以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器制造技术

本发明专利技术涉及的以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器利用光纤技术和光学干涉仪原理为基础，应用光纤作为传感材料与传感器件，基于磁光效应实现对于待测磁场的传感。传感光纤的材料、方位、形状与长度依据待测磁场的强度和空间分布特征确定；实现传感光纤中传播光束对于待测磁场在传感光纤切向分量的无源被动传感；再用三个相互正交方向分别传感所获取的待测磁场分量作合成即获得确定时刻待测磁场在三维空间状态的完整分布，连续进行传感就可获取随时间变化的空间磁场。全光纤磁场传感器具有传感器件结构简单，尺寸小，可靠性高等诸多重要优点，适合大型电力设备以及极为广泛领域中迅变磁场的传感。技术领域光学磁场传感器光电子设备。光电子设备。光电子设备。

【技术实现步骤摘要】
以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器


[0001]属于光电子和传感器领域。
[0002]关键词：磁场传感器；光电子技术

技术介绍

[0003]各种类型，各种强度磁场的传感测量是电力工业中的重要
，更是实现电网智能化的必要前提；也是众多关键产业以及基础研究中的重要技术。
[0004]已有的传感磁场的设备，如：光纤磁致伸缩磁场传感器，因为必须经过两次物理效应转换，使得原理与结构都比较复杂，可靠性，稳定性，一致性都差。并且因体积较大故难以嵌入进电力设备内部去监控该处磁场。
[0005]另一种已有的传感磁场的设备：霍尔效应磁场传感器，则因为对磁场的响应相对较慢，并且需要电线导体连接传感器件而无法实现电气绝缘，并且尺寸较大无法嵌入到电力设备内部。
[0006]还有一种巨磁阻材料制作的磁场传感器，也需要电线等导体做电气连接，因此大型电力设备中这类技术设备对磁场的传感与监控难以实现电气绝缘。
[0007]与本方案最接近的是利用磁光效应和传输光纤材料制作磁场传感器的技术(注1)。该技术所利用的磁光晶体和传输光纤以全被动的方式传感磁场，具有传感部件无需电源，无电流传导，精度高，尺寸较小，响应快速等优点；但是由于所采用的是晶体以及分立光学元器件，因此传感器件部件体积相对本方案的全光纤传感器件比较大，应用不够方便，且结构复杂，可靠性较差；其整机光路方案抗干扰能力不够强。

技术实现思路

[0008]本专利技术方案给出的以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器利用光纤技术和光学干涉仪原理为基础，应用全光纤作为传感材料与器件，基于磁光效应实施传感光纤中传播光束对于待测磁场在传感光纤切向分量的全被动无源传感。
[0009]本技术方案具有自动消除传输光纤构成的传输单元所受环境干扰的重要优点，并且在传感光纤中经反射往返两次传感待测磁场而使获得的信号加倍。
[0010]大型电力设备中对磁场的传感与监控，尤其是在电力设备内部空间非常狭小、必须具有良好的电气绝缘、且要求响应速度很快的条件下对磁场能够进行长期可靠地传感监控的设备和技术是大型电力设备所必要的和亟需的。
[0011]本专利技术涉及一种以光学技术传感和测量各类磁场的全光纤磁场传感器设备和技术。利用此设备和技术可以实现以光学方法传感测量待测磁场，适合用于电力工业中的大型电力设备，如对大发电机，主变压器，以及大电动机内部各处磁场进行长期可靠地传感监控；还能够以光学方法快速测量复杂极端条件中的磁场，例如在磁约束可控核聚变托卡马克装置中的迅变强磁场，以及各产业领域中需要快速测量复杂极端条件中的磁场的情况。与高磁光系数的特种传感光纤配合后还能够传感测量更大范围内不同强度的磁场。
[0012]依据法拉第磁光效应，全光纤磁场传感器的传感光纤中两束正交线偏振光之间受到磁场作用后产生偏转角度：
[0013]θ＝∫VH.dx
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(1)
[0014]θ：对应于传感光纤中两束正交线偏振光之间偏转角度，比例于磁场信号；
[0015]H：待测磁场中沿传感光纤处的磁场强度；
[0016]V：菲尔德(Verdet)常数(磁光系数，即V值)；
[0017]∫dx：沿磁场强度分量方向上的传感光纤长度。
[0018]待测磁场在传感光纤切向上的分量依据磁光效应使得传感光纤中两束圆偏振光之间产生与待测磁场成正比的相位差Φ。以光学技术测出此相位差，就可以传感到待测磁场在传感光纤切向上的分量，三个相互正交方向所分别传感获取的磁场分量作合成即获得确定时刻待测磁场在三维空间的完整分布。
[0019]以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器，包括：
[0020]光电单元，包括光源，光纤环行器(或者光纤耦合器)，光纤起偏器，两段互成45度熔接的保偏光纤，光学相位调制器，光探测器；
[0021]传输单元，包括：保偏光纤；
[0022]传感单元，包括：光纤1/4波片，传感光纤，反射镜；
[0023]信号处理单元，包括：A/D模块，信号处理电路，D/A模块；
[0024]其特征在于：
[0025]光电单元内光源发出的光束经过光纤环行器(或者光纤耦合器)，光纤起偏器，两段互成45度熔接分光的保偏光纤，光学相位调制器等光学器件的相继作用；由光纤起偏器给出的一束线偏振光于下一段保偏光纤熔接时被光纤快慢轴相互成45度角的熔接点等分为两束相互正交的线偏振光，成为分别在同一根保偏光纤中传播的两束互不干涉的独立正交线偏振光，经由传输单元传播进入传感单元后其中的光纤1/4波片将这两束正交线偏振光转换为传感光纤中传播的两束反向旋转圆偏振光，在待测磁场中基于磁光效应使得这两束圆偏振光之间产生与待测磁场成正比的相位差，并在传感光纤末端反射镜反射后沿着来时路径反向传播回去，返回途中在传感光纤中再次传感待测磁场，返回到光电单元内进入光探测器转换为电信号，再进入信号处理单元解出待测磁场数值；
[0026]全光纤磁场传感器将传感光纤安放于待测磁场区域中，传感光纤的材料、方位、形状与长度依据待测磁场的强度和空间分布等特征确定，以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器依据磁光效应实现传感光纤中传播光束对于待测磁场在传感光纤切向分量的被动无源传感，三个相互正交方向所分别传感获取的磁场分量作合成即获得确定时刻磁场三维空间状态的完整分布，连续进行传感就可获取随时间变化的空间磁场。
[0027]本方案借鉴了全光纤电流传(互)感器的技术方案，由此获得了可自动降低噪声的先进而巧妙的光束路径互易光路结构，并且利用了信号闭环反馈技术和全光纤电流传感器件的构思，从而具有无可比拟的优势。如果再加之以显著扩大传感磁场动态范围的高磁光系数传感光纤的配套使用，将使得全光纤磁场传感器成为各领域中对不同磁场探测监控的强有力设备。
[0028]全光纤磁场传感器设备和技术的特定优点为：
[0029]*磁光效应作一次物理转换就完成传感，故响应极快：～10
‑
10
秒；
[0030]*仅有一次物理效应转换：磁光效应，可靠性高；
[0031]*不含铁芯，没有磁饱和现象；
[0032]*全光纤磁场传感器采用全被动的、全绝缘的无源传感器件，不含磁性材料，可避免传感器件对待测磁场的串扰；
[0033]*由于磁光效应响应速度极，故频率响应好，带宽大；
[0034]*全光纤磁场传感器的传感器件中完全不存在导电体，绝缘性能优异，安全性极好，可靠性高，适用于高电压，直到特高压等级的电力设备的传感监控；
[0035]*全光纤磁场传感器件结构简单，尺寸微小，容易嵌入到设备需传感处实现磁场传感和监控；
[0036]*全光纤磁场传感器由光纤直接输出数字信号，可以直接连接5G
[0037]光通讯网络，实现高速传感监控；
[0038]*全光纤磁场传感器的传感光纤耐热，耐腐蚀，长期稳定性好；
[0039]*全光纤磁场传感器灵敏度高，并且可以利用不同类本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器，包括：光电单元，所述光电单元包括光源，光纤环行器(或者光纤耦合器)，光纤起偏器，两段互成45度熔接的保偏光纤，光学相位调制器，光探测器；传输单元，所述传输单元包括：保偏光纤；传感单元，所述传感单元包括：光纤1/4波片，传感光纤，反射镜；信号处理单元，所述传感单元包括：信号处理电路，D/A模块；其特征在于：光电单元内光源发出的光束经过光纤环行器(或者光纤耦合器)，光纤起偏器，两段快慢偏振轴互成45度熔接分光的保偏光纤，光学相位调制器等光学器件的相继作用后成为在同一根保偏光纤中传播的两束互不干涉的正交线偏振光，经由传输单元传播进入传感单元后其中的光纤1/4波片将这两束正交线偏振光转换为传感光纤中传播的两束反向旋转圆偏振光，在待测磁场中基于磁光效应使得这两束圆偏振光之间产生与待测磁场成正比的相位差，并在传感光纤末端反射镜反射后沿着来时路径反向传播回去，沿原路径返回并经光纤环行器后在光电单元内输入光探测器转换为电信号，再进入信号处理单元解出待测磁场数值。2.依据权利要求1，所述以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器所包括的光电单元，其特征在于：由所述光电单元的超短辐射发光管光源发出的光束经光纤通过光纤环行器后进入光纤起偏器起偏成为一束线偏振光，经由两段快慢偏振轴互成45度的保偏光纤熔接处后被分成两束相等振幅的正交线偏振光，分别沿同一根保偏光纤的快慢轴偏振并且互不干涉地独立传播到光学相位调制器。3.依据权利要求1，所述以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器所包括的光电单元，其特征在于：为获得并保持最大灵敏度和最佳线性度，所述光电单元包含对分别沿保偏光纤快慢轴独立传播的两束正交偏振光束之间相位差实施相位调制的光学相位调制器；由信号处理单元解出的待测磁场数字信号作输出的同时经数模(D/A)转换后将所获模拟电信号施加于光学相位调制器。4.依据权利要求1，所述以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器所包括的传输单元，其特征在于：所述传输单元由光学相位调制器调制频率和传输光纤折射率共同确定长度的保偏光纤构成。5.依据权利要求1，所述以光学技术传感磁场的全光纤磁场传感器所包括的传感单元，其特征在于：所述传感单元的传感光纤或者由通讯用光纤，或者采用低双折射光纤，或者采用保圆偏振的旋...

【专利技术属性】
技术研发人员：湾晓文，湾世伟，
申请(专利权)人：湾世伟，
类型：发明
国别省市：