一种基于空心球腔的低频磁场探测系统

1.本发明涉及的是一种基于空心球腔的低频磁场探测系统，具体涉及的是由磁致伸缩介质、电致伸缩介质和多个空心球腔构建的磁场传感系统，属于光学领域。


背景技术：

2.磁场探测系统是可以将磁场及其变化的量转变成电信号输出的装置。自然界和人类社会活动的许多地方都存在磁场或者和磁场相关的信息，比如移动通讯、广播电视、航空航天等，所以，对磁场的探测很重要。目前，各种磁场传感器已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用。低频磁场探测对于军事和医疗领域具有重要的应用价值。现有高精度低频磁场探测系统造价昂贵，其余的低频磁场探测系统的性能仍有很大改进空间。已有的基于机械模式增强的磁场探测系统，为实现低频探测，需要设计具有较低频率的机械模式的光学谐振腔，但现有的系统仍无法直接实现1hz附近的磁场的高灵敏度探测，如果直接对耦合光场的腔的机械模式进行调谐以覆盖低频探测范围，会降低其光学品质因数，进而影响其传感性能。本发明提出了可以调谐传感单元的机械模式但是不影响其光学品质因数的一种基于空心球腔的低频磁场探测系统。具有实现高灵敏度低频磁场探测的潜力。


技术实现要素：

3.本发明为提升光学磁场传感系统的性能，提出了一种基于空心球腔的低频磁场探测系统，可用于低频磁场探测。
4.一种基于空心球腔的低频磁场探测系统包括信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、磁场传感单元、光电探测器、锁相放大器、高频调制线圈、数据处理和显示系统；磁场传感单元包括磁致伸缩介质，空心球腔，电致伸缩介质，支架和胶水。
5.所述的信号发生器输出的一路三角波信号同时送入可调谐激光器的电压调谐端口和数据处理和显示系统，信号发生器的另一路输出用于产生正弦高频调制信号，送入锁相放大器，经锁相放大器放大后输出到高频调制线圈；可调谐激光器输出的光经衰减器和偏振控制器送入光纤锥；光纤锥中的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感单元的处于中间位置的空心球腔内，空心球腔内光场在腔内传输后经光纤锥耦合输出至光电探测器接收端，光电探测器输出的信号送入锁相放大器，锁相放大器再输出至数据处理和显示系统。传感系统中可调谐激光器、隔离器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；信号发生器和可调谐激光器、信号发生器和锁相放大器、信号发生器和数据处理和显示系统、光电探测器和锁相放大器、高频调制线圈和锁相放大器之间使用电学线缆连接；高频调制线圈使磁致伸缩介质发生形变，高频调制线圈的产生的磁场信号频率与机械模式频率一致，待测低频磁场会叠加到该高频信号上，通过采集光学系统输出的高频信号上叠加的低频信号的变化，可以获得低频磁场信息。
6.传感单元中包含三个空心球腔，三个空心球腔之间用两段直径2微米的拉细光纤连接，外侧两个空心球腔两侧分别连接两段直径125微米的光纤，直径为125微米的光纤下
方用胶水粘结磁致伸缩介质以便对磁场产生响应。为调节整体结构的机械模式的频率，在两侧的空心球腔下方用胶水粘结电致伸缩介质，通过电致伸缩介质改变两侧的空心球腔的结构参数，进而调控其机械模式的频率。用于耦合光场的光纤锥只与中间的空心球腔进行耦合。
7.作为优选，所述的三个空心球腔的壁厚最薄处小于2微米，三个空心腔的外径在100微米到5毫米的范围。整体的结构尺寸必须保证传感单元的机械模式的频率小于100khz。
8.作为优选，锁相放大器工作频带覆盖100khz，低通滤波的带宽大于10hz,保证该系统可探测10hz以内的低频信号。
9.作为优选，数据处理和显示系统可以获得系统输出的直流和低频信号、给出信号的幅度或频率信息。
10.作为优选，所述的可调谐激光器的调谐范围要覆盖实验所需的探测范围，波段选用通讯波段，且与探测器的接收波段相匹配。
11.作为优选，所述的空心球腔的材料为二氧化硅或其他支持光学模式传输的材料，只要保证腔内光场的低损耗传输，且在腔的外表面存在倏逝波即可。
12.作为优选，所述的磁致伸缩介质为terfenol-d或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。磁致伸缩介质的形状和位置要保证磁致伸缩介质在磁场的作用下对空心球腔产生作用。
13.作为优选，所述的电致伸缩介质为pzt或其它在电压或电场作用下能够伸缩的介质。电致伸缩介质形状和位置要保证可以改变腔的机械模式频率，使其满足锁相放大器的工作带宽需求，从而改进腔对于低频信号的探测能力。
14.作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
15.作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
16.本发明中的传感单元的设计方式降低了机械模式调谐对光学模式的影响，使得系统不会因为机械模式的调谐导致光学品质因数降低从而影响其传感灵敏度。本发明低频磁场探测系统其机械模式可调谐且调谐过程不影响其光学品质因数，通过将低频信号调制进入高频段提升低频磁场探测能力。
附图说明
17.图1为发明的一种基于空心球腔的低频磁场探测系统示意图；
具体实施方式
18.下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
19.具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种基于空心球腔的低频磁场探测系统包括可调谐激光器1、衰减器2、偏振控制器3、光纤锥4、磁场传感单元5、光电探测器6、锁相放大器7、数据处理和显示系统8、信号发生器9、高频调制线圈10。其中，信号发生器9有两种信号输出，一种三角波一种正弦波。其中，三角波信号送入可调谐激光器1的电压调
谐端口和信号到数据处理和显示系统8；正弦波作为高频调制信号送入锁相放大器7，经锁相放大器7放大后输出到高频调制线圈10。可调谐激光器1的光出射端与衰减器2的输入端连接，衰减器2的输出端与偏振控制器3的输入端连接，偏振控制器3输出端与光纤锥4输入端连接。光纤锥4中传输的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感单元5中间的空心球腔内，光场可以在空心球腔内传输，而后经光纤锥4耦合输出，并送入光电探测器6的接收端，光电探测器6输出的信号进入锁相放大器7中,锁相放大器7输出的信号进入数据处理和显示系统8。可调谐激光器1、衰减器2、偏振控制器3、光纤锥4、光电探测器6之间的连接均采用光纤连接；光电探测器6与锁相放大器7、锁相放大器7和高频调制线圈10、锁相放大器7和数据处理和显示系统8、信号发生器9和可调谐激光器1、信号发生器9和锁相放大器7、信号发生器9和数据处理和显示系统8之间使用电学线缆连接。高频调制线圈10使磁致伸缩介质发生形变，高频调制线圈的产生的磁场信号频率与机械模式频率一致，待测低频磁场会叠加到该高频信号上，通过采集光学系统输出的高频信号上叠加的低频信号的变化，可以获得低频磁场信息。
20.如图1所示，本实施方式所述的一种基于空心球腔的低频磁场探测系统的磁场传感单元5包括磁致伸缩介质11，电致伸缩介质12，三个空心球腔13、胶水14、拉细光纤15，光纤16，支架17。其中三个空心球腔直径为2微米的拉细光纤15连接，两侧的空心球腔连接直径为125微米的光纤16，左右两侧的空心球腔13通过胶水14粘结在电致伸缩介质12上，两端的光纤16通过胶水14粘结在磁致伸缩介质11上。磁致伸缩介质11通过胶水14粘结在支架17上，用于自由移动传感单元。
21.其中信号发生器9输出正弦高频调制信号到锁相放大器7，锁相放大器7将信号放大后输出到高频调制线圈10，高频调制线圈10产生的高频磁场将导致磁致伸缩介质11发生形变，进而导致空心球腔12的腔长发生变化，从而系统的改变透射光场信息。在高频调制信号的基础上，待测低频磁场信号会改变磁致伸缩介质的高频响应，因此可以通过观察高频响应的差别来进行低频磁场信号探测，在数据处理和显示系统8就可以获得待测低频磁场信息。
22.通过对电致伸缩介质12施加电压可使得两侧的空心球腔的产生形变，从而改变整个传感结构的机械模式的频率，该系统能够调谐机械模式的频率位置而不影响光场传输的空心球腔的光学品质因数，因此在调谐机械模式频率的同时又不会导致系统传感灵敏度的降低。