一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪的制作方法

本发明涉及军事、工业对冰的相对介电常数测量技术领域，特别是一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪对南极冰样的相对介电常数测量。

背景技术：

人类踏上南极大陆已经有几十年的历史了，我们已经知道，南极是一块被冰雪严严实实覆盖着的广阔大陆。南极大陆总面积1400万平方千米，裸露的山岩的面积还不到7％，其余超过93％的地方全都覆盖着厚厚的冰雪。从高空俯瞰，南极大陆是一个高原，中部隆起，向四周逐渐倾斜。终年不化的冰层巨大而深厚，就像一个银铸的大锅盖，将南极罩得严严实实。南极冰盖十分厚重，它的平均厚度为2000米，最厚的地方甚至达到了4800米。当南极处于冬季时，海洋中的海水全部都成了海冰。大陆冰盖与海冰连为一体，形成一个巨大的白色水源，面积超过3300万平方千米。人们经过考察发现，南极大陆蕴藏着很多宝贵的资源。南极石油储量十分惊人，仅南极大陆西半部分，蕴藏的石油可能相当于目前世界年产量的2～3倍。此外，约200余种金、铂、铜、镍、铝、锰、钼、钴、铀等之类的放射性矿物也陆续在南极被人们发现。所以说南极冰盖是一份珍贵的地球档案，由于它是在低温环境下经过千百万年的日积月累形成的，因此从中可以发现大量的地球演变信息。

一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，旨在解决极地冰盖等极寒地区冰原深部冰的介电常数测量，通过不同的介电常数反应冰层内部含氧情况、冰体滑移等情况，对年代断定、远古地球变化程度、对冰下矿藏等方向具有极其重要的意义。传统方法在精度上以及耐低温程度上均不能满足目前的需求。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，用于冰样相对介电常数的测量，重点解决南极低温恶劣环境下对冰洞或冰样相对介电常数的检测、可靠性及测量精度等问题。

为达上述目的，本发明具体提供一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，其特征在于包括：电磁波发射源、屏蔽装置、应力放大装置、光纤磁致伸缩传感器、高分辨率激光调制解调器。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述仪器置于冰样表面，使电磁波沿冰表面传播，调制的电磁波的位相将发生不同的变化，再通过应力放大系统作用于光纤传感器，由于应力变化致使相位发生变化，将导致光纤传感器对其传输的调制的光的相位亦发生变化，解调出对应关系，实现测量过程。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述光纤磁致伸缩传感器用于测量位相变化，光纤传感器会根据所测试的外部环境参数的变化来改变其传播的光波的一个或几个属性，比如强度、相位、偏振状态以及频率等。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述光纤磁致伸缩传感器由FBG和磁敏材料结合而成，根据磁场的变化使FBG进行拉伸或者压缩，从而提高灵敏度。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述光纤磁致伸缩传感器采用饱和磁致伸缩系数可达10^-2数量级的TbDyFe作为靶材，从而能高效地实现磁能到机械能的转换。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述光纤磁致伸缩传感器是带有微结构的光纤布拉格光栅，是采用飞秒激光脉冲在刻写有FBG的单模光纤包层上加工螺旋微结构，此种微结构能改善光纤轴向伸缩性，增加薄膜沉积的表面积，从而提高传感器的磁场敏感性。

在上述基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，优选的，所述光纤磁致伸缩传感器是采用磁控溅射方法在具有螺旋微槽的光纤包层表面上溅射TbDyFe磁致伸缩膜。

本发明所提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪的检测手段异于感应波介电测井方法，以光纤磁致伸缩传感器代替线圈作为接收器，大大缩减了体积同时提高了测量精度，更好的解决了在低温环境下仪器的可靠性等问题。可在地质领域有广泛的应用，尤其是南极科考及冰川覆盖区域做物探使用，可测量冰和岩石等介质的相对介电常数，具有产业化机制，对于保障新矿藏的探测和矿产资源的综合开发与利用具有广泛的利用价值。从地质构造讲，冰川下可开采的矿产资源潜力巨大，能够形成较大的市场规模与效益。这对于保障国家安全和促进社会可持续发展具有重大的战略意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪的结构示意图。

图2为本发明提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪的磁致伸缩光纤传感器结构示意图。

其中，1.电磁波源，2.屏蔽装置，3.应力放大器，4.磁致伸缩光纤传感器，5.光纤调制解调器，6.泵浦光源，7.冰样，8.光纤包层，9. FBG，10.螺旋微结构。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

请参考图1所示，本发明具体提供一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，其特征在于包括：电磁波源1、屏蔽装置2；应力放大器3；磁致伸缩光纤传感器4；光纤调制解调器5；泵浦光源6；冰样7。

在上述实施例中，所述电磁波源1置于仪器一端，发射50MHz的电磁波，为仪器提供工作磁场。

在本发明一优选的实施例中，所述屏蔽装置2用于屏蔽电磁波源1所发射的空间传播的电磁波。

在本发明一优选的实施例中，所述应力放大器3用于放大沿冰表面传播过来的电磁波，为磁致伸缩光纤传感器4提供应变所需动力信号。

在本发明一优选的实施例中，所述磁致伸缩光纤传感器4用于检测电磁波相位的变化，再通过光纤调制解调器5中的信号解调系统解调出相位与光学参数的关系，经上位机处理得到被测介质的相对介电常数。泵浦光源6为磁致伸缩光纤传感器4提供光学信号源。

再请参考图2所示，本发明具体提供一种基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪的磁致伸缩光纤传感器结构，其特征在于包括：光纤包层8， FBG9，螺旋微结构10。

在上述实施例中，所述螺旋微结构10是采用飞秒激光脉冲在刻写有FBG 9的单模光纤包层8上加工出带有一定螺距的螺旋微结构。再通过磁控溅射方法在其上溅射磁致伸缩TbDyFe膜。微结构能改善光纤轴向伸缩性，增加薄膜沉积的表面积，从而提高探头的磁场敏感性。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，采用磁致伸缩光纤传感器代替了电磁线圈作为接收器，缩减体积的同时提高了仪器的灵敏度和测量精度。

2、本发明提供的磁致伸缩光纤传感器，采用溅射薄膜工艺完成磁感材料与光纤光栅的结合，避免了胶水黏结带来的干扰因素。

3、本发明提供的磁致伸缩光纤传感器，采用飞秒激光脉冲技术在光纤包层上加工螺旋微结构，增加了磁感材料的沉积面积，改善了光纤的轴向伸缩性。

4、本发明提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，解决了对南极冰样的相对介电常数测量，通过不同的介电常数反应冰层内部含氧情况、冰体滑移等情况，对年代断定、远古地球变化程度以及对研究冰下矿藏等方向具有极其重要的意义。

5、本发明提供的基于磁致伸缩光纤传感器的相对介电常数测量仪，不仅可以测量冰的相对介电常数，也可对其他介质的相对介电常数进行测量，具有更好的适应性与更广阔的应用领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。