基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置及其使法的制作方法

[0001]
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置及其使法。


背景技术：

[0002]
随着现代科学技术的发展，传感器作为能将一种能够将被测信号转换为其他形式信息输出的检测器件，在工程、化学、生物医学、军事、航空航天等诸多科研领域及生产生活中被广泛应用。众所周知，在军用民用领域，存在于自然界中的电磁场以及由于人为因素产生的电磁环境均会对电气电子设备及相关系统产生严重影响，因而研究电磁分布特性及测量防护方法对信号完整性、通信设备安全均具有重要意义，针对磁场的相关测量研究已经成为近年来电磁领域的研究热点。
[0003]
传统的磁场传感器虽然有较为成熟的技术，能够满足各种灵敏度需求，但在实际应用中存在很多限制因素。例如，电学磁场传感系统使用有缘金属线缆进行信号传导，极易对被测磁场的分布情况产生干扰，从而对外界磁场噪音相当敏感。此外，传统传感器结构复杂、体积大、频带窄、动态范围小、成本高、对环境的需求过于苛刻，因此传统磁场传感器已难以满足日益发展的科技需求，更多性能更好的新型磁场传感器需要被不断探索和研究。
[0004]
光纤传感技术作为一种以光波作为载体、光纤作为媒介检测外界信号变化的新型传感技术，可以实现高速、准确、自动化的信息提取，为后期信息传输及处理奠定了基础。光纤本身重量轻、体积小、抗电磁干扰能力强，特别适合在易燃易爆、强电磁干扰或空间受限等恶劣环境下使用。光纤传输的光波包括波长、强度、相位、偏振态等多种特征参量，这些特征参量对温度、压力、应变、弯曲、浓度、磁场等外界因素非常敏感，使光纤成为一种良好的敏感元件并在恶劣环境下逐渐取代了传统传感器。近年来，如何发展能够具有高灵敏度、高探测精度、大动态范围特点的新型光纤传感器成为了光纤传感领域的研究热点。碲酸盐光纤基于较大的费尔德系数能在磁场环境中产生更大的法拉第旋角，且具有较宽的传输范围，为研发高灵敏度磁场传感器提供了新的有效途径。


技术实现要素：

[0005]
针对目前传统电学磁场传感系统的弊端，光纤磁场传感器的研发得到了关注和发展。本发明的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，其利用碲酸盐光纤在磁场中的法拉第旋转效应进行磁场的测量。当一路光经过线偏振器转换成线偏振光后，通过置于磁场中的磁光材料时，入射光的偏振振动方向会发生一定角度的旋转，该角度大小与外界所加磁场强度的量值大小有关。这就是法拉第效应，也可称为磁致旋光效应。本发明采用的磁光材料为碲酸盐光纤，只要测出了入射光偏振方向旋转的角度大小，就可以根据旋转角度的大小确定出所加磁场强度。利用该原理进行磁场传感时，为了使探测精度更加准确，在选择磁光介质时，应当选择磁化强度较大且磁光系数或费尔德常数尽可能大的磁场介质，相对于传统石英光纤，碲酸盐具有更高的费尔德常数，正是符合这种较好磁光性能
要求的介质材料，其形成的基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，体积小、灵敏度高、耐高温、抗电磁干扰，能够检测较低磁场强度，并且能够进行远程检测，避免环境影响对磁场的改变。
[0006]
本发明的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，包括光源模块、准直透镜、起偏器、聚焦透镜、碲酸盐光纤、检偏器、检测模块；
[0007]
其中，光源模块、准直透镜、起偏器、聚焦透镜、碲酸盐光纤、检偏器的水平中心线重合；
[0008]
准直透镜用于将光源模块发出的光变成平行光；
[0009]
起偏器用于将平行光转化成线偏振光；
[0010]
聚焦透镜用于将线偏振光聚焦到碲酸盐光纤的入射光端面，作为入射光；
[0011]
碲酸盐光纤置于磁场环境中，用于将入射光在偏振方向发生角度的旋转；
[0012]
检偏器用于检测入射光在偏振方向旋转的角度大小；
[0013]
检测模块用于检测输出光强度大小。
[0014]
所述的光源模块为窄带激光器、或宽带光源加窄带滤波器的组合。
[0015]
所述的光源模块输出激光的工作波长范围为400-1000nm，线宽为1-10nm。
[0016]
所述的起偏器优选为线偏振控制器。
[0017]
所述的碲酸盐光纤的结构包括但是不限于无芯光纤、阶跃型光纤、微结构光纤中的一种。
[0018]
所述的碲酸盐光纤直径为125-200μm，所述的碲酸盐光纤的长度为5-40cm。
[0019]
所述的检测模块可为光谱仪，直接进行显示光强度信号。
[0020]
所述的检测模块还可以是光电探测器，模/数转换器和计算机，其中，光电探测器将光信息转换成电信号，经模/数转换器进行模数转换成计算机接收的数字信号，再通过计算机程序进行处理显示。
[0021]
所述的基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，其检测磁场灵敏度为3.0～29.66rad/t，工作传输范围为400-1000nm。
[0022]
本发明的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的使用方法，包括以下步骤：
[0023]
步骤1：确定标准曲线
[0024]
启动光源模块，调整检偏器的角度，使得起偏器与检偏器的偏振角度相同，检测模块检测的输出光强度即为i
max
；
[0025]
将基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置中的碲酸盐光纤置于磁场发生装置中，开启磁场发生装置，磁场强度记为h1，并设置磁场发生装置产生的磁场方向和碲酸盐光纤中光的传输方向平行，此时，检测模块检测的输出光强度降低；再次调整检偏器的角度，使得检测模块检测的输出光强度再次为i
max
，此时，记载检偏器的旋转角度，记为α1，得到h1和α1的对应关系；
[0026]
重复上述步骤，得到h2和α2、h3和α3、
……
、h
n
和α
n
的对应关系，根据对应关系，进行拟合曲线，得到磁场强度和旋转角度的标准曲线；
[0027]
步骤2：检测磁场
[0028]
(1)启动光源模块，调整检偏器的角度，使得起偏器与检偏器的偏振角度相同，检
测模块检测的输出光强度即为i
max
；
[0029]
(2)将该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置放入实测磁场环境中时，保证其他器件状态不变的情况下，仅调整该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的方向，使检测模块检测到的输出光强度最大时，磁场方向与碲酸盐光纤中光传输方向平行；此时，检测模块检测的输出光强度<i
max
；
[0030]
(3)调整检偏器的角度，使得检测模块检测的输出光强度再次为i
max
，此时，记载检偏器的旋转角度，记为α
检
；
[0031]
将α
检
带入磁场强度和旋转角度的标准曲线，得到对应的磁场强度。
[0032]
所述的基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的使用方法中，碲酸盐光纤中光的传输方向和磁场方向为同向或反向。
[0033]
所述的步骤1中，磁场发生装置选用电磁铁、通电螺线管或亥姆赫兹线圈中的一种。
[0034]
所述的步骤2的(3)中，还可以根据磁场强度和旋转角度的标准曲线，得到磁场强度和旋转角度的拟合公式，从而确定磁场强度。
[0035]
所述的步骤1中，磁场发生装置的磁场强度采用特斯拉计进行测量。
[0036]
与现有技术相比，本发明的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置及其使法，其优势在于：
[0037]
(1)与传统电学磁场传感器相比，体积小、灵敏度高、耐高温、抗电磁干扰。
[0038]
(2)无需借助磁流体等对磁性敏感的材料即可实现磁场的高灵敏度测量。
[0039]
(3)碲酸盐光纤有更高的费尔德系数，相同工作波长下磁场灵敏度大于传统石英光纤。
[0040]
(4)碲酸盐光纤较石英光纤有更宽的传输范围，可工作于中红外波段，实现中红外领域的传感。石英光纤的传输范围＜3μm，碲酸盐光纤的传输范围可达6μm。
[0041]
(5)本发明的基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，能够对磁场进行远程测量，避免近距离测量带来的外界环境影响，并且其能够测量的灵敏度大幅提高，最低能够测量5.88
×
10-4
t磁场强度。
附图说明
[0042]
图1为本发明实施例1所述的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的结构示意图；其中，1为光源模块、2为准直透镜、3为起偏器、4为聚焦透镜、5为碲酸盐光纤、6为平行于光线轴线方向的磁场、7为检偏器、8为检测模块。
[0043]
图2为本发明实施例2所述的碲酸盐光纤与石英光纤费尔德系数对比图；
[0044]
图3为本发明实施例3所述的碲酸盐光纤在磁场中的法拉第旋转角变化图；
[0045]
图4为本发明实施例3中对比的石英光纤在磁场中的法拉第旋转角变化图；
[0046]
图5为本发明实施例3所述的碲酸盐光纤与对比的石英光纤的磁场灵敏度对比图。
具体实施方式
[0047]
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，这些实施方式仅起说明性作用，并不用于限定本发明。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供的一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，结构如图1所示。本实施例提供的磁场传感装置主要由8部分构成，分别为：光源模块1、准直透镜2、起偏器3、聚焦透镜4、碲酸盐光纤5、平行于光线轴线方向的磁场6、检偏器7、检测模块8。
[0050]
其中，光源模块1位于准直透镜2的一侧，在准直透镜2的另一侧依次设置有起偏器3、聚焦透镜4、碲酸盐光纤5和检偏器7，检偏器7和检测模块8联接，其中，光源模块1、准直透镜2、起偏器3、聚焦透镜4、碲酸盐光纤5和检偏器7的水平中心线重合，碲酸盐光纤5设置在平行于光线轴线方向的磁场6中。
[0051]
光源模块1由宽带光源及窄带滤波器组成，宽带光源输出的光经过特定工作波长的窄带滤波器输出窄带光(本实施例为442nm)，经准直透镜2变为平行光后经起偏器3变成线偏振光，并经聚焦透镜4将光聚焦到碲酸盐光纤5的入射光端面，使光能在光纤中传输。输出的光经检偏器7后由检测模块8进行信号收集和分析。本实施例中采用起偏器与检偏器均为线偏振控制器，本实施例采用的线偏振控制器的型号为05lp-vis-b，检测模块为光谱仪，本实施例采用的光谱仪型号为aq6373b。本实施例中，碲酸盐光纤的直径为125μm，碲酸盐光纤的长度为20cm。
[0052]
一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的使用方法，包括以下步骤：
[0053]
步骤1：
[0054]
在不施加磁场的情况下，调整检偏器的角度使光谱仪观测到的输出光强度最大，记为i
max
，此时起偏器与检偏器的偏振角度相同。
[0055]
利用永磁铁产生与光纤中光传输方向平行的均匀磁场强度h1，由于法拉第现象的存在，碲酸盐光纤中光的线偏振角度发生偏转，产生一个法拉第旋角(θ)，如不旋转检偏器，则输出光强度将会降低，此时旋转检偏器，使光谱仪观测到的光强度恢复最大i
max
，检偏器旋转的角度即为法拉第旋角α1。对应法拉第旋角α1与磁场强度h1的关系，即标定该装置的传感灵敏度，442nm波长下灵敏度为20.72rad/t/m。
[0056]
并且，改变永磁铁产生与光纤中光传输方向平行的均匀磁场强度为h2，得到对应h2的法拉第旋角α2，依次进行上述试验，得到h3和α3、
……
、h
n
和α
n
的对应关系，根据对应关系，进行拟合曲线，得到磁场强度和旋转角度的标准曲线；并根据该标准曲线，拟合，得到442nm波长下磁场强度和旋转角度的拟合公式，为：h＝α/20.72(h为磁场强度，α为旋转角度)。
[0057]
在此标定过程中，永磁铁产生与光纤中光传输方向平行的均匀磁场强度可用特斯拉计进行测量。
[0058]
步骤2：检测磁场
[0059]
(1)启动光源模块，调整检偏器的角度，使得起偏器与检偏器的偏振角度相同，检测模块检测的输出光强度即为i
max
；
[0060]
(2)将该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置放入实测磁场环境中时，保证其他器件状态不变的情况下，仅调整该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的方向，使检测模块检测到的输出光强度最大时，磁场方向与碲酸盐光纤中光传输方向平行；此时，检测模块检测的输出光强度<i
max
；
[0061]
(3)调整检偏器的角度，使得检测模块检测的输出光强度再次为i
max
，此时，记载检
偏器的旋转角度，记为α
检
；
[0062]
将α
检
带入磁场强度和旋转角度的标准曲线拟合的公式，得到对应的磁场强度。
[0063]
实施例2
[0064]
本发明基于磁场下磁光介质的法拉第旋转效应，磁场下磁光介质偏振面旋转的角度与光传输方向平行的磁场分量、磁光介质的长度和磁光介质的费尔德常数(v)有关。其他参数一定时，v越大，法拉第旋角越大。因此选取费尔德系数较大的磁光介质有利于得到更高的灵敏度。根据拉莫尔频率及圆双折射，可得到费尔德常数的表达式为：
[0065][0066]
其中，e为电子的电荷，m为电子的质量，c为真空中光速，λ为波长，dn/dλ为磁光介质的色散。由上式可得，色散越大，材料的费尔德常数越大，所带来的法拉第旋角越大。
[0067]
根据以上原理，本实施例应用一个具有大费尔德常数的碲酸盐光纤作为磁光介质，根据碲酸盐光纤的sellmeier系数计算出色散，由于每个波长点处色散不同，带入v的表达式可得到不同波长下的费尔德常数，图2显示该碲酸盐光纤在400-2000nm波长范围内的费尔德常数并与传统石英光纤进行了对比。
[0068]
在400-2000nm波长范围内，随着波长的增长，碲酸盐光纤的费尔德常数迅速下降并逐渐趋于平缓后稍有上升，变化范围为11.08rad/t/m到148.28rad/t/m。相比石英光纤的变化范围3.7rad/t/m到12.31rad/t/m，在该波长范围内，碲酸盐光纤的费尔德常数征整体高于石英光纤，且在400nm处为石英光纤的12倍，显示了良好的磁光特性，在其他参数相同的条件下，400nm波长下，利用碲酸盐光纤制成的磁场传感器灵敏度为石英光纤的12倍。
[0069]
实施例3
[0070]
本实施例在实施例1和2的基础上采用无芯光纤结构对碲酸盐材料和石英材料的传感性能进行了对比分析。所用光纤直径125μm，长度20cm，平行均匀磁场变化范围0-1t，根据法拉第效应，光纤在磁场下的法拉第旋角(θ)可由下式表达：
[0071]
θ＝vbl
[0072]
其中v为费尔德常数，b为磁场强度，l为光纤长度。
[0073]
传感器的工作波长根据商用激光器的工作波长选择了8个常用波长进行了分析，分别为442nm、543nm、633nm、753nm、850nm、980nm、1060nm、1550nm。基于碲酸盐无芯光纤和石英无芯光纤的法拉第旋角，根据磁场变化情况分别如图3和图4所示。由图可见，随着磁场强度的增加碲酸盐无芯光纤及石英无芯光纤的法拉第旋角相应增加。且在短波长442nm处，两种光纤的法拉第旋角均为最大，磁场变化1t，碲酸盐无芯光纤中，线偏振光的偏振方向偏转了20.72rad，相应石英无芯光纤中光偏振方向变化了2.1rad，碲酸盐无芯光纤为石英无芯光纤的10倍。
[0074]
图5显示了基于两种光纤的磁场传感器在各波长下的灵敏度变化规律，灵敏度变化规律与法拉第旋角变化规律相同，在442nm波长下，应用碲酸盐玻璃制作的碲酸盐无芯光纤，其应用在基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置中，其灵敏度为20.72rad/t/m，将碲酸盐无芯光纤替换为石英无芯光纤，其形成的磁场传感装置的灵敏度2.1rad/t/m，说明碲酸盐无芯光纤形成的磁场传感装置灵敏度是石英无芯光纤形成的磁场传感装置灵敏度的10倍。
[0075]
下表显示了各波长条件下两种光纤的法拉第旋角及灵敏度的对比情况，高灵敏度彰显了碲酸盐材料在高灵敏度磁场传感器领域的优势。
[0076]
表1.碲酸盐无芯光纤及石英无芯光纤法拉第磁场传感装置灵敏度对比情况
[0077][0078]
在相同检测条件下，如果灵敏度高，可检测到的磁场强度可以越低，通过碲酸盐光纤的灵敏度和石英光纤的灵敏度进行对比，本发明中，基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置最低能够检测5.88
×
10-4
t磁场强度。
[0079]
实施例4
[0080]
一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，包括光源模块1、准直透镜2、起偏器3、聚焦透镜4、碲酸盐光纤5、检偏器7、检测模块8；
[0081]
其中，光源模块1、准直透镜2、起偏器3、聚焦透镜4、碲酸盐光纤5、检偏器7的水平中心线重合；
[0082]
准直透镜2用于将光源模块发出的光变成平行光；
[0083]
起偏器3用于将平行光转化成线偏振光；
[0084]
聚焦透镜4用于将线偏振光聚焦到碲酸盐光纤的入射光端面，作为入射光；
[0085]
碲酸盐光纤5置于磁场环境中，用于将入射光在偏振方向发生角度的旋转；
[0086]
检偏器7用于检测入射光在偏振方向旋转的角度大小；
[0087]
检测模块8用于检测输出光强度大小。
[0088]
本实施例中，光源模块为窄带激光器；光源模块输出激光的工作波长范围为850nm，线宽为5nm。本实施例采用的起偏器为线偏振控制器。
[0089]
采用的碲酸盐光纤5为阶跃型光纤。碲酸盐光纤直径为200μm，碲酸盐光纤的长度
为5cm。
[0090]
检测模块8是光电探测器，模/数转换器和计算机，其中，光电探测器将光信息转换成电信号，经模/数转换器进行模数转换成计算机接收的数字信号，再通过计算机程序进行处理显示。
[0091]
一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的使用方法，包括以下步骤：
[0092]
步骤1：确定标准曲线
[0093]
启动光源模块，光源模块发出的光经过准直透镜变成平行光，在通过起偏器变成线偏振光，在通过聚焦透镜将线偏振光聚焦到碲酸盐光纤的入射光端面，作为入射光，调整检偏器的角度，使得起偏器与检偏器的偏振角度相同，检测模块检测的输出光强度即为i
max
；
[0094]
将基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置中的碲酸盐光纤置于磁场发生装置中，开启磁场发生装置-通电螺线管，采用特斯拉计测量磁场强度记为h1，并设置磁场发生装置产生的磁场方向和碲酸盐光纤中光的传输方向平行，此时，检测模块检测的输出光强度降低；再次调整检偏器的角度，使得检测模块检测的输出光强度再次为i
max
，此时，记载检偏器的旋转角度，记为α1，得到h1和α1的对应关系；
[0095]
重复上述步骤，得到h2和α2、h3和α3、
……
、h
n
和α
n
的对应关系，根据对应关系，进行拟合曲线，得到磁场强度和旋转角度的标准曲线；
[0096]
步骤2：检测磁场
[0097]
(1)启动光源模块，调整检偏器的角度，使得起偏器与检偏器的偏振角度相同，检测模块检测的输出光强度即为i
max
；
[0098]
(2)将该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置放入实测磁场环境中时，保证其他器件状态不变的情况下，仅调整该基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置的方向，使检测模块检测到的输出光强度最大时，磁场方向与碲酸盐光纤中光传输方向平行；此时，检测模块检测的输出光强度<i
max
；
[0099]
(3)调整检偏器的角度，使得检测模块检测的输出光强度再次为i
max
，此时，记载检偏器的旋转角度，记为α
检
；
[0100]
将α
检
带入磁场强度和旋转角度的标准曲线，得到对应的磁场强度。
[0101]
实施例5
[0102]
一种基于碲酸盐光纤法拉第旋转效应的磁场传感装置，同实施例4，不同之处在于，采用的碲酸盐光纤5为微结构光纤。磁场发生装置为亥姆赫兹线圈。