阅读说明：本技术 基于光纤结构的磁场检测装置及系统 (Magnetic field detection device and system based on optical fiber structure ) 是由 不公告发明人 于 2020-07-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及基于光纤结构的磁场检测装置及系统,主要涉及磁场测量领域。本申请提供的磁场检测装置包括：光纤、光纤环形器、激光器、光谱仪和金属玻璃,光纤环形器的第三端口与光谱仪连接,光通过第一端口将激光器输出的光,通过第二端口输出到光纤内部,并且在金属玻璃、纤芯断面和包层形成的法布里珀罗干涉腔内反射,形成干涉光通过与光纤连接的第二端口返回该光纤环形器,并且将产生的干涉光输出到光谱仪,通过对干涉光的光谱的变化进行分析,并通过光谱变化情况与法布里珀罗干涉腔形变的对应关系,得到该法布里珀罗干涉腔的形变参数,并且根据该金属玻璃的磁致伸缩系数,得到准确的磁场参数。(The invention relates to a magnetic field detection device and system based on an optical fiber structure, and mainly relates to the field of magnetic field measurement. The application provides a magnetic field detection device includes: the optical fiber, the optical fiber circulator, the laser, the spectrometer and the metal glass, a third port of the optical fiber circulator is connected with the spectrometer, light output by the laser is output to the inside of the optical fiber through the first port, and is reflected in a Fabry-Perot interference cavity formed by the metal glass, the fiber core section and the cladding, interference light is formed and returns to the optical fiber circulator through the second port connected with the optical fiber, the generated interference light is output to the spectrometer, deformation parameters of the Fabry-Perot interference cavity are obtained through analyzing the change of the spectrum of the interference light and the corresponding relation between the spectrum change condition and the Fabry-Perot interference cavity deformation, and accurate magnetic field parameters are obtained according to the magnetostriction coefficient of the metal glass.)

基于光纤结构的磁场检测装置及系统

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，主要涉及一种基于光纤结构的磁场检测装置及系统。

背景技术

磁场是指传递实物间磁力作用的场。磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质。磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁体周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的，所以两磁体不用在物理层面接触就能发生作用。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性来源于电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。

现有技术中，对磁场的测量一般是通过公式完成对磁感应强度的计算，其中，磁感应强度表示与磁力线方向垂直的单位面积上所通过的磁力线数目，磁铁演示磁场又叫磁力线的密度，也叫磁通密度，用B表示，单位为特斯拉(T)。磁通量表示磁通量是通过某一截面积的磁力线总数，用Φ表示，单位为韦伯(Weber)，符号是Wb。通过一线圈的磁通的表达式为：Φ＝B·S其中，B为磁感应强度，S为该线圈的面积。1Wb＝1T·m2安培力：(左手定则)F＝BIL×Sinθ，其中I表示电流强度，L表示导体长度，F表示通电导线在磁场中受到的力，θ表示磁场B与导体L之间的夹角。

但是，在测量磁场的时候，一般需要将测量磁场的装置尽量靠近磁场，一边减少测量磁场产生的误差，但是现有技术中测量磁场装置使用线圈进行测量，在较为狭窄的区域难以深入到磁场内部，影响测量精度。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种基于光纤结构的磁场检测装置及系统，以解决现有技术中在测量磁场的时候，一般需要将测量磁场的装置尽量靠近磁场，一边减少测量磁场产生的误差，但是现有技术中测量磁场装置使用线圈进行测量，在较为狭窄的区域难以深入到磁场内部，影响测量精度的问题。

为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

第一方面，本申请提供一种基于光纤结构的磁场检测装置，磁场检测装置包括：光纤、光纤环形器、激光器、光谱仪和金属玻璃，光纤包括纤芯和包层，光纤的一端去掉一段纤芯，金属玻璃填充在去掉纤芯的一端，金属玻璃、纤芯断面和包层形成密封腔，光纤的另一端设置有光纤环形器，激光器和光谱仪均设置在光纤环形器远离金属玻璃的一侧，且光纤环形器的第一端口与激光器连接，光纤环形器的第二端口与光纤连接，光纤环形器的第三端口与光谱仪连接。

可选地，该金属玻璃、纤芯断面和包层形成密封腔的腔壁上均镀有高反射膜。

可选地，该高反射膜的反射率为80％-90％。

可选地，该高反射膜的材料为贵金属材料。

可选地，该高反射膜的材料为金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中的一种或多种。

可选地，该密封腔中金属玻璃为腔壁的一侧镀有全反射膜。

可选地，该全反射膜的材料银。

可选地，该磁场检测装置还包括光增益介质，光增益介质填充在密封腔内。

第二方面，本申请提供一种基于光纤结构的磁场检测系统，磁场检测系统包括：磁场生成装置和第一方面任意一项的磁场检测装置，磁场生成装置设置在磁场检测装置外部。

本发明的有益效果是：

本申请提供的磁场检测装置包括：光纤、光纤环形器、激光器、光谱仪和金属玻璃，光纤包括纤芯和包层，光纤的一端去掉一段纤芯，金属玻璃填充在去掉纤芯的一端，金属玻璃、纤芯断面和包层形成密封腔，光纤的另一端设置有光纤环形器，激光器和光谱仪均设置在光纤环形器远离金属玻璃的一侧，且光纤环形器的第一端口与激光器连接，光纤环形器的第二端口与光纤连接，光纤环形器的第三端口与光谱仪连接，该光纤的一端，金属玻璃、纤芯断面和包层形成的密封腔为法布里珀罗干涉腔，并且该金属玻璃据有磁致伸缩，即在磁场的作用下发生形变，进而使得该法布里珀罗干涉腔的干涉光的干涉光谱发生改变，该光纤的另一端设置的光纤环形器为多端口非互易光学器件，光通过第一端口将激光器输出的光，通过第二端口输出到光纤内部，并且在金属玻璃、纤芯断面和包层形成的法布里珀罗干涉腔内反射，形成干涉光通过与光纤连接的第二端口返回该光纤环形器，并且将产生的干涉光输出到光谱仪，通过对干涉光的光谱的变化进行分析，并通过光谱变化情况与法布里珀罗干涉腔形变的对应关系，得到该法布里珀罗干涉腔的形变参数，并且根据该金属玻璃的磁致伸缩系数，得到准确的磁场参数，本申请将磁场的变化转变为法布里珀罗干涉光谱的变化，具有较高的灵敏性，并且使用光纤检测磁场，体积较小，可以检测狭小区域的磁场。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为发明实施例提供的另一种基于光纤结构的磁场检测装置的结构示意图；

图2为发明实施例提供的另一种基于光纤结构的磁场检测装置的结构示意图。

图标：10-光纤；11-纤芯；12-包层；20-光纤环形器；30-激光器；40-光谱仪；50-金属玻璃；60-光增益介质。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。

本申请提供一种基于光纤结构的磁场检测装置，磁场检测装置包括：光纤10、光纤环形器20、激光器30、光谱仪40和金属玻璃50，光纤10包括纤芯11和包层12，光纤10的一端去掉一段纤芯11，金属玻璃50填充在去掉纤芯11的一端，金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成密封腔，光纤10的另一端设置有光纤环形器20，激光器30和光谱仪40均设置在光纤环形器20远离金属玻璃50的一侧，且光纤环形器20的第一端口与激光器30连接，光纤环形器20的第二端口与光纤10连接，光纤环形器20的第三端口与光谱仪40连接。

该光纤10的一端的部分去掉纤芯11，使得这段光纤10只有包层12，将去掉纤芯11的断面处进行打磨使得该断面光滑，并且使用金属玻璃50填充在该包层12开口处，并且与该断面相对设置，使得该断面、该包层12和该金属玻璃50形成密封腔，并且由于该密封腔相邻的一侧为光纤10，则该密封腔为法布里珀罗干涉腔，当从该光纤10中入射光线时，该光线会在该法布里珀罗干涉腔中多次反射，并产生干涉光，并且该金属玻璃50由于具有磁致伸缩特性，会在磁场中发生形变，进而使得该法布里珀罗干涉腔的干涉光的干涉光谱发生改变；该光纤10的另一端设置有光纤环形器20、激光器30和电荷耦合器，该激光器30和电荷耦合器均设置在光纤环形器20远离金属玻璃50的一侧，一般的，该激光器30和该电荷耦合器堆叠设置，该激光器30堆叠在该电荷耦合器上方，并且由于该光纤环形器20为为多端口非互易光学器件，光通过第一端口将激光器30输出的光，通过第二端口输出到光纤10内部，并且在金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成的法布里珀罗干涉腔内反射，形成干涉光通过与光纤10连接的第二端口返回该光纤环形器20，并且将反射的光输出到光谱仪40，通过对干涉光的光谱的变化进行分析，并通过光谱变化情况与法布里珀罗干涉腔形变的对应关系，得到该法布里珀罗干涉腔的形变参数，并且根据该金属玻璃50的磁致伸缩系数，得到准确的磁场参数，本申请将磁场的变化转变为法布里珀罗干涉光谱的变化，具有较高的灵敏性，并且使用光纤10检测磁场，体积较小，可以检测狭小区域的磁场，需要说明的是，该光谱变化情况与法布里珀罗干涉腔形变的对应关系根据实验得到在此不做具体说明，该金属玻璃50的磁致伸缩系数根据材料本身的组分有关在此不做具体说明，另外，该法布里珀罗干涉腔的具体几何参数，根据实际需要进行设置，在此不做具体限制。

名词解释，金属玻璃又称非晶态合金，它既有金属和玻璃的优点，又克服了它们各自的弊病，如玻璃易碎，没有延展性。金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性，这是把高温下熔化了的液体金属，以极快的速度冷却，使金属原子来不及按它的常规编排结晶，还处于不整齐、杂乱无章的状态便被“冻结”了，因此，出现了类似玻璃的奇异特性。

环行器是将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环行器是有数个端的非可逆器件。其显著特点为能够单向传输高频信号能量，光纤环形器20，它利用了微光学原理制作而成。双折射晶体和45°法拉第旋转器安放在毛细管内的中部，毛细管的一端安放有保偏准直器，保偏准直器的一端与45°法拉第旋转器胶粘连接，保偏准直器的另一端胶粘有保偏光纤10，毛细管的另一端安放有并行排放的第一准直器和第二准直器，第一准直器和第二准直器一端与双折射晶体一端胶粘连接，第一准直器的另一端胶粘有第一光纤10，第二准直器的另一端胶粘有第二光纤10。

可选地，该金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成密封腔的腔壁上均镀有高反射膜。

为了进一步增加该磁场检测装置检测磁场的准确性，减少该在传输中光的散失，将该金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成的法布里珀罗干涉腔的内部腔壁均镀上高反射膜，当光从光纤10该法布里珀罗干涉腔中时，产生干涉光的干涉光谱的变化只与该法布里珀罗干涉腔的体积形变量有关，和其他光的散失无关，使得该磁场检测装置对磁场的检测更加准确。

可选地，该高反射膜的反射率为80％-90％。

可选地，该高反射膜的材料为贵金属材料。

可选地，该高反射膜的材料为金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中的一种或多种。

将该法布里珀罗干涉腔的内壁上镀膜有金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂多种贵金属中的一种单质贵金属，或者金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂中多种贵金属组成的合金，如该法布里珀罗干涉腔的内壁上镀膜为金、银、钌、铑、钯、锇、铱和铂多种贵金属组成的合金，则合金中贵金属的类型和比例根据实际需要进行选择，在此不做具体限定，一般的，法布里珀罗干涉腔的内壁上镀膜的贵金属为银形成的高反射膜，该银形成的高反射膜可以达到对光的反射率为80％-90％，进一步减少光的损耗，使得光从光纤10该法布里珀罗干涉腔中时，产生干涉光的干涉光谱的变化只与该法布里珀罗干涉腔的体积形变量有关，减少光散失对磁场检测造成的影响，使得该磁场检测装置对磁场的检测更加准确。

可选地，该密封腔中金属玻璃50为腔壁的一侧镀有全反射膜。

可选地，该全反射膜的材料银。

该金属玻璃50靠近光纤10的一侧的高反射面可以设置为全反射膜，进一步减少光的损耗，使得光从光纤10该法布里珀罗干涉腔中时，产生干涉光的干涉光谱的变化只与该法布里珀罗干涉腔的体积形变量有关，减少光散失对磁场检测造成的影响，使得该磁场检测装置对磁场的检测更加准确，该全反射膜的材料为银。

可选地，该磁场检测装置还包括光增益介质60，光增益介质60填充在密封腔内。

在该金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成密封腔填充有光增益介质60，光增益介质60会对光产生放大作用，并且会使产生的干涉光谱的锐度、色分辨本领等参数提高，提高了干涉光谱的分辨度。从而提高检测灵敏度，该光增益介质60的材料根据实际需要进行选择，在此不做具体限定。

本申请提供的磁场检测装置包括：光纤10、光纤环形器20、激光器30、光谱仪40和金属玻璃50，光纤10包括纤芯11和包层12，光纤10的一端去掉一段纤芯11，金属玻璃50填充在去掉纤芯11的一端，金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成密封腔，光纤10的另一端设置有光纤环形器20，激光器30和光谱仪40均设置在光纤环形器20远离金属玻璃50的一侧，且光纤环形器20的第一端口与激光器30连接，光纤环形器20的第二端口与光纤10连接，光纤环形器20的第三端口与光谱仪40连接，该光纤10的一端，金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成的密封腔为法布里珀罗干涉腔，并且该金属玻璃50据有磁致伸缩，即在磁场的作用下发生形变，进而使得该法布里珀罗干涉腔的干涉光的干涉光谱发生改变，该光纤10的另一端设置的光纤环形器20为多端口非互易光学器件，光通过第一端口将激光器30输出的光，通过第二端口输出到光纤10内部，并且在金属玻璃50、纤芯11断面和包层12形成的法布里珀罗干涉腔内反射，形成干涉光通过与光纤10连接的第二端口返回该光纤环形器20，并且将产生的干涉光输出到光谱仪40，通过对干涉光的光谱的变化进行分析，并通过光谱变化情况与法布里珀罗干涉腔形变的对应关系，得到该法布里珀罗干涉腔的形变参数，并且根据该金属玻璃50的磁致伸缩系数，得到准确的磁场参数，本申请将磁场的变化转变为法布里珀罗干涉光谱的变化，具有较高的灵敏性，并且使用光纤10检测磁场，体积较小，可以检测狭小区域的磁场。

本申请提供一种基于光纤结构的磁场检测系统，磁场检测系统包括：磁场生成装置和上述任意一项的磁场检测装置，该磁场生成装置设置在该磁场检测装置外部。

该磁场生成装置用于调节和检测该磁场检测装置时使用，在没有外加磁场的时候，使用磁场生成装置释放设定的磁场，并使用磁场检测装置进行检测，若检测磁场的结果与设定磁场匹配，则说明该磁场检测装置检测结果准确，反之，则对该磁场检测装置进行调节。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。