基于光学腔的磁场传感器及系统的制作方法

本申请涉及磁场测量领域，具体而言，涉及一种基于光学腔的磁场传感器及系统。

背景技术：

磁性是物质的基本属性之一，测量磁性物体的磁场，经过信号分析处理提取相关信息，可以达到目标探测、资源调查等目的，磁场探测是现代探测技术的重要组成部分。磁场探测技术被广泛应用于空间科学研究、海洋监测、地下和水下铁磁物体的探测、地震预测、地磁匹配导航、飞机发动机零部件无损检测以及医学核磁共振等各个领域。

磁场探测器多种多样，测量原理千差万别，如磁阻效应、zeeman效应、josephson效应、霍尔效应等。

然而，现有技术中的磁场探测器灵敏度低，测量精度较低，并且尺寸大，制作和维修成本高。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光学腔的磁场传感器及系统，以解决现有技术中的磁场探测器灵敏度低，测量精度较低，并且尺寸大，制作和维修成本高的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于光学腔的磁场传感器，磁场传感器包括：激光器、光纤、光学腔和探测器；光学腔的腔壁上开设有开口，且光学腔的材料为磁致伸缩材料，光纤的两端的直径大于中间的直径，激光器和探测器分别设置在光纤的两端，光学腔设置在光纤中间位置，且开口位置贴附在光纤上，探测器用于检测经过光纤的谐振光谱。

可选地，该光学腔的形状为：球形、正方体和正八面体中任意一种。

可选地，该光学腔内壁镀有全反射膜。

可选地，该光学腔的材料为光学玻璃。

可选地，该光学腔内填充有磁流体。

可选地，该光学腔内填充有光增益介质。

可选地，该磁场传感器还包括包裹层，包裹层设置在光学腔外部，用于保护光学腔。

可选地，该磁场传感器还包括数据传输器，数据传输器设置在探测器远离激光器的一侧，用于将探测器探测得到的光谱信号输出。

第二方面，本申请提供一种基于光学腔的磁场传感系统，系统包括：计算机和第一方面任意一项的磁场传感器，计算机用于接收磁场传感器的谐振光谱信号，并通过谐振光谱信号与磁场的对应关系，得到待测磁场。

本发明的有益效果是：

本申请提供的磁场传感器包括：激光器、光纤、光学腔和探测器；光学腔的腔壁上开设有开口，且光学腔的材料为磁致伸缩材料，光纤的两端的直径大于中间的直径，激光器和探测器分别设置在光纤的两端，光学腔设置在光纤中间位置，且开口位置贴附在光纤上，探测器用于检测经过光纤的谐振光谱；在使用该磁场传感器对待测磁场进行检测的时候，该激光器产生激光经过该光纤耦合到该光学腔中，耦合到该光学腔内的光反复反射后产生谐振，并且由于该光学腔的材料为磁致伸缩材料，则该光学腔在磁场的作用下产生磁致伸缩效应，即该光学腔的腔体空间发生改变，进而使得耦合到该光学腔内的光反复反射后产生谐振光的谐振光谱发生改变，产生的谐振光通过光纤传输到该探测器，该探测器得到该谐振光谱信号的变化情况，并通过谐振光谱信号的变化情况与磁场的对应关系，得到待测磁场，由于本申请的传感器结构简单，则制备成本和维修成本较低，且该传感器尺寸小，并且由于本申请将待测磁场的测量转化为对谐振光的谐振光谱的测量，使得对磁场的测量灵敏度和精度均较高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明一实施例提供的一种基于光学腔的磁场传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的另一种基于光学腔的磁场传感器的结构示意图。

图标：10-光纤；20-激光器；30-探测器；40-光学腔；50-数据传输器。

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，下面将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，所描述的实施例是本发明一金属板实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本申请提供一种基于光学腔的磁场传感器，磁场传感器包括：激光器20、光纤10、光学腔40和探测器30；光学腔40的腔壁上开设有开口，且光学腔40的材料为磁致伸缩材料，光纤10的两端的直径大于中间的直径，激光器20和探测器30分别设置在光纤10的两端，光学腔40设置在光纤10中间位置，且开口位置贴附在光纤10上，探测器30用于检测经过光纤10的谐振光谱。

该光纤10的长度根据实际情况而定，在此不做具体限定，该光学腔40的腔体的体积根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，该光纤10的两端的直径大于中间位置的直径，即该光纤10是中间位置的直径较窄，两端的直径逐渐增大，该激光器20和该探测器30分别设置在该光纤10的两端，该激光器20用于产生激光，该探测器30用于检测该光纤10中光的谐振光谱，该光学腔40的材料为磁致伸缩材料，即在磁场的作用下该光学腔40的体积可以伸张，也可以收缩，该光学腔40上开设有开口，当该光学腔40设置在该光纤10的中间位置时，该光学腔40的开口与该光纤10接触，该激光器20可以为氦氖激光器20和红宝石激光器20中任意一种，该光纤10和该探测器30与光纤10的接触位置的直径一般与该光纤10两端的直径相同；在使用该磁场传感器对待测磁场进行检测的时候，该激光器20产生激光经过该光纤10耦合到该光学腔40中，耦合到该光学腔40内的光反复反射后产生谐振，并且由于该光学腔40的材料为磁致伸缩材料，则该光学腔40在磁场的作用下产生磁致伸缩效应，即该光学腔40的腔体空间发生改变，进而使得耦合到该光学腔40内的光反复反射后产生谐振光的谐振光谱发生改变，产生的谐振光通过光纤10传输到该探测器30，该探测器30得到该谐振光谱信号的变化情况，并通过谐振光谱信号的变化情况与磁场的对应关系，得到待测磁场，该谐振光谱信号的变化情况与磁场的对应关系根据实验测量得到，在此不做具体说明，由于本申请的传感器结构简单，则制备成本和维修成本较低，且该传感器尺寸小，并且由于本申请将待测磁场的测量转化为对谐振光的谐振光谱的测量，使得对磁场的测量灵敏度和精度均较高。

可选地，该光学腔40的形状为：球形、正方体和正八面体中任意一种。

该光学腔40的形状可以为球形，也可以为正方体，还可以为正八面体，在此不做具体限定，在实际应用中，该光学腔40一般为球体，球体的光学腔40在经过多次磁致伸缩时，该光学起那个的增大和缩小对光学腔40产生的破坏最小。

可选地，该光学腔40内壁镀有全反射膜。

该光学腔40内壁镀有全反射膜，使得进入到该光学腔40内的光线全部在该光学腔40内发生全反射，减少光线透过光学腔40的壁造成的光线的损耗，增加该磁场传感器对磁场测量的准确性。

可选地，该光学腔40的材料为光学玻璃。

光学玻璃为磁致伸缩材料的一种，并且光学玻璃磁致伸缩系数较大，且该玻璃外部透光，有利于光线的耦合。

可选地，该光学腔40内填充有磁流体。

该光学腔40内部填充有磁流体，在对磁场进行测量的时候，该光学腔40内部的磁流体，在磁场变化的情况下磁流体的折射率也会发生变化，光学微腔产生的谐振光谱也会发生变化，增加该磁场传感器对磁场磁场的敏感性和准确性，该光学腔40内磁流体的量根据实际情况进行设置，在此不做具体限定，一般的，该光学腔40内的磁流体的量小于该光学腔40体积的一半。

可选地，该光学腔40内填充有光增益介质。

该光学腔40内填充有光增益介质，在对磁场进行测量的时候，光纤10中的光耦合到该光学腔40中，该光增益介质减小光传播过程的损耗，进而提高装置的灵敏度，该光学腔40内光增益介质的量根据实际需要进行设置，在此不做具体限定，，一般的，该光学腔40内的光增益介质的量小于该光学腔40体积的一半，即该光增益介质和该磁流体一共的体积未将该光学腔40填充满，使得该光学腔40在磁场作用下体积发生改变的时候，有一定的形变空间。

可选地，该磁场传感器还包括包裹层，包裹层设置在光学腔40外部，用于保护光学腔40。

该包裹层设置在该光学腔40外部，用于保护光学腔40，并且避免该光学腔40内部的光透过该光学腔40的腔壁发生损耗，增加了该磁场传感器测量磁场的准确性。

可选地，该磁场传感器还包括数据传输器50，数据传输器50设置在探测器30远离激光器20的一侧，用于将探测器30探测得到的光谱信号输出。

该数据传输器50用于接收该探测器30检测的谐振光谱，并将该探测器30探测得到的谐振光谱的光谱信号进行输出。

本申请提供的磁场传感器包括：激光器20、光纤10、光学腔40和探测器30；光学腔40的腔壁上开设有开口，且光学腔40的材料为磁致伸缩材料，光纤10的两端的直径大于中间的直径，激光器20和探测器30分别设置在光纤10的两端，光学腔40设置在光纤10中间位置，且开口位置贴附在光纤10上，探测器30用于检测经过光纤10的谐振光谱；在使用该磁场传感器对待测磁场进行检测的时候，该激光器20产生激光经过该光纤10耦合到该光学腔40中，耦合到该光学腔40内的光反复反射后产生谐振，并且由于该光学腔40的材料为磁致伸缩材料，则该光学腔40在磁场的作用下产生磁致伸缩效应，即该光学腔40的腔体空间发生改变，进而使得耦合到该光学腔40内的光反复反射后产生谐振光的谐振光谱发生改变，产生的谐振光通过光纤10传输到该探测器30，该探测器30得到该谐振光谱信号的变化情况，并通过谐振光谱信号的变化情况与磁场的对应关系，得到待测磁场，由于本申请的传感器结构简单，则制备成本和维修成本较低，且该传感器尺寸小，并且由于本申请将待测磁场的测量转化为对谐振光的谐振光谱的测量，使得对磁场的测量灵敏度和精度均较高。

本申请提供一种基于光学腔的磁场传感系统，系统包括：计算机和上述任意一项的磁场传感器，计算机用于接收磁场传感器的谐振光谱信号，并通过谐振光谱信号与磁场的对应关系，得到待测磁场。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。