[发明专利]基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法

说明书

本发明公开了一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法，涉及磁场特性的测量装置技术领域。所述传感器包括基座、磁致伸缩体、双面法拉第反射镜、光纤准直探头、单模光纤以及迈克尔逊干涉装置。磁致伸缩体一端与基座机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜粘贴在一起；光纤准直探头通过单模光纤与迈克尔逊干涉装置连接，光纤准直器探头、双面法拉第反射镜中心在一条轴线上。本发明利用磁致伸缩体去感测外界磁场，带动反射镜线性位移，通过迈克尔逊光学干涉仪实现位移‑相位的光电转换和检测，进而获取磁场大小。该传感器避免了传统磁电传感器的复杂设计，有效减小温度的影响，灵敏度高，重复性好，可实现复杂磁电环境下的高精度弱磁场探测。

技术领域

本发明涉及磁场特性的测量装置技术领域，尤其涉及一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法。

背景技术

磁探测技术采用测量磁性目标磁场或者地球磁场的方式，通过信号处理与分析获取相关信息，用于目标探测和资源调查等，在科学研究、工业生产、资源勘探、目标精确定位、地灾监测和国防科技中有广泛的需求。随着电子行业的迅猛发展，各种磁性材料和磁器件的应用越来越普遍，对微弱磁场测量精度、环境适应性也提出了更高的要求。

根据测量系统敏感元件的工作原理划分，商用的磁探测装置主要有磁通门传感器、磁阻传感器和电感式传感器等。磁通门传感器由一套环绕磁芯的线圈组成，该磁芯配有励磁电路。磁通门传感器分辨率可达最高可达10^-11T，但缺点是体积偏大、易碎、响应速度较慢，长期工作存在累积的基线漂移。磁阻传感器主要由铁磁材料如镍铁导磁合金制成，这种合金薄膜的电阻值随外界磁场的变化而变化，将其接于电桥后，电桥的输出电压正比于电阻的变化。系统的迟滞误差和零点温度漂移可以采用对磁阻传感器交替正向磁化和反向磁化的方法加以消除。但是控制电路复杂，仪器体积较大，应用成本较高。电感式传感器是基于磁场对电感感量的影响工作，通过特定电路测量感量的变化，进而计算出外磁场的大小。但这种方法受磁电耦合效率的影响，测量精度相对较低。上述弱磁场测量方法共同的特点是将磁场的变化转为电量变化后，通过检测微弱电信号提取信息，系统结构复杂，易受电磁干扰，稳定性不佳。

光学位移检测是一种无源的非接触位移检测手段，具有精度高、无源、抗电磁干扰等特点，可实现复杂电磁环境中的高精度位移测量。基于Fabry-Perot干涉仪、基于Mach-Zehnder干涉仪和基于迈克尔逊干涉仪的光纤磁场传感器相继被提出，它们将光学位移检测与磁致伸缩结合，通过磁光耦合实现弱磁场探测。研究结果表明：基于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器温度稳定性差，对干涉条纹的检测要求高，精度相对较低；基于Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器抗偏振衰落性能差，稳定性不佳，实用化困难；而基于迈克尔逊干涉仪的光纤磁场传感器与Mach-Zehnder干涉仪工作原理类似，具有较好的应用前景，但目前迈克尔逊干涉仪的干涉臂多采用非对称结构设计，参考臂静止不动，测量臂通过磁致伸缩材料的力学效应牵引特定结构或装置来改变光学参量，进而改变反射信号的光程，实现磁光参量的耦合。但上述结构的解决方案易受温度的影响，且磁致伸缩材料的伸长量易受力学负载的限制，重复性差，测量精度不高，应用报道很少。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁光耦合的弱磁传感器及磁场测量方法，所述弱磁传感器可以有效减小温度的影响，进一步提升检测的灵敏度，结构简单，重复性好，可实现复杂电磁环境下的高精度弱磁场探测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基于磁光耦合的弱磁传感器，其特征在于：包括基座、磁致伸缩体、双面法拉第反射镜和等臂长迈克尔逊干涉仪，所述磁致伸缩体的一端与基座机械固定连接，另一端与双面法拉第反射镜粘接，当磁致伸缩体在外磁场的作用下产生长度变化时，改变双面法拉第反射镜的位置，双面法拉第反射镜的位置变化量被等臂长迈克尔逊干涉仪检测和处理后，将相应的磁致伸缩体的长度变化量转换为磁场的大小。

进一步的技术方案在于：所述双面法拉第反射镜包括2个法拉第旋光片和双面反射镜，所述双面反射镜夹在2个法拉第旋光片之间。