[发明专利]一种光纤磁致折变效应测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种光纤磁致折变效应测量系统及方法，包括激光器、耦合器甲、传感光纤、参考光纤、载波发生器、耦合器乙、光电探测器、数据采集与处理模块。耦合器甲、传感光纤、参考光纤和耦合器乙构成Mach‑Zehnder光纤干涉仪。外界磁场对传感光纤的折射率产生影响，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变耦合器乙输出的干涉光信号强度，通过对干涉光强的检测与处理，实现对磁场作用下传感光纤的折射率变化测量。本发明系统具有灵敏度高，结构简单，可远程控制，可分布式测量的优点。

技术领域

本发明涉及磁场测量领域，具体涉及一种光纤磁致折变效应测量系统及方法。

背景技术

磁场测量技术在信息工业领域有着十分广泛的应用，已被应用于磁性扫雷、舰船消磁、搜索武器、潜艇探测等领域。例如在潜艇探测领域，现代潜艇广泛应用了隐身技术，使得潜艇的噪声很低，削弱声纳的探潜能量，因此对磁场探测器的灵敏度提出了较高的要求。高灵敏度的微弱磁场测量技术一直是许多国家的研究热点。

干涉型光纤磁场测量系统具有灵敏度高、结构简单、可远程操作且能实现分布式测量的特点，在微弱磁场测量领域占据着十分重要的地位。目前，市场上的干涉型光纤磁场测量系统大多基于镍合金、铁氧体、TbDyFe等材料的磁致伸缩效应，外磁场作用使磁致伸缩材料产生形变，引起传感光纤和参考光纤的光程差变化，进而改变干涉光强，通过相关的相位解调算法对干涉光强进行解调，可达到磁场测量的目的。然而，基于磁致伸缩效应的干涉型光纤磁场测量系统，大多都存在以下问题：一是，必须在光纤表面涂覆磁致伸缩材料，加大了光纤传感结构复杂度，并且操作难度大，对传感器制作工艺提出了较高的要求；二是，磁致伸缩效应原理非常复杂，磁致伸缩材料在磁场作用下，横向和纵向上都会发生形变，并且形变量与磁场的大小和方向以及材料的涂敷状态都有着十分复杂的关系，将导致后期的相位解调和磁场定标工作十分困难；三是，磁场测量系统搭建完成后，磁致伸缩材料的状态将会随着时间发生变化，降低磁场测量的准确度，系统的后期维护成本将会非常高。

发明内容

针对基于磁致伸缩效应的磁场测量系统存在的传感结构复杂、传感器制作困难和系统维护成本高等问题，本发明基于光纤磁致折变效应设计一种磁场测量系统用于解决上述弊端。光纤的磁致折变效应测量是研究基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统的前提，本发明提出一种光纤磁致折变效应测量系统及方法，通过传感光纤的磁致折变效应，将磁场信号调制为传感光纤的折射率信号，引起传感光纤与参考光纤两路光信号的光程差变化，改变输出端的干涉光信号强度，通过检测干涉光强测量传感光纤在磁场作用下的折射率变化。本发明为研究基于光纤磁致折变效应的磁场测量系统打下基础。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

本发明原理如下：

当外界磁场作用于传感光纤时，光纤的介电常数张量将发生如下变化：

n_l为无磁场作用下的光纤折射率，δ_l＝Cf₁χB/μ为磁场对光纤的作用因子，下标l代表纤芯或包层，其中l＝1,2；C为传感光纤中磁敏感材料的掺杂浓度，f₁和χ分别为磁敏感掺杂材料的一级磁光系数和磁化率，μ为磁导率，B为磁感应强度。将不同磁场下的介电常数张量代入Maxwell方程，可得到不同的模式解，意味着传感光纤的模式有效折射率将随磁场变化，具体变化关系与磁敏感材料掺杂浓度和光纤结构参数有关，传感光纤折射率n_s与磁感应强度B的关系可表示为：

n_s＝f(B)

当传感光纤折射率变化后，传感光纤与参考光纤中传输的两路光信号之间的相位差将发生变化，相位差与磁感应强度B的关系为：