基于磁光晶体-光栅复合结构的光纤磁场-温度双参数传感器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于磁光晶体

【技术实现步骤摘要】
基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
‑
温度双参数传感器系统


[0001]本专利技术属于光学传感器
，涉及一种基于磁光晶体
‑
光栅复合结构的光纤磁场
‑
温度双参数传感器系统。

技术介绍

[0002]磁场测量技术已广泛应用于电力工业、航空航天、生命科学以及资源勘探等领域。考虑在众多领域的应用需求，目前已有多种磁场传感器被开发出来，如磁通门磁场传感器、霍尔磁场传感器、磁阻磁场传感器以及光纤磁场传感器等；而对温度传感器而言，其作为最常见的传感器类型，常见类型包括了热电偶传感器、热电阻传感器、红外测温传感器以及光纤温度传感器等多类温度传感器。其中，光纤传感器与传统的电子式传感器相比，具有绝缘可靠、体积小、抗电磁干扰、抗化学腐蚀等优点，在高电场、强电磁干扰等特殊应用场景下具有突出的优势。同时，无论是电子式磁场传感器还是光纤磁场传感器，在实际应用中都易受温度的干扰，进而降低了磁场测量的精确度，需要通过对磁场数据进一步修正以去除温度的串扰。而在磁场感知进行温度补偿的方法中，同步测量出温度值与磁场值并利用所获取的温度值对初始磁场值进行精准补偿，成为了去除温度干扰、提高磁场测量准确度的一种可靠的方案。
[0003]当前对传感器的研究都主要围绕各物理量的独立感知，而对于磁场
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温度双参数同步感知则主要采用两类传感器的直接组合应用的方式，该方法较为简单，可满足一些场景的需求。但是，对于那些布置空间小、空间分辨率要求高、成本要求低的场景，组合传感器因其尺寸较大、成本较高等特点而无法应用。因此，对小尺寸、成本低的磁场
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温度双参数传感器的开发变得更为必要。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
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温度双参数传感器系统，同步测量磁场与温度信息，解决了磁场测量过程中受温度串扰问题，具备高动态响应、宽频带磁场测量、抗电磁干扰、可靠绝缘等优点，可支撑电力、电子以及航空等工业中磁场(电流)
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温度的双参数测量，具有良好的技术应用前景与突出的工业经济价值。
[0005]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
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温度双参数传感器系统，包括磁光晶体
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光栅复合结构传感单元、光路测量系统、磁场
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温度双参数解调系统；
[0007]所述光路测量系统包括窄带激光光源、消偏器、环形器、传感单元、单路光探、平衡双路光探；所述的磁光晶体
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光栅复合结构传感单元包括磁光晶体、偏振片、偏振分光棱镜、准直器、感温光纤光栅；
[0008]所述窄带激光光源发射出窄带激光，经过消偏器后转变成无偏振态，并经过环形
器入射至磁光晶体
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光栅复合结构传感单元的感温光纤光栅进行反射、透射；其中反射光传递至单路光探中以探测反射光的大小；透射光通过准直器传输至偏振片上进行起偏，所获取的偏振光继续经过磁光晶体在磁场调制下偏振方向发生旋转，再进入偏振分光棱镜分解成两束垂直的线偏光，两束线偏光通过两个准直器输入光纤中，传递至平衡双路光探中进行双路光强的探测；
[0009]所述磁场
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温度双参数解调系统通过多路光强数据采集与处理单元对单路光探和平衡双路光探的光强数据进行多路同步采集，并进行数字滤波、光强数据的转换、数据同步存储管理；通过温度
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磁场双参数解调算法对处理后的多路光强数据进行实时温度、磁场双参数解调，以获取被测点的温度、磁场信息；并通过磁场测量温度补偿算法，基于所获取到的温度数据，对未修正的磁场数据进行实时补偿，得到准确的磁场值。
[0010]进一步，所述磁光晶体的类型与结构尺寸根据被测磁场变化区间及灵敏度要求进行选择，关键性参数包括磁光晶体的费尔德系数、透光率、线性双折射率、厚度；
[0011]所述感温光纤光栅的类型与参数按照不同被测环境温度变化区间进行标准化设计与制备，其中关键性参数包括中心波长、最高反射率、带宽；
[0012]所述感温光纤光栅集成封装于准直器内部；所述磁光晶体、光纤光栅、准直器、偏振片与偏振分光棱镜通过微加工的方式制备，并集成封装于细小的玻璃管内；
[0013]通过导热光学胶对所述磁光晶体
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光栅复合结构传感单元内部的各个器件进行固定，并填充内部残余空气；在所述磁光晶体
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光栅复合结构传感单元外部涂敷有一层绝缘高分子胶。
[0014]进一步，所述磁光晶体
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光纤光栅复合传感单元运用磁光晶体的法拉第旋光效应、光纤光栅的热光效应对磁场
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温度双参数进行感知；
[0015]所述感温光纤光栅的中心波长随温度的变化关系如下：
[0016][0017]其中，T0表示基准温度值，ξ表示FBG的热光系数，α表示FBG的热膨胀系数，α＜＜ξ，FBG的热光系数和热膨胀系数均取决于材料本体特性，当材料选定后可看作常数；
[0018]窄带激光射入感温光纤光栅后发生反射、透射，感温光纤光栅的中心波长由于热光效应而随着温度的变化发生偏移，光波中心波长的漂移改变窄带光的透射光强与反射光强，并且当窄带光波的波长中心位于光栅反射谱的边沿线性区间时，温度与反射光强I1、透射光强I2之间关系式表示为：
[0019]I1＝k1T+b1[0020]I2＝k2T+b2[0021]其中，k1，k2，b1，b2分为反射光强、透射光强与温度T之间的线性关系式的斜率、截距，基于该表达式，以支撑通过温度
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磁场双参数解调算法从反射光强或透射光强中解调出传感器温度的值；
[0022]对感温光纤光栅的中心波长、带宽、最大反射系数进行多参数优化选择，确定不同参数对测温线性区间、单位温度变化下波长漂移值与反射率光强变化值之间影响规律，进而综合优选出感温光纤光栅的参数并进行实际制备；
[0023]所述磁场感知利用磁光晶体在磁场作用下所引发的法拉第旋光效应，磁光晶体中线偏振光的偏振方向在磁光晶体中发生旋转，且旋转角度θ与所感知的磁场B呈现线性关系，即：
[0024]θ＝V(T)BL
[0025]其中，V(T)为磁光晶体关于温度T的费尔德系数，L为磁光晶体的通光长度；
[0026]运用偏振分光棱镜将旋转后的线偏光转换成两束相互垂直偏振光并分离，之后将两束线偏光同时输入至平衡双路光探中测量两者光强值I2‑1与I2‑2；偏振棱镜按照光轴方向与偏振片的起偏方向以45度夹角进行布置，两者光强与旋光角的关系式表示为：
[0027][0028]基于该关系式，以支撑通过温度
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磁场双参数解调算法计算出磁场值。
[0029]进一步，所述窄带激光光源具备中心波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
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温度双参数传感器系统，其特征在于：包括磁光晶体
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光栅复合结构传感单元、光路测量系统、磁场
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温度双参数解调系统；所述光路测量系统包括窄带激光光源、消偏器、环形器、传感单元、单路光探、平衡双路光探；所述的磁光晶体
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光栅复合结构传感单元包括磁光晶体、偏振片、偏振分光棱镜、准直器、感温光纤光栅；所述窄带激光光源发射出窄带激光，经过消偏器后转变成无偏振态，并经过环形器入射至磁光晶体
‑
光栅复合结构传感单元的感温光纤光栅进行反射、透射；其中反射光传递至单路光探中以探测反射光的大小；透射光通过准直器传输至偏振片上进行起偏，所获取的偏振光继续经过磁光晶体在磁场调制下偏振方向发生旋转，再进入偏振分光棱镜分解成两束垂直的线偏光，两束线偏光通过两个准直器输入光纤中，传递至平衡双路光探中进行双路光强的探测；所述磁场
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温度双参数解调系统通过多路光强数据采集与处理单元对单路光探和平衡双路光探的光强数据进行多路同步采集，并进行数字滤波、光强数据的转换、数据同步存储管理；通过温度
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磁场双参数解调算法对处理后的多路光强数据进行实时温度、磁场双参数解调，以获取被测点的温度、磁场信息；并通过磁场测量温度补偿算法，基于所获取到的温度数据，对未修正的磁场数据进行实时补偿，得到准确的磁场值。2.根据权利要求1所述的基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
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温度双参数传感器系统，其特征在于：所述磁光晶体的类型与结构尺寸根据被测磁场变化区间及灵敏度要求进行选择，关键性参数包括磁光晶体的费尔德系数、透光率、线性双折射率、厚度；所述感温光纤光栅的类型与参数按照不同被测环境温度变化区间进行标准化设计与制备，其中关键性参数包括中心波长、最高反射率、带宽；所述感温光纤光栅集成封装于准直器内部；所述磁光晶体、光纤光栅、准直器、偏振片与偏振分光棱镜通过微加工的方式制备，并集成封装于细小的玻璃管内；通过导热光学胶对所述磁光晶体
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光栅复合结构传感单元内部的各个器件进行固定，并填充内部残余空气；在所述磁光晶体
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光栅复合结构传感单元外部涂敷有一层绝缘高分子胶。3.根据权利要求1所述的基于磁光晶体
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光栅复合结构的光纤磁场
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温度双参数传感器系统，其特征在于：所述磁光晶体
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光纤光栅复合传感单元运用磁光晶体的法拉第旋光效应、光纤光栅的热光效应对磁场
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温度双参数进行感知；所述感温光纤光栅的中心波长随温度的变化关系如下：其中，T0表示基准温度值，ξ表示FBG的热光系数，α表示FBG的热膨胀系数，α＜＜ξ，FBG的热光系数和热膨胀系数均取决于材料本体特性，当材料选定后可看作常数；窄带激光射入感温光纤光栅后发生反射、透射，感温光纤光栅的中心波长由于热光效应而随着温度的变化发生偏移，光波中心波长的漂移改变窄带光的透射光强与反射光强，并且当窄带光波的波长中心位于光栅反射谱的边沿线性区间时，温度与反射光强I1、透射光强I2之间关系式表示为：
I1＝k1T+b1I2＝k2T+b2其中，k1，k2，b1，b2分为反射光强、透射光强与温度T之间的线性关系式的斜率、截距，基于该表达式，以支撑通过温度
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磁场双参数解调...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳希，周湶，陈明浩，陈伟根，李剑，王有元，杜林，王飞鹏，谭亚雄，万福，黄正勇，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：