一种全光纤微弱磁场测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种全光纤微弱磁场测量装置。
【背景技术】
[0002] 涉及磁场测量的领域很多，包括工业、农业、国防、生物、医学以及宇航等，而其中， 实现微弱磁场测量是比较重要的。微弱磁场测量方法有很多，如磁通门法、磁光栗发、超导 量子器件干涉法等，但是采用这些方法的测量仪器基本都是由电子器件组成，这就造成测 量仪器的抗电磁干扰和耐高温能力差，从而无法在恶劣的环境下工作，极大地限制了应用 范围。具体而言，首先，电子线路耐高温性能差，在温度150Γ环境下使用时，测量仪器的工 作时间都需要进行严格限制，无法长时间测量，不能满足高温长时间测量要求；其次，在电 磁干扰情况严重的环境下，测量信号容易受到干扰，使测量误差大，导致所采集的信息的可 靠性和准确性均无法得到保障。
[0003] 相较于电子器件，光纤传感器具有高灵敏度、高精度、大动态范围、抗电磁干扰以 及耐高温高压等显著技术优势，在磁场测量，特别是微弱磁场测量方面受到了广泛关注。目 前用于测量磁场的光纤传感器有基于磁致伸缩效应的Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感 器、Michelson干涉型光纤磁场传感器、Fabry-Perot干涉型光纤磁场传感器和基于双光纤 布拉格光栅（FBG，Fiber Bragg Grating)光纤磁场传感器等。
[0004] 基于磁致伸缩效应的Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感器和Mich elson干涉型 光纤磁场传感器的原理基本一致，都是将光纤缠绕在磁致伸缩材料上，磁致伸缩材料在外 界磁场的作用下形成微小变化，这种变化造成了缠绕在其上光纤的参数（长度、折射率）改 变，使得在干涉臂中传输光的光程差发生变化，即实现磁场信号到光波信号相位信息的调 制。这种结构的光纤磁场传感器虽然结构简单，但是在进行交流或直流磁场的测量时需要 外加直流或交流磁场偏置线圈，不仅系统结构复杂，而且信号解调复杂，并且受环境（如温 度、震动、光纤弯曲等）引起的偏振态随机变化使测量结果很不稳定。
[0005] Fabry-Perot干涉型光纤磁场传感器利用了低精度的FP干涉仪，将单模光纤和金 属玻璃丝放在空心管中构成了 EFFP弱磁传感器，光纤端面和金属玻璃丝端面构成了 F-P 腔，由光纤传来的光在光纤端面反射部分和在金属玻璃丝端面反射后再进入光纤的光干 涉。这种结构因光纤中直接输出光波的发散性，使得F-P的腔长只能做到微米量级，导致其 测量灵敏度和精度较低，同时这种结构不是全光纤结构，稳定性差、加工工艺难，不适合大 批量生产。
[0006] 基于双光纤布拉格光栅光纤磁场传感器是由框架、等腰三脚架悬臂梁、2段电流线 管线圈、细的载流直导线、双光纤布拉格光栅组成。双光纤布拉格光栅沿中心线对称地刚 性粘贴在悬臂梁的前后两边，载流直导线沿悬臂梁的中心线被刚性的粘贴在悬臂梁的自由 端。当电磁力作用在悬臂梁上时，会导致悬臂梁的形变，这种形变作用于双光纤布拉格光 栅，使双光纤布拉格光栅的布拉格波长发生漂移，应用差动技术对双光纤布拉格光栅的波 长漂移进行测量，通过漂移量就可以反映出磁场情况。该光纤磁场传感器稳定性好，但是存 在温度交叉敏感性、灵敏度低、结构复杂等缺点。
【发明内容】
[0007] 本发明主要解决的技术问题是提供一种全光纤微弱磁场测量装置，能够精确测量 微弱磁场的磁场强度。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种全光纤微弱磁场 测量装置，包括光源模块、光纤环形器、磁敏感模块、光谱采集模块和处理模块，所述光纤 环形器包括与所述光源模块连接的第一端口、与所述磁敏感模块连接的第二端口和与所述 光谱采集模块连接的第三端口，所述光谱采集模块连接所述处理模块，所述磁敏感模块包 括光纤和磁致伸缩元件，所述光纤固定在所述磁致伸缩元件上，所述光纤上刻写有间隔预 定光纤长度的两个啁嗽光纤光栅以形成全光纤FBG F-P腔，所述两个啁嗽光纤光栅的反射 波长、反射率以及反射光谱带宽均一致；所述光源模块用于向所述第一端口输出稳定光谱 和功率的光信号，所述第二端口用于将所述光信号注入所述磁敏感模块，以使所述全光纤 FBG F-P腔向所述第二端口反射所述光信号的干涉信号，所述第三端口用于向所述光谱采 集模块输出所述干涉信号，所述光谱采集模块用于采集所述干涉信号的光谱特性数据，所 述处理模块用于根据所述光谱特性数据测量磁场强度。
[0009] 优选地，所述磁致伸缩元件为磁致伸缩片或磁致伸缩棒，所述光纤放置于所述磁 致伸缩片表面或者插在所述磁致伸缩棒中，并且所述全光纤FBG F-P腔的两端通过粘接剂 与所述磁致伸缩片或所述磁致伸缩棒紧密粘贴。
[0010] 优选地，所述全光纤微弱磁场测量装置还包括偏振控制模块，所述光源模块通过 所述偏振控制模块连接所述第一端口，所述偏振控制模块用于控制所述光信号的偏振态并 消除所述光信号的信号衰落。
[0011] 优选地，所述啁嗽光纤光栅的反射光谱带宽在Snm以上。
[0012] 优选地，所述第二端口通过光纤跳线与所述磁敏感模块连接，所述第三端口通过 光纤跳线与所述光谱采集模块连接。
[0013] 优选地，所述光源模块采用宽光谱的半导体光源。
[0014] 区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：
[0015] 1、具有全光纤FBG F-P腔的磁敏感模块为全光纤结构，与传统光纤F-P腔的空间 耦合结构相比，减小了光在F-P腔中的传输损耗，同时以光纤光栅作为反射端面，可很好地 控制其反射率，干涉特性好、信噪比高，测量精度高；
[0016] 2、光纤光栅设计为啁嗽光纤光栅，其反射光谱带宽可达到几个nm以上，构成的 F-P腔的腔长能达到厘米量级，能构成形成长腔长弱反射F-P腔磁敏感结构，从而可以极大 改善磁场测量灵敏度，保证实现高精度磁场测量；
[0017] 3、与传统光波相位检测方法相比，采用光谱特性分析能消除偏振信号衰落、温度 漂移及振动扰动误差等，提高了磁场探测的灵敏度和稳定性；
[0018] 4、在具有全光纤FBG F-P腔的磁敏感模块上结合光谱特性分析进行磁场测量，能 在不改变结构的基础上，既可以实现直流磁场的测量也可以实现交流磁场的测量，并且结 构简单；
[0019] 5、全光纤FBG F-P腔为全光纤结构，具有耐高温高压，抗电磁干扰、响应时间快，以 及加工工艺简单等特点，不仅传感器稳定性好，而且适合大批量生产。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明实施例全光纤微弱磁场测量装置的结构示意图。
[0021] 图2是图1中磁场敏感模块的全光纤FBG F-P腔的光路示意图。
[0022] 图3是图1中磁场敏感模块一种应用场景中的结构示意图。
[0023] 图4是图1中磁场敏感模块另一种应用场景中的结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 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。
[0025] 参见图1，是本发明实施例全光纤微弱磁场测量装置的结构示意图。本实施例的全 光纤微弱磁场测量装置包括光源模块1、光纤环形器2、磁敏感模块3、光谱采集模块4和处 理模块5。
[0026] 光纤环形器2包括与光源模块1连接的第一端口 Dl、与磁敏感模块3连接的第二 端口 D2和与光谱采集模块4连接的第三端口 D3。光源模块1可以采用采用宽光谱的半导 体光源，由于光源模块1输出光信号的稳定性对测量精度影响很大，为保证测量精度，光源 模块1输出稳定光谱和功率的光信号，以保证稳定性。半导体光源的光谱宽度和功率大小 可以根据实际需要进行调节。
[0027] 光谱采集模块4连接处理模块5。在本实施