光纤荧光全光学磁场传感器及系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种光纤荧光全光学磁场传感器及系统。其中传感器包括：光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。其中纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上；或者光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。本实用新型专利技术的传感器技术本质上仅测量光纤中的光信号，测量响应频率高，核心结构简单。

【技术实现步骤摘要】
光纤荧光全光学磁场传感器及系统
本技术属于光纤荧光传感器领域，进一步涉及一种光纤荧光全光学磁场传感器，还涉及一种光纤荧光全光学磁场传感系统。
技术介绍
光纤传感器被广泛的用于位移、震动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、PH值和应变等物理量的测量，而在当前信息化时代广泛应用的主要原因里比较重要的有三个。一个是因为光纤具有很多优异的材料性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能。另一个是光纤中传输的光的强度、相位、频率或偏振态等可直接或间接被测量性质调制。还有一个就是在光信息系统中表现的大宽带、大容量、远距离传输和能实现多参数、分布式、低能耗传感的显著优点等。然而光纤传感技术中的现有光纤磁场传感技术，目前往往需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料，利用磁场到形变的转换再用光读取形变信息，或磁场驱动颗粒再分布进而造成光纤芯周围或内部光折射率的变化。但上述添加的这些材料往往在特殊应用环境中(比如：高压变电站等有高强感应电磁场的环境下)带来潜在的安全隐患或污染物(感应电流产热、磁性颗粒扩散污染)，而且大多核心器件结构复杂，也易受温度等环境干扰。光纤荧光寿命测量温度技术常在特殊环境中应用，有着测量精确，稳定性好，灵敏度高的优点，比荧光光强等方法的设备更具优势，所以荧光寿命法是目前光纤荧光传感领域的主流应用和发展方向。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的目的在于提供一种光纤荧光全光学磁场传感器及系统，以至少部分解决以上所述的技术问题。根据本技术的一方面，提供一种光纤荧光全光学磁场传感器，包括：光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。在进一步的实施方案中，所述纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上。在进一步的实施方案中，所述光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。在进一步的实施方案中，所述纳米金刚石荧光层中，NV色心的含量在1×1016个每立方厘米以上。在进一步的实施方案中，还包括保护套，所述保护套套设在光纤一端上，以包覆所述纳米金刚石NV色心荧光层。在进一步的实施方案中，所述保护套为四氟乙烯保护套。在进一步的实施方案中，还包括旁路光纤荧光温度测量模块，用于全光学的荧光寿命法测量外界温度。根据本技术的另一方面，提供一种光纤全光学磁场传感系统，包括：以上任意一种传感器；光强和荧光寿命复合测量单元，连接于所述光纤的另一端，用于测量光纤上的光强信号和相位信号。在进一步的实施方案中，所述复合测量单元为可编程双锁相放大器与时间数字转换器组成的光强和荧光寿命复合测量单元。在进一步的实施方案中，所述光强和荧光寿命复合测量单元还包括光电测量器件以及时间数字转换芯片。采用本技术使用的技术方案，完全能够满足光纤全光学测量磁场的应用要求，具体表现在：相较于传统的需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料的光纤磁场传感技术，在特殊应用环境(比如：高压变电站等有高强感应电磁场的环境下)带来潜在的安全隐患或污染物(感应电流产热、磁性颗粒扩散污染)，本技术展示的这种综合利用金刚石NV色心和光纤全光学磁场传感方法显然可以避免上述潜在的安全隐患或污染物；本技术技术本质上仅测量光纤中的光信号，测量响应频率高，核心结构简单，易于加工和长时间使用，非常适用于高压变电站的感应磁场监控，高铁高压电网异常放电的监控，以及火花放电装置的感应磁场监控等场合；可应用于荧光寿命或荧光强度全光学磁场测量，适合电磁环境复杂、高电压等特殊环境感应磁场测量方面。附图说明图1和图2分别是本技术实施例光纤荧光全光学磁场传感器的NV色心的荧光能级在有和无外磁场(B)作用下非辐射跃迁改变的对比示意图；图3是本技术实施例的光纤全光学磁场传感器在外磁场(B)下，其光致发光强度相对值和荧光寿命相对值随磁场的变化示意图；图4是本技术实施例的光纤全光学磁场传感器非嵌入型示意图；图5是本技术实施例的光纤全光学磁场传感器嵌入型示意图；图6是本技术实施例的一种实际应用的便携式光纤全光学磁场传感系统设计示意图。具体实施方式为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本技术作进一步的详细说明。本技术的优点以及功效将通过本技术所公开的内容而更为显著。在此说明所附的附图简化过且做为例示用。附图中所示的组件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且组件的配置可能更为复杂。本技术中也可进行其他方面的实践或应用，且不偏离本技术所定义的精神及范畴的条件下，可进行各种变化以及调整。根据现有光纤磁场传感技术，往往需向光纤内部或周围加入磁致形变材料、磁性纳米颗粒材料，利用磁场到形变的转换再用光读取形变信息，或磁场驱动颗粒再分布进而造成光纤芯周围或内部光折射率的变化。但上述添加的这些材料往往在特殊应用环境中，而且大多核心器件结构复杂，也易受温度等环境干扰。本技术的基本构思在于，提供不含有导电物质或可移动纳米颗粒的光纤传感器，避免类似使用了磁致形变材料或磁性颗粒材料的光纤磁场传感技术在特殊应用环境下的缺陷；并且是使用全光学磁场测量技术，消除磁场到形变再到光学量的中间转换步骤，结构尽可能简单可靠，应用方便，测量响应速度快，磁场强度测量范围广。根据本技术实施例的一方面，提供一种光纤荧光全光学磁场传感器，包括：光纤；以及纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。由于这里的纳米金刚石NV色心荧光层属于现有技术已有的，因此，本技术不涉及材料方面的改进。以下将首先对本实施例传感器的检测原理进行理论分析：金刚石中带负电荷的NV色心是由与金刚石相邻晶格位置中的空位(V)相关联的替代氮原子(N)，其空位捕获电子组成，具有C3v对称结构。如图1所示，在有外磁场条件下，发生与电子自旋有关的基态能级和激发态能级的塞曼劈裂，而这种NV缺陷的光诱导自旋极化和自旋相关的电子能级布局分布发生改变，造成非辐射跃迁增加，最终导致：荧光寿命减小和光致发光降低。所以，可以使用NV缺陷光学响应来提取关于外磁场的信息，最实用的特性是：纳米金刚石颗粒中，多个对称轴方向随机分布的NV，当外磁场(B)在0-150G的范围内，其光致发光和荧光寿命统计强度值随磁场的增大而减小，如图3所示，并且对比度下降一般超过30％。当把这种含有NV色心的纳米金刚石颗粒，封装为光纤器件后，如图4所示，就可用于全光学磁场测量，并且该器件的组成元素仅含有；C、Si、O、N、H这几种非金属元素。(常用无机光纤核心成分为SiO2，光纤芯外或有机光纤的封皮则主要由C、H、O元素构成，而关键的含有NV的单晶金刚石颗粒则是C、N元素构成。)根据本技术的具体实施方式，如图4所示，所述光纤全光学磁场传感器可以由含NV色心的纳米金刚石颗粒、光学胶、四氟乙烯保护套、单根多模光纤组成，本技术包含两种：非嵌入光纤型设计；如图5所示，或者为嵌入光纤型设计。图4中，光纤4可以为单根多模光纤，在其一端上，通过光学胶2与含NV色心的纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于包括：光纤；纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。

【技术特征摘要】
1.一种光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于包括：光纤；纳米金刚石NV色心荧光层，安装于所述光纤的一端上。2.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述纳米金刚石NV色心荧光层通过光学胶附着于所述光纤的一端上。3.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述光纤包括内部的光纤芯，所述纳米金刚石NV色心通过嵌入光纤芯一端的方式安装于光纤的一端上。4.根据权利要求1所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，还包括保护套，所述保护套套设在光纤一端上，以包覆所述纳米金刚石NV色心荧光层。5.根据权利要求4所述的光纤荧光全光学磁场传感器，其特征在于，所述保护...

【专利技术属性】
技术研发人员：李燊，陈向东，赵博文，孙方稳，郭光灿，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：新型
国别省市：安徽,34