[发明专利]一种基于磁致伸缩的光纤微弱磁场检测系统

说明书

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩的光纤微弱磁场检测系统。

背景技术

磁场测量技术的应用已深入到工业、农业、国防，以及生物、医学、宇航等各个部门。在工业上，探磁法找矿、探测地下管道；在国防上，磁性扫雷、舰船消磁、搜索武器、探测潜艇、近炸水雷等都离不开磁场测量技术；在医学上。通过测量人体心脏跳动和头内磁场变化做出“心磁图”、“脑磁图”来诊断疾病。这些都对磁场测量提出了新的要求，特别是探潜方面，随着现代潜艇的发展，在潜艇中广泛应用了隐身技术，使潜艇的噪声很低，削弱了声纳的探潜效果。虽然，一些国家也在研究磁隐身技术，但潜艇中有很多钢铁结构，难以做到完全磁隐身，所以，用探磁方式来探潜是一种行之有效的方法。这给探磁仪提出了更高的要求：探测极弱的磁场。

光纤传感法有基于法拉第旋光效应的探磁方法和基于磁致伸缩的光纤磁场传感器探测法。基于磁致伸缩的光纤磁场传感器可达到超导量子器件干涉法的灵敏度，并具有抗电磁干扰、重量轻、体积小等优点。因此，是一种很有发展前景的微弱磁场传感器。

国外研究现状

1980年，Yariv和Winsor首先提出将具有磁致伸缩特性的Ni粘贴在光纤上作为Mach-Zehnder干涉仪的信号臂，利用磁致伸缩材料对光纤的扰动改变光相位来探测微弱磁场，并理论上预测了最小可探测磁场达1.6x10-12G。美国军方给予了高度重视，美国海军实验室在当年就制作出了第一个利用磁致伸缩材料的光纤微弱磁场传感器。1993年，他们又进行了两个三轴向的光纤微弱磁场传感器阵列的水下实验。该系统在0.1Hz下相位分辨率为磁场分辨率为同年，又使用八个三轴向的光纤传感器阵列，在挪威海岸，进行了跟踪舰船的长达一年的水下试验。正是由于美国军方的重视和大力投资，使得干涉型光纤磁场传感器快速步入实用阶段，并装备美国海军。据报导，目前在实验室条件下，干涉型光纤弱磁场传感器的灵敏度在34kHz时能达到

目前，“稀土超磁致伸缩材料”是当今世界最新型的磁致伸缩功能材料,是一种高效的Tb-Dy-Fe合金。稀土超磁致伸缩材料由三个组元组成(Tbl－xDyx)Fey(X＝0.27～0.40，Y＝1.90～2.0)在较低磁场下具有很高磁致伸缩应变λ的合金，如Tbo0.3Dy0.7Fe1.95，首先于20世纪70年代初由美国海军表面武器实验室的A.C.Clark博士等人发明。随后美国的Gibson和Verhoeven等人对Tbo0.3Dy0.7Fe1.95合金晶体取向棒材(包括管材，片材等)的制造设备，技术与工艺做了大量的研究，发明了一种连续生产取向(Tb－Dy－Fe)磁致伸缩材料的方法。国外研究磁致伸缩材料的部分企业有：美国Edge Technologies公司、瑞典Feredyn AB公司、英国稀土制品公司、日本住友轻金属公司等。

国内研究现状

与国外相比，国内主要从事该领域研究的单位有：电子科技大学，华中科技大学、东南大学、上海大学、国防科技大学等。但是，由于各方面的原因，达到的指标并不高，远未达到探潜的要求。某些高校在实验室条件下，根据系统的相位灵敏度计算得到利用超磁致伸缩材料测量若磁场的系统，最小可测到幅度为2.2x10-8T的交流磁场信号。

目前，国内研究超磁致伸缩材料的部分高校与企业有：北京科技大学、中科院物理研究所、国防科技大学、甘肃天星稀土功能材料有限公司、浙江椒光稀土材料有限公司、南方稀土、稀土研究院等等。

对比发现其主要差距与需要解决的主要问题在于以下几个方面。首先，传感器对光纤和光源的要求较高，需要仔细选择和制作；对于干涉型光纤磁场传感器而言，一定要求参与干涉的光的偏振方向一致，但光在普通单模光纤中传输时偏振态会发生随机变化，严重影响系统可见度，因此必须应用有效的消偏振衰落技术才能使传感器实用化。

此外，由于光纤磁场传感器，特别是干涉型光纤磁场传感器具有极高的灵敏性，对信号检测系统的响应速度和响应能力提出了很高的要求，同时系统必须能够较好地抑制外界环境温度、噪声等干扰的影响，从大噪声中提取出微弱有效信号，因此传感器信号检测系统在灵敏度、稳定性、动态范围、抑制噪声能力等多方面的电学性能必须与光学探头的特点和实际要求相匹配。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于磁致伸缩的光纤微弱磁场检测系统，用于解决背景技术中现有技术各自存在的缺陷。