一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置制造方法及图纸

一种环境温度变化和磁感应强度的测量方法及装置，属于光电技术领域，涉及光纤传感技术，尤其涉及基于磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅（ＭＦＢＧ）的磁感应强度（或光纤Ｖｅｒｄｅｔ常数）和温度变换的测量方法及装置。本发明专利技术采用磁光光纤光栅，根据其本征传感方式及其反射和透射特性，分别利用左旋和右旋圆偏振光入射ＭＦＢＧ，通过检测ＭＦＢＧ的反射（或透射）圆偏振光的光功率来实现同时对磁感应强度（或光纤Ｖｅｒｄｅｔ常数）和温度变化进行测量，实现了多参数非相干检测，具有方便易行、无需温度补偿的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光电
，涉及光纤传感技术，尤其涉及基于磁光光纤Bragg光 栅(MFBG)的磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化的测量方法及装置。
技术介绍
光纤传感技术是伴随着光导纤维以及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一 种新型传感技术。它是以光信号为待测信息的载体，以光纤为传输介质和传感媒质，将被测 量的信息以光信号的形式提取出来。具体地说，光纤传感器是通过提取出光纤中光波的特 征参量(如光强、波长、相位、振幅等)随外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、加速度 等)直接或者间接地发生变化的关系来探测各种物理量的一种装置。 与传统的电传感器相比，光纤传感器有很多优点，如①抗电磁干扰、电绝缘性好、 耐腐蚀、方便安全；②灵敏度高；③重量轻、体积小、可微型化；④传输容量大、测量对象广 泛；⑤成本低；⑥便于复用、便于组网、可实现远程遥控。 光纤磁场传感器是测量磁场或电流的一种光纤传感器，可基于不同原理实现。基 于磁致伸縮原理的光纤磁场传感器是利用磁致伸縮材料对光纤的扰动来改变光波相位从 而探测微弱磁场的，但由于磁致伸縮效应作为机械效应，其高频响应较差，而且对磁致伸縮 材料的要求比较严格。人们也基于光的干涉原理研究开发了各种干涉型光纤传感器，如基 于Fabry-Perot干涉仪的光纤磁场传感器，基于Micelson干涉仪的光纤磁场传感器，基于 Mach-Zehnder干涉仪的光纤磁场传感器等，这些干涉型光纤传感器适合应用于动态交变磁 场的检测。 另一方面，由于实际应用中外界的扰动对磁场测量精度的影响不可避免，其中温 度变化的影响尤其突出，所以温度和磁场的交叉敏感性是研究光纤磁场传感器中的一个重 要瓶颈。为得到高精度的测量结果，人们提出了各种具有温度补偿功能的光纤磁场传感器。 一种是对光纤磁场传感器中的温度敏感器件采用温度控制系统使其保持在恒温的工作状 态，如利用单片机驱动半导体致冷器对半导体激光器进行温度控制；另一种是补偿光纤磁 场传感器中随温度变化的费尔德常数以确保磁场测量的精确度。它们属于非本征传感方 式，而且执行起来复杂。 磁光光纤Bragg光栅(MFBG)具有较高的磁光性能，其制作方法有几种，如在光纤 Bragg光栅中掺入使其具有高磁光系数的稀土元素(如Tb、Pr等)，或者在拉制的YIG光纤 上写入Bragg光栅等。MFBG在基于磁光效应诱导的偏振模转换与光栅引起的正向/反向导 波光耦合的共同作用下，具有与传统的光纤光栅不同的特点(l)在无线性双折射的磁光 光纤光栅中，其本征模是圆偏振光；(2)磁场和温度的变化可使磁光光纤光栅中传播的左 右旋本征模的Bragg波长分别发生相反和相同方向的移动；(3)磁光效应改变了传统非磁 性光纤光栅中线偏振光的带隙结构，色散特性更加丰富。利用磁光光纤光栅这种特殊结构 和固有的特性，可实现磁场测量、电流传感以及实现偏振模转换控制或光学偏置等。在磁光 光纤Bragg光栅中，法拉第效应会导致偏振面的旋转(偏振模转换)，磁光耦合强度可以通过外加磁场调节。
技术实现思路
为克服现有的基于普通光纤光栅和温度补偿的光纤磁场传感方法的不足，本专利技术 提供了一种基于磁光光纤Bragg光栅(MFBG)的环境温度变化和磁感应强度的测量方法及 装置，它是基于磁光光纤光栅的本征传感方式，可同时对环境磁感应强度(或光纤Verdet 常数)和温度变化进行测量，在检测中可自动消除温度的影响，测量方法简单、实现起来方 便。 本专利技术利用MFBG带隙边缘频谱所具有的线性对称性以及磁场作用下频谱对圆偏 振态的选择性原理来实现磁场传感或光纤Verdet常数测量的。MFBG的特性可用光栅耦合 系数Kg二k。Arig和磁光耦合系数Km = k。Anm(= 。F = VBB)两个参数表征，其中Ar^和 Anm分别为相应的折射率改变，k。 = 2 / A为波尔兹曼常数，Of为法拉第旋转角，VB和B 分别为Verdet常数和磁感应强度大小。MFBG的反射或透射谱的形状就是由k g和k m决 定的。图1给出了圆偏振光经过均匀MFBG的透射谱和反射谱，没有磁场时左旋和右旋圆偏 振光的谱线重合。由图可见，均匀MFBG的光谱关于中心波长对称，而且在带隙边缘具有很 好线性。 本专利技术技术方案如下 —种环境温度变化和磁感应强度的测量方法，如图2所示，包括以下步骤 步骤1 :将磁光光纤Bragg光栅置于磁屏蔽和恒温条件下(相当于环境磁感应强 度B = 0和环境温度变化A T = 0)，分别采用波长为A工和A 2的左旋偏振光和右旋偏振 光入射到磁光光纤Bragg光栅，测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光 和右旋偏振光的光功率PQ1和P。2。 步骤2 :将磁光光纤Bragg光栅置于已知磁感应强度B的磁场和已知温度变化A T 的条件下，分别采用波长为、和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光 栅，测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Pi和 其中，APe为由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的 偏振光光功率的变化量，APT为由环境中温度变化引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透 射)的偏振光光功率的变化量； 可得 步骤4:由步骤3中的(2)式确定P,&与APe的线性关系以及P「&与A&的线 性关系；同时磁光光纤Bragg光栅具有这样的固有特性环境磁感应强度B和由环境中磁 感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的偏振光光功率的变化量A&呈线 性关系，而环境温度变化AT和由环境中温度变化引起的磁光光纤Bragg光栅反射(或透P2。 步骤3:由射)的偏振光光功率的变化量APT也呈线性关系。根据磁光光纤Bragg光栅上述固有特 性能够进一步得到P,P2与B的线性关系(如图7所示)以及P「P2与A T的线性关系(如 图8所示)。 步骤5 :当待测磁感应强度B的磁场和待测温度变化A T作用于磁光光纤Bragg光 栅时，分别采用波长为、和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅， 测量经磁光光纤Bragg光栅反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Pi和&， 进而得到P,^和P「P2的值。 步骤6 :根据步骤4确定的P一P2与B的线性关系以及PrP2与A T的线性关系，找 出步骤5所得的P,P2和的值分别对应的磁感应强度B和温度变化A T的值，所得磁 感应强度B的值就是步骤5中未知磁感应强度B的大小，所得温度变化A T的值就是步骤 5中未知温度变化AT的大小。 本专利技术是利用MFBG的固有特性，根据外界参数对MFBG反射(或透射)谱的影响 原理实现磁感应强度(或光纤Verdet常数)和温度变化进行测量的。工作原理描述如下 如图3(a)所示，当磁感应强度B = 0以及恒温时时不同波长的左旋和右旋圆偏 振光的反射光与入射光重合，在此初始状态下左旋圆偏振反射光的光功率为PM，右旋圆偏 振反射光光功率为P『由磁光光纤光栅的特性可知，环境磁场的作用使的偏振反射(或透 射)光的Bragg波长移动，左旋和右旋圆偏振光经过磁光光纤光栅的反射(或透射)谱分 别左移和右移，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环境温度变换和磁感应强度的测量方法，包括以下步骤：步骤１：将磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅置于磁屏蔽和恒温条件下，分别采用波长为λ↓［１］和λ↓［２］的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅，测量经磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Ｐ↓［０１］和Ｐ↓［０２］；步骤２：将磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅置于已知磁感应强度Ｂ的磁场和已知温度变化ΔＴ的条件下，分别采用波长为λ↓［１］和λ↓［２］的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅，测量经磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Ｐ↓［１］和Ｐ↓［２］；步骤３：由＊＊＊（１）其中，ΔＰ↓［Ｂ］为由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量，ΔＰ↓［Ｔ］为由环境中温度变换引起的磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量；可得＊＊＊（２）步骤４：由步骤３中的（２）式确定Ｐ↓［１］＋Ｐ↓［２］与ΔＰ↓［Ｂ］的线性关系以及Ｐ↓［１］－Ｐ↓［２］与ΔＰ↓［Ｔ］的线性关系；同时磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅具有这样的固有特性：环境磁感应强度Ｂ和由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量ΔＰ↓［Ｂ］呈线性关系，而环境温度变化ΔＴ和由环境中温度变换引起的磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量ΔＰ↓［Ｔ］也呈线性关系；根据磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅上述固有特性能够进一步得到Ｐ↓［１］＋Ｐ↓［２］与Ｂ的线性关系以及Ｐ↓［１］－Ｐ↓［２］与ΔＴ的线性关系；步骤５：当待测磁感应强度Ｂ的磁场和待测温度变化ΔＴ作用于磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅时，分别采用波长为λ↓［１］和λ↓［２］的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅，测量经磁光光纤Ｂｒａｇｇ光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Ｐ↓［１］和Ｐ↓［２］，进而得到Ｐ↓［１］＋Ｐ↓［２］和Ｐ↓［１］－Ｐ↓［２］的值；步骤６：根据步骤４确定的Ｐ↓［１］＋Ｐ↓［２］与Ｂ的线性关系以及Ｐ↓［１］－Ｐ↓［２］与ΔＴ的线性关系，找出步骤５所得的Ｐ↓［１］＋Ｐ↓［２］和Ｐ↓［１－］Ｐ↓［２］的值分别对应的磁感应强度Ｂ和温度变化ΔＴ的值，所得磁感应强度Ｂ的值就是步骤５中未知磁感应强度Ｂ的大小，所得温度变化ΔＴ的值就是步骤５中未知温度变化ΔＴ的大小。...

【技术特征摘要】
一种环境温度变换和磁感应强度的测量方法，包括以下步骤步骤1将磁光光纤Bragg光栅置于磁屏蔽和恒温条件下，分别采用波长为λ1和λ2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅，测量经磁光光纤Bragg光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P01和P02；步骤2将磁光光纤Bragg光栅置于已知磁感应强度B的磁场和已知温度变化ΔT的条件下，分别采用波长为λ1和λ2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纤Bragg光栅，测量经磁光光纤Bragg光栅反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2；步骤3由 <mrow><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>01</mn></msub><mo>+</mo><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi></msub><mo>+</mo><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi></msub> </mtd></mtr><mtr> <mtd><msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>02</mn></msub><mo>+</mo><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi></msub><mo>-</mo><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>T</mi></msub> </mtd></mtr> </mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中，ΔPB为由环境中磁感应强度引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量，ΔPT为由环境中温度变换引起的磁光光纤Bragg光栅反射或透射的偏振光光功率的变化量；可得 <mrow><mfenced open='{' close=''> <mtable><mtr> <mtd><msub> <mi>P</mi> <mn>1</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>&Delta;</mi><msub> <mi>P</mi> <mi>B</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>01</mn></msub><mo>+</mo><msub> <mi>P</mi> <mn>02</mn></msub> </mtd></mtr><mtr> <mtd>...

【专利技术属性】
技术研发人员：武保剑，吴士娟，邱昆，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：90[中国|成都]