一種平面任意方向磁場光纖傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面任意方向磁場光纖傳感器。包括寬譜光源、光纖環(huán)形器、光纖起偏器、45°光纖熔點、1x2保偏光纖耦合器、兩個壓電陶瓷調(diào)制器、兩個光纖延遲環(huán)、兩個四分之一波片、兩個傳感頭、光電探測器、兩個鎖相放大器和信號處理單元。由兩路反射式光纖干涉結(jié)構(gòu)組成，兩傳感頭夾角為60°，利用相敏檢測原理，通過兩個鎖相放大器分別解調(diào)上下兩路干涉儀中由于磁場引起的相位差信息；將兩鎖相的輸出送入信號處理單元進行“相加”和“相減”操作，旋轉(zhuǎn)兩個傳感頭，并使信號處理單元中“相減”輸出為0，“相加”輸出即為磁場大小，同時根據(jù)傳感頭的旋轉(zhuǎn)角度可確定磁場方向。本發(fā)明可測試平面內(nèi)任意方向磁場大小。
【專利說明】
-種平面任意方向磁場光纖傳感器
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明設及磁場光纖傳感器，尤其是設及一種平面任意方向磁場光纖傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖傳感技術(shù)具有絕緣性好、精度高、體積小等優(yōu)勢，得到了快速發(fā)展，也被廣泛 應用在磁場傳感領域，目前使用光纖進行磁場傳感主要有W下Ξ種形式，分別是全光纖型， 光纖光柵結(jié)合磁致伸縮材料型和磁光玻璃型。W上Ξ種方式的磁場傳感可實現(xiàn)磁場測量， 但是要求敏感元件與磁場方向成特定夾角，磁場測試過程中對傳感器的安裝方式要求較 高，難W實現(xiàn)對任意方向或者方向變化磁場的快速精確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服【背景技術(shù)】的不足，本發(fā)明的目的是提供一種平面任意方向磁場光纖傳感 器。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：
[0005] 本發(fā)明包括:寬譜光源、光纖環(huán)形器、光纖起偏器、45°光纖烙點、1x2保偏光纖禪合 器、第一壓電陶瓷調(diào)制器、第一光纖延遲環(huán)、第一四分之一波片、第一傳感頭、第二壓電陶瓷 調(diào)制器、第二光纖延遲環(huán)、第二四分之一波片、第二傳感頭、傳感頭夾角、光電探測器、第一 鎖相放大器、第二鎖相放大器、信號處理單元。由寬譜光源發(fā)出的光經(jīng)光纖環(huán)形器傳輸?shù)焦?纖起偏器變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)45°光纖烙點后所述線偏振光變?yōu)槠穹较蛳嗷ゴ怪钡膬墒€ 偏振光，然后經(jīng)1x2保偏光纖禪合器將光束一分為二，其中上光束依次經(jīng)第一壓電陶瓷調(diào)制 器、第一光纖延遲環(huán)到達第一四分之一波片后，將兩線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后兩圓偏 振光到達第一傳感頭，將磁場信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏振光的相位差信息，攜帶相位差信息的兩 偏振光在第一傳感頭末端被反射后沿原光路返回至光纖起偏器位置干設;下光束依次經(jīng)過 第二壓電陶瓷調(diào)制器、第二光纖延遲環(huán)到達第二四分之一波片后，將兩線偏振光轉(zhuǎn)換為圓 偏振光，然后兩圓偏振光到達第二傳感頭，將磁場信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏振光的相位差信息，攜 帶相位差信息的兩偏振光在第二傳感頭末端被反射后沿原光路返回至光纖起偏器處干設； 兩路干設信號均均通過光纖環(huán)形器到光電探測器變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^第一鎖相放大器、第二 鎖相放大器分別產(chǎn)生調(diào)制信號分別施加于第一壓電陶瓷調(diào)制器和第二壓電陶瓷調(diào)制器并 對光電探測器探測到的兩路干設信號進行解調(diào)，解調(diào)后的輸出信號送入信號處理單元。
[0006] 所述第一傳感頭和第二傳感頭結(jié)構(gòu)及特性一致，且均由單模光纖、磁光玻璃和反 射鏡組成。
[0007] 所述第一傳感頭和第二傳感頭W60°的傳感頭夾角固定在一起。
[000引所述第一壓電陶瓷調(diào)制器的本征頻率為η和第二壓電陶瓷調(diào)制器的本征頻率為 f2不相同。
[0009]所述第一鎖相放大器產(chǎn)生的本征頻率與第一壓電陶瓷調(diào)制器的本征頻率一致;第 二鎖相放大器產(chǎn)生的本征頻率與第二壓電陶瓷調(diào)制器的本征頻率一致。
[0010] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0011] 本發(fā)明傳感器的光路部分由兩路反射式光纖干設結(jié)構(gòu)組成，固定兩個傳感頭并設 計其夾角為60%利用相敏檢測原理，通過兩個鎖相放大器分別解調(diào)上下兩路干設儀中由于 磁場引起的相位差信息；將兩鎖相的輸出送入信號處理單元，信號處理單元對兩路鎖相的 輸出信號分別進行"相加"和"相減"操作，旋轉(zhuǎn)兩個傳感頭，并使信號處理單元中"相減"輸 出為0,此時信號處理單元的"相加"輸出即為磁場大小，同時根據(jù)傳感頭的旋轉(zhuǎn)角度可確定 磁場方向。本發(fā)明提供平面任意方向磁場光纖傳感器，可測試平面內(nèi)任意方向磁場大小。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013] 圖2是本發(fā)明傳感頭的設計圖。
[0014] 圖中：1、寬譜光源，2、光纖環(huán)形器，3、光纖起偏器，4、45°光纖烙點，5、lx2保偏光纖 禪合器，6、第一壓電陶瓷調(diào)制器，7、第一光纖延遲環(huán),8、第一四分之一波片,9、第一傳感頭， 10、第二壓電陶瓷調(diào)制器，11、第二光纖延遲環(huán)，12、第二四分之一波片，13,第二傳感頭，14、 傳感頭夾角，15、光電探測器，16、第一鎖相放大器，17,第二鎖相放大器，18、信號處理單元， 19、單模光纖，20、磁光玻璃，21、金屬反射膜。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0016] 如圖1所示，本發(fā)明包括:寬譜光源1、光纖環(huán)形器2、光纖起偏器3、45°光纖烙點4、 1x2保偏光纖禪合器5、第一壓電陶瓷調(diào)制器6、第一光纖延遲環(huán)7、第一四分之一波片8、第一 傳感頭9、第二壓電陶瓷調(diào)制器10、第二光纖延遲環(huán)11、第二四分之一波片12、第二傳感頭 13、傳感頭夾角14、光電探測器15、第一鎖相放大器16、第二鎖相放大器17、信號處理單元 18。由寬譜光源1發(fā)出的光經(jīng)光纖環(huán)形器2傳輸?shù)焦饫w起偏器3變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)45°光纖烙 點4后所述線偏振光變?yōu)槠穹较蛳嗷ゴ怪钡膬墒€偏振光，然后經(jīng)1x2保偏光纖禪合器5 將光束一分為二，其中上光束依次經(jīng)第一壓電陶瓷調(diào)制器6、第一光纖延遲環(huán)7到達第一四 分之一波片8后，將兩線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后兩圓偏振光到達第一傳感頭9,將磁場 信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏振光的相位差信息，攜帶相位差信息的兩偏振光在第一傳感頭9末端被 反射后沿原光路返回至光纖起偏器3位置干設；下光束依次經(jīng)過第二壓電陶瓷調(diào)制器10、第 二光纖延遲環(huán)11到達第二四分之一波片12后，將兩線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后兩圓偏 振光到達第二傳感頭13,將磁場信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏振光的相位差信息，攜帶相位差信息的 兩偏振光在第二傳感頭13末端被反射后沿原光路返回至光纖起偏器3處干設;兩路干設信 號均均通過光纖環(huán)形器2到光電探測器15變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^第一鎖相放大器16、第二鎖相放 大器17分別產(chǎn)生調(diào)制信號分別施加于第一壓電陶瓷調(diào)制器6和第二壓電陶瓷調(diào)制器10并對 光電探測器15探測到的兩路干設信號進行解調(diào)，解調(diào)后的輸出信號送入信號處理單元18。
[0017] 所述第一傳感頭9和第二傳感頭13結(jié)構(gòu)及特性一致，且均由單模光纖19、磁光玻璃 20和反射鏡21組成。單模光纖19與磁光玻璃20通過紫外固化方式粘合，金屬反射膜21通過 電子束蒸發(fā)工藝實現(xiàn)，磁光玻璃20尺寸為10mm X 5mm X 5mm，金屬反射膜21的厚度為300nm。
[0018] 所述第一傳感頭9和第二傳感頭13^60°的傳感頭夾角14固定在一起。
[0019] 所述第一壓電陶瓷調(diào)制器6的本征頻率為η和第二壓電陶瓷調(diào)制器10的本征頻率 為f2不相同。
[0020] 所述第一鎖相放大器16產(chǎn)生的本征頻率與第一壓電陶瓷調(diào)制器6的本征頻率一 致;第二鎖相放大器17產(chǎn)生的本征頻率與第二壓電陶瓷調(diào)制器10的本征頻率一致。
[0021] 本發(fā)明的工作原理：
[0022] 平面任意方向磁場光纖傳感器可看作是由傳感頭夾角為60°的兩個傳感器組成， 兩個傳感器共用寬譜光源1、光纖環(huán)形器2、光纖起偏器3、45°光纖烙點4、保偏光纖禪合器5、 光電探測器15和信號處理單元18。
[0023] 組成平面任意方向磁場光纖傳感器的兩個傳感器的傳感頭成夾角為60%傳感頭 將磁場信息轉(zhuǎn)化為光的相位信息并最終過鎖相放大器解調(diào)。所用的兩個壓電陶瓷調(diào)制器具 有不同的本征調(diào)制頻率，所用的兩個延遲光纖環(huán)具有不同長度。
[0024] 第一壓電陶瓷調(diào)制器6,其本征頻率為n，由第一鎖相放大器16施加調(diào)制信號于第 一壓電陶瓷調(diào)制器6,當磁場方向沿著光傳播方向時，可W通過第一鎖相放大器16提取輸出 信號中的一次諧波信號和二次諧波信號，由第一鎖相放大器16提取的信號進入信號處理單 元18,運算后可W得到磁場大小可W表示為：
[0025]
[00%]其中，VDUt_l、VDUt_2分別為由第一鎖相放大器16提取得到的一次諧波分量和二次諧 波分量的大小，Jl( Φη?)和K (Κι)為對應的貝塞爾函數(shù)系數(shù)。
[0027]第二壓電陶瓷調(diào)制器10,其本征頻率為f2,由第二鎖相放大器17施加調(diào)制信號于 第二壓電陶瓷調(diào)制器10,當磁場方向沿著光傳播方向時，可W通過第二鎖相放大器17提取 輸出信號中的一次諧波信號和二次諧波信號，由鎖相放大器17提取的信號進入信號處理單 元18,運算后可W得到磁場大小可W表示為：
[002引
[0029] 其中，V〇ut2_i、V〇ut2_2分被為由第二鎖相放大器17提取得到的一次諧波分量及二次 諧波分量大小，Jl( Φη2)和J2( Φ"2)為對應的貝塞爾函數(shù)系數(shù)。
[0030] 信號處理單元內(nèi)18進行如下兩項運算并分兩路輸出
[0031]
[0032] 實際使用時固定兩傳感頭夾角θ = 60ο,組成平面任意方向磁場光纖傳感器的兩個 傳感器的傳感頭合成為一個新的傳感頭，如圖2所示。待測磁場Η方向是未知的，測試時旋轉(zhuǎn) 合成新的傳感頭，同時觀察信號處理單元的兩路輸出，當旋轉(zhuǎn)至如圖2所示的位置時，磁場 方向與兩傳感頭的夾角一致(均為30°)，其沿兩傳感頭方向的平行分量是相同的。此時，信 號處理單元18的Cl輸出為0，C2輸出為因此，在實際應用時，首先旋轉(zhuǎn)合成傳感頭的方 向，當信號處理單元的輸出1為0時，通過將輸出通道2的數(shù)值除W冶即為待測磁場的大小， 磁場的方向可根據(jù)合成傳感頭的方向判定，信號處理單元為市售的數(shù)字信號處理忍片型號 為TMS320VC5410A。
【主權(quán)項】
1. 一種平面任意方向磁場光纖傳感器，其特征在于，包括：寬譜光源（1)、光纖環(huán)形器 (2)、光纖起偏器(3)、45°光纖熔點(4)、1x2保偏光纖耦合器(5)、第一壓電陶瓷調(diào)制器(6)、 第一光纖延遲環(huán)(7)、第一四分之一波片(8)、第一傳感頭(9)、第二壓電陶瓷調(diào)制器(10)、第 二光纖延遲環(huán)（11)、第二四分之一波片（12)、第二傳感頭（13)、光電探測器（15)、第一鎖相 放大器（16)、第二鎖相放大器（17)和信號處理單元（18);由寬譜光源（1)發(fā)出的光經(jīng)光纖環(huán) 形器(2)傳輸?shù)焦饫w起偏器(3)變?yōu)榫€偏振光，經(jīng)45°光纖熔點(4)后所述線偏振光變?yōu)槠?方向相互垂直的兩束線偏振光，然后經(jīng)1x2保偏光纖親合器(5)將光束一分為二，其中上光 束依次經(jīng)第一壓電陶瓷調(diào)制器(6)、第一光纖延遲環(huán)(7)到達第一四分之一波片(8)后，將兩 線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后兩圓偏振光到達第一傳感頭(9 )，將磁場信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏 振光的相位差信息，攜帶相位差信息的兩偏振光在第一傳感頭(9)末端被反射后沿原光路 返回至光纖起偏器(3)位置干涉;下光束依次經(jīng)過第二壓電陶瓷調(diào)制器（10)、第二光纖延遲 環(huán)（11)到達第二四分之一波片（12)后，將兩線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光，然后兩圓偏振光到 達第二傳感頭（13)，將磁場信息轉(zhuǎn)換為兩圓偏振光的相位差信息，攜帶相位差信息的兩偏 振光在第二傳感頭（13)末端被反射后沿原光路返回至光纖起偏器(3)處干涉;兩路干涉信 號均通過光纖環(huán)形器(2)到光電探測器（15)變?yōu)殡娦盘枺ㄟ^第一鎖相放大器(16)、第二鎖 相放大器(17)分別產(chǎn)生調(diào)制信號分別施加于第一壓電陶瓷調(diào)制器(6)和第二壓電陶瓷調(diào)制 器（10)并對光電探測器（15)探測到的兩路干涉信號進行解調(diào)，解調(diào)后的輸出信號送入信號 處理單元（18)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面任意方向磁場光纖傳感器，其特征在于:所述第一傳 感頭(9)和第二傳感頭（13)結(jié)構(gòu)及特性一致，且均由單模光纖(19)、磁光玻璃(20)和反射鏡 (21)組成。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面任意方向磁場光纖傳感器，其特征在于:所述第一傳 感頭(9)和第二傳感頭(13)以60°的傳感頭夾角（14)固定在一起。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面任意方向磁場光纖傳感器，其特征在于:所述第一壓 電陶瓷調(diào)制器(6)的本征頻率為和第二壓電陶瓷調(diào)制器(10)的本征頻率為不相同。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種平面任意方向磁場光纖傳感器，其特征在于:所述第一鎖 相放大器（16)產(chǎn)生的本征頻率與第一壓電陶瓷調(diào)制器(6)的本征頻率一致;第二鎖相放大 器(17)產(chǎn)生的本征頻率與第二壓電陶瓷調(diào)制器(10)的本征頻率一致。
【文檔編號】G01R33/032GK105823995SQ201610266184
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】魏兵, 李宇波, 周柯江, 樓歷月, 郝寅雷, 周強, 楊建義
【申請人】浙江大學