[发明专利]基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器

说明书

本发明提供一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器，传感器中宽带光源的输出端连接单模光纤的第一端，单模光纤的第二端与光谱分析仪连接，单模光纤包括位于其第一端与第二端之间的第一拉锥段和第二拉锥段，第一拉锥段穿设在第一毛细管内，第一拉锥段与第一毛细管对齐的两端封闭设置且第一毛细管内填充有空气，第二拉锥段穿设在所述第二毛细管内，第二拉锥段与第二毛细管对齐的两端封闭设置且第二毛细管内填充有磁流体，第一毛细管及其内部的第一拉锥段和空气构成参考MZI马赫‑曾德尔干涉仪，第二毛细管及其内部的第二拉锥段和磁流体构成传感MZI。本传感器可以提高磁场测量灵敏度且结构简单、体积较小。

技术领域

本发明属于磁场传感领域，具体涉及一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器。

背景技术

磁场作为一种客观存在的物质，其包含十分丰富的物理信息，对其精密测量可以获取待测物质的物理特性。在电力系统、海洋环境勘测、工业生产等领域，磁场与温度的测量显得尤为重要。例如在工业制造领域，当材料内部存在缺陷时，其周围磁场将发生微小变化，通过精密测量微弱的磁场变化，即可推断出缺陷的大小和位置等信息。在地磁测量领域，通过对地磁场的异常监测，可以预测地震、确定火山岩位置以及进行矿场监测。在海洋探测领域，可以根据磁场梯度，确定光缆掩埋深度。但由于磁场强度十分微弱，且环境恶劣，因此对磁场传感器的性能提出了更高要求。

光纤干涉器件是一类具有广泛应用前景的重要传感元件。但在一些特殊情况下，例如测量地震波的传播轨迹，矿产分布等，传统的光纤干涉式磁场传感器的敏感度仍然不够，且体积较大。

发明内容

本发明提供一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器，以解决传统的光纤干涉式磁场传感器敏感度仍较低且体积较大的问题。

根据本发明实施例的第一方面，提供一种基于光学游标效应的高灵敏度光纤磁场传感器，包括宽带光源、单模光纤、第一毛细管、第二毛细管和光谱分析仪，所述宽带光源的输出端连接所述单模光纤的第一端，所述单模光纤的第二端与所述光谱分析仪连接，所述单模光纤包括位于其第一端与第二端之间的第一拉锥段和第二拉锥段，所述第一拉锥段穿设在所述第一毛细管内，所述第一拉锥段与所述第一毛细管对齐的两端封闭设置且所述第一毛细管内填充有空气，所述第二拉锥段穿设在所述第二毛细管内，所述第二拉锥段与所述第二毛细管对齐的两端封闭设置且所述第二毛细管内填充有磁流体，所述第一毛细管及其内部的第一拉锥段和空气构成参考MZI马赫-曾德尔干涉仪，所述第二毛细管及其内部的第二拉锥段和磁流体构成传感MZI。

在一种可选的实现方式中，所述宽带光源将产生的光源传输给级联的参考MZI、传感MZI，所述光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应，形成带有包络的干涉光谱，此后所述干涉光谱被传输给所述光谱分析仪，由所述光谱分析仪对所述干涉光谱的包络进行分析，实现外界磁场测量，所述传感MZI用于对外界磁场的变化进行传感，在传感过程中所述外界磁场通过所述传感MZI中的磁流体，对所述干涉光谱的包络进行调制。

在另一种可选的实现方式中，所述光源在通过所述参考MZI的过程中发生干涉，生成干涉图样，所述参考MZI后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI，在所述传感MZI处再次发生干涉，两次干涉叠加，产生所述带有包络的干涉光谱。

在另一种可选的实现方式中，所述参考MZI和传感MZI的自由光谱范围接近且不相等，以使所述光源在通过级联的参考MZI、传感MZI时产生光学游标效应。

在另一种可选的实现方式中，所述参考MZI中第一拉锥段在接收到所述光源后，首先以基模沿着所述第一拉锥段的纤芯传输，随着所述光源传输至所述第一拉锥段的锥腰区时，激发包层模，所述光源同时沿着所述第一拉锥的纤芯和包层传输，由于所述基模和包层模有效折射率不同，导致其传输速度不同，在传输一段距离，累积的相位差将满足相位匹配条件后，所述光源在所述参考MZI处发生不同模式间的干涉，生成干涉图样，所述参考MZI后面接收到的光源携带所述干涉图样被传输给所述传感MZI。