶線的YIG材料與傳感臂粘結在一起，在網絡分析儀經線圈產生的射頻場及與之方向垂直的直流磁場的共同作用下，YIG的鐵磁共振被激發。傳感臂和參考臂輸出的光場通過耦合器耦合到一起后經光電探測器送入DAQ數據采集器，DAQ數據采集器與計算機連接，實現信號的采集、時域/頻域分析以及結果顯示等功能。在計算機中引入相位載波解調法，解算待測磁場信號。由于YIG材料的力學模式頻率位于GHz頻段，則很容易通過直流磁場調諧方式使得力學模式頻率和鐵磁共振頻率重合。因此當待測磁場信號頻率與鐵磁共振頻率和力學模式頻率相同時，諧振效果會大大增強，高頻的磁場傳感的靈敏度也會得到提升。

作為優選，所述的YIG材料可為柱形或其他易于纏繞光纖的結構，取向為110或100晶向。

作為優選，所施加的微波和直流磁場相互垂直、場強使YIG薄膜產生鐵磁共振。

作為優選，所述的光纖干涉儀的參考臂和傳感臂中非傳感區可使用波導，波導要保證光的低損耗傳播。

作為優選，光纖干涉儀中耦合器的分束比為50:50。

作為優選，激光器為激光器、其波長與探測器的探測波段一致、與光纖低損耗波段一致。