本发明专利技术提出一种基于环形腔衰荡光谱技术和磁流体的光纤电流传感器，属于光纤传感及磁性流体材料领域。该传感器由可调谐激光器，电光调制器，波形发生器，一号光隔离器，一号2×2耦合器，电流传感单元，二号光隔离器，延时单模光纤，二号2×2耦合器，高速光电探测器和光谱仪组成，所述一号2×2耦合器，电流传感单元，二号光隔离器，延时单模光纤，二号2×2耦合器组成环形腔。该传感器具有实用可靠、设计巧妙、测量精度高且可方便调谐的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术设及一种基于环形腔衰荡光谱技术和磁流体的光纤电流传感器，属于光纤 传感及磁性流体材料领域。
技术介绍
光纤电流传感器具有安全性能好、抗电磁干扰、非接触测量、可现场实时遥测和 动态测量范围广等诸多优点，在电流测量和分析中吸引众多学者进行研究，并且将会在电 力检测行业得到广泛使用。相对于传统的电流传感器而言，光纤电流传感器是基于磁光法 拉第效应的原理进行设计的（文献1.化ngN,YongHuang,etal，FiberOpticCurrent SensorBasedonSpecialSpunHighlyBirefringentFiber,IEEEPhotonics TechnologyLetters，25(17): 1668-1671,2013)，PengN等人提出一种基于特殊的高双 折射光纤和偏振旋转干设原理的电流传感器，该传感器实现了 0.5%的测量精度W及在 40°C~70°C温度范围内具备良好的线性输出，可W满足工业上电流测量的需求。 目前，大量的基于光纤环形腔衰荡光谱技术的传感器的研究证明该型传感 器具有高灵敏度和快速探测性能，如（文献2.NiN，化anCC，XiaLetal.Fiber cavityring-downrefractiveindexsensor.PhotonicsTechnologyLetters,IE EE, 2008, 20 (16) : 1351-1353)和（文献 3.QiuH,QiuY,QienZ,etal.Strainmeasurement byfiber-loopring-downspectroscopyandfibermodeconverter.SensorsJourn al，IE邸，2008, 8 (7) : 1180-1183)，分别将环形腔衰荡光谱技术应用于测量折射率和表面张 力，测量结果显示出该型传感器具有良好的线性度、稳定性W及测量精度。环形腔衰荡光谱 技术的测量原理是用测量衰荡光谱的衰荡时间而不是测量衰荡信号强度，并且衰荡时间仅 与环形腔的损耗和长度有关，而与光信号强度无关。由于衰荡时间与光信号强度无关，该样 环形腔衰荡光谱技术就具有不受激光器噪声W及外界损耗影响的优点，进一步提高了测量 的灵敏度。 磁流体主要由磁性微粒、载液和表面活性剂等组成，具有丰富的光学特性，如可调 谐折射率，可调谐透射率，双折射效应和热透镜效应等。当外界磁场作用在磁流体上时，磁 流体折射率会随着磁场强度的变化而变化，即具有折射率可调谐特性。目前在实验基础上 已研制出了诸多基于磁流体的光学器件，如磁流体光纤传感器、磁流体光调制器、磁流体光 栅、磁流体光纤滤波器等。随着近几年对磁性流体材料的研究发现磁流体的折射率随外界 磁场的变化而变化该一重要的物理特性，磁性流体材料也被逐步应用在新型的光纤传感和 测量技术中。 国内学者（文献 4.ZuP,QianCC,LewWS,etal.Ma即et〇-〇pticalfiber sensorbasedonmagneticfluid.Opticsletters, 2012, 37 (3) : 398-400)设计了一 种将磁流体薄膜置于Sagnac干设仪和一个保偏光纤组成的环形腔中用于产生一个正弦 干设光谱信号进行磁场测量的系统，输出的干设光谱随着磁场强度的变化而发生移动，该 系统的灵敏度和分辨率分别达到16. 7pm/0e和0. 600e;天津大学的研究人员（文献5.Li L,HanQ,ChenY,etal.AnAll-FiberOpticCurrentSensorBasedonFerrofluidsand MultimodeInte;rference.IE邸SensorsJournal, 2014, 14 巧）：1749-1753)提出一种 基于磁流体和多模干设仪的全光纤电流传感器，将磁流体填充在无巧光纤（NCF)中形成一 种单模-多模-单模（SM巧结构的新型电流传感器并且实现了可达2. 12地/A测量灵敏度， 最小可测电流大小为200mA。但是该实验系统并未考虑磁场产生装置工作时的温度对磁流 体折射率的影响，该会导致电流测量的准确性和稳定性无法确定。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的缺点，提出一种基于环形腔衰荡光谱技术和磁流体的 光纤电流传感器，该传感器具有实用可靠、设计巧妙、测量精度高且可方便调谐的优点。 本专利技术采用的技术方案为；一种基于环形腔衰荡光谱技术和磁流体的光纤电流传 感器，该传感器由可调谐激光器1，电光调制器2,波形发生器3, 一号光隔离器4, 一号2X2 禪合器5,电流传感单元6,二号光隔离器7,延时单模光纤8,二号2X2禪合器9,高速光电 探测器10和光谱仪11组成，所述一号2X2禪合器5,电流传感单元6,二号光隔离器7,延 时单模光纤8,二号2X2禪合器9组成环形腔；可调谐激光器1产生的宽谱光进入电光调制 器2输入端，所述电光调制器2的调制端口与波形发生器3相连，对输入的宽谱光源进行调 制后产生脉冲信号光，所述脉冲信号光从电光调制器2的输出端输出后经光隔离器4进入 环形腔，脉冲信号光在环形腔中的光路传输如下；所述光隔离器4的输出端口与一号2X2 禪合器5的输入端口 501相连，脉冲信号光从一号2X2禪合器5的输出端口 502输出进入 电流传感单元6,所述电流传感单元6为一填充磁流体的薄膜单元，经过磁流体吸收后得到 的脉冲信号光从电流传感单元6的输出端口输出，经二号光隔离器7后从二号2X2禪合器 9的输入端口 901输入，所述二号2X2禪合器9将脉冲光信号一分为二：一路信号光从二 号2X2禪合器9的输出端口 902输出被高速光电探测器10探测后进入光谱仪11进行记 录和显示；另一路信号光通过二号2X2禪合器9的输出端口 903后经延时单模光纤8延时 后从一号2X2禪合器5的输入端口 503输入，从一号2X2禪合器5的输出端口 502输出， 再次在环形腔中进行传输，该样，依次有多个不断衰减的脉冲信号光被光谱仪11记录后形 成一个衰荡光谱。 进一步地，所述的可调谐激光器1工作于C波段，其输出的光波长为（1528. 77~ 1563. 86)nm，进入光纤环中的光功率为4. 2mW。 进一步地，所述一号2X2禪合器5的分光比为81 ;19,所述二号2X2禪合器9的 分光比为82 ; 18。 进一步地，所述延时单模光纤8的长度由波形发生器3产生脉冲信号光的周期决 定，为了保证在一个衰荡光谱周期内环形腔中只有一个光脉冲进行传输，该样必须根据波 形发生器3的输出对延时单模光纤8的长度进行设计，例如，当波形发生器3产生脉冲信号 光的频率为6. 65曲Z，脉冲宽度为4.加S，占空比为3%时，延时单模光纤8的长度为3km。 进一步地，所述电流传感单元6由一号准直透镜601、二号准直透镜602、介质薄膜 603、磁流体604和磁场605组成，一号2X2禪合器5的输出端口 502通过光纤连接一号准 直透镜601，所述准直透镜601用于使从一号2X2禪合器5的输出端口 502输出进入光纤 中的脉冲信号光束呈平行光，该平行光通过填充有磁流体604的=块介质薄膜603后平行 射入二号准直透镜602,经二号准直透镜本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于环形腔衰荡光谱技术和磁流体的光纤电流传感器，其特征在于：该传感器由可调谐激光器(1)，电光调制器(2)，波形发生器(3)，一号光隔离器(4)，一号2×2耦合器(5)，电流传感单元(6)，二号光隔离器(7)，延时单模光纤(8)，二号2×2耦合器(9)，高速光电探测器(10)和光谱仪(11)组成，所述一号2×2耦合器(5)，电流传感单元(6)，二号光隔离器(7)，延时单模光纤(8)，二号2×2耦合器(9)组成环形腔；可调谐激光器(1)产生的宽谱光进入电光调制器(2)输入端，所述电光调制器(2)的调制端口与波形发生器(3)相连，对输入的宽谱光源进行调制后产生脉冲信号光，所述脉冲信号光从电光调制器(2)的输出端输出后经光隔离器(4)进入环形腔，脉冲信号光在环形腔中的光路传输如下：所述光隔离器(4)的输出端口与一号2×2耦合器(5)的输入端口(501)相连，脉冲信号光从一号2×2耦合器(5)的输出端口(502)输出进入电流传感单元(6)，所述电流传感单元(6)为一填充磁流体的薄膜单元，经过磁流体吸收后得到的脉冲信号光从电流传感单元(6)的输出端口输出，经二号光隔离器(7)后从二号2×2耦合器(9)的输入端口(901)输入，所述二号2×2耦合器(9)将脉冲光信号一分为二：一路信号光从二号2×2耦合器(9)的输出端口(902)输出被高速光电探测器(10)探测后进入光谱仪(11)进行记录和显示；另一路信号光通过二号2×2耦合器(9)的输出端口(903)后经延时单模光纤(8)延时后从一号2×2耦合器(5)的输入端口(503)输入，从一号2×2耦合器(5)的输出端口(502)输出，再次在环形腔中进行传输，这样，依次有多个不断衰减的脉冲信号光被光谱仪(11)记录后形成一个衰荡光谱。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：罗洪，夏霁，王琦，熊水东，张振慧，王建飞，王付印，曹春燕，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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