阅读说明：本技术 一种光纤矢量磁场传感器 (Optical fiber vector magnetic field sensor ) 是由 赵晨 冯丹平 曹亮 杨明明 高守勇 王升 江晨 谢辉 杨静 归朋飞 高海馨 于 2020-05-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光纤矢量磁场传感器,目的是提供能同时进行磁场强度和方向测量的传感器。本发明由三维骨架、6个套管、单模光纤、6个3dB光纤耦合器、球型外壳组成；三维骨架由中心支撑块和6根支撑柱组成；套管由无磁钢套管和无磁钢套管表面镀层组成,无磁钢套管同轴套于支撑柱外侧；单模光纤分6组,每组包含参考臂光纤和传感臂光纤；参考臂光纤缠绕于细圆柱的外侧面；传感臂光纤缠绕于无磁钢套管表面镀层外侧面；球形外壳内容纳三维骨架、6个套管和6个3dB光纤耦合器。本发明可有效传感三维磁场强度和磁场方向,且磁场灵敏度可调、制作工艺简单,采用本发明的测试仪可实现无源探测,可同时进行磁场强度和磁场方向测量。(The invention discloses an optical fiber vector magnetic field sensor, and aims to provide a sensor capable of simultaneously measuring the magnetic field intensity and the direction. The invention is composed of a three-dimensional framework, 6 sleeves, a single-mode fiber, 6 3dB fiber couplers and a spherical shell; the three-dimensional framework consists of a central supporting block and 6 supporting columns; the sleeve consists of a non-magnetic steel sleeve and a non-magnetic steel sleeve surface coating, and the non-magnetic steel sleeve is coaxially sleeved outside the support pillar; the single mode fibers are divided into 6 groups, and each group comprises a reference arm fiber and a sensing arm fiber; the reference arm optical fiber is wound on the outer side surface of the thin cylinder; the optical fiber of the sensing arm is wound on the outer side surface of the surface coating of the non-magnetic steel sleeve; the spherical shell is internally provided with a three-dimensional framework, 6 sleeves and 6 3dB optical fiber couplers. The three-dimensional magnetic field strength and the magnetic field direction can be effectively sensed, the sensitivity of the magnetic field is adjustable, the manufacturing process is simple, passive detection can be realized by adopting the tester disclosed by the invention, and the measurement of the magnetic field strength and the magnetic field direction can be simultaneously carried out.)

一种光纤矢量磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器，特别涉及一种基于磁致伸缩材料的光纤迈克尔逊干涉仪结构的光纤矢量磁场传感器。

背景技术

磁致伸缩材料在外加磁场中进行磁化时，其物理结构如长度、体积会发生变化，是一种可用于磁场传感的功能材料。将磁致伸缩材料与光纤传感器结合可有效提高光纤传感器的磁场灵敏度。

光纤迈克逊干涉仪结构是一种可用于光学传感器设计的光学结构，外界物理量变化引起光纤迈克尔逊干涉仪传感臂长度变化，进而引起输出干涉光相位变化，通过检测输出干涉光的相位变化可有效检测出外界物理量的变化，且具有较高的灵敏度。因此光纤迈克尔逊干涉仪结构广泛应用于对多种物理量的光学传感器的结构设计中。

经对现有技术的文献检索发现陈耀飞等人在公开号为CN 109541502 A的《一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法》专利中设计了一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，该传感器制作工艺复杂、条件要求较高。汪歆在2009年上海交通大学博士学位论文《改善干涉型光纤微弱磁场传感器性能的若干关键技术研究》设计了一种改善干涉型光纤微弱磁场传感器，该传感器采用磁致伸缩材料和光纤迈克尔逊干涉仪结构结合可以进行磁场强度的测量，但无法对磁场方向进行测量，因此是一种光纤标量磁场传感器。寇军等人在公开号为CN 105182257 A的《一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法》专利中提出了一种基于相干粒子数俘获效应的磁场矢量测量装置和方法，虽然该装置能对磁场方向进行测量，但结构复杂且传感器中所包含的亥姆霍兹线圈需要通电才能进行测量，无法实现传感器端无源探测。

目前尚没有基于磁致伸缩材料的光纤迈克尔逊干涉仪结构的光纤矢量磁场传感器的公开报导。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

基于磁致伸缩材料的磁场传感特性，提供一种基于光纤迈克尔逊干涉仪传感原理的光纤矢量磁场传感器，在实现传感器端无源探测的条件下，既可以进行磁场强度的测量，又可以对磁场方向进行测量。

本发明的技术方案是：

本发明由三维骨架、6个套管、单模光纤、6个3dB光纤耦合器、球型外壳组成。

三维骨架由中心支撑块和6根支撑柱组成。

中心支撑块为正方体，边长为a(5mm≤a≤100mm)，采用无磁钢材料制备。

6根支撑柱分别焊接在中心支撑块的6个面上。6根支撑柱完全相同，均由2段直径不同的圆柱即粗圆柱和细圆柱组成，支撑柱总长度为L1(L1≤200mm)，粗圆柱的一端焊接在中心支撑块的一个面上，粗圆柱的中轴线与中心支撑块的这个面垂直。粗圆柱长度为L11，2mm≤L11<L1，直径为d1，d1<a，粗圆柱侧面刻有外螺纹。细圆柱与粗圆柱同轴相连，长度为L12，L12＝L1-L11，直径为d2，d2<d1，侧面也刻有外螺纹。

套管由无磁钢套管和无磁钢套管表面镀层组成。

无磁钢套管是由无磁钢材料制成的圆筒，长度为L2，L2＝L1，内径为d21，d21＝d1，外径为d22，d21<d22<a。无磁钢套管的外侧面镀有无磁钢套管表面镀层，无磁钢套管表面镀层厚度为h，h<(a-d22)，采用磁致伸缩材料制备。无磁钢套管连接中心支撑块的一端内侧壁刻有内螺纹，内螺纹长度为L21，L21＝L11。无磁钢套管表面镀层外侧面刻有外螺纹，外螺纹长度为L3，L3＝L2。无磁钢套管同轴套于支撑柱外侧，并与粗圆柱以螺纹旋紧方式连接。套管连接球形外壳一端侧面开有第一圆孔。第一圆孔直径为d23,1mm≤d23≤d21。套管与球形外壳采用固化胶连接。

所述单模光纤3为抗弯曲单模光纤，共分6组，每组包含一段参考臂光纤和一段传感臂光纤。参考臂光纤初始长度为L31，传感臂光纤初始长度为L32。L31＝L32。参考臂光纤和传感臂光纤均有一个端面镀有光学反射镜薄膜，另一端分别用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器4的第二端口4-2和第三端口4-3(其中参考臂光纤的另一端先从套管的第一圆孔伸出后再用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器的第二端口，传感臂光纤的另一端直接用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器的第三端口)。每组单模光纤3中的参考臂光纤以镀有光学反射镜薄膜的一端为起点从靠近中心支撑块一端开始沿着细圆柱的螺纹方向顺时针缠绕于细圆柱的外侧面。参考臂光纤的两个端点采用固化胶固定连接于细圆柱的外侧面。每组单模光纤中的传感臂光纤以镀有光学反射镜薄膜的一端为起点从靠近中心支撑块一端开始沿着无磁钢套管表面镀层的螺纹方向顺时针缠绕于无磁钢套管表面镀层外侧面。传感臂光纤的两个端点采用固化胶固定连接于无磁钢套管表面镀层外侧面。

当无磁钢套管的外径d22和无磁钢套管表面镀层厚度h一定时，传感臂光纤的初始长度L32与传感器的磁场灵敏度s的关系近似满足:

式中k为光纤矢量磁场传感器灵敏度系数，与无磁钢套管表面镀层的材料选择和单模光纤的材料选择有关，当无磁钢套管表面镀层的材料和单模光纤的材料确定后，k近似为一常数。

3dB光纤耦合器采用单模抗弯曲光纤制备，3dB光纤耦合器包含第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。第一端口采用光纤熔接机熔融连接方式外接磁场测试仪的1×6光纤耦合器的输出端口，第二端口与参考臂光纤采用光纤熔接机熔融连接方式相连，第三端口与传感臂光纤采用光纤熔接机熔融连接方式相连，第四端口通过用光纤熔接机熔融连接光纤跳线方式外接磁场测试仪的光电探测器的输入端口。

球形外壳由上半球壳和下半球壳组成，上半球壳和下半球壳形状相同，上半球壳和下半球壳采用螺纹方式旋紧连接在一起构成球形。上半球壳内径为d5，球形外壳的壁的厚度为h5，(2mm≤h5≤30mm)，采用二氧化硅材料制备。上半球壳侧面开有一个第二圆孔，第二圆孔直径为d51，1mm≤d51≤6mm。中心支撑块的中心处于球形外壳5的球心，焊接在中心支撑块上表面的支撑柱的上端面与上半球壳的内表面采用固化胶连接，焊接在中心支撑块下表面的支撑柱的下端面与下半球壳的内表面也采用固化胶连接,焊接在中心支撑块前侧面的支撑柱的前端面与球型外壳的内表面也采用固化胶连接，焊接在中心支撑块后侧面的支撑柱的后端面与球型外壳的内表面也采用固化胶连接，焊接在中心支撑块左侧面的支撑柱的左端面与球型外壳的内表面也采用固化胶连接，焊接在中心支撑块右侧面的支撑柱的右端面与球型外壳的内表面也采用固化胶连接。

球形外壳内安装好三维骨架(三维骨架上有6个套管)后，还有剩余空间，剩余空间用于容纳6个3dB光纤耦合器。每个3dB光纤耦合器的第一端口和第四端口光纤均从上半球壳的侧面的第二圆孔伸出。

采用了本发明的磁场测试仪由本发明、RIO激光器、光隔离器、1×6光纤耦合器、光电探测器、数据接收及信号处理装置组成。光纤矢量磁场传感器、RIO激光器、光隔离器、1×6光纤耦合器、光电探测器之间均采用单模光纤连接。光电探测器与数据接收及信号处理装置之间采用数据连接线连接。

采用了本发明的磁场测试仪对三维磁场强度和磁场方向的测试过程是：

第一步，RIO激光器输出1550nm的激光；

第二步，光隔离器对RIO激光器进行保护，防止光纤中背向散射光返回RIO激光器对RIO激光器造成损坏；

第三步，1×6光纤耦合器将从光隔离器输出端输出的传输光分为6路，将6路光对应传输到光纤矢量磁场传感器6中的6个3dB光纤耦合器的第一端口；

第四步，6个3dB光纤耦合器分别将接收的一路传输光分为两路，分别由第二端口和第三端口传输到参考臂光纤和传感臂光纤；

第五步，受外界磁场强度变化的影响，无磁钢套管表面镀层的物理形态发生变化，导致传感臂光纤的长度发生变化，进而引起干涉光信号的相位发生变化；

第六步，每个3dB光纤耦合器将干涉光信号从第四端口通过连接光纤传输到光电探测器；

第七步，光电探测器将干涉光信号转化为电信号通过连接数据线传输到数据接收及信号处理装置；

第八步，数据接收及信号处理装置(一般是计算机)采用MATLAB软件对传输回来的电信号进行处理分析，通过分析6路干涉光信号的相位变化得到6个支撑柱所处位置的磁场强度，进而利用MATLAB软件画出光纤矢量传感器所处位置的磁场的等磁线。由于磁感线方向与等磁线相互垂直，从而得到磁感线分布，由磁感线上每一点切线方向分析得到磁场方向，进而得到光纤矢量磁场传感器所处位置的磁场强度和磁场方向的信息并进行显示。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1、本发明光纤矢量磁场传感器可有效传感三维磁场强度和磁场方向，且具有磁场灵敏度可调、制作工艺简单、体积小、成本低、稳定性好等独特优势；

2、采用了本发明的磁场测试仪可实现测试端无源探测；

3、由于采用了本发明的磁场测试仪进行磁场强度和磁场方向测试时主要采用光纤传感技术，因此便于大规模组网。

附图说明

图1为本发明光纤矢量磁场传感器结构示意图。

图2为采用了本发明的磁场测试仪的逻辑结构图。

图3为三维骨架1结构示意图。

图4为套管2结构示意图。

图5为3dB光纤耦合器4结构示意图。

图6为球型外壳5结构示意图。

具体实施方式

：

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

图1是本发明光纤矢量磁场传感器的结构示意图。

如图1所示，本发明由三维骨架1、6个套管2、单模光纤3、6个3dB光纤耦合器4、球型外壳5组成。

如图3所示，三维骨架1由中心支撑块1-1和6根支撑柱1-2组成。

中心支撑块1-1为正方体，边长为a(5mm≤a≤100mm)，采用无磁钢材料制备。

6根支撑柱1-2分别焊接在中心支撑块1-1的6个面上。6根支撑柱1-2完全相同，均由2段直径不同的圆柱即粗圆柱1-2-1和细圆柱1-2-2组成，支撑柱1-2总长度为L1(L1≤200mm)，粗圆柱1-2-1的一端焊接在中心支撑块1-1的一个面上，粗圆柱1-2-1的中轴线与中心支撑块1-1的这个面垂直。粗圆柱1-2-1长度为L11，2mm≤L11<L1，直径为d1，d1<a，粗圆柱1-2-1侧面刻有外螺纹。细圆柱1-2-2与粗圆柱1-2-1同轴相连，长度为L12，L12＝L1-L11，直径为d2，d2<d1，侧面也刻有外螺纹。

如图4所示，套管2由无磁钢套管2-1和无磁钢套管表面镀层2-2组成。

无磁钢套管2-1是由无磁钢材料制成的圆筒，长度为L2，L2＝L1，内径为d21，d21＝d1，外径为d22，d21<d22<a。无磁钢套管2-1的外侧面镀有无磁钢套管表面镀层2-2，无磁钢套管表面镀层2-2厚度为h，h<(a-d22)，采用磁致伸缩材料制备。无磁钢套管2-1连接中心支撑块1-1的一端内侧壁刻有内螺纹，内螺纹长度为L21，L21＝L11。无磁钢套管表面镀层2-2外侧面刻有外螺纹，外螺纹长度为L3，L3＝L2。无磁钢套管2-1同轴套于支撑柱1-2外侧，并与粗圆柱1-2-1以螺纹旋紧方式连接。套管2连接球形外壳5一段侧面开有第一圆孔2-3。第一圆孔2-3直径为d23,1mm≤d23≤d21。套管2与球形外壳5采用固化胶连接。

所述单模光纤3为抗弯曲单模光纤，共分6组，每组包含一段参考臂光纤3-1和一段传感臂光纤3-2。参考臂光纤3-1初始长度为L31，传感臂光纤3-2初始长度为L32。L31＝L32。参考臂光纤3-1和传感臂光纤3-2均有一个端面镀有光学反射镜薄膜，另一端(即没镀光学反射镜薄膜的一端)分别用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器4的第二端口4-2和第三端口4-3(其中参考臂光纤3-1的另一端先从套管2的第一圆孔2-3伸出后再用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器4的第二端口4-2，传感臂光纤3-2的另一端直接用光纤熔接机熔融连接于3dB光纤耦合器4的第三端口4-3)。如图3所示，每组单模光纤3中的参考臂光纤3-1以镀有光学反射镜薄膜的一端为起点从靠近中心支撑块1-1一端开始沿着细圆柱1-2-2的螺纹方向顺时针缠绕于细圆柱1-2-2的外侧面。参考臂光纤3-1的两个端点采用固化胶固定连接于细圆柱1-2-2的外侧面。如图4所示，每组单模光纤3中的传感臂光纤3-2以镀有光学反射镜薄膜的一端为起点从靠近中心支撑块1-1一端开始沿着无磁钢套管表面镀层2-2的螺纹方向顺时针缠绕于无磁钢套管表面镀层2-2外侧面。传感臂光纤3-2的两个端点采用固化胶固定连接于无磁钢套管表面镀层2-2外侧面。

当无磁钢套管2-1的外径d22和无磁钢套管表面镀层2-2厚度h一定时，传感臂光纤3-2的初始长度L32与传感器的磁场灵敏度s的关系近似满足:

式中k为光纤矢量磁场传感器灵敏度系数，与无磁钢套管表面镀层2-2的材料选择和单模光纤3的材料选择有关，当无磁钢套管表面镀层2-2的材料和单模光纤3的材料确定后，k近似为一常数。

如图5所示，3dB光纤耦合器4采用单模抗弯曲光纤制备，3dB光纤耦合器4包含第一端口4-1、第二端口4-2、第三端口4-3和第四端口4-4。如图2所示，第一端口4-1与磁场测试仪的1×6光纤耦合器9的输出端口采用光纤熔接机熔融连接方式相连，第二端口4-2与参考臂光纤3-1采用光纤熔接机熔融连接方式相连(如图1所示)，第三端口4-3与传感臂光纤3-2采用光纤熔接机熔融连接方式相连(如图1所示)，第四端口4-4与光电探测器10的输入端口通过用光纤熔接机熔融连接光纤跳线方式相连。

如图6所示，球形外壳5由上半球壳5-1和下半球壳5-2组成，上半球壳5-1和下半球壳5-2形状相同，上半球壳5-1和下半球壳5-2采用螺纹方式旋紧连接在一起构成球形。上半球壳5-1内径为d5，球形外壳5壁的厚度为h5，2mm≤h5≤30mm)，采用二氧化硅材料制备。上半球壳5-1侧面开有一个第二圆孔5-3，第二圆孔5-3直径为d51，1mm≤d51≤6mm。中心支撑块1-1的中心处于球形外壳5的球心，焊接在中心支撑块1-1上表面的支撑柱1-2的上端面与上半球壳5-1的内表面采用固化胶连接，焊接在中心支撑块1-1下表面的支撑柱1-2的下端面与下半球壳5-2的内表面也采用固化胶连接；焊接在中心支撑块1-1前侧面的支撑柱1-2的前端面与球型外壳5的内表面也采用固化胶连接，焊接在中心支撑块1-1后侧面的支撑柱1-2的后端面与球型外壳5的内表面也采用固化胶连接；焊接在中心支撑块1-1左侧面的支撑柱1-2的左端面与球型外壳5的内表面也采用固化胶连接，焊接在中心支撑块1-1右侧面的支撑柱1-2的右端面与球型外壳5的内表面也采用固化胶连接。

球形外壳5内安装好三维骨架1后，还有剩余空间，剩余空间用于容纳6个3dB光纤耦合器4。每个3dB光纤耦合器4的第一端口4-1和第四端口4-4光纤均从上半球壳5-1的侧面的第二圆孔5-3伸出。

图2是基于本发明制备的磁场测试仪的结构示意图。

如图2所示磁场测试仪由本发明光纤矢量磁场传感器6、RIO激光器7、光隔离器8、1×6光纤耦合器9、光电探测器10、数据接收及信号处理装置11组成。光纤矢量磁场传感器6、RIO激光器7、光隔离器8、1×6光纤耦合器9、光电探测器10之间均采用单模光纤连接。光电探测器10与数据接收及信号处理装置11之间采用数据连接线连接。

图2所示磁场测试仪的进行三维磁场强度和磁场方向的测试过程是：

第一步，RIO激光器7输出1550nm的激光；

第二步，光隔离器8对RIO激光器7进行保护，防止光纤中背向散射光返回RIO激光器7对RIO激光器7造成损坏；

第三步，1×6光纤耦合器9将从光隔离器8输出端输出的传输光分为6路，将6路光对应传输到光纤矢量磁场传感器6中的6个3dB光纤耦合器4的第一端口4-1；

第四步，6个3dB光纤耦合器4分别将接收的一路传输光分为两路，分别由第二端口4-2和第三端口4-3传输到参考臂光纤3-1和传感臂光纤3-2；

第五步，受外界磁场强度变化的影响，无磁钢套管表面镀层2-2的物理形态发生变化，导致传感臂光纤3-2的长度发生变化，进而引起干涉光信号的相位发生变化；

第六步，每个3dB光纤耦合器4将干涉光信号从第四端口4-4通过连接光纤传输到光电探测器10；

第七步，光电探测器10将干涉光信号转化为电信号通过连接数据线传输到数据接收及信号处理装置11；

第八步，数据接收及信号处理装置11(一般是计算机)采用MATLAB软件对传输回来的电信号进行处理分析，通过分析6路干涉光信号的相位变化得到6个支撑柱1-2所处位置的磁场强度，进而利用MATLAB软件画出光纤矢量传感器6所处位置的磁场的等磁线。由于磁感线方向与等磁线相互垂直，从而得到磁感线分布，由磁感线上每一点切线方向分析得到磁场方向，进而得到光纤矢量磁场传感器6所处位置的磁场强度和磁场方向的信息并进行显示。