[发明专利]一种全光纤微弱磁场测量装置

说明书

技术领域

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

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、磁光泵发、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150℃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。

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，FiberBraggGrating)光纤磁场传感器等。

基于磁致伸缩效应的Mach-Zehnder干涉型光纤磁场传感器和Michelson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。

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。

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

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。

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啾光纤光栅以形成全光纤FBGF-P腔，所述两个啁啾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FBGF-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。

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FBGF-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。