一种矢量磁场传感器及矢量磁场检测系统和方法

1.本发明涉及磁场检测以及光纤传感技术领域，具体涉及一种矢量磁场传感器及矢量磁场检测系统和方法。


背景技术：

2.磁场测量在电力、航海、生物传感等工业领域有着广泛的应用。与传统的电传感器相比，光纤磁传感器具有精度高、结构紧凑、成本低、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点。
3.目前，许多磁敏材料被提出与光纤传感器相结合用于磁场测量，如terfenol
‑
d、metglas合金和磁流体。其中，基于磁流体的光纤磁场传感器具有其优异的磁光性能、易操作、低成本和高灵敏度的特点。
4.磁场作为一个矢量，既有大小又有方向。现有的光纤磁流体磁场传感器大多局限于磁场强度测量而忽视的磁场方向的测量，这严重限制了光纤磁场传感器的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种矢量磁场传感器及矢量磁场检测系统和方法，以克服现有技术的不足。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种矢量磁场传感器，包括光纤，光纤中间呈环形设置，光纤的环形外部套设有圆柱壳体，光纤的环形截面与圆柱壳体的轴线垂直，圆柱壳体内填充有磁流体。
8.进一步的，光纤呈环形设置靠近的两端采用毛细管固定。
9.进一步的，圆柱壳体管壁与光纤采用uv胶水密封。
10.一种矢量磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
11.s1，将一段单模光纤的两末端插入毛细管中，并同时拖拉光纤两末端，获得初始环形结构；
12.s2，将呈环形结构的中心加热变形、冷却后固定；
13.s3，将毛细管与光纤固定后，在光纤中间呈环形设置的部分外圈套设圆柱壳体，中间呈环形设置的光纤平面与圆柱壳体柱面平行；
14.s4，将光纤与圆柱壳体外壁接触部分密封，然后向圆柱壳体内注入磁流体后再次密封圆柱壳体即可得到矢量磁场传感器。
15.一种矢量磁场检测系统，包括光谱仪、宽带光源和矢量磁场传感器，矢量磁场传感器设置于待测磁场内，光谱仪和宽带光源分别连接于矢量磁场传感器的两端，宽带光源用于产生宽波段的光，光谱仪用于监测干涉光谱的变化。
16.进一步的，磁场台上设有旋转支架，矢量磁场传感器固定于旋转支架上。
17.进一步的，磁场台采用赫姆霍茨线圈，赫姆霍茨线圈连接电源，电源采用直流电源。
18.一种矢量磁场检测方法，包括以下步骤：
19.s1，将矢量磁场传感器在已知磁场大小和方向的磁场下进行标定，得到在不同磁场大小下对应的干涉光谱值，然后将标定后的矢量磁场传感器固定于待测磁场中；
20.s2，转动矢量磁场传感器在待测磁场中的方向，然后利用光谱仪获取矢量磁场传感器在待测磁场中干涉光谱，根据干涉光谱的波谷位置以及折射率与标定值对比，即可得到待测磁场的大小和方向。
21.进一步的，步骤1)中，将矢量磁场传感器固定于已知大小和方向的磁场中，将矢量磁场传感器与光谱仪和宽带光源连接，利用宽带光源产生宽波段光，然后利用光谱仪监测在不同磁场大小下干涉光谱的变化，记录在相应磁场大小下的干涉光谱。
22.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
23.本发明一种矢量磁场传感器，通过将光纤中间呈环形设置，光纤的环形外部套设有圆柱壳体，光纤的环形截面与圆柱壳体的轴线垂直，圆柱壳体内填充有磁流体，利用磁流体沿着磁场形成链结构，呈现各向异性分布，当磁场方向改变时，磁流体沿着新的磁场方向形成新的链状结构，在不同磁场情况下，磁流体在呈环形结构的光纤结构周围的折射率是不同的，利用不同方向下气球状光纤结构周围的折射率差，便可以实现磁场方向的测量，结构简单，检测准确度高，能够同时检测磁场的方向和大小，大大提高了检测效率。
24.本发明一种矢量磁场传感器的制备方法，采用单模光纤与毛细管固定后对光纤进行环形设置，利用中心加热变形、冷却后固定形成稳定的环形结构，然后利用圆柱壳体密封后注入磁流体，中间呈环形设置的光纤平面与圆柱壳体柱面平行，方法简单可靠，能够得到不同环形大小结构的矢量磁场传感器。
25.一种矢量磁场检测系统，包括光谱仪、宽带光源和矢量磁场传感器，矢量磁场传感器设置于待测磁场内，光谱仪和宽带光源分别连接于矢量磁场传感器的两端，宽带光源用于产生宽波段的光，光谱仪用于监测干涉光谱的变化，利用光谱仪、宽带光源与矢量磁场传感器的结构配合，实现不同磁场下干涉光谱的检测，结构简单，检测方便，准确度高。
附图说明
26.图1是本发明实施例中光纤传感器结构制备流程图；
27.图2是本发明实施例中光纤传感器封装流程图；
28.图3是本发明实施例中光纤磁场传感器磁场矢量测量系统示意图；；
29.图4是本发明实施例中光纤磁场传感器磁场矢量测量原理示意图；
30.图5是本发明实施例中光纤磁场传感器磁场强度测量结果图；
31.图6是本发明实施例中光纤磁场传感器磁场方向测量结果图；
32.图7是本发明的极坐标系下气球状光纤磁场传感器输出光谱波谷位置变化图。
33.图中，1、光纤；2、圆柱壳体；3、磁流体；4、毛细管；、5、uv胶水；6、磁场台；7、旋转支架；8、电源；9、高斯计；10、光谱仪；11、宽带光源。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
35.一种矢量磁场传感器，包括光纤1，光纤1中间呈环形设置，光纤1的环形外部套设有圆柱壳体2，光纤1的环形截面与圆柱壳体2的轴线垂直，圆柱壳体2内填充有磁流体3。本
申请采用圆柱体结构包裹在中间呈环形设置的光纤1外侧，且圆柱体结构的轴线与光纤1的环形截面垂直，形成磁流体检测结构，需要检测磁场方向时，将其设置于磁场中，在外部磁场中，铁磁性纳米颗粒沿着磁场形成链结构，呈现各向异性分布，当磁场方向改变时，这些纳米粒子将沿着新的磁场方向形成新的链，铁磁性纳米颗粒分布使得磁流体的折射率沿不同磁场方向的不对称分布；用磁流体包裹环形设置的光纤结构后，在没有磁场的情况下，磁流体在环形设置的光纤周围的折射率是各向同性的；然而，当磁场的方向垂直于环形设置的光纤结构的平面时，链状结构粒子也垂直于该平面分布，并且在该方向上磁流体的折射率增加；当磁场的方向与光纤结构所在平面平行时，该方向磁流体的折射率将减小；利用不同方向下气球状光纤结构周围的折射率差，便可以实现磁场方向的测量。本发明结构简单，检测方便，便于制作。
36.光纤1中间呈环形设置的部分呈气球弧形结构，与气球弧形结构相似；光纤1呈环形设置接近的两端采用毛细管4固定；毛细管4上设置两个通孔，将光纤两端分别插入通孔内，调整光纤环状弧度，采用uv胶水5将毛细管与光纤固定在一起。
37.对于光纤呈环形结构的制备，如图1、图2所示，本技术采用的光纤为单模光纤，将一段单模光纤的两末端插入石英毛细管中，并同时拖拉光纤两末端，获得初始环形(气球状)结构，通过调整毛细管的固定位置，可以得到不同半径的气球状结构；然后，将呈环形结构(气球状结构)的中心加热使其变形，冷却后固定；本技术采用酒精灯加热，将呈环形结构(气球状结构)的中心悬挂在酒精灯的火焰上，用以固定光纤形状，消除光纤的内应力；固定形状后，利用uv胶水将毛细管与光纤固定在一起；然后将光纤中间呈环形设置的部分固定于圆柱壳体2内，中间呈环形设置的部分与圆柱壳体2柱面平行；光纤与圆柱壳体2外壁接触部分采用uv胶水进行密封；然后向圆柱壳体2内注入磁流体，并再次利用uv胶水进行密封。
38.如图3所示，一种矢量磁场检测系统，包括光谱仪10、宽带光源11和矢量磁场传感器，矢量磁场传感器设置于待测磁场内，光谱仪10和宽带光源11分别连接于矢量磁场传感器的两端，宽带光源用于产生宽波段的光，光谱仪10用于监测干涉光谱的变化。
39.矢量磁场标定系统，包括用于提供旋转磁场的磁场台6，磁场台上设有旋转支架7，旋转支架7位于磁场台6产生的磁场内，上述制备的矢量磁场传感器固定于磁场台6的旋转支架7上，矢量磁场传感器能够相对磁场旋转台6旋转；磁场台6连接有电源8，通过电源供电提供磁场；磁场台6一侧设有光谱仪10和宽带光源11，光谱仪10和宽带光源11分别连接于矢量磁场传感器的两端；宽带光源用于产生宽波段的光，光谱仪10用于监测干涉光谱的变化；在监测磁场台6内设置用于检测其磁场强度的高斯计9，将矢量磁场传感器与光谱仪和宽带光源连接，利用宽带光源产生宽波段光，然后利用光谱仪监测在不同磁场大小下干涉光谱的变化。
40.磁场台6采用赫姆霍茨线圈，赫姆霍茨线圈连接直流电源。
41.如图4所示，为呈环形结构矢量磁场传感器磁场矢量测量原理示意图，在外部磁场中，矢量磁场传感器中的磁流体(铁磁性纳米颗粒)沿着磁场形成链结构，呈现各向异性分布。当磁场方向改变时，这些纳米粒子将沿着新的磁场方向形成新的链状结构；铁磁性纳米颗粒分布使得磁流体的折射率沿不同磁场方向的不对称分布，用磁流体包裹呈环形结构的光纤后，在没有磁场的情况下，磁流体在呈环形结构的光纤结构周围的折射率是各向同性的；然而，如图4(a)所示，当磁场的方向垂直于呈环形结构的光纤的平面时，链状结构粒子
也垂直于该平面分布，并且在该方向上磁流体的折射率增加，如图4(b)所示，当磁场的方向与光纤结构所在平面平行时，该方向磁流体的折射率将减小。利用不同方向下气球状光纤结构周围的折射率差，便可以实现磁场方向的测量。
42.如图5所示，为呈环形结构矢量磁场传感器的磁场强度测量实验结果图，为了表征传感器对磁场强度的响应，将光纤传感器固定在磁场发生器的中间，磁场的方向首先垂直于呈环形结构的平面(0
°
).然后，磁场强度从0mt增加到10mt，步长为2mt。在每个测量点，记录输出透射光谱，由图5(a)可以看出传感器干涉光谱的波谷的波长位置出现明显的“红移”。然后，将光纤传感器固定在90
°
方向,不同磁场强度下记录的透射光谱如图5(b)所示。与0方向的结果相反
°
,干涉光谱的波谷的位置发生“蓝移”。图5(c)分别绘制了光纤传感器的波长随磁场强度的变化曲线。磁场方向为0
°
时，传感器的灵敏度分别为0.63nm/mt。磁场方向为90
°
，这些传感器的灵敏度分别为0.12nm/mt。
43.如图6所示，为呈环形结构矢量磁场传感器的磁场方向测量实验结果图。为了确定气球状结构对磁场方向的响应，固定磁场强度为10mt,然后以10
°
为一个步长旋转传感器得到输出光谱变化如图6(a)、(b)、(c)和(d)所示。在磁场方向0
°‑
90
°
和180
°‑
270
°
范围内,输出光谱波谷波长所在位置向短波方向偏移(蓝移)。但是，在90
°‑
180
°
和270
°‑
360
°
，输出光谱波谷波长所在位置向长波方向偏移(红移)。根据不同方向波谷波长位置的变化，便可以获取磁场方向信息。
44.如图7所示，极坐标系下气球状光纤磁场传感器输出光谱波谷位置变化图。通过将输出波谷位置变化图绘制在极坐标系下，可以更加直观的看出在不同磁场方向下波谷的位置不同。通过波谷位置变化，可以实现磁场方向的测量。
45.本技术的一种矢量磁场传感器，通过将光纤中间呈环形设置，光纤的环形外部套设有圆柱壳体，光纤的环形截面与圆柱壳体的轴线垂直，圆柱壳体内填充有磁流体，利用磁流体沿着磁场形成链结构，呈现各向异性分布，当磁场方向改变时，磁流体沿着新的磁场方向形成新的链状结构，在不同磁场情况下，磁流体在呈环形结构的光纤结构周围的折射率是不同的，利用不同方向下气球状光纤结构周围的折射率差，便可以实现磁场方向的测量，结构简单，检测准确度高，能够同时检测磁场的方向和大小，大大提高了检测效率。