一种磁场传感器的制作方法

本申请涉及磁场测量领域，特别是涉及一种利用磁致伸缩材料测量磁场的传感器以及测量方法。

背景技术：

传统的通过磁致伸缩材料测量磁场的方法是将光栅直接粘在等长磁致伸缩材料的表面。当磁致伸缩材料遇到待测磁场而发生伸缩变化时，将这种变化的飘移量传递给等长的光栅，再通过光栅的长度变化来得出待测磁场的磁场强度。然而传统的测量方式，由于磁致伸缩材料与光栅是等长的，而磁致伸缩材料的伸缩量往往很小，这就导致了光栅的伸缩量也很小。如果通过光栅这种很细微的伸缩量来判断磁场强度时，往往会出现误差而导致测量结果不准确。

技术实现要素：

本申请的目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓解上述问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种磁场传感器，包括传感器本体，所述传感器本体包括：光纤；固定套管，套设在所述光纤外侧；磁致伸缩外壳，设置在所述固定套管的外侧。

上述的磁场传感器，所述固定套管的数量为1个，且所述固定套管为弹性材料。

上述的磁场传感器，所述固定套管的数量为2个，分别套设在所述光纤外侧的两端，且所述磁致伸缩外壳分别连接所述2个固定套管。

上述的磁场传感器，所述光纤上设有光栅。

上述的磁场传感器，所述磁场传感器本体还包括：粘接剂，设置在所述光纤与所述固定套管之间。

上述的磁场传感器，所述固定套管外侧设有螺纹，所述磁致伸缩外壳的两端设有螺母。

上述的磁场传感器，所述磁场传感器包括3个所述传感器本体，且所述3个传感器本体两两之间相互垂直。

本申请所提供的磁场传感器，固定套管套设在光纤外侧，且磁致伸缩外壳设置在所述固定套管的外侧。由于磁致伸缩外壳的长度越长，其在相同磁场强度下产生的飘移量就越多。因此，当磁致伸缩外壳的长度大于光纤长度时，就能够将多于光纤长度的飘逸量通过固定套管传递给光纤，导致了光纤能够比传统方式发生更大的飘移量。即通过更大的飘移量所得出的结果也更加准确。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的磁场传感器的剖面示意图；

图2是根据本申请另一个实施例的磁场传感器的剖面示意图；

图3是根据本申请另一个实施例的磁场传感器的立体示意图。

具体实施方式

请参照图1，本申请一实施例中，磁场传感器，包括传感器本体100，所述传感器本体100包括：光纤1、固定套管2及磁致伸缩外壳3。其中，固定套管2套设在所述光纤1外侧。磁致伸缩外壳3设置在所述固定套管2的外侧。在本实施例中，所述固定套管2的数量为2个，分别套设在所述光纤1外侧的两端，且所述磁致伸缩外壳分别连接所述2个固定套管。当磁致伸缩外壳3因为处于磁场中而产生飘移量时，将该飘移量所产生的力传到两个固定套管2上。两个固定套管2就会在这个里的所用下拉拽与其连接的光纤1。然后光纤1在拉拽下发生长度变化，最后通过公式根据公式得出磁场强度。其中，H为待测磁场强度，Δλ为所述光纤的波长飘移量可通过仪器测得，λ为所述光纤的中心波长(已知或者可通过仪器测量)，Pe为所述光纤的弹光系数(已知或可通过仪器测量)，C为所述磁致伸缩外壳的伸缩系数(已知或可通过仪器测量)

本申请所提供的磁场传感器，由于磁致伸缩外壳的长度越长，其在相同磁场强度下产生的飘移量就越多。因此，当磁致伸缩外壳的长度大于光纤长度时，就能够将多于光纤长度的飘逸量通过固定套管传递给光纤，导致了光纤能够比传统方式发生更大的飘移量。即通过更大的飘移量所得出的结果也更加准确。

在本申请一实施例中，为了更好的测量光纤的飘移量，所述光纤上设有光栅4。那么也可通过公式得出磁场强度。其中，H为待测磁场强度，Δλ为所述光栅的波长飘移量，λ为所述光栅的中心波长，Pe为所述光纤的弹光系数，C为所述磁致伸缩外壳的伸缩系数。但是并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际需求不设置光栅，而直接测量光纤的各种物理参数。在本实施例中，光线上设有1个光栅，然而并不以此为限，本领域技术人员可根据实际需求设置光栅的数量，均属于本申请所要求保护的范围内。传统的电测法(基于检测电压和电流的方法)若回路中存在高频电磁干扰，或电阻元件深低温下的近藤效应和温差电效应，或低频电磁场下的磁阻效应，都将大大影响测量结果的可靠性，甚至无法使用。并且多点测量需要大量的电缆进行信息传输，布线将干扰结构性能。光纤光栅测量方法不仅克服了电测法的种种致命缺点，还带来了性能的极大提升。光纤光栅体积小，灵敏度高，深低温强电磁场干扰时仍能有效测量应力和温度，既可作为传感元件，也可作为弹性元件，可大大简化各种类型传感器的结构设计，有利于小型化。单根光纤上可设置多达上百个光栅，大大简化测量线路的布置，节约大量空间。尤其在复杂的大型超导磁体结构中，光纤光栅的上述测量特点带来了无与伦比的优势。

在上述实施例中，固定套管2的数量为2个，但并不以此为限，在本申请其他实施例中，本领域技术人员可以根据实际情况来设定固定套管2的数量，均在本申请所要求保护的范围内。请参照图2，例如当固定套管2的数量为1个时。所述固定套管为弹性材料或者弹性材料和非弹性材料的组合。此时只要固定套管2的弹性系数与光纤的弹性系数不同，也同样能够达到将长于光纤的磁致伸缩材料的变量传递给光纤的目的，在通过计算，也可得出待测磁场的强度。

在本申请一实施例中，为了更好的结合光纤1与固定套管2，磁场传感器还包括：粘接剂(图中未绘示)，设置在所述光纤1与所述固定套管2之间。在本实施例中，粘接剂为环氧树脂粘接剂，然而并不以此为限。

在本申请一实施例中，所述固定套管2外侧设有螺纹(图中未绘示)，所述磁致伸缩外壳3的两端设有螺母31。可通过调节螺母31与螺纹达到使得光纤张紧的目的。然而，并不以此为限，本领域技术人员可以根据实际情况使用任何已知的结构达到使得光纤张紧的目的，均属于本申请所要求保护的范围内。

在本申请一实施例中，磁致伸缩外壳为材料为稀土元素磁致伸缩材料。

在本申请一实施例中，光纤1的表面涂有聚合物涂覆层，以加强光纤1能够承受的轴向拉力。

请参照图3，在本申请一实施例中，所述磁场传感器包括3个所述传感器本体100及基座200，且所述3个传感器本体两两之间相互垂直。通过立体结构磁场传感器，既可测出空间的任何一点的磁场强度(大小及方向)。但是，本领域技术人员可根据实际需求不设置基座，均在本申请所要求保护的范围内。

本申请一实施例中，提供了一种磁场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S2：在光纤的外侧套设固定套管；

S4：在所述固定套管的外侧设置磁致伸缩外壳；

S6：根据公式得出磁场强度，其中，

H为待测磁场强度

Δλ为所述光纤的波长飘移量

λ为所述光纤的中心波长

Pe为所述光纤的弹光系数

C为所述磁致伸缩外壳的伸缩系数

本申请一实施例中，包括如下步骤：

S2：在光纤的内侧设置光栅；

S4：在所述光纤的外侧套设固定套管；

S6：在所述固定套管的外侧设置磁致伸缩外壳；

S8：根据公式得出磁场强度，其中，

H为待测磁场强度

Δλ为所述光栅的波长飘移量

λ为所述光栅的中心波长

Pe为所述光纤的弹光系数

C为所述磁致伸缩外壳的伸缩系数

本申请使用磁致伸缩材料或者掺入了稀土元素的超磁致伸缩材料，其内部存在力、磁、热的耦合作用，若不考虑温度效应，或温度变化较弱，可只考虑力磁耦合效应，要获得其最大磁致伸缩系数需要施加一定的压力。本专利设计的带螺纹金属细管起到了两个关键的作用。如图，带螺纹的金属套管通过粘接剂与光纤稳固粘连，金属套管一方面的增强了所在区域的拉压刚度，光纤受拉后该区域伸长变形量可忽略。另一方面其螺纹通过螺母可有效传递轴向力，并且非常方便调节螺母位置，实现磁致伸缩材料的预应力施加。

所设计的传感器处于磁场环境中时，磁致伸缩材料将会沿着其轴向长度产生伸缩，伸缩量与材料的磁场伸长系数和磁场在材料长度方向的投影相关。磁致伸缩材料伸长后将会产生推力，推动螺母往向两端移动，从而将拉力有效传递到光纤中。金属细管包覆的区域由于拉压刚度非常大，其变形量可忽略，绝大部分变形量将全部由光栅区的光纤承担，从而实现所谓的变刚度增敏，即大部分磁场导致的磁致伸缩变形转移到光纤中很小一部分的光栅区。其增敏系数与金属细管长度、光栅区长度、磁致伸缩套管长度有关。

若已知磁场方向(如通电螺线管中心)，将传感器平行磁场方向放置，标定后能够直接测量磁场大小。若磁场方向未知，则需要利用如图3所示的三传感器组合结构进行测量，通过对磁场在空间相互垂直的三个方向分量大小的测量来确定其大小和方向。单纤多点测量的如图2所示，可在光纤上间隔设置多个该传感器。

传统的测量方法只能将例如10厘米的光纤贴在10厘米的磁致伸缩材料上，当10里的磁致伸缩材料发生变化而涨到11厘米时，此时光纤也从10厘米被拉伸至11厘米。于是使用Δλ/λ＝1/10＝0.1的数值计算得出磁场。而本申请所提供的磁场传感器以及磁场测量方法，固定套管套设在光纤外侧，且磁致伸缩外壳设置在所述固定套管的外侧。由于磁致伸缩外壳的长度越长，其在相同磁场强度下产生的飘移量就越多。因此，当使用100厘米长的磁致伸缩外壳以及10厘米长的光纤时，就能够将100厘米磁致伸缩外壳所产生的长度变化(10厘米)传递至光纤。即光纤从10厘米被拉长至20厘米。因此Δλ/λ＝(20-10)/10＝1。这样的准确率是传统方法的10倍。当然上述只是举例来说本申请的有益效果，其具体数值并不是上述举例中所述的数值。

本申请的上述说明以及说明书附图中的图示都是以一整根光纤为例，然而并不以此为限。本申请所使用的原理是利用产生长度变化的光纤进行计算，因此只有长度变化的光纤才是必要的。至于固定套管2所固定的那部分则不一定是光纤，也可以是其他材料与产生长度变化的光纤拼接而成，这都属于本申请所要求保护的范围。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。