专利名称：一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，属于光纤传 感及光学测量领域。
背景技术：
磁场测量在国防、工业以及医学等领域有着重要的意义。主要应用有磁性扫雷、 武器搜索、磁导航、潜艇探测、电流测量、矿产探测以及医学仪器等方面。用于弱磁 场(<10'8T)的传感器有多种，如磁通门磁强计、光泵磁强计和超导量子干涉器件 等。其中超导量子干涉器件是已知灵敏度最高的磁场传感器，分辨率可达1(T14T以上， 但由于系统需要工作在液氮温度下，结构复杂、体积庞大，因此只适合在实验室条件 下工作。1980年，A.Yariv和H.V.Winsor首次提出了利用磁致伸縮材料对光纤扰动以 改变光波相位的方法来探测弱磁场(Proposal for detection of magnetic field through magnetostrictive perturbation of optical fibres, QpA5(3): 87-89， 1980)，从i里论纟合 出了最小可探测磁场达到1.2x10—"T。这种光纤弱磁场传感器继承了光纤传感器结构简 单、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等优点，可在恶劣条件下工作。
利用磁致伸縮效应测量弱磁场的光纤传感器主要采用三种干涉仪结构马赫-曾德
干涉仪、迈克耳孙干涉仪和法布里-珀罗干涉仪(FPI)。研究最多、最全面的是马赫-曾德干涉仪，但是这种双臂结构容易受到环境因素的影响。迈克耳孙干涉仪与马赫-曾德干涉仪类似。FPI理论上具有比前两种干涉仪更高的相位测量灵敏度，并且结构 更加紧凑。非本征型光纤FPI是目前应用最为广泛的一种光纤FPI，它由两个端面镀 膜的单模光纤密封在特种管道内构成，并要求端面严格平行、同轴。1997年，KiDong Oh等人将单模光纤和金属玻璃丝放置在空心管中，制作出世界上第一个基于非本征型FPI白勺光纟千磁:t汤ft感器(Optical fiber Fabry誦Perot interferometric sensor for magnetic field measurement, P/zoto". Tec/mo/.9(6)， 797-799， 1997)。这种传感器不易受温度影 响，但缺点是在拉伸过程中端面可能不再平行，导致光束不能返回原光纤，使传感器 失效。本征型光纤FPI是研究最早的一种光纤FPI，通过在光纤中引入两个反射端面 构成。由于光在光纤内传播，损耗很小，易于全光纤结构，但是光纤本身的温度敏感 性制约了它的发展。光纤光栅FPI是由在同一根光纤中写入两个相同的光纤布拉格光 栅(以下縮写为FBG)构成，制作简单，但是温度的影响始终是困扰光纤光栅FPI传 感器的最大问题。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种磁感应强度传感头及磁感应强度 测量方法及其装置，改善了原有磁场传感器的性能，制作工艺相对简单，可以通过同 一套装置实现温度和磁感应强度的高灵敏度同时检测。
技术方案
一种磁感应强度传感头，其特征在于其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪 1、磁致伸缩材料2、 2块永磁体3和两组线圈4; 2块永磁体7相对平行置于磁致伸縮 材料2的两侧，两组线圈4相对置于磁致伸缩材料2的两端，光纤光栅法布里-珀罗干 涉仪1的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸縮材料2上；磁致伸缩材料1的长度等于光纤 光栅F-P腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体3的长度大于或等于光纤 光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅FPI位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤 光栅5之间。
所述光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的反射率小于5%。一种利用上述任一种磁感应强度传感头实现温度补偿测量磁感应强度的方法，其 特征在于步骤如下-
步骤i:将磁场传感头置于待测磁场中，输入一个发出波长为;u光强为/o的单色
光源的光信号，磁场传感头输出一个光强为/的双光束干涉信号；
步骤2:根据光强为/的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光
栅F-P腔长变化量M =
arccos
、
^ "oW/i 乂
A ，其中A为光纤光栅FPI对波长
2朋
为义的单色光强度的峰值反射率，^为光纤光栅FPI干涉信号的初相位，《为光纤纤 芯的折射率；
步骤3:根据A/z与磁场强度H的线性关系，得到磁场强度的测量值#为 = ^cos(叫")，其中Ho为磁场传感头中的永磁体在磁致伸縮材料处的
磁场强度，^为磁场传感头中的线圈在磁致伸縮材料产生的磁场强度幅值，納为磁场 传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率，p为磁场传感头中的线圈中产生交变电流 的圆频率的初相位值，A为磁致伸縮材料的磁致伸縮系数；
步骤4:根据测量值/T与实际值7/对温度的补偿关系，得出环境中所测量的磁场
强度实际值为// = §^^，其中Ar为温度的变化量，根据^的变化在实验得 Ceff
到的A与T的曲线中查得；7X为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、K,为磁致
伸縮材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，Ceff为磁致伸縮材料在测量温度下的磁致伸 縮系数，三个系数值由常规实验定标的方式得到；
步骤5:通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系，得到实际环境中的磁感应 强度3=^#，其中^为真空中的磁导率。
一种实现温度补偿测量磁感应强度的方法的装置，其特征在于包括单模光纤6、单色光源7、光电探测器8、光纤耦合器9、磁场传感头10和折射率匹配液11;磁场
传感头10连接光纤耦合器9的一个端口，光纤耦合器9的另一个端口通过单模光纤插 入到折射率匹配液11中，光纤耦合器9的另外两个端口分别连接单色光源7和光电探 测器8。
有益效果
本发明的磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，解决了传统磁场传 感器中温度和磁场的交叉敏感性，实现了温度对磁感应强度的补偿测量，提高了测量 精度，通过加载高频调制磁场，还可以降低测量低频磁场时的噪声。同时，本发明既 可以测量直流磁场，也可测量交变磁场，其中对于较弱磁场的测量有较高的灵敏度。 本发明还可通过提高磁场对磁致伸縮元件的作用效果和光纤光栅F-P腔受制于磁致伸 縮元件部分的长度两种方式来改善电流测量的灵敏度和量程。
图1为本发明提出的温度补偿型磁感应强度传感头
图2为本发明提出的基于光纤光栅FPI的磁感应强度测量装置结构示意图
图3为两组线圏中通以恒定强度和恒定频率的电流时，单色光强度峰值反射率A 与温度的变化关系。横坐标为温度，纵坐标为A。
其中1、光纤光栅FPI， 2、磁致伸縮材料，3、永磁体，4、线圈，5、光纤光栅 FPI固定点，6、单模光纤，7、单色光源，8、光电探测器，9、光纤耦合器，10、磁 感应强度传感头，11、折射率匹配液。
具体实施例方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述
参阅附图l，为所述光纤光栅FPI磁感应强度传感器探头。光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料2上，永磁体3平行固定在磁致伸縮材料2两侧，两组线圈4置于磁 致伸縮材料2的两端，为测量装置加载高频交变磁场。
参阅附图2，为基于光纤光栅FPI的磁感应强度测量装置结构示意图。附图1中 传感器探头的光纤光栅FPI1通过单模光纤6与光纤耦合器9 一侧的一个端口连接，另 一端口与折射率匹配液11相连，光纤耦合器9的另一侧的两个端口分别与单色光源7 和光电探测器8连接。
所述光纤光栅FPU的F-P腔受制于磁致伸縮材料2，两光纤光栅部分自由放置； 所述光纤光栅FPIl反射率小于5%。
所述单色光源发出波长为义、光强为/o的光信号，通过耦合器传输到光纤光栅FPI 传感器探头中。由于光纤光栅FPI的反射率小于5。/。，所以反射回的光信号近似为双光
束干涉信号，可近似表示为
=/0i A [1 + cos(2兀wA/z / A + &)]
式中，A表示腔长变化过程中光纤光栅FPI对波长为A的单色光强度的峰值反射 率，由光纤光栅FPI两端的FBG决定；w表示光纤纤芯的折射率；AA表示腔长的伸縮 量；灼表示光纤光栅FPI干涉信号的初相位，对测量结果没有影响，为一常值。由此 得到到光纤光栅F-P腔的腔长变化量A/z为
广
arccos
丄 2朋
磁致伸縮材料在永磁体的作用下，工作在线性区。两组线圈中通入强度和频率均 已知的高频交变电流，产生交变磁场，作用于磁致伸縮材料，引起磁致伸縮材料周期 性伸縮。磁致伸縮材料在永磁体、线圈和待测磁场的共同作用下发生形变，从而引起 光纤光栅FPI的腔长周期性伸縮。已知永磁体在磁致伸縮材料处的磁场强度为//Q，线
圈在磁致伸縮材料处产生的磁场强度幅值为//p线圈中产生交变电流的圆频率为若测量得到的磁场强度为'，并根据光纤光栅F-P腔的腔长变化量A/2与磁场强度
的关系为线性关系A/^A//，则
= A/f = A[//。 +cos(w, + p) + F'] 式中A为比例系数，可以通过实验测得。因此得到在不考虑温度影响的情况下，
磁感应强度的测量值//'与实际值//相等，由前两式可以得到
义
arccos
仏
1
.一 i/0 - i/, cos(w'" p)
2朋A
调节线圈中电流的强度，保证线圈在磁致伸縮材料处产生的磁场幅值i/i远大于
考虑温度对测量系统的影响。光纤光栅FPI在环境温度的影响下发生形变，引起 光纤长度和纤芯折射率发生变化。光纤光栅FPI两端的FBG反射率随之发生改变，进 而导致A变化。测量温度时要求A和温度有一一对应的关系，即^随温度单调变化。 请参阅附图3，为A随温度升高单调下降的区间。为获得最大的温度测量范围，需要 选取合适的工作点。具体方法如下确定待测温度的变化范围，选取合适的工作波长， 使得A在中间温度时为最大值的一半。
由于温度的变化还会改变磁致伸縮材料的性质，进而影响到对磁场强度的测量。 因此，需要对磁场强度的测量值进行修正。 一方面，温度恒定时，磁致伸縮材料的伸 长量与材料所处的磁场强度成正比；另一方面，磁场强度恒定时，磁致伸縮材料的伸 长量与温度也成正比。所以，可以假定磁致伸縮材料受温度和磁场强度作用之后的应
f =丛=Ceff// + ;tr, AT +《2//Ar 丄o
式中，《l为磁致伸缩材料应变对温度的灵敏度系数、《2为磁 伸縮材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，Ceff为磁致伸縮材料在某一恒定温度下的磁致伸缩系数。
三个系数值可由实验定标的方式得到。因此通过分析得到，磁场强度的实际修正值// 和实测的磁场强度值/Z'的关系为
ceff + &. w
最后通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系5=^#，得到实际环境中的磁感 应强度为
B 二 PoCeff
因此，通过检测输出光信号的强度和频率特性可实现对温度和磁感应强度的同时 测量，进而得到温度补偿后的实际磁感应强度。
上述方法利用本发明提供的装置实现光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸縮材料上， 并将其通过单模光纤与光纤耦合器的一个端口相连，单色光源与光电探测装置与光纤 耦合器的另外两个端口相连，光纤耦合器的第四个端口通过单模光纤插入到折射率匹 配液中。在测量过程中，将光纤光栅FPI磁感应强度传感器探头置于待测磁场中，所
用的光纤光栅FPI在室温(20°C)下的中心波长为1550nm附近，带宽〈0.2nm，光栅 反射率<5%，用改性丙烯酸酯胶将F-P腔粘贴在磁致伸縮材料表面，两粘贴点间距为 6cm。当所需测量磁场中的磁感应强度大小发生变化时，单色光源发出的窄带光，经 由光纤光栅FPI发射后，再经光电探测装置探测到的信号，在示波器上显示的测量波 形的周期特性会发生变化，根据波形的不同周期特性得到磁感应强度的大小；当环境 温度发生变化时，示波器上显示得到的波形的振幅会发生变化，进而根据振幅的大小 得到温度的大小。最终由磁场强度的实际修正值W和实测的磁场强度值/f的关系和磁 场强度与磁感应强度的关系，得到温度补偿后的磁感应强度值的大小。
10
arccos
/n凡
—1
2朋A
一 //0 - //, cos(cy + p)
ceff+
权利要求
1.一种磁感应强度传感头，其特征在于包括光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(1)、磁致伸缩材料(2)、2块永磁体(3)和两组线圈(4)；2块永磁体(7)相对平行置于磁致伸缩材料(2)的两侧，两组线圈(4)相对置于磁致伸缩材料(2)的两端，光纤光栅法布里-珀罗干涉仪(1)的光纤光栅F-P腔粘贴在磁致伸缩材料(2)上；磁致伸缩材料(1)的长度等于光纤光栅F-P的腔长或小于光纤光栅F-P腔长的1.5倍；2块永磁体(3)的长度大于或等于光纤光栅F-P腔长的长度；所述光纤光栅F-P腔位于光纤光栅法布里-珀罗干涉仪的两段光纤光栅(5)之间。
2. 根据权利要求1所述的温度补偿型的电流传感头，其特征在于所述光纤光栅法 布里-珀罗干涉仪的反射率小于5%。
3. —种利用权利要求1~2所属的任一种磁感应强度传感头实现温度补偿测量磁感应强度的方法，其特征在于步骤如下步骤l:将磁场传感头置于待测磁场中，输入一个发出波长为义、光强为/o的 单色光源的光信号，磁场传感头输出一个光强为/的双光束干涉信号；步骤2:根据光强为/的双光束干涉信号得到光纤光栅法布里-珀罗干涉仪光纤光栅F-P的腔长变化量<formula>formula see original document page 2</formula>》，其中A为光纤光栅FPI2朋对波长为义的单色光强度的峰值反射率，^为光纤光栅FPI干涉信号的初相位，" 为光纤纤芯的折射率；步骤3:根据AA与磁场强度//的线性关系，得到磁场强度的测量值#为<formula>formula see original document page 2</formula>其中//o为磁场传感头中的水磁体在磁致伸縮材料处的磁场强度，A为磁场传感头中的线圈在磁致伸縮材料产生的磁场强度幅值，^ 为磁场传感头中的线圈中产生交变电流的圆频率，伊为磁场传感头中的线圈中产生 交变电流的圆频率的初相位值，A为磁致伸缩材料的磁致伸縮系数；步骤4:根据测量值//'与实际值//对温度的补偿关系，得出环境中所测量的 磁场强度实际值为// = ^^^，其中Ar为温度的变化量，根据^的变化在实验得到的A与T的曲线中査得； 为磁致伸縮材料应变对温度的灵敏度系数、 f2为磁致伸縮材料的温度磁场强度交叉灵敏度系数，Ceff为磁致伸縮材料在测量温 度下的磁致伸縮系数，三个系数值由常规实验定标的方式得到；步骤5:通过空气中的磁场强度与磁感应强度的关系，得到实际环境中的磁感 应强度^^o"其中^为真空中的磁导率。
4. 一种实现权利要求3的温度补偿测量磁感应强度的方法的装置，其特征在于包括 单模光纤(6)、单色光源(7)、光电探测器(8)、光纤耦合器(9)、磁场传感头 (10)和折射率匹配液(11);磁场传感头(10)连接光纤耦合器(9)的一个端 口，光纤耦合器(9)的另一个端口通过单模光纤插入到折射率匹配液(11)中， 光纤耦合器(9)的另外两个端口分别连接单色光源(7)和光电探测器(8)。
全文摘要
本发明涉及一种磁感应强度传感头及磁感应强度测量方法及其装置，其特征在于将磁场传感头置于待测磁场中，粘贴在磁致伸缩材料上的光纤光栅FPI感测周围环境中的温度、偏置磁场、调制磁场和待测磁场的大小。单色光源发出的光信号进入光纤光栅F-P腔中，干涉后形成近似为双光束干涉信号输出。根据双光束干涉信号得到光纤光栅F-P腔的腔长变化量，再通过腔长变化量与磁场强度的线性关系得到的测量值。最终，利用磁场强度测量值与实际待测值之间对温度的补偿关系，以及磁场强度和磁感应强度的关系，得出磁感应强度的实际值。本发明既可以测量直流磁场，也可测量交变磁场，其中对于较弱磁场的测量有较高的灵敏度。
文档编号G01R33/032GK101598773SQ20091002316
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者吕全超, 姜碧强, 赵建林 申请人:西北工业大学