一种光纤矢量声磁复合传感器的制作方法

本发明涉及一种光纤传感器，特别涉及一种基于光纤的能对矢量声场、磁场同点复合测量的传感器。

背景技术：

随着水下目标隐身技术的发展，基于声场、磁场等单一目标特性的探测手段面临越来越严峻的挑战，水下目标综合物理场联合探测技术应运而生。

光纤传感器以其结构轻巧、成本低、易于大规模成阵、环境适应性强等优点成为行业关注的热点。

目前采用光纤传感技术进行声磁探测主要以声、磁分别测量为主。国防科技大学胡永明等报道了一种光纤矢量水听器(胡永明等，“光纤矢量水听器研究进展”，中国声学学会2006年全国声学学术会议，厦门，2006，pp.129-130)，该矢量水听器采用三个光纤干涉仪作为光纤加速度计进行声场矢量信息测量。哈尔滨工程大学吕文磊设计了一种压差式光纤矢量水听器(吕文磊.压差式光纤矢量水听器基元和测试技术[d].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009)，该传感器同样只能对声场矢量信息进行测量，不能同时测量磁场矢量信息。中国科学院半导体研究所马瑞等人在《基于超磁致伸缩材料的光纤磁场传感器》(马瑞等，郑州大学学报(工学版)，2019，40(6),pp.6-10)中设计了一种将光纤光栅法布里-珀罗腔和超磁致伸缩材料耦合作为传感元件，并采用钕铁硼永磁体提供偏置磁场的光纤磁场传感器。该传感器可以测量磁场信息，但无法测量声场信息。陈耀飞等人在专利《一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法》(专利申请号：201811600803.5)中设计了一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器。该传感器可以对磁场矢量信息进行测量，但无法同时测量声场矢量信息。

目前尚没有基于光纤传感技术的能同时对矢量声场、磁场进行同点复合测量的传感器的公开报导。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：

提供一种光纤矢量声磁复合传感器，解决现有光纤传感器不能同点复合探测矢量声场、磁场的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明光纤矢量声磁复合传感器由球形安装外壳、三维光纤矢量水听器和三维光纤矢量磁场传感器组成。三维光纤矢量水听器和三维光纤矢量磁场传感器两者一体封装于球形安装外壳内。

三维光纤矢量磁场传感器由1个金属立方块、6根圆柱体支柱、6个磁致伸缩圆筒、6个圆筒固定螺丝、6个磁场迈克尔逊干涉仪组成。6根圆柱体支柱通过螺纹固定在金属立方块的6个面上，6个磁致伸缩圆筒分别同轴套在6根圆柱体支柱外侧，并分别通过圆筒固定螺丝固定在6根圆柱体支柱上(磁致伸缩圆筒在磁场作用下形变，圆筒固定螺丝在轴向限制磁致伸缩圆筒的形变，使磁致伸缩圆筒只能在径向发生形变)。6个磁致伸缩圆筒分别套在6根圆柱体支柱后构成了三维光纤矢量磁场传感器在笛卡尔坐标系的x+轴、x-轴、y+轴、y-轴、z+轴、z-轴,6个磁场迈克尔逊干涉仪分别安装在三维光纤矢量磁场传感器的x+轴、x-轴、y+轴、y-轴、z+轴、z-轴上。

金属立方块由无磁钢材料制成，为立方体形状，边长为d1，5mm≤d1≤50mm。金属立方块的6个面的中心各挖有第一内螺孔，第一内螺孔直径为d2，d2<d1,深度为h1,h1<d1/2。

圆柱体支柱由无磁钢材料制成，6根圆柱体支柱通过第一外螺丝固定在金属立方块的6个面上(第一外螺丝拧入第一内螺孔5-3-1-1，将圆柱体支柱固定在金属立方块上)。6根圆柱体支柱完全相同，均由2段直径不同的圆柱即粗圆柱和细圆柱组成，圆柱体支柱总长度为l1，2d1≤l1≤200mm。粗圆柱的一端连接有第一外螺丝。通过第一外螺丝与第一内螺孔的连接，圆柱体支柱固定在金属立方块的一个面上，圆柱体支柱的中轴线与金属立方块的这个面垂直。粗圆柱长度为l2，满足l1/2≤l2<l1，直径＝d1。细圆柱与粗圆柱同轴相连，长度为l3，l3＝l1-l2且l3≤l2，直径为d3，d3<d1。细圆柱的另一端端面(远离粗圆柱的端面)开有第二内螺孔，第二内螺孔直径为d4，d4<d3，深度为h2，h2<l3。6根圆柱体支柱的细圆柱外侧套有磁致伸缩圆筒。

磁致伸缩圆筒是由磁致伸缩材料制成的无盖圆筒，长度＝l3，外径＝d1，内径＝d3。磁致伸缩圆筒同轴套在细圆柱外侧。

圆筒固定螺丝由圆柱体、第二外螺丝组成。圆柱体高度为l4,2mm≤l4≤20mm，直径＝d1。圆柱体一端连接第二外螺丝，另一端开有一个第三内螺孔。待磁致伸缩圆筒套至圆柱体支柱后，圆筒固定螺丝的第二外螺丝插到圆柱体支柱的第二内螺孔中，使得磁致伸缩圆筒固定在圆柱体支柱上，且圆筒固定螺丝在轴向限制磁致伸缩圆筒的形变。第二外螺丝直径＝d3，高度＝h2。第三内螺孔直径为d5，d5<d1，深度为h3，h3<l4，用于将整个声磁传感单元与球形安装外壳固定。

磁场迈克尔逊干涉仪由第一3db光纤耦合器、磁场传感臂光纤、磁场参考臂光纤组成。磁场传感臂光纤与磁场参考臂光纤均为抗弯曲单模光纤，初始长度均为l0(l0不小于磁场传感灵敏度需求，见式(1))，两者的一端均镀有光学反射薄膜，另一端分别用光纤熔接机与第一3db光纤耦合器的第一端口和第二端口熔接。每根磁场传感臂光纤以镀有光学反射薄膜的一端为起点从磁致伸缩圆筒靠近圆筒固定螺丝一端为起点顺时针(从圆筒固定螺丝一端俯视)缠绕于磁致伸缩圆筒的外侧面(如图2所示，从d端缠绕至c端)。磁场传感臂光纤在磁致伸缩圆筒外侧上共缠绕n1圈(见式(2))。磁场传感臂光纤的两端用胶水固定在磁致伸缩圆筒的外侧面。磁场参考臂光纤以镀有光学反射薄膜的一端为起点从粗圆柱靠近磁致伸缩圆筒一端为起点顺时针(从圆筒固定螺丝一端俯视)缠绕于粗圆柱的外侧面。磁场参考臂光纤在粗圆柱的外侧面的缠绕范围限定在从靠近磁致伸缩圆筒一端为起点，到距离起点l3长度处截止。磁场参考臂光纤在粗圆柱的外侧面上同样缠绕n1圈。磁场参考臂光纤的两端用胶水固定在粗圆柱的外侧面。

6个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤分别缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的x+轴、x-轴、y+轴，、y-轴、z+轴、z-轴。即：第一个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的x+轴；第二个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的x-轴，第三个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的y+轴，第四个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的y-轴，第五个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的z+轴，第六个磁场迈克尔逊干涉仪的磁场传感臂光纤和参考臂光纤缠绕在三维光纤矢量磁场传感器的z-轴。

三维光纤矢量磁场传感器置于磁场中时，将引起磁致伸缩圆筒的外径变化，进而导致磁场传感臂光纤长度变化。磁场传感灵敏度m1与缠绕圈数n1近似满足如下关系式：

l0>n1*π*d1(1)

式中n0表示为磁场传感臂光纤纤芯折射率，k1＝δv/t，表示磁致伸缩圆筒体积v的变化与引起该变化的磁场强度t比值，由磁致伸缩圆筒的材料磁致伸缩特性决定，当磁致伸缩材料确定后，k1为一常数；λ表示入射至磁场传感臂光纤中的激光波长。

三维光纤矢量水听器由空心质量块、6个弹性支柱和3个声场迈克尔逊干涉仪组成。6个弹性支柱用胶水粘接在空心质量块的6个面上，弹性支柱的轴线与空心质量块相连的面垂直。

空心质量块为无磁钢材料制备的正方体模具，边长为d6，满足d1+10mm<d6<4*d1。从空心质量块的6个顶面俯视，其顶面中心均有1个正方形通孔。正方形通孔的边分别与空心质量块的顶面的边平行，正方形通孔边长为d7，满足d1+5mm<d7<d6，深度＝d6；空心质量块的6个顶面均开有一个圆形凹槽，圆形凹槽外径为d9，满足d9>1.42*d7，宽度为h4、满足0.5mm≤h4≤4mm，深度为h7，满足0.2mm≤h7≤2mm，从空心质量块的顶面俯视，正方形通孔处于圆形凹槽的中心。

为了将三维光纤矢量磁场传感器安装在三维光纤矢量水听器内部，将空心质量块沿aa向剖成第一质量块和第二质量块。第一质量块与第二质量块关于xoz平面对称。金属立方块置于空心质量块的空心位置处。

第一质量块与aa剖面有四个第一正方形相交面，分别为ee1e3e2、ff2f3f1、gg1g3g2、hh2h3h1，四个第一正方形相交面边长均为d8，d8＝(d6-d7)/2。e3f3g3h3四点围成一个第一正方形通孔，第一正方形通孔边长＝d7,深度为d12,d12＝d6/2(为正方形通孔的一半)。四个第一正方形相交面两两之间为第一长方形凹槽(共四个)，第一长方形凹槽深度均为d10,d10＝d7/2，长度＝d8，宽度＝d7。

第二质量块与第一质量块关于xoz平面对称。第二质量块与aa剖面同样有四个第二正方形相交面，分别为e’e1’e3’e2’、f’f2’f3’f1’、g’g1’g3’g2’、h’h2’h3’h1’，四个第二正方形相交面边长均＝d8。e3’f3’g3’h3’四点围成一个第二正方形通孔，第二正方形通孔边长＝d7,深度＝d12。四个第二正方形相交面两两之间为第二长方形凹槽(共四个)，第二长方形凹槽深度均＝d10，长度＝d8，宽度＝d7。

三维光纤矢量磁场传感器的1根圆柱体支柱(y+轴)从第一质量块的aa向剖面处放进第一正方形通孔内，4根圆柱体支柱(x+轴、z+轴、x-轴、z-轴)放入第一长方形凹槽中。第6根圆柱体支柱(y-轴)从第二质量块的aa向剖面处沿第二正方形通孔穿出。第二质量块的四个正方形相交面与第一质量块的四个正方形相交面通过胶水粘接成空心质量块。至此，三维光纤矢量磁场传感器被置入空心质量块之内。

弹性支柱由弹性圆筒和金属圆板组成。弹性圆筒由弹性体材料(如：sebs即以聚苯乙烯为末端段，以聚丁二烯加氢得到的乙烯-丁烯共聚物为中间弹性嵌段的线性三嵌共聚物、tpe即热塑性弹性体等)制成，外径＝d9，壁厚＝h4，长度为l5，l5>l1+h7-d5/2，弹性圆筒靠近一端的筒壁上开有一个光纤通孔，直径满足2根抗弯曲光纤通过即可。弹性圆筒一端用胶水粘接金属圆板。金属圆板直径＝d9，厚度为h5，h5<l1+l4+h7-l5-d5/2。金属圆板中心开有金属圆板通孔，金属圆板通孔直径＝d1。

第一3db光纤耦合器的第一输入端口光纤和第一输出端口光纤从光纤通孔穿出，将弹性支柱从远离金属圆板的一端同轴套于圆柱体支柱(包括与圆柱体支柱固定连接的磁致伸缩圆筒、圆筒固定螺丝和磁场迈克尔逊干涉仪)的外侧，金属圆板通孔通过胶水粘接在圆筒固定螺丝的外侧面上。

声场迈克尔逊干涉仪由第二3db光纤耦合器、2根声场传感臂光纤组成。2根声场传感臂光纤均为抗弯曲单模光纤，初始长度均为l6(见式(3))，其一端各镀有光学反射薄膜，另一端分别用光纤熔接机与第二3db光纤耦合器的第三端口和第四端口熔接。

一根声场传感臂光纤以镀有光学反射薄膜的一端为起点从x+(y+或z+)方向的弹性支柱靠近空心质量块一端为起点顺时针(从粘接金属圆板的一端俯视)缠绕于弹性支柱的外侧面。声场传感臂光纤在弹性支柱外侧面共缠绕n2圈(见式(4))。另一根声场传感臂光纤以同样的方式在与x-(y-或z-)方向的弹性支柱外侧面共缠绕n2圈。

3个声场迈克尔逊干涉仪的6根声场传感臂光纤分别缠绕在三维光纤矢量磁场水听器的x+轴、x-轴、y+轴，y-轴、z+轴、z-轴。即：第一个声场迈克尔逊干涉仪的两根声场传感臂光纤分别缠绕在三维光纤矢量水听器的x+轴和x-轴，第二个声场迈克尔逊干涉仪的两根声场传感臂光纤分别缠绕在三维光纤矢量水听器的y+轴和y-轴，第三个声场迈克尔逊干涉仪的两根声场传感臂光纤分别缠绕在三维光纤矢量水听器的z+轴和z-轴。

声场传感灵敏度δa表示声场加速度的变化，表示声场加速度变化带来的光波相位变化。

声场传感灵敏度ma与缠绕圈数n2近似满足如下关系式(根据文献(胡曦文，基于光纤加速度计的矢量水听器研究[d].长沙：国防科技大学，2007)推导)：

l6>n2*π*d9(3)

式中ns表示声场传感臂光纤的纤芯折射率，λ表示入射至声场传感臂光纤的激光波长，e、μ分别表示弹性圆筒杨氏模量和泊松比，m表示空心质量块的质量。

至此，三维光纤矢量水听器和三维光纤矢量磁场传感器已连接固定在一起。

球形安装外壳为无磁钢材料，内直径为d11，d11满足容纳一体封装后的三维光纤矢量水听器和三维光纤矢量磁场传感器，即d11满足公式(5)和公式(6)

且

壳体厚度为h6，合理调节h6，使光纤矢量声磁复合传感器在工作介质(光纤矢量声磁复合传感器所处工作环境中的介质，如在水中工作，工作介质指水)中为零浮力，即h6满足公式(7)

式中，m1表示球形安装外壳内部的声磁复合传感单元重量，ρ球壳表示球形安装外壳材料密度，ρ工作介质表示工作介质密度；

球形安装外壳的中心点为笛卡尔坐标系的原点，球形安装外壳与笛卡尔坐标系三根坐标轴的6个交点(x+、y+、z+、x-、y-、z-)处各开有第四内螺孔，第四内螺孔直径＝d5。在球形安装外壳的z+点附近处开有一个壳体通孔，壳体通孔直径为d12(满足18根抗弯曲光纤通过即可)，用于6个第一3db光纤耦合器的输入端口光纤和输出端口光纤和3个第二3db光纤耦合器的第二输入端口光纤和第二输出端口光纤从壳体通孔穿出球形安装外壳。三维光纤矢量水听器和三维光纤矢量磁场传感器置于球形安装外壳内，用螺丝连接第四内螺孔和第三内螺孔，将三维光纤矢量磁场传感器与球形安装外壳固定。

采用本发明的声磁测量装置包括：rio激光器、光隔离器、1×9光纤耦合器、9×1光纤耦合器、光纤矢量声磁复合传感器、光电探测器、数据采集及信号处理装置。

采用了本发明的声磁测量装置的工作过程是：

第一步，rio激光器1输出1550nm的激光；

第二步，光隔离器2对rio激光器1进行保护，1×9光纤耦合器3将激光分成9路光，并将9路光分别输出给本发明光纤矢量声磁复合传感器5的6个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5和3个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3；

第三步，第一磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第1路光(从上向下数)进行调制(调制机理如下：受外界磁场的影响，磁致伸缩圆筒5-3-3发生形变，导致磁场传感臂光纤5-3-5-2长度发生变化，该变化信息被加载至第一个磁场迈克尔逊干涉仪的输出光上)；

第三步，9×1光纤耦合器4的第一个通道接收来自第一个磁场迈克尔逊干涉仪的携带x+轴向磁场强度信息的光；

第四步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第五步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出x+轴向磁场强度；

第六步，第二个磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第2路光(从上向下数)进行调制；

第七步，9×1光纤耦合器4的第二个通道接收来自第二个磁场迈克尔逊干涉仪的携带x-轴向磁场强度信息的光；

第八步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第九步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出x-轴向磁场强度；

第十步，数据采集及信号处理装置7对第五步获取的x+轴向磁场强度和第九步获取的x-轴向磁场强度求差，获取x轴向磁场强度梯度；

第十一步，第一个声场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第3路光(从上向下数)进行调制；

第十二步，9×1光纤耦合器4的第三个通道接收来自第一个声场迈克尔逊干涉仪的携带受x轴向加速度调制的光；

第十三步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第十四步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出x轴向声场加速度。

第十五步，第三个磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第4路光(从上向下数)进行调制；

第十六步，9×1光纤耦合器4的第四个通道接收来自第三个磁场迈克尔逊干涉仪的携带y+轴向磁场强度信息的光；

第十七步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第十八步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出y+轴向磁场强度；

第十九步，第四个磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第5路光(从上向下数)进行调制；

第二十步，9×1光纤耦合器4的第五个通道接收来自第四个磁场迈克尔逊干涉仪的携带y-轴向磁场强度信息的光；

第二十一步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第二十二步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出y-轴向磁场强度；

第二十三步，数据采集及信号处理装置7对第十八步获取的y+轴向磁场强度和第二十二步获取的y-轴向磁场强度求差，获取y轴向磁场强度梯度；

第二十四步，第二个声场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第6路光(从上向下数)进行调制；

第二十五步，9×1光纤耦合器4的第六个通道接收来自第二个声场迈克尔逊干涉仪的携带受y轴向加速度调制的光；

第二十六步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第二十七步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出y轴向声场加速度。

第二十八步，第五个磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第7路光(从上向下数)进行调制；

第二十九步，9×1光纤耦合器4的第七个通道接收来自第五个磁场迈克尔逊干涉仪的携带z+轴向磁场强度信息的光；

第三十步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第三十一步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出z+轴向磁场强度；

第三十二步，第六个磁场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第8路光(从上向下数)进行调制；

第三十三步，9×1光纤耦合器4的第八个通道接收来自第六个磁场迈克尔逊干涉仪的携带z-轴向磁场强度信息的光；

第三十四步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第三十五步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出z-轴向磁场强度；

第三十六步，数据采集及信号处理装置7对第三十一步获取的z+轴向磁场强度和第三十五步获取的z-轴向磁场强度求差，获取z轴向磁场强度梯度；

第三十七步，第三个声场迈克尔逊干涉仪对1×9光纤耦合器3输出的第9路光(从上向下数)进行调制；

第三十八步，9×1光纤耦合器4的第九个通道接收来自第三个声场迈克尔逊干涉仪的携带受z轴向加速度调制的光；

第三十九步，光电探测器6将9×1光纤耦合器4输出的光转化为电压信号；

第四十步，数据采集及信号处理装置7接收光电探测器6输出的电压信号并解调出z轴向声场加速度。

第四十一步，根据质点加速度与声压梯度的关系式(刘伯胜等，水声学原理(第三版)，pp.368)，即可求出声压信息和振速信息。

式中v表示声场振速，a表示声场加速度，ω表示振动频率，p表示声压，ρ表示介质密度。

第四十二步，根据测量的x、y、z轴三个方向的磁场梯度，进行几何矢量合成，即可获取磁场方向；再对x+、x-、y+、y-、z+、z-轴的6次磁场强度测量结果取算术平均，即获得传感器中心点处的磁场强度。

至此，三维矢量声场(声压和振速)和磁场信息即全部获取。

采用本发明可以达到以下技术效果：

本发明基于磁致伸缩材料和声弹性材料的光纤迈克尔逊干涉仪结构的光纤矢量声磁复合传感器可同点复合探测三维矢量声场和磁场，具有声场、磁场灵敏度可调、结构紧凑、体积小等优势，传感器端为无源器件、非接触式传感，具有稳定性号、环境适应性强、易于大规模组网成阵等独特优势，解决了当前许多的水听器等传感器灵敏度较低，需带前置放大模块，需要给传感器端供电，电路远程传输损耗大的问题。

附图说明

图1为本发明光纤矢量声磁复合传感器总体结构示意图。

图2为图1的a-a向剖视图。

图3为图1中金属立方块5-3-1、圆柱体支柱5-3-2、磁致伸缩套筒5-3-3和圆筒固定螺丝5-3-4安装在一起后的a-a向剖视图。

图4为图1的z+轴方向上的磁致伸缩套筒5-3-3结构示意图，图4(a)是磁致伸缩套筒正视图，图4(b)是磁致伸缩套筒俯视图。

图5为图3的z+轴方向上的圆筒固定螺丝5-3-4剖视图。

图6为本发明的磁场迈克尔逊干涉仪结构示意图。

图7为本发明三维光纤矢量水听器5-2中空心质量块5-2-1的z+轴俯视图。

图8为本发明的第一质量块5-2-1-1结构示意图，图8(a)是第一质量块5-2-1-1aa向剖面正视图，图8(b)是第一质量块5-2-1-1左视图。

图9为本发明的第二质量块5-2-1-2结构示意图，图9(a)是第二质量块5-2-1-2aa向剖面正视图，图9(b)是第二质量块5-2-1-2左视图。

图10为本发明的弹性支柱结构示意图，图10(a)是弹性支柱正视图，图10(b)是弹性支柱侧视图。

图11为本发明的声场迈克尔逊干涉仪示意图。

图12为本发明的球形安装外壳aa向剖视图。

图13位本发明的声磁测量装置的光学逻辑结构图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，本发明光纤矢量声磁复合传感器由球形安装外壳5-1、三维光纤矢量水听器5-2和三维光纤矢量磁场传感器5-3组成。三维光纤矢量水听器5-2和三维光纤矢量磁场传感器5-3两者一体封装于球形安装外壳5-1内。

图2是图1的a-a向剖视图。如图2所示，三维光纤矢量磁场传感器5-3由1个金属立方块5-3-1、6根圆柱体支柱5-3-2、6个磁致伸缩圆筒5-3-3、6个圆筒固定螺丝5-3-4、6个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5组成。6根圆柱体支柱5-3-2通过螺纹固定在金属立方块5-3-1的6个面上，6个磁致伸缩圆筒5-3-3分别同轴套在6根圆柱体支柱5-3-2外侧，并分别通过圆筒固定螺丝5-3-4固定在6根圆柱体支柱5-3-2上(磁致伸缩圆筒5-3-3在磁场作用下形变，圆筒固定螺丝5-3-4在轴向限制磁致伸缩圆筒5-3-3的形变，使磁致伸缩圆筒5-3-3只能在径向发生形变)。6个磁致伸缩圆筒5-3-3分别套在6根圆柱体支柱5-3-2后构成了三维光纤矢量磁场传感器5-3在笛卡尔坐标系的x+轴、x-轴、y+轴、y-轴、z+轴、z-轴,6个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5分别安装在三维光纤矢量磁场传感器5-3的x+轴、x-轴、y+轴、y-轴、z+轴、z-轴上。

图3为图1中金属立方块5-3-1、圆柱体支柱5-3-2、磁致伸缩套筒5-3-3和圆筒固定螺丝5-3-4安装在一起后的a-a向剖视图。如图3所示，金属立方块5-3-1由无磁钢材料制成，为立方体形状，边长为d1，5mm≤d1≤50mm。金属立方块5-3-1的6个面的中心各挖有第一内螺孔5-3-1-1，内螺孔5-3-1-1直径为d2，d2<d1,深度为h1,h1<d1/2。

圆柱体支柱5-3-2由无磁钢材料制成，6根圆柱体支柱5-3-2通过第一外螺丝5-3-2-4固定在金属立方块5-3-1的6个面上(第一外螺丝5-3-2-4拧入第一内螺孔5-3-1-1，将圆柱体支柱5-3-2固定在金属立方块5-3-1上)。6根圆柱体支柱5-3-2完全相同，均由2段直径不同的圆柱即粗圆柱5-3-2-1和细圆柱5-3-2-2组成，圆柱体支柱5-3-2总长度为l1，2d1≤l1≤200mm。粗圆柱5-3-2-1的一端连接有第一外螺丝5-3-2-4。通过第一外螺丝5-3-2-4与第一内螺孔5-3-1-1的连接，圆柱体支柱5-3-2固定在金属立方块5-3-1的一个面上，圆柱体支柱5-3-2的中轴线与金属立方块5-3-1的这个面垂直。粗圆柱5-3-2-1长度为l2，满足l1/2≤l2<l1，直径＝d1。细圆柱5-3-2-2与粗圆柱5-3-2-1同轴相连，长度为l3，l3＝l1-l2且l3≤l2，直径为d3，d3<d1。细圆柱5-3-2-2的另一端端面(远离粗圆柱5-3-2-1的端面)开有第二内螺孔5-3-2-3，第二内螺孔5-3-2-3直径为d4，d4<d3，深度为h2，h2<l3。6根圆柱体支柱5-3-2的细圆柱5-3-2-2外侧套有磁致伸缩圆筒5-3-3。

图4为图1的z+轴方向上的磁致伸缩套筒5-3-3结构示意图，图4(a)是磁致伸缩套筒正视图，图4(b)是磁致伸缩套筒俯视图。如图4所示：磁致伸缩圆筒5-3-3是由磁致伸缩材料制成的无盖圆筒，长度＝l3，外径＝d1，内径＝d3。如图2所示，磁致伸缩圆筒5-3-3同轴套在细圆柱5-3-2-2外侧。

图5为图3的z+轴方向上的圆筒固定螺丝5-3-4剖视图。如图5所示：圆筒固定螺丝5-3-4由圆柱体5-3-4-1、第二外螺丝5-3-4-2组成。圆柱体5-3-4-1高度为l4,2mm≤l4≤20mm，直径＝d1。圆柱体5-3-4-1一端连接第二外螺丝5-3-4-2，另一端开有一个第三内螺孔5-3-4-3。待磁致伸缩圆筒5-3-3套至圆柱体支柱5-3-2后，圆筒固定螺丝5-3-4的第二外螺丝5-3-4-2插到圆柱体支柱5-3-2的第二内螺孔5-3-2-3中，使得磁致伸缩圆筒5-3-3固定在圆柱体支柱5-3-2上，且圆筒固定螺丝5-3-4在轴向限制磁致伸缩圆筒5-3-3的形变。第二外螺丝5-3-4-2直径＝d3，高度＝h2。第三内螺孔5-3-4-3直径为d5，d5<d1，深度为h3，h3<l4，用于将整个声磁传感单元与球形安装外壳5-1固定。

图6为本发明的磁场迈克尔逊干涉仪结构示意图。如图6所示：磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5由第一3db光纤耦合器5-3-5-1、磁场传感臂光纤5-3-5-2、磁场参考臂光纤5-3-5-3组成。磁场传感臂光纤5-3-5-2与磁场参考臂光纤5-3-5-3均为抗弯曲单模光纤，初始长度均为l0(l0不小于磁场传感灵敏度需求，见式(1))，两者的一端均镀有光学反射薄膜5-3-5-2-1，另一端分别用光纤熔接机与第一3db光纤耦合器5-3-5-1的第一端口5-3-5-1-2和第二端口5-3-5-1-3熔接。每根磁场传感臂光纤5-3-5-2以镀有光学反射薄膜5-3-5-2-1的一端为起点从磁致伸缩圆筒5-3-3靠近圆筒固定螺丝5-3-4一端为起点顺时针(从圆筒固定螺丝5-3-4一端俯视)缠绕于磁致伸缩圆筒5-3-3的外侧面(如图2所示，从d端缠绕至c端)。磁场传感臂光纤5-3-5-2在磁致伸缩圆筒5-3-3外侧上共缠绕n1圈(见式(2))。磁场传感臂光纤5-3-5-2的两端用胶水固定在磁致伸缩圆筒5-3-3的外侧面。磁场参考臂光纤5-3-5-3以镀有光学反射薄膜5-3-5-2-1的一端为起点从粗圆柱5-3-2-1靠近磁致伸缩圆筒5-3-3一端为起点顺时针(从圆筒固定螺丝5-3-4一端俯视)缠绕于粗圆柱5-3-2-1的外侧面。磁场参考臂光纤5-3-5-3在粗圆柱5-3-2-1的外侧面的缠绕范围限定在从靠近磁致伸缩圆筒5-3-3一端为起点，到距离起点l3(如图2所示，从c端缠绕至b端)长度处截止。磁场参考臂光纤5-3-5-3在粗圆柱5-3-2-1的外侧面上同样缠绕n1圈。磁场参考臂光纤5-3-5-3的两端用胶水固定在粗圆柱5-3-2-1的外侧面。

如图2所示，6个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3分别缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的x+轴、x-轴、y+轴，、y-轴、z+轴、z-轴。即：第一个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的x+轴；第二个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的x-轴，第三个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的y+轴，第四个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的y-轴，第五个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的z+轴，第六个磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5的磁场传感臂光纤5-3-5-2和参考臂光纤5-3-5-3缠绕在三维光纤矢量磁场传感器5-3的z-轴。

如图1所示，三维光纤矢量水听器5-2由空心质量块5-2-1、6个弹性支柱5-2-2和3个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3组成。6个弹性支柱5-2-2用胶水粘接在空心质量块5-2-1的6个面上，弹性支柱5-2-2的轴线与空心质量块5-2-1相连的面垂直。

图7为本发明三维光纤矢量水听器5-2中空心质量块5-2-1的z+轴俯视图。如图7所示，空心质量块5-2-1为无磁钢材料制备的正方体模具，边长为d6，满足d1+10mm<d6<4*d1。从空心质量块5-2-1的6个顶面俯视，其顶面中心均有1个正方形通孔5-2-1-4。正方形通孔5-2-1-4的边分别与空心质量块5-2-1的顶面的边平行，正方形通孔5-2-1-4边长为d7，满足d1+5mm<d7<d6，深度＝d6；空心质量块5-2-1的6个顶面均开有一个圆形凹槽5-2-1-3，圆形凹槽5-2-1-3外径为d9，满足d9>1.42*d7，宽度为h4、满足0.5mm≤h4≤4mm，深度为h7，满足0.2mm≤h7≤2mm，从空心质量块5-2-1的顶面俯视，正方形通孔5-2-1-4处于圆形凹槽5-2-1-3的中心。

为了将三维光纤矢量磁场传感器5-3安装在三维光纤矢量水听器5-2内部，将空心质量块5-2-1沿aa向剖成第一质量块5-2-1-1和第二质量块5-2-1-2。第一质量块5-2-1-1与第二质量块5-2-1-2关于xoz平面(aa向剖面)对称。金属立方块5-3-1置于空心质量块5-2-1的空心位置处。

图8为本发明的第一质量块5-2-1-1结构示意图，图8(a)是第一质量块5-2-1-1aa向剖面正视图，图8(b)是第一质量块5-2-1-1左视图。如图8(a)所示：第一质量块5-2-1-1与aa剖面有四个第一正方形相交面5-2-1-1-1，分别为ee1e3e2、ff2f3f1、gg1g3g2、hh2h3h1，四个第一正方形相交面5-2-1-1-1边长均为d8，d8＝(d6-d7)/2。e3f3g3h3四点围成一个第一正方形通孔5-2-1-1-2，第一正方形通孔5-2-1-1-2边长＝d7,深度为d12,d12＝d6/2(为正方形通孔5-2-1-4的一半)。四个第一正方形相交面5-2-1-1-1两两之间为第一长方形凹槽5-2-1-1-3(共四个)，第一长方形凹槽5-2-1-1-3深度均为d10,d10＝d7/2，长度＝d8，宽度＝d7。

图9为本发明的第二质量块5-2-1-2结构示意图，图9(a)是第二质量块5-2-1-2aa向剖面正视图，图9(b)是第二质量块5-2-1-2侧视图。如图9(a)所示：第二质量块5-2-1-2与第一质量块5-2-1-1关于xoz平面(aa向剖面)对称。第二质量块5-2-1-2与aa剖面同样有四个第二正方形相交面5-2-1-2-1，分别为e’e1’e3’e2’、f’f2’f3’f1’、g’g1’g3’g2’、h’h2’h3’h1’，四个第二正方形相交面5-2-1-2-1边长均＝d8。

e3’f3’g3’h3’四点围成一个第二正方形通孔5-2-1-2-2，第二正方形通孔5-2-1-2-2边长＝d7,深度＝d12。四个第二正方形相交面5-2-1-2-1两两之间为第二长方形凹槽5-2-1-2-3(共四个)，第二长方形凹槽5-2-1-2-3深度均＝d10，长度＝d8，宽度＝d7。

三维光纤矢量磁场传感器5-3的1根圆柱体支柱5-3-2(y+轴)从第一质量块5-2-1-1的aa向剖面处(图8(a))放进第一正方形通孔5-2-1-1-2内，4根圆柱体支柱5-3-2(x+轴、z+轴、x-轴、z-轴)放入第一长方形凹槽5-2-1-1-3中。第6根圆柱体支柱5-3-2(y-轴)从第二质量块5-2-1-2的aa向剖面处沿第二正方形通孔5-2-1-2-2穿出。第二质量块5-2-1-2的四个正方形相交面5-2-1-2-1与第一质量块5-2-1-1的四个正方形相交面5-2-1-1-1通过胶水粘接成空心质量块5-2-1。至此，三维光纤矢量磁场传感器5-3被置入空心质量块5-2-1之内。

图10为本发明的弹性支柱5-2-2结构示意图，图10(a)是弹性支柱5-2-2正视图，图10(b)是弹性支柱5-2-2侧视图。如图10(a)所示：弹性支柱5-2-2由弹性圆筒5-2-2-1和金属圆板5-2-2-2组成。弹性圆筒5-2-2-1由弹性体材料(如：sebs、tpe等)制成，外径＝d9，壁厚＝h4，长度为l5，l5>l1+h7-d5/2，弹性圆筒5-2-2-1靠近一端的筒壁上开有一个光纤通孔5-2-2-1-1，直径满足2根抗弯曲光纤通过即可。弹性圆筒5-2-2-1一端用胶水粘接金属圆板5-2-2-2。金属圆板5-2-2-2直径＝d9，厚度为h5，h5<l1+l4+h7-l5-d5/2。如图9(b)所示，金属圆板5-2-2-2中心开有金属圆板通孔5-2-2-3，金属圆板通孔5-2-2-3直径＝d1。

如图2所示，第一3db光纤耦合器5-3-5-1的第一输入端口光纤5-3-5-1-1和第一输出端口光纤5-3-5-1-4从光纤通孔5-2-2-1-1穿出，将弹性支柱5-2-2从远离金属圆板5-2-2-2的一端同轴套于圆柱体支柱5-3-2(包括与圆柱体支柱5-3-2固定连接的磁致伸缩圆筒5-3-3、圆筒固定螺丝5-3-4和磁场迈克尔逊干涉仪5-3-5)的外侧，金属圆板通孔5-2-2-3通过胶水粘接在圆筒固定螺丝5-3-4的外侧面上。

图11为本发明的声场迈克尔逊干涉仪示意图。

如图11所示，声场迈克尔逊干涉仪5-2-3由第二3db光纤耦合器5-2-3-1、2根声场传感臂光纤5-2-3-2组成。2根声场传感臂光纤5-2-3-2均为抗弯曲单模光纤，初始长度均为l6(见式(3))，其一端各镀有光学反射薄膜5-3-5-2-1，另一端分别用光纤熔接机与第二3db光纤耦合器5-2-3-1的第三端口5-2-3-1-2和第四端口5-2-3-1-3熔接。

如图2所示，一根声场传感臂光纤5-2-3-2以镀有光学反射薄膜5-3-5-2-1的一端为起点从x+(y+或z+)方向的弹性支柱5-2-2靠近空心质量块5-2-1一端为起点顺时针(从粘接金属圆板5-2-2-2的一端俯视)缠绕于弹性支柱5-2-2的外侧面。声场传感臂光纤5-2-3-2在弹性支柱5-2-2外侧面共缠绕n2圈(见式(4))。另一根声场传感臂光纤5-2-3-2以同样的方式在与x-(y-或z-)方向的弹性支柱5-2-2外侧面共缠绕n2圈。

如图2所示，3个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3的6根声场传感臂光纤5-2-3-2分别缠绕在三维光纤矢量磁场水听器5-2的x+轴、x-轴、y+轴，y-轴、z+轴、z-轴。即：，即：第一个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3的两根声场传感臂光纤5-2-3-2分别缠绕在三维光纤矢量水听器5-2的x+轴和x-轴，第二个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3的两根声场传感臂光纤5-2-3-2分别缠绕在三维光纤矢量水听器5-2的y+轴和y-轴，第三个声场迈克尔逊干涉仪5-2-3的两根声场传感臂光纤5-2-3-2分别缠绕在三维光纤矢量水听器5-2的z+轴和z-轴。

图12为本发明的球形安装外壳aa向剖视图。如图12所示：球形安装外壳5-1为无磁钢材料，内直径为d11，d11满足容纳一体封装后的三维光纤矢量水听器5-2和三维光纤矢量磁场传感器5-3，即d11满足公式(5)和公式(6)，壳体厚度为h6，h6满足公式(7)。

球形安装外壳5-1的中心点为笛卡尔坐标系的原点，球形安装外壳5-1与笛卡尔坐标系三根坐标轴的6个交点(x+、y+、z+、x-、y-、z-)处各开有第四内螺孔5-1-1，第四内螺孔5-1-1直径＝d5。在球形安装外壳5-1的z+点附近处开有一个壳体通孔5-1-2，壳体通孔5-1-2直径为d12(满足18根抗弯曲光纤通过即可)，用于6个第一3db光纤耦合器5-3-5-1的第一输入端口光纤5-3-5-1-1和第一输出端口光纤5-3-5-1-4和3个第二3db光纤耦合器5-2-3-1的第二输入端口光纤5-2-3-1-1和第二输出端口光纤5-2-3-1-4从壳体通孔5-1-2穿出球形安装外壳5-1。三维光纤矢量水听器5-2和三维光纤矢量磁场传感器5-3置于球形安装外壳5-1内，用螺丝连接第四内螺孔5-1-1和第三内螺孔5-3-4-3，将三维光纤矢量磁场传感器5-3与球形安装外壳5-1固定。

图13为本发明的声磁测量装置的光学逻辑结构图。如图13所示：该声磁测量装置包括：rio激光器1、光隔离器2、1×9光纤耦合器3、9×1光纤耦合器4、光纤矢量声磁复合传感器5、光电探测器6、数据采集及信号处理装置7。