一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法。环形器的两个输出端分别与2×2保偏光纤耦合器和光谱分析仪相连，2×2保偏光纤耦合器输出端分别与第一保偏光纤、第二保偏光纤相连接，第一保偏光纤和第二保偏光纤通过90°焊接，第一保偏光纤中的一部分作为磁场感应区，作为磁场感应区中的第一保偏光纤和通电电极通过柔性材料包裹在一起，柔性材料和通电电极构成感应磁场的结构；通电电极受磁场作用产生安培力，间接作用于磁场感应区，保偏光纤产生应力双折射，从而改变干涉光相位差，进而获得磁场的大小。本发明具有制作简单、灵敏度高、成本低、结构和制作工艺简单等优点，提高了可探测的微弱磁场和恶劣环境的抗干扰的能力。
【专利说明】
-种基于安培力的新型微弱磁场传感器及检测方法
技术领域
[0001] 本发明设及磁场传感领域，尤其设及了一种基于安培力的新型微弱磁场传感器及 检测方法。
【背景技术】
[0002] 磁场的测量技术在地质勘探、工业检测、军事制导、生物医学工程W及日常生活有 很重要的应用。传统磁场传感方法常因电磁干扰等问题受到许多使用的限制，光纤作为一 种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰，还有体积轻、重量 小、精度高，易于形成分布式测量等优点。
[0003] 保偏光纤具有保偏、高双折射的特性，用其构成的Sagnac环对应力具有高敏感性， 非常适用于磁场/电流传感器。但目前，磁场对保偏光纤的作用通常使用的磁致伸缩材料或 者磁流体，制作复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种基于安培力的新型微弱磁场传 感器及检测方法，通过结合柔性材料和保偏光纤的特性，柔性材料具有高应力系数，能够感 知微弱的形变。本发明通过通电电极在磁场中受到的安培力，大大提高了磁场传感的灵敏 度和抗干扰能力，结构与制作简单，同时采用的Sagnac干设系统也保证了系统的稳定性。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案实现的：
[0006] -、一种基于安培力的新型微弱磁场传感器：
[0007] 本发明包括光源、起偏器、环形器和光谱分析仪，光源与起偏器相连，起偏器与环 形器的输入端相连，还包括2X2保偏光纤禪合器、第一保偏光纤、第二保偏光纤、柔性材料 和通电电极;环形器的两个输出端分别与2X2保偏光纤禪合器的一个输入端和光谱分析仪 相连，2 X 2保偏光纤禪合器的另一个输入端空置，2 X 2保偏光纤禪合器的两个输出端分别 与第一保偏光纤、第二保偏光纤的一端相连接，第一保偏光纤和第二保偏光纤的另一端通 过90°焊接点焊接在一起，从而使得2 X 2保偏光纤禪合器、第一保偏光纤和第二保偏光纤构 成Sagnac环;第一保偏光纤中的一部分作为磁场感应区，该部分和通电电极通过柔性材料 包裹在一起，通电电极连接电源通电，输出恒定电流柔性材料和通电电极构成感应磁场的 结构。
[000引所述磁场感应区处第一保偏光纤被一层柔性材料均匀包裹，通电电极被柔性材料 包裹在第一保偏光纤外，并平行于第一保偏光纤。磁场感应区处第一保偏光纤为感应磁场 的感应区中的安培力敏感区域。
[0009] 在90°焊接点处，第一保偏光纤和第二保偏光纤相互呈90度旋转连接使得两者的 快轴与慢轴相连接，即第一保偏光纤的快轴和第二保偏光纤的慢轴连接，第一保偏光纤的 慢轴和第二保偏光纤的快轴连接。
[0010] 通过调节起偏器，使入射光的偏振方向为两根保偏光纤的主轴方向，并使得经过2 X2保偏光纤禪合器后两路线偏振光的偏振方向分别在其中一根保偏光纤的快轴和另一根 保偏光纤的慢轴上。
[0011] 二、一种基于安培力的新型微弱磁场检测方法：
[0012] 光源产生的光经过起偏器后变成线偏振光，并通过环形器输入至2 X 2保偏光纤禪 合器，2X2保偏光纤禪合器输出端输出两束光强相等、相位差为90°的线偏振光，两束线偏 振光分别经构成Sagnac环的第一保偏光纤和第二保偏光纤中快慢轴中传输，并经90°焊接 点发生传输光轴的改变，在Sagnac环中传输一周后，回到2X2保偏光纤禪合器发生合波干 设，干设光经过环形器输出至光谱分析仪获得干设光的干设波形等干设数据;传输过程中， 通电电极受磁场作用产生安培力，通过柔性材料间接作用于磁场感应区的第一保偏光纤， 即两段保偏光纤构成的Sagnac环上，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变合波干设的两 路干设光的相位差，通过比较分析干设数据中的相位大小，获得磁场的大小。
[0013] 所述的通电电极受安培力产生变形，通过柔性材料带动第一保偏光纤的变形，使 第一保偏光纤内产生应力双折射(即光弹效应）。
[0014] 进一步地，当空间中没有磁场时，从2X2保偏光纤禪合器输出端输出的两束偏振 光在90°焊接点处发生传播光轴的改变，由于保偏光纤的快慢轴具有不同的折射率，故两束 光在Sagnac环中传输一周后，具有不同的光程，在2 X 2保偏光纤禪合器处发生合波干设，经 由环形器输出至光谱分析仪，观察光谱分析仪中显示的干设波形。
[0015] 当空间中有磁场时，3mm柔性材料处的光纤在两主轴方向折射率均有改变，两束光 在Sagnac环中传输一周后产生的光程差发生变化，同样由光谱分析仪进行光谱分析，对比 两者的干设图像，计算干设光的相位差，即可分析出空间中的微弱磁场，微弱磁场是指约为 IO-2G强度的磁场。
[0016] 进一步地，本发明微弱磁场检测过程包括W下步骤：
[0017] (1)调节起偏器，使其偏振方向为保偏光纤的主轴方向，经过2X2保偏光纤禪合器 后输出的光的分光比为1:1，具体相位关系如下：
[001 引
[0019] 其中，i为虚数单位，Ei、E2表示从2X2保偏光纤禪合器两端输入的磁场，E3、E康示 从2 X 2保偏光纤禪合器两端输出的磁场。
[0020] 本发明中仅从2 X 2保偏光纤禪合器的Ei-个端口输入偏振光。从2 X 2保偏光纤禪 合器输出的E3、E4为振幅相同，相位差为90°的线偏振光。
[0021] (2)从2 X 2保偏光纤禪合器后输出的两束光在无磁场条件下在Sagnac环中传输一 周后，在2 X 2保偏光纤禪合器处发生合波干设，此时，两束光的光程差为：
[0022] A IjI - (Ilslowl l+nf astl2 ) - (nfast ll+nslowl2 ) - ( !!slow-nf ast ) (I 广 I2)
[0023] 其中，risi?表不保偏光线慢轴的折射率，nfast表不保偏光线快轴的折射率，I读不 第一保偏光纤的长度，12表不第二保偏光纤的长度，A b表不两束光发生合波干设时的光程 差。
[0024] 求得相位差为
[0025]
[00%]其中，灼表示两束光在感应区无磁场时发生合波干设时的相位差，A表示光的波 长，Ab表示两束光发生合波干设时的光程差。
[0027]此时，保偏光纤上的归一化双折射率为：
[002引
[0029] 其中，Bi表示保偏光纤上的归一化双折射率，A n表示保偏光纤慢轴折射率和快轴 折射率之间的差值，A表示光的波长，Lb为模式间拍长，nsi?表示保偏光线慢轴的折射率， Mast表示保偏光线快轴的折射率。
[0030] (3)光纤受到外力作用后，产生应力双折射，保偏光纤的归一化折射率产生变化， 具体变化与力的关系式如下：
[0031]
[0032] 其中，表示光纤受力之后由于光弹效应引起的双折射，a= 1.58为常数，C表示光 弹系数c = 3.7Xl(^lV/N，f为光纤单位长度所受外力大小，n为保偏光纤的折射率，k日为真 空中波数，d为保偏光纤外径。
[0033] 此时合成析射率为
[0034]
[0035] 其中，B表示由Bi和Be合成的双折射，a表示外力与保偏光纤慢轴的夹角，a=l.58为 常数，C表示光弹系数c = 3.7Xl(^l2m2/N，Bl表示保偏光纤上的归一化双折射率，Be表示光纤 受力之后由于光弹效应引起的双折射。
[0036] 两束光在柔性材料涂覆长度A b内，产生的相位差为：
[0037]
[003引其中，锭表不在感应区两束光产生的相位差，人表不光的波长，B表不由Bi和Be合成 的双折射，A b表示光纤中涂覆着柔性材料的长度。
[0039] (4)在2 X 2保偏光纤禪合器处发生合波干设的干设光的总的相位差为两部分相位 差总和，忽略掉A 12范围内nfast和nsi?的影响。由此可得出总的相位差的大小，并可W根据 相位差大小计算出磁场强度。
[0040]
[0041] 其中，皆表示两束光发生合波干设时的总的相位差，巧表示两束光在感应区无磁 场时发生合波干设时的相位差，巧表示在感应区两束光产生的相位差，A表示光的波长，A b表示两束光发生合波干设时的光程差，A b表示光纤中涂覆着柔性材料的长度。
[0042] (5)在本发明中，设置直流电源的电流为I安培，则保偏光纤单位长度受力f = Bx*I Al2/Al2 = Bx*I，设置电极与慢轴呈45°，则a = 45,相移与磁场关系如下：
[0043]
[0044] 其中，A表示在感应区两束光产生的相位差，Bi表示保偏光纤上的归一化双折射 率，a=1.58为常数，c表示光弹系数c = 3.7Xl(^lV/N，f为光纤单位长度所受外力大小，n 为保偏光纤的折射率，ko为真空中波数，d为保偏光纤外径。Bx为微弱磁场强度，A b表示光 纤中涂覆着柔性材料的长度，A表示光的波长。
[0045] 本发明的有益效果是：
[0046] 本发明通过结合柔性材料和保偏光纤的特性，提出的传感器通过通电电极在磁场 中受到的安培力，大大提高了磁场传感的灵敏度和抗干扰能力，结构与制作简单。同时，本 发明采用的Sagnac干设系统也保证了系统的稳定性。
【附图说明】
[0047] 图1是本发明整体结构示意图。
[004引图中：光源1、起偏器2、环形器3、光谱分析仪4、2X2保偏光纤禪合器5、第一保偏光 纤6、第二保偏光纤7、柔性材料8、通电电极9、90°焊接点10、磁场感应区11。
【具体实施方式】
[0049] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0050] 参照图1，本发明的新型微弱磁场传感器的整体结构示意图包括光源1、起偏器2、 环形器3、光谱分析仪4、2 X 2保偏光纤禪合器5、第一保偏光纤6、第二保偏光纤7、柔性材料8 和通电电极9。
[0051 ]由光源1产生的光经由起偏器2起偏后，形成一束单一偏振方向的线偏振光，控制 偏振光的偏振方向与保偏光纤主轴方向一致。偏振光通过环形器输入至2X2保偏光纤禪合 器的输入端，从两个输出端输出两束光强相等，相位差为90°的线偏振光。两束光在第一保 偏光纤、第二保偏光纤构成Sagnac环中传输，在保偏光纤90°点焊接处发生其传输的光轴的 改变，在此处光线从原先的在快轴或慢轴传播，变成在慢轴或快轴传播，焊接点的位置将两 侧光纤分为两段，且两段长度差为3m。两束光在Sagnac环中传输一周后，在2X2保偏光纤禪 合器处发生合波干设，干设光经过环形器输出至光谱分析仪观察干设光的干设波形;第一 保偏光纤上均匀涂覆一层长度为3mm的柔性材料，柔性材料中包裹着通电电极，通电电极受 磁场作用产生的安培力通过柔性材料，间接作用在由两段保偏光纤构成的Sagnac环上，使 保偏光纤产生应力双折射，从而改变干设光的相位差，通过相位差的大小计算得到磁场的 大小。
[0052] 光源1是化D宽带光源，工作波长为1310nm，具有输出功率大、亮度高、定性高的性 质，用于产生光线。
[0053] 起偏器2是保偏光纤起偏器，该起偏器采用高双折射光纤，W-定的卷绕方式进一 步加大双折射，使其中的一个模式截止。在保偏光纤起偏器的一头使用连接头使从起偏器 输出的光线与保偏光纤的慢轴对准。
[0054] 环形器3是一种使光单向环形传输的器件，能够使光只能沿着某个特定的方向就 行传播。从起偏器2输出的线偏振光经过环形器3后只能输出至2X2保偏光纤禪合器5,而从 2X2保偏光纤禪合器5反向输出端输出的光线通过环形器3只能输出至光谱分析仪4。
[0055] 本发明的光谱分析仪4是一种干设光谱分析仪，能够根据接收到的光立即从显示 屏上读出或由打印机，绘图仪输出光谱图，根据光谱图可W观察光的状态，分析干设光的相 位差，通过相位差的大小计算得到磁场的大小。
[0056] 本发明的2X2保偏光纤禪合器5是一种由保偏光纤制成的保偏光纤禪合器，它具 有将光从入射段口射入的光，分成两束分光比为1:1，相位差为90°的两束线偏振光；将在 Sagnac传播一周之后的两束线偏振光合成一束光从反向输出端出射的合光作用，同时，它 还能保持线偏振光偏振状态不变。
[0057] 第一保偏光纤6、第二保偏光纤7构成Sagnac环是当对光纤的应力发生改变时，光 纤长度和纤忍与包层导模的有效折射率都会产生改变，使得透射光谱的形状与强度分布也 随之改变，具有有结构简单、灵敏度高、调节灵活等特点。本发明将保偏光纤上涂覆着柔性 材料，柔性材料中包裹着通电电极接在Sagnac环上，然后当有磁场的变化时，产生安培力的 变化，对光纤产生的应力发生改变，从而引起光的折射率改变。
[0058] 柔性材料8具有高应力系数，能够感知微弱的形变。通电电极9是通电儀电极，通电 电极受磁场作用产生的安培力通过柔性材料8,间接作用在两段保偏光纤构成的Sagnac环 上，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变干设光的相位差。
[0059] 本发明的90°点焊接10是运用现代技术，将两截光纤进行90°焊接，当光传播到此 处时，光的偏振态将发生改变，即从快轴/慢轴方向传播转化为慢轴/快轴方向传播。
[0060] 本发明的具体实施例及其实施过程如下：
[0061] (1)调节起偏器，使其偏振方向与保偏光纤的慢轴对准，经过2X2保偏光纤禪合器 后输出的光的分光比为1:1，获得相位关系；
[0062] (2)从2X2保偏光纤禪合器后输出的两束光在无磁场条件下在Sagnac环中传输一 周后，在2 X 2保偏光纤禪合器处发生合波干设，获得两束光的光程差；
[0063] 保偏光纤上的归一化双折射率Bi为：
[0064] Bi = VU= 1310nm/2.66m=4.92*10-7
[0065] (3)恒流源调整为1A，光纤受到外力作用后，产生应力双折射，保偏光纤的归一化 折射率产生变化，获得具体变化与力的关系式：
[0066] 并获得合成折射率为：
[0067]
[0068] 位差得到为：
[0069]
[0070] 由于实施例的光谱分析仪只能分析[0~如]范围内的相位差，故能够探测的最大 磁场为：1.67*1〇-4g。
[0071] (4)在2 X 2保偏光纤禪合器处发生合波干设的干设光的总的相位差为两部分相位 差总和，忽略掉A b范围内Mast和nsi?的影响。由此可得出总的相位差的大小，根据相位差 大小计算获得磁场强度。
[0072] 由此可见，本发明通过结合柔性材料和保偏光纤的特性实现了微弱磁场的检测， 提高了磁场传感的灵敏度和抗干扰能力，稳定性好，具有突出显著的技术效果。
[0073] 上述【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的 精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范 围。
【主权项】
1. 一种基于安培力的新型微弱磁场传感器，包括光源（I)、起偏器（2)、环形器(3)和光 谱分析仪(4)，光源（1)与起偏器(2)相连，起偏器(2)与环形器(3)的输入端相连，其特征在 于:还包括2X2保偏光纤耦合器(5)、第一保偏光纤(6)、第二保偏光纤(7)、柔性材料(8)和 通电电极(9);环形器(3)的两个输出端分别与2 X 2保偏光纤親合器(5)的一个输入端和光 谱分析仪(4)相连，2X2保偏光纤耦合器(5)的另一个输入端空置，2X2保偏光纤耦合器(5) 的两个输出端分别与第一保偏光纤(6 )、第二保偏光纤(7)的一端相连接，第一保偏光纤(6) 和第二保偏光纤(7)的另一端通过90°焊接点（10)焊接在一起，从而使得2X2保偏光纤耦合 器(5)、第一保偏光纤(6)和第二保偏光纤(7)构成Sagnac环;第一保偏光纤(6)中的一部分 作为磁场感应区（11)，作为磁场感应区（11)中的第一保偏光纤(6)和通电电极(9)通过柔性 材料(8)包裹在一起，柔性材料(8)和通电电极(9)构成感应磁场的结构。2. 根据权利要求1所述的一种基于安培力的新型微弱磁场传感器，其特征在于:所述磁 场感应区（11)处第一保偏光纤(6)被一层柔性材料(8)均匀包裹，通电电极(9)被柔性材料 (8)包裹在第一保偏光纤(6)外，并平行于第一保偏光纤(6)且与第一保偏光纤的慢轴呈45° 夹角。3. 根据权利要求1所述的一种基于安培力的新型微弱磁场传感器，其特征在于:在所述 的90°焊接点（10)处，第一保偏光纤(6)和第二保偏光纤(7)相互呈90度旋转连接使得两者 的快轴与慢轴相连接，即第一保偏光纤(6)的快轴和第二保偏光纤(7)的慢轴连接，第一保 偏光纤(6)的慢轴和第二保偏光纤(7)的快轴连接。4. 根据权利要求1所述的一种基于安培力的新型微弱磁场传感器，其特征在于:通过调 节起偏器(2)，使入射光的偏振方向为两根保偏光纤的主轴方向，并使得经过2 X 2保偏光纤 親合器(5)后两路线偏振光的偏振方向分别在其中一根保偏光纤的快轴和另一根保偏光纤 的慢轴上。5. 采用权利要求1~4任一所述传感器的一种基于安培力的新型微弱磁场检测方法，其 特征在于： 光源（1)产生的光经过起偏器（2)后变成线偏振光，并通过环形器（3)输入至2X2保偏 光纤親合器(5)，2 X 2保偏光纤親合器(5)输出端输出两束光强相等、相位差为90°的线偏振 光，两束线偏振光分别经构成Sagnac环的第一保偏光纤(6)和第二保偏光纤(7)中快慢轴中 传输，并经90°焊接点（10)发生传输光轴的改变，在Sagnac环中传输一周后，回到2 X 2保偏 光纤耦合器(5)发生合波干涉，干涉光经过环形器(3)输出至光谱分析仪(4)获得干涉光的 干涉波形等干涉数据;传输过程中，通电电极(9)受磁场作用产生安培力，通过柔性材料间 接作用于磁场感应区（11)的第一保偏光纤(6)，使保偏光纤产生应力双折射，从而改变合波 干涉的两路干涉光的相位差，通过比较获得干涉数据中的相位差，进而获得磁场的大小。6. 根据权利要求5所述的一种基于安培力的新型微弱磁场检测方法，其特征在于:所述 的通电电极(9)受安培力产生变形，通过柔性材料带动第一保偏光纤(6)的变形，使第一保 偏光纤(6)内产生应力双折射。
【文档编号】G01R33/02GK105954689SQ201610272703
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】李宇波, 薛昊岚, 魏兵, 夏哲盛, 卓晓晓, 杨建义, 周强, 周柯江
【申请人】浙江大学