一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置及其检测方法与流程

本发明涉及磁场传感器技术领域，具体涉及一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置及其检测方法。

背景技术：

传感技术、通信技术和计算机技术一同构成了现代信息产业的三大支柱，分别在信息系统中扮演着“感官”、“神经”和“大脑”的角色。其中，传感技术作为信息获取的关键部件，是后续信息传输、处理的基础，其重要性不言而喻。

磁场作为基本的物理量之一，对其进行准确的测量具有重要意义，例如对潜艇引起的地磁异常进行测量是对潜艇进行搜索、警戒和识别的有效途径之一。传统的电学磁场传感器如霍尔磁强计、磁阻型磁强计和磁通门磁场传感器等，虽然已具备较为成熟的技术，但其使用有源金属线缆进行信号的传导，因此极易对被测磁场的分布情况产生干扰，同时电信号又易受到外界电磁噪音的影响。而光纤传感器则是以光波为信号载体、以光纤为信号的传输介质，具有不带电、抗电磁干扰、体积小、灵敏度高等特点，成为电学磁场传感器之外的有力补充，逐渐受到人们的青睐。

光纤本身对磁场的响应极其微弱，因而磁性材料是实现光纤磁场传感的必备条件。传统的磁性材料如磁致伸缩或磁光晶体材料等均为固体，需通过粘合或空间耦合方式来与光纤结合，存在非全光纤结构、校准困难等问题。随着纳米材料科学的发展，纳米磁流体(以下简称磁流体)的出现，因其优异的磁光特性且兼具液体的流动性，为新型光纤磁场传感器的研发注入了新的活力。

基于磁流体的光纤磁场传感虽然于近几年才开始兴起，但是已经有大量的文献报道[ieeephotonicstechnologyletters,2018,30(4):359-362；opticsletters,2018,43(6):1311-1314；journaloflightwavetechnology,2017,35(16):3406-3412；photonicsresearch,2016,4(6):322-326；photonicsresearch,2016,4(5):197-201]。然而，通过总结不难发现，已报道的此类传感器多数仍属于标量磁场传感范畴，即仅能探测磁场的强度而无法感知磁场的方向信息；另外，目前研究中所采用的装置存在体积庞大、价格昂贵而且使用不方便的缺点。因此，设计一款体积小、携带方便、价格低廉的矢量磁场传感装置显得极为迫切。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置，可以用于检测矢量磁场，并且具有体积小、方便携带的优势。

本发明采取的技术方案如下：

一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置，包括传感单元、移动终端装置以及可与移动终端装置电连接的附件装置；所述传感单元用于感应外界矢量磁场的变化，包括侧边抛磨光纤和围绕在侧抛光纤周围的磁流体；所述移动终端装置包括用于向传感单元发射光信号的led，用于捕捉所述传感单元输出的光信号的摄像头，以及用于处理摄像头捕捉到的图像的处理装置；所述附件装置用于输出所述移动终端装置的光信号和接收传感单元反馈的光信号。

现有研究已证明，磁流体的光学性质由其中的纳米粒子的分布决定：在磁场作用下，纳米粒子将沿着磁场方向排列成链状结构，随着磁场强度的增加，磁纳米粒子链将变得更长，直到饱和；此外，随着磁场方向的变化，链状结构的方向也会发生变化，最终都会导致磁流体的折射率变化。当侧抛光纤周围的磁流体受到外界磁场作用，，由于侧抛光纤的存在，使得纳米粒子在侧抛光纤周围不均匀分布且随着外界磁场的变化而变化。那么，因为磁流体的折射率和吸收系数都取决于纳米粒子的浓度，磁场的变化使得纳米粒子的浓度发生变化，进而导致侧抛光纤输出功率的变化，本发明通过检测输出功率，采用摄像头捕捉到所述传感单元输出的光信号，利用所述移动终端装置的处理装置将输出光斑光斑的亮度转换为灰度值，定量地描述从光纤接收的光信号，从而实现精确的传感，继而完成对矢量磁场的检测。

本发明通过设置传感单元感知待测磁场的变化，通过移动终端装置发射和接收传给所述传感单元的光信号，设置附件装置将传感单元与所述移动终端装置连接起来，其中，所述移动终端装置可以直接采用智能手机，所述处理装置为设置在智能手机内的应用程序。本发明提供的这种装置实现了矢量磁场的精准检测，同时具有体积小、方便携带以及成本低的优势。

优选地，所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围。具体的，所述侧抛光纤是通过光纤抛磨掉部分纤芯制作而成，本发明中，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围，可以使得磁流体围绕包覆在侧抛光纤周围，同时避免磁流体的蒸发或者泄露。

优选地，所述附件装置包括测量通道和参考通道，所述测量通道与所述传感单元连接，所述参考通道与参比单元连接。具体的，所述参比单元为一段未经过任何处理的与传感器单元所采用的相同的多模光纤；因为传感单元和参比单元连接相同的led和摄像头，所述摄像头拍摄的图像将包含两个光斑，这两个光斑分别对应于检测通道和参考通道光斑；通过编写的处理程序，可以将两个光斑的亮度转化为灰度值进行定量分析；在实际的数据分析过程中，应采用相对灰度进行分析(即参考通道和测量通道所对应光斑的灰度值的比值)，这样可以有效降低由led的波动而引起的影响，提高检测准确度。

优选地，所述移动终端装置还包括用于显示检测结果的显示装置。具体的，当所述移动终端装置为智能手机时，所述显示装置就是显示屏，这样便于用户及时观察到检测结果，提高用户的体验感。

优选地，所述侧抛光纤的抛磨区长度为9～15mm。本发明中，所述侧抛光纤的抛磨区是磁流体与光纤倏逝场相互作用的主要区域，其长度会影响到所述传感单元对于待测磁场感应的灵敏性，因此，其长度应适中。

优选地，所述侧抛光纤采用多模光纤，纤芯的直径为95～115um。本发明中，通过检测从所述侧抛光纤输出的功率来间接判断外界磁场的信息，光纤的直径直接影响到能进入光纤光的功率大小，为确保其检测精度和准确性，其纤芯的直径不易过小。

优选地，所述侧抛光纤的剩余厚度应为原始光纤直径的一半为宜。这样可以在不过多降低传感器机械强度的同时来获得较高的磁场(包括强度和方向)的灵敏度。

优选地，所述led的出光口设有透镜和滤光片。本发明中，采用透镜可提高led与光纤的光耦合效率，加入滤光片可滤除不需要的光波成分。

一种基于移动终端装置的便携式矢量磁场传感器的检测方法，在检测磁场强度时，将所述侧抛光纤的抛磨面调整至与磁场方向平行的位置，以便获得最高的磁场强度灵敏度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明设置传感单元感知待测磁场，通过移动终端装置发出和接收来自所处传感单元的光信号，实现对待测磁场的精确传感，采用的移动终端装置较容易获得，具有体积小、方便携带且成本低的优势。

(2)采用处理装置将光斑光斑的亮度转换为灰度值，定量地描述从光纤接收的光信号，进而反映出磁场强度和方向的变化，使得对于矢量磁场的检测变得简单。

(3)利用包括测量通道和参考通道的附件装置，所述参考通道与传感单元利用了相同的led和摄像头，在对检测结果进行判断时，采用相对灰度进行分析，有效减轻了由led的波动引起的影响，提高对矢量磁场检测的精准度。

(4)确定了检测磁场磁场强度时，将侧抛光纤的抛磨面调整至与磁场方向平行的位置，以便获得最高的磁场强度灵敏度。

附图说明

图1为本发明的实验平台装置示意图1，其中mc代表测量通道，rc代表参考通道。

图2为本发明的实验平台装置示意图2，其中(a)为移动终端装置以附件装置的示意图，(b)为传感单元示意图。

图3为实施例1中当磁场强度固定为300oe时，传感器对磁场方向的传感特性的测量结果。其中(a)为不同磁场方位下摄像头拍摄的光斑光斑，(b)在极坐标系下，不同磁场方位下的相对灰度值，(c)在直角坐标系下，不同磁场方位下的相对灰度值。

图4为实施例1中当磁场方位分别固定为0°和90°时，传感器对磁场强度的传感特性测量结果。其中(a)为不同磁场强度下摄像头拍摄的光斑光斑，(b)为磁场方位为0°到90°时，相对灰度随磁场强度的变化情况。

图5为传统的实验平台装置示意图。其中(a)为实验装置示意图，(b)为当固定磁场强度分别为300和0oe时，在极坐标系下，输出光功率随磁场方位的变化情况，(c)为固定磁场强度为300oe时，在直角坐标系下，输出光功率随磁场方位的变化情况，(d)为当固定磁场方位分别为0°到90°时，输出光功率随磁场强度的变化情况。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置，包括传感单元、移动终端装置以及可与移动终端装置电连接的附件装置；所述传感单元用于感应外界矢量磁场的变化，包括侧边抛磨光纤和围绕在侧抛光纤周围的磁流体；所述移动终端装置包括用于向传感单元发射光信号的led，用于捕捉所述传感单元输出的光信号的摄像头，以及用于处理摄像头捕捉到的图像的处理装置；所述附件装置用于输出所述移动终端装置的光信号和接收传感单元反馈的光信号。

优选地，所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围。具体的，所述侧抛光纤是通过光纤抛磨掉部分包层和纤芯制作而成。

优选地，所述附件装置包括测量通道和参考通道，所述测量通道与所述传感单元连接，所述参考通道与参比单元连接。具体的，所述参比单元为一个没有经过任何过程与所述传感器单元采用的光纤相同的多模光纤，其与所述传感单元享用相同的led和摄像头，所述摄像头拍摄的图像分别对应检测通道和参考通道的两个光斑，将测量通道与参考通道获得的灰度值的比率定义为相对灰度，在整理后期检测结果时，采用相对灰度进行分析。

优选地，所述移动终端装置还包括用于显示检测结果的显示装置。

优选地，所述侧抛光纤的抛磨区长度为12mm。

优选地，所述侧抛光纤采用多模光纤，纤芯的直径为105um。

优选地，所述侧抛后光纤的剩余厚度d为原始光纤直径的一半。

优选地，所述led的出光口设有透镜和滤光片。本发明为提高led与光纤的光耦合效率，滤除不需要的光在led的出光口设置透镜和滤光片。

一种基于移动终端装置的便携式矢量磁场传感器的检测方法，在检测磁场强度时，将侧抛光纤的抛磨面调整至与磁场方向平行的位置，以便获得最高的磁场强度灵敏度。

为了验证本发明的可行性，申请人设计了以下实验：

采用的实验设备如图1、图2所示，所述传感单元由侧抛光纤和周围的磁流体组成。所述侧抛光纤为自制轮抛磨系统，具体的，对多模光纤进行侧面抛磨，芯径和包层直径分别为105和125um，抛磨区域的长度为12mm，侧抛光纤剩余厚度为62.5um。借助于毛细管将磁流体涂覆在侧抛光纤周围，毛细管的末端用光学紫外胶密封以避免磁流体的蒸发或泄漏。分别通过附件装置的检测通道mc和参考通道rc将传感单元和参考单元(不经过任何处理的多模光钎)与智能手机集成在一起，完成磁场强度传感器的全部组装。其中，所述传感单元的两端分别与智能手机的led和摄像头对准。

另外，实验中采用电磁铁产生磁场环境，其强度可调，但方向固定，为了实现所施加的磁场的方向的可调性，将所述传感单元固定在支架上，该支架进一步安装在旋转台上，通过旋转平台，使得所述传感单元相应地旋转，进而实现了可磁场方向与所述传感单元之间精确调整。为了实验研究的准确性，采用特斯拉计来实时监测施加的磁场强度。

检测过程中，从所述led发出的光耦合到传感单元中，然后穿过侧抛光纤到达智能手机的摄像头中。其中，一段没有经过任何处理的多模光纤通过参考通道进行连接，作为参考路径，由于测量通道mc和参考通道rc利用相同的led和摄像头，因此摄像头拍摄的图像中包含两个光斑，分别对应于测量通道和参考通道光斑，如图1(a)中的应用程序界面所示。最终，通过将光斑的亮度转换为灰度值，继而定量地描述了从光纤接收的光信号，从而实现对磁场的精确传感。

首先，研究了磁场传感器对磁场方向的传感特性。其中，将磁场强度固定在300oe，而磁场方向则由0°变为360°，每次增加4°(旋转4°)。图3(a)显示了所述摄像头在不同磁场方向下捕获的光斑光斑，可以看出，来自测量通道mc的光斑的亮度对方向作出周期性变化，表明磁场传感装置对方向的敏感性，也证明了本发明提供的磁场传感装置对磁场方向检测可行性。

为了定量分析检测结果，通过设置在智能手机内的应用程序将光斑的亮度转化为灰度值，利用相对灰度(即来自测量通道mc和参考通道rc的灰度值的比率)进行分析。图3(b)和(c)分别示出了在极坐标系和直角坐标系中呈现的相对灰度随磁场方向的变化情况，可以看出，在90°和270°附近，相对灰度达到极大值，而在0°和180°附近变为极大值。此外，0°和180°附近的相对灰度的变化率比90°和270°附近的相对灰度的变化率要大得多，这表明磁场导致的磁流体的折射率和吸收系数在0°和180°附近的的变化率比在90°和270°附近的变化率高得多，线性拟合结果表明，本发明提供的磁场传感装置对磁场方向的灵敏度最大可达-0.024deg-1(deg:度)。

接着，研究了磁场传感器对磁场强度的传感特性。研究过程中，分别固定磁场方向在两个特殊的方向上即0°和90°，然后以20oe为步长，逐渐提高磁场强度。图4(a)显示了在不同磁场强度下捕获的光斑，测量结果表明，随着磁场强度的增加，来自检测通道的光斑在0°的方向上变得愈加黑暗，反之，在90°的方向上逐步变亮。图4(b)给出了在磁场方向分别为0°和90°情况下，相对灰度随磁场强度的变化情况，，其再次表明随着磁场强度的增加，磁场方向分别为0°和90°相反变化趋势，这种现象可以由侧抛光纤的非中心对称性和磁流体在光纤周围的非均匀具体特性来解释。，线性拟合结果表明，在90°和0°方向上，磁场传感装置对于磁场强度检测的灵敏度分别可以达到0.0011和-0.0034oe-1，因此，本发明认为在检测磁场强度时，待测磁场的磁场方向与所述侧抛光纤的抛磨面平行时，可以有效提高检测的灵敏度。

最后，发明人证明本发明的优势，进行了实验研究，对基于智能手机的平台与传统平台进行了比较。图5所示为采用传统方式的实验平台，在传统平台中，采用宽带光源和具有较大尺寸和高价格的光谱仪的专业仪器用于发射和接收光信号。具体的，设计的传统实验的传感单元的两端连接钨卤素光源和光谱仪，工作波长范围为200～1100nm。如图5(a)所示为对磁场强度和方向的传感性能的表征，测量结果显示，在传统平台的基础上，通过实验实现的对磁场方向和强度的最大灵敏度-743.5a.u./deg和-112.1a.u./oe。进一步地，可以通过公式r＝abs(σ/s)来得到测量分辨率，其中σ为输出信号噪声的标准偏差，可以通过在相同条件下统计实验测量结果来获得，s为灵敏度。在实验中，通过在相同条件下重复测量10次，测得基于手机平台和传统平台的σ分别为0.0015和41.5a.u.，根据在上述实验中获得的灵敏度，可以如表1中所示的测量分辨率。

表1.基于智能手机和传统平台之间的比较

通过表1中的比较，可以明显的看出本发明提供的基于智能手机的磁场矢量传感器不仅具有与传统平台可比拟的测量分表率，同时还具有成本低和易于携带的优势。

实施例2

本实施例提供了一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置，包括传感单元、移动终端装置以及可与移动终端装置电连接的附件装置；所述传感单元用于感应外界矢量磁场的变化，包括侧边抛磨光纤和围绕在侧抛光纤周围的磁流体；所述移动终端装置包括用于向传感单元发射光信号的led，用于捕捉所述传感单元输出的光信号的摄像头，以及用于处理摄像头捕捉到的图像的处理装置；所述附件装置用于输出所述移动终端装置的光信号和接收传感单元反馈的光信号。

优选地，所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围。具体的，所述侧抛光纤是通过抛磨掉部分纤芯制作而成。

优选地，所述附件装置包括测量通道和参考通道，所述测量通道与所述传感单元连接，所述参考通道与参比单元连接。具体的，所述参比单元为一个没有经过任何处理与所述传感器单元采用的多模光纤相同，其与所述传感单元享用相同的led和摄像头，所述摄像头拍摄的图像分别对应检测通道和参考通道的两个光斑，将测量通道与参考通道获得的灰度值的比率定义为相对灰度，在整理后期检测结果时，采用相对灰度进行分析。

优选地，所述移动终端装置还包括用于显示检测结果的显示装置。

优选地，所述侧抛光纤的抛磨区长度为9mm。

优选地，所述侧抛光纤采用多模光纤，纤芯的直径为95um。

优选地，所述侧抛光纤的剩余厚度d为原始光纤直径的一半。

优选地，所述led的出光口设有透镜和滤光片。本发明为提高led与光纤的光耦合效率，滤除不需要的光在led的出光口设置透镜和滤光片。

一种基于移动终端装置的便携式矢量磁场传感器的检测方法，在检测磁场强度时，将侧抛光纤的抛磨面调整至与磁场方向平行的位置，以便获得最高的磁场强度灵敏度。

实施例3

一种基于移动终端的便携式矢量磁场传感装置，包括传感单元、移动终端装置以及可与移动终端装置电连接的附件装置；所述传感单元用于感应外界矢量磁场的变化，包括侧边抛磨光纤和围绕在侧抛光纤周围的磁流体；所述移动终端装置包括用于向传感单元发射光信号的led，用于捕捉所述传感单元输出的光信号的摄像头，以及用于处理摄像头捕捉到的图像的处理装置；所述附件装置用于输出所述移动终端装置的光信号和接收传感单元反馈的光信号。

优选地，所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围。具体的，所述侧抛光纤是通过抛磨掉光纤的部分纤芯制作而成。

优选地，所述附件装置包括测量通道和参考通道，所述测量通道与所述传感单元连接，所述参考通道与参比单元连接。具体的，所述参比单元为一段未经任何处理的与所述传感器单元采用的相同的多模光纤，其与所述传感单元享用相同的led和摄像头，所述摄像头拍摄的图像分别对应检测通道和参考通道的两个光斑，将测量通道与参考通道获得的灰度值的比率定义为相对灰度，在整理后期检测结果时，采用相对灰度进行分析。

优选地，所述移动终端装置还包括用于显示检测结果的显示装置。

优选地，所述侧抛光纤的抛磨区长度为15mm。

优选地，所述侧抛光纤采用多模光纤，纤芯的直径为115um。

优选地，所述侧抛光纤的剩余厚度d为原始光纤直径的一半。

优选地，所述led的出光口设有透镜和滤光片。

一种基于移动终端装置的便携式矢量磁场传感器的检测方法，在检测磁场强度时，将侧抛光纤的抛磨面调整至与磁场方向平行的位置，以便获得最高的磁场强度灵敏度。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。