具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法

本发明属于传感器，涉及一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法。

背景技术：

1、磁场传感器在科学和工业应用中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于电力系统监测、地质勘探、生物医学检测和航空航天领域。传统电学磁场传感器基于霍尔效应、磁阻效应、磁通门等原理，具有绝缘结构复杂、易受电磁干扰影响、频率响应差等缺点，无法满足复杂感知场景下安全、可靠的传感需求。在众多可用的磁场传感器中，基于法拉第旋光效应的磁光晶体式光学磁场传感器因其具有体积小、重量轻、全绝缘、抗电磁干扰、动态范围宽等独特优势而受到越来越多的关注。然而，磁光晶体的费尔德系数受温度的影响，将温度干扰耦合至磁场测量，降低了传感器磁场测量的精确度。为跟踪温度变化以修正温度干扰，现阶段光纤磁场传感器基本采用温度-磁场双参数复合传感的方法。

2、考虑到基于法拉第旋光效应的磁光晶体式光学磁场传感器是强度调制型，光源光强波动和光纤的弯曲损耗对磁场测量结果也会造成一定影响。此外，还需考虑整个测量系统的经济性问题，为实现多点温度和磁场传感，将单点式传感系统进行简单的叠加所需成本过高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统及方法。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一方面，本发明提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感系统，包括多点式温度-磁场传感结构、数据采集与处理单元；

4、所述多点式温度-磁场传感结构用于对温度和磁场进行多点感知，并传输至数据采集与处理单元；

5、所述数据采集与处理单元中搭载有多点磁场感知的温度补偿模块、光强波动下磁场感知的修正模块；

6、所述多点磁场感知的温度补偿模块用于将各点温度测量值补偿于各点磁场测量值，抑制温度波动对磁场测量的干扰；

7、所述光强波动下磁场感知的修正模块从反射光谱中获取局部反射光强变化与反射峰值波动信息，用于判别各传感单元的入射光强是否发生波动，利用光强波动下的磁场感知的修正方法，抑制光强变化对磁场测量的影响。

8、进一步，所述多点式传感结构包括宽带激光光源、环形器、分束器、复合传感单元、光开关、fbg解调仪和光电探测器；所述复合传感单元包括输入端准直器、光纤布拉格光栅、起偏器、磁光晶体、检偏器和输出端准直器；

9、所述宽带激光光源发出宽带光，经过环形器传递至分束器中，分成n条光路入射至多个复合传感单元的输入端准直器；满足特定中心波长的光被光纤布拉格光栅反射回输入端准直器，通过分束器耦合成一路光，经环形器输入fbg解调仪中生成反射光谱，当温度发生变化时，光纤布拉格光栅的中心波长发生偏移，通过计算得到反射光谱峰值对应的中心波长的偏移量，进而解调出温度值；而其余波长的光透射至起偏器，经过磁光晶体、检偏器和输出端准直器，并经光开关以选通的方式将多点输出光依次输入至光电探测器中进行光强测量，进而支撑多点磁场的感知。

10、进一步，所述多点式传感结构中，为实现多点温度解调，选用多个中心波长存在差异、反射谱不发生重叠的光纤布拉格光栅进行温度的测量；首先，通过fbg解调仪获取反射光谱峰值所对应的波长数据，即光纤光栅中心波长值λctr,re-i＝1,…,n，其中n为传感点数，通过与参考温度t0下的中心波长值λctr0,re相减，提取出各光栅中心波长的数据偏移值的集合：

11、{δλb-i＝λctr,re-i-λctr0,re-i|i＝1,...,n}

12、根据各波长的偏移值求解出各点温度的变化值δti，确定出各点温度值{ti＝t0-i+δti|i＝1,…,n}

13、最终得到多点式传感结构下各点的温度表达式为：

14、

15、式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；

16、多点式传感结构的磁场感知依赖于出射光强iout-i＝1,…,n的测量，利用光开关选通不同传感单元出射的透射光，实现多点磁场的感知，多点传感结构下各点的磁场表达式为：

17、

18、式中，v为磁光晶体的费尔德系数，l为光束在磁光晶体中的有效光程，iin-i为第i条支路的总输入光强，ire-i为第i条支路的反射光强。

19、进一步，所述多点磁场感知的温度补偿模块通过下式计算得到受温度影响下测量磁场值：

20、

21、式中，a与b的大小与材料结构有关。

22、进一步，所述光强波动下磁场感知的修正模块首先对光强波动进行判别，再修正光强扰动下磁场测量值，具体如下：

23、通过fbg解调仪获取反射光谱数据(λ,s(λ))，首先利用寻峰算法获取反射光谱中多个峰值点的数据集合{(λctr,re-i,sctr,re-i)|i＝1,...,n}，以无波动条件下峰值点的数据值{(λctr0,re-i,sctr0,re-i)|i＝1,...,n}作为基准量；同时，反射谱线与波长量所围成形状的面积为反射谱面积，通过对反射谱线进行局部积分得到局部反射光强大小，表示为

24、

25、式中，λi-1和λi-2分别为第i个反射谱的起始、结束积分的波长，si(λ)为fbg解调仪输出的第i个传感单元的反射光谱；将多个光栅的局部反射谱进行积分，构建出多点传感系统下局部反射光强的集合为{ire-i|i＝1,...,n}，设定无波动条件下局部反射光强作为基准量，其基准集合为{ire0-i|i＝1,...,n}；

26、当某点传感单元的光强受到扰动时，峰值点、局部反射光强都将偏离基准值，并且两个参量满足与逻辑，设定出各点光强扰动的判定关系式为：

27、

28、其中，设定各点峰值判定阈值、局部反射光强判定阈值分别为基准量的kth，当上式成立时，判断为局部某点光强发生了波动，并且需要对该点磁场测量进行修正；当各点峰值量、局部反射光强满足同步变化时，判定为整体传感系统的光强受扰动，需要对所有测点的磁场同步进行修正；

29、当因光源波动和光纤弯曲损耗引起反射峰峰值功率发生波动时，定义出反射峰峰值功率波动系数：

30、

31、当因光源波动和光纤弯曲损耗引起局部反射光强发生波动时，定义出局部反射光强的波动系数：

32、

33、联合考虑各点反射峰峰值功率的波动系数与局部反射光强的波动系数，构建出各传感单元的输入光强补偿系数ki的定义：

34、

35、将得到的补偿系数ki代入原磁场解调式中，获取修正后的磁场解调模型：

36、

37、通过上式去除温度与光强扰动对磁场测量的干扰，实现多点磁场的准确测量。

38、另一方面，本发明提供一种具备抗温度与光强波动干扰的多点式光纤磁场传感方法，包括以下步骤：

39、s1：制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，以此作为基本温度-磁场双参数传感单元；

40、s2：搭建多点式温度-磁场传感系统，以实现多点温度、磁场的双参量感知；

41、s3：利用所获取的各点温度值计算温度补偿后的磁场测量值；

42、s4：判别光强是否发生波动，并根据波动情况进行光强补偿；

43、s5：将所搭建的传感系统应用于电力设备上，以实现电力设备内部多点温度、磁场双参数感知。

44、进一步，步骤s1所述制备出光纤光栅与磁光晶体的复合结构器件，具体包括以下步骤：

45、s11：制备多个不同中心波长、反射率相差悬殊、反射光谱不重叠的光纤光栅；

46、s12：对不同磁光晶体的类型进行选择，选择具备高费尔德系数值的磁光晶体材料作为目标晶体材料；

47、s13：将光纤光栅、磁光晶体、输入端准直器、输出端准直器、起偏器、检偏器通过微加工的方式制备成小尺寸；

48、s14：将光纤光栅处理、加工，插入至输入端准直器中并进行固定，使其完整地封装于准直器内部；

49、s15：完成各器件单元的组装、光路调试与封装；

50、s16：对传感单元的外观、结构进行检查，并对其传感性能展开试验测试，进而完成光纤光栅-磁光晶体复合结构传感单元的制备。

51、进一步，步骤s2所述搭建多点式温度-磁场传感系统，具体包括：

52、s21：搭建光路系统，将宽带激光光源发出光束依次传输至环形器、分束器、多点温度-磁场的复合传感单元、fbg解调仪、光开关、光电探测器中；特定中心波长的入射光首先在复合传感单元中光纤光栅处发生反射，其余波长的光将继续透射至磁光晶体中；

53、s22：将环形器输出的反射光输入至fbg解调仪中，并选择性地将光开关的输出透射光传递至光电探测器中，将fbg解调仪与光电探测器中的数据输出至数据采集与处理单元进行处理；

54、s23：获取fbg解调仪所测量到的光纤光栅反射谱线数据(xi,yi)re-i＝1,...,n，并从中求解出反射谱中峰值所对应的横坐标数据，即fbg光栅中心波长值λctr,re-i＝1,,n，将该波长值与参考温度t0下的中心波长值λctr0,re-i＝1,...,n进行相减，获取温度变化下的波长变化量；

55、s24：控制光开关实现多点传感单元中特定点的光线输入至光电探测器中，并采集光电探测器的输出光强信号，再对其原始信号进行滤波、降噪处理；

56、s25：依据多点式传感结构下温度-磁场双参量传感模型，设计出双参量求解算法，将各波长偏移量代入至传感算法中求解出各点的温度值，再将处理后的光强数据代入至传感算法中求解出初始磁场量，具体如下：

57、多点式传感结构下各点的温度表达式为：

58、

59、式中，ξ表示热光系数，α表示热膨胀系数；

60、多点传感结构下各点的磁场表达式为：

61、

62、式中，v为磁光晶体的费尔德系数，l为光束在磁光晶体中的有效光程，iin-i为第i条支路的总输入光强，ire-i为第i条支路的反射光强。

63、进一步，步骤s3中，引入所求解到的各点实时温度值对初始磁场进行修正，以实现磁场测量的温度补偿：式：

64、

65、式中，a与b的大小与材料结构有关。

66、进一步，步骤s4中，从反射光谱中获取多点反射峰峰值集合{sctr,re-i|i＝1,...,n}、局部反射光强集合{ire-i|i＝1,...,n}，并与光功率不发生波动情况下的基值进行对比，判别光强是否发生波动；当光强发生波动时，依据所建立的磁场感知修正模型，实现磁场测量的光强补偿；

67、

68、其中反射峰峰值功率波动系数

69、局部反射光强的波动系数

70、各传感单元的输入光强补偿系数

71、本发明的有益效果在于：本发明不仅实现多点温度与磁场信息的同步测量，还解决了磁场测量过程中受到温度干扰与光功率波动的问题，可在复杂电磁环境下准确监测磁场参量，应用优势显著。

72、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。