基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及磁场特性的测量装置技术领域，尤其设及一种基于磁光禪合的弱磁传 感器及磁场测量方法。
【背景技术】
[0002] 磁探测技术采用测量磁性目标磁场或者地球磁场的方式，通过信号处理与分析获 取相关信息，用于目标探测和资源调查等，在科学研究、工业生产、资源勘探、目标精确定 位、地灾监测和国防科技中有广泛的需求。随着电子行业的迅猛发展，各种磁性材料和磁器 件的应用越来越普遍，对微弱磁场测量精度、环境适应性也提出了更高的要求。
[0003] 根据测量系统敏感元件的工作原理划分，商用的磁探测装置主要有磁通口传感 器、磁阻传感器和电感式传感器等。磁通口传感器由一套环绕磁忍的线圈组成，该磁忍配有 励磁电路。磁通口传感器分辨率可达最高可达?0-??τ，但缺点是体积偏大、易碎、响应速度较 慢，长期工作存在累积的基线漂移。磁阻传感器主要由铁磁材料如儀铁导磁合金制成，运种 合金薄膜的电阻值随外界磁场的变化而变化，将其接于电桥后，电桥的输出电压正比于电 阻的变化。系统的迟滞误差和零点溫度漂移可W采用对磁阻传感器交替正向磁化和反向磁 化的方法加 W消除。但是控制电路复杂，仪器体积较大，应用成本较高。电感式传感器是基 于磁场对电感感量的影响工作，通过特定电路测量感量的变化，进而计算出外磁场的大小。 但运种方法受磁电禪合效率的影响，测量精度相对较低。上述弱磁场测量方法共同的特点 是将磁场的变化转为电量变化后，通过检测微弱电信号提取信息，系统结构复杂，易受电磁 干扰，稳定性不佳。
[0004] 光学位移检测是一种无源的非接触位移检测手段，具有精度高、无源、抗电磁干扰 等特点，可实现复杂电磁环境中的高精度位移测量。基于化bry-Perot干设仪、基于Mach-Zehnder干设仪和基于迈克尔逊干设仪的光纤磁场传感器相继被提出，它们将光学位移检 测与磁致伸缩结合，通过磁光禪合实现弱磁场探测。研究结果表明：基于化bry斗erot干设 仪的光纤磁场传感器溫度稳定性差，对干设条纹的检测要求高，精度相对较低;基于Mach-Zehnder干设仪的光纤磁场传感器抗偏振衰落性能差，稳定性不佳，实用化困难;而基于迈 克尔逊干设仪的光纤磁场传感器与Mach-Zehnder干设仪工作原理类似，具有较好的应用前 景，但目前迈克尔逊干设仪的干设臂多采用非对称结构设计，参考臂静止不动，测量臂通过 磁致伸缩材料的力学效应牵引特定结构或装置来改变光学参量，进而改变反射信号的光 程，实现磁光参量的禪合。但上述结构的解决方案易受溫度的影响，且磁致伸缩材料的伸长 量易受力学负载的限制，重复性差，测量精度不高，应用报道很少。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁光禪合的弱磁传感器及磁场测量 方法，所述弱磁传感器可W有效减小溫度的影响，进一步提升检测的灵敏度，结构简单，重 复性好，可实现复杂电磁环境下的高精度弱磁场探测。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于磁光禪合的弱磁传 感器，其特征在于:包括基座、磁致伸缩体、双面法拉第反射镜和等臂长迈克尔逊干设仪，所 述磁致伸缩体的一端与基座机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜粘接，当磁致伸缩 体在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜的位置，双面法拉第反射镜 的位置变化量被等臂长迈克尔逊干设仪检测和处理后，将相应的磁致伸缩体的长度变化量 转换为磁场的大小。
[0007] 进一步的技术方案在于:所述双面法拉第反射镜包括2个法拉第旋光片和双面反 射镜，所述双面反射镜夹在2个法拉第旋光片之间。
[000引进一步的技术方案在于:所述等臂长迈克尔逊干设仪包括一对光纤准直探头、光 纤W及迈克尔逊干设装置，所述光纤准直探头固定在所述面法拉第反射镜的两侧的基座 上，所述光纤准直探头通过光纤与迈克尔逊干设装置连接，所述一对光纤准直探头W及双 面法拉第反射镜的中屯、在同一条轴线上。
[0009] 进一步的技术方案在于:所述迈克尔逊干设装置包括激光光源、光隔离器、光禪合 器、光探测器、相位解调电路;所述激光光源的输出端口与光隔离器的输入端口连接，所述 光隔离器的输出端口与光禪合器的第一端口连接，所述光禪合器的第二端口与光纤连接， 光禪合器的第Ξ端口与光纤连接，光禪合器的第四端口与光探测器的输入端口连接，光探 测器输出端口与相位解调电路电连接。
[0010] 进一步的技术方案在于:所述相位解调电路采用数字PGC解调电路提取相位信息。
[0011] 本发明还公开了一种基于磁光禪合的弱磁传感器的磁场测量方法，其特征在于包 括如下步骤：
[0012] 将所述弱磁传感器置于标准磁场环境中，检测此时信号的相位输出，设定为参考 相位；
[0013] 将所述弱磁传感器置于外磁场中，磁致伸缩体长度发生变化，带动双面法拉第反 射镜产生水平位移，使双面法拉第反射镜的两路反射光的光程发生变化；
[0014] 反射光光程的变化导致等臂长迈克尔逊干设装置中电信号的相位发生变化，通过 数字PGC解调电路提取相位的变化，计算出法拉第反射镜的位移；电信号的相位变化ΔΦ与 双面法拉第反射镜位移量Δ X之间的按如下公式换算：
[0015]
[0016] 其中λ是激光光源的波长；
[0017] 根据测算的双面法拉第反射镜位移量和已知磁致伸缩体的伸缩系数，计算出当前 磁场的强度；比较外磁场中的相位值相对于参考相位值的变化趋势，进而确定外磁场的方 向。
[0018] 采用上述技术方案所产生的有益效果在于:所述弱磁传感器及测量方法充分发挥 了迈克尔逊干设仪高精度测量的优点，通过采用等臂长迈克尔逊干设仪的差动位移测量方 法，降低溫度和偏振衰落对系统精度的影响，将灵敏度提高2倍;与此同时，利用磁致伸缩材 料的自由伸缩结构来实现磁光禪合，有效避免了力学负载对磁致伸缩材料重复性的影响， 突破了磁致伸缩材料在光学传感测量中的局限性，可真正实现磁光传感器的高精度测量。
【附图说明】
[0019] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0020] 图1为本发明的结构示意图；
[0021 ]图2为迈克尔逊干设装置的结构示意图；
[0022] 其中：1、基座2、磁致伸缩体3、双面法拉第反射镜4、光纤准直探头5、单模光纤6、迈 克尔逊干设装置301、法拉第旋光片302、双面反射镜601、窄线宽激光光源602、光隔离器， 603光禪合器604、光探测器605、相位解调电路。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0024] 在下面的描述中阐述了很多具体细节W便于充分理解本发明，但是本发明还可W 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可W在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0025] 如图1所示，本发明公开了一种基于磁光禪合的弱磁传感器，包括基座1、磁致伸缩 体2、双面法拉第反射镜3和等臂长迈克尔逊干设仪。所述磁致伸缩体2的一端与基座1机械 固定连接，另一端与双面法拉第反射镜3粘接，进一步的，所述双面法拉第反射镜3包括2个 法拉第旋光片301和双面反射镜302,所述双面反射镜302夹在2个法拉第旋光片301之间；当 磁致伸缩体2在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜3的位置，双面法 拉第反射镜3的位置变化量被等臂长迈克尔逊干设仪捕捉和处理后，将相应的磁致伸缩体2 的长度变化量转换为磁场的大小。