一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器及方法技术

本发明专利技术属于光学器件技术领域，并具体公开了一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器及方法。包括：单模光纤，磁致伸缩涂层，设于所述单模光纤的包层外周，所述磁致伸缩涂层在外部磁场的作用下带动所述单模光纤产生轴向长度变化；泵浦光源，通过光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，所述泵浦光源输入至所述单模光纤的泵浦光产生受激布里渊散射，转换成反向SBS光，该SBS光因所述单模光纤轴向长度变化而发生频移；光谱仪，通过所述光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，用于实时测量SBS光的频移量；控制器，根据所述单模光纤轴向长度变化以及SBS光的频移量获取磁场大小及变化量。本发明专利技术具有结构简单、响应速度快等优点。响应速度快等优点。响应速度快等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器及方法


[0001]本专利技术属于光学器件
，更具体地，涉及一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器及方法。

技术介绍

[0002]磁场传感器在地质勘测、生物医学、国防安全等领域都具有重要的应用价值。以光波作为传感信号的光纤磁场传感器具有可塑形、抗电磁干扰、耐腐蚀、成本低且易于实时监测和集成复用等优势，受到了国内外广泛关注。其中，基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器具有快速响应性、磁致应变性等性能，且结构简单、可靠性高，成为目前关注度较高的一种光纤磁场传感器。
[0003]在外加磁场的作用下，具有磁致伸缩特性的材料会沿磁化方向产生伸缩，这个现象被称为磁致伸缩效应。1980年，A Yariv等人将磁致伸缩材料镍镀在光纤上，首次实现了微弱磁场的测量。随着磁致伸缩材料的发展，人们发现TbDyFe合金（又名Terfenol
‑
D）等稀土材料的磁致伸缩系数为10
‑3量级，是镍基材料的40
‑
50倍，极大促进了基于磁致伸缩效应的光纤磁场传感器的发展。2009年，Yang等人首次应用磁控溅射工艺在光纤布拉格光栅上沉积了Terfenol
‑
D薄膜，通过光栅的谐振波长移动来实现磁场测量。2013年，武汉大学提出利用飞秒加工FBG的包层成周期均匀的紧密螺旋状，再将Terfenol
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D薄膜镀在 FBG 的包层外表面上。随着磁场变化，Terfenol
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D薄膜发生形变从而调制FBG的反射光谱。2015年，Zhang 等人提出了一种将Terfenol
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D材料与光纤法布里
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珀罗干涉仪相结合的装置，实现了超高灵敏度的磁场测量。此外，基于单模
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多模
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单模光纤和磁致伸缩套管结构的磁场传感器也相继被提出。其通过测量干涉透射谱波谷位置漂移量得到磁场大小，即现有技术光纤磁场传感器大多基于光纤布拉格光栅和光纤法布里
‑
珀罗干涉仪两种原理，结构、制作工艺复杂。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器及方法，其中磁致伸缩涂层呈管状附着在光纤表面，泵浦光从光纤一端注入，由于受激布里渊散射所产生的SBS光从光纤入射端反向射出。当存在与光纤轴向平行的外部磁场或磁场分量时，磁致伸缩涂层带动光纤产生轴向伸缩，造成SBS增益光谱频移。通过测量SBS增益光谱的频移量可以得到磁场大小及变化量，从而实现磁场传感功能。具有结构简单、响应速度快等优点。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，包括：单模光纤，磁致伸缩涂层，设于所述单模光纤的包层外周，所述磁致伸缩涂层在外部磁场的作用下带动所述单模光纤产生轴向长度变化；泵浦光源，通过光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，所述泵浦光源输入至所述单模光纤的泵浦光产生受激布里渊散射，转换成反向SBS光，该SBS光因所述单模光纤轴向长度变化而发生频移；光谱
仪，通过所述光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，用于实时测量SBS光的频移量；控制器，根据所述单模光纤轴向长度变化以及SBS光的频移量获取磁场大小及变化量。
[0006]作为进一步优选的，所述SBS光的频移量为：其中，为SBS光的频移量，为无纲量系数，为单模光纤轴向长度变化量。
[0007]作为进一步优选的，所述控制器集成有所述单模光纤轴向长度变化与外部磁场大小的关系图；该关系图通过将所述光纤磁场传感器放入不同大小的标准磁场中，根据磁场大小、SBS光的频移量获取。
[0008]作为进一步优选的，所述磁致伸缩涂层为：铁氧体磁致伸缩材料、金属或合金磁致伸缩材料或稀土超磁致伸缩材料其中一种与环氧树脂、聚酰胺固化剂按照一定比例混合制备而成。
[0009]作为进一步优选的，所述金属或合金磁致伸缩材料包括Ni
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Co
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Cr合金、Fe
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Al合金、Fe
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Ni合金或Ni金属其中一种；所述稀土超磁致伸缩材料包括铽镝铁磁致伸缩合金。
[0010]按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器的测量方法，包括以下步骤：S11向单模光纤的入射端注入泵浦光，调整泵浦光的功率，使得泵浦光的光功率超过SBS阈值，产生受激布里渊散射，入射的泵浦光转换成反向SBS光，从入射端反向射出；S12将包裹有磁致伸缩涂层的单模光纤放入待测磁场中，所述磁致伸缩涂层在外部磁场的作用下带动所述单模光纤产生轴向长度变化；S13所述SBS光因所述单模光纤轴向长度变化而发生频移，实时测量SBS光的频移量；S14根据所述单模光纤轴向长度变化以及SBS光的频移量获取磁场大小及变化量。
[0011]作为进一步优选的，在测量之前，还需对所述光纤磁场传感器进行校准，以获取所述单模光纤轴向长度变化与外部磁场大小的关系图，具体如下：将所述光纤磁场传感器放入不同强度的标准磁场中，通过改变标准磁场强度来获取不同强度磁场下SBS光的频移量，根据SBS光的频移量以及标准磁场强度的大小和变化量来获取所述单模光纤轴向长度变化，并据此绘制所述单模光纤轴向长度变化与外部磁场大小的关系图。
[0012]作为进一步优选的，改变光纤磁场传感器的摆放方向，重复步骤S12和S13，以获取多组SBS光的频移量，进而计算磁场大小及变化量。
[0013]按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：S21将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与单模光纤的包层结合在一起，并通过弱磁场将磁致伸缩复合材料取向，等待一段时间使磁致伸缩复合材料固化，形成包裹于所述单模光纤的包层的磁致伸缩涂层；S22将泵浦光源通过光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，将光谱仪通过所
述光纤环形器与所述单模光纤的入射端连接，用于实时测量SBS光的频移量，将控制器与光谱仪和泵浦光源连接。
[0014]作为进一步优选的，将磁致伸缩复合材料通过涂覆、粘连方法与单模光纤的包层结合在一起，并通过弱磁场将磁致伸缩复合材料取向具体包括：将所述磁致伸缩复合材料按配比均匀混合搅拌，排出混合物中的气泡；将所述磁致伸缩复合材料按配比均匀混合搅拌，排出混合物中的气泡；将单模光纤放在底盘上刻的底盘轨道内并固定；将配好的磁致伸缩复合材料混合物倒入底盘轨道中淹没单模光纤；沿着底盘轨道外侧放置螺线管，且底盘轨道置于螺线管中心；将螺线管外绕的螺线圈与电源相连接，通过电源上的开关来施加电流，从而在螺线圈中心产生弱磁场，使磁致伸缩复合材料取向，待2～16小时后磁致伸缩复合材料固化并断开螺线管上的电流。
[0015]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1．本专利技术磁致伸缩涂层呈管状附着在光纤表面，泵浦光从光纤一端注入，当光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，其特征在于，包括：单模光纤（4），磁致伸缩涂层（5），设于所述单模光纤（4）的包层外周，所述磁致伸缩涂层（5）在外部磁场的作用下带动所述单模光纤（4）产生轴向长度变化；泵浦光源，通过光纤环形器（3）与所述单模光纤（4）的入射端连接，所述泵浦光源输入至所述单模光纤（4）的泵浦光产生受激布里渊散射，转换成反向SBS光，该SBS光因所述单模光纤（4）轴向长度变化而发生频移；光谱仪（6），通过所述光纤环形器（3）与所述单模光纤（4）的入射端连接，用于实时测量SBS光的频移量；控制器，根据所述单模光纤（4）轴向长度变化以及SBS光的频移量获取磁场大小及变化量。2.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，其特征在于，所述SBS光的频移量为：其中，为SBS光的频移量，为无纲量系数，为单模光纤（4）轴向长度变化量。3.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，其特征在于，所述控制器集成有所述单模光纤（4）轴向长度变化与外部磁场大小的关系图；该关系图通过将所述光纤磁场传感器放入不同大小的标准磁场中，根据磁场大小、SBS光的频移量获取。4.根据权利要求1所述的一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，其特征在于，所述磁致伸缩涂层（5）为：铁氧体磁致伸缩材料、金属或合金磁致伸缩材料或稀土超磁致伸缩材料其中一种与环氧树脂、聚酰胺固化剂按照一定比例混合制备而成。5.根据权利要求2所述的一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器，其特征在于，所述金属或合金磁致伸缩材料包括Ni
‑
Co
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Cr合金、Fe
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Al合金、Fe
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Ni合金或Ni金属其中一种；所述稀土超磁致伸缩材料包括铽镝铁磁致伸缩合金。6.一种基于受激布里渊散射的光纤磁场传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S11向单模光纤（4）的入射端注入泵浦光，调整泵浦光的功率，使得泵浦光的光功率超过SBS阈值，产生受激布里渊散射，入射的泵浦光转换成反向SBS光，从入射端反向射出；S12将包裹有磁致伸缩涂层（5）的单模光纤（4）放入待测磁场中，所述磁致伸缩涂层（5）在外部磁场的作用下带动所述单模...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢礼杨，张璐，胡金萌，李强，武春风，姜永亮，胡黎明，成红，姬清晨，夏哲，李龙，
申请(专利权)人：中国航天三江集团有限公司，
类型：发明
国别省市：