CN105823995B - 一种平面任意方向磁场光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平面任意方向磁场光纤传感器。包括宽谱光源、光纤环形器、光纤起偏器、45°光纤熔点、1x2保偏光纤耦合器、两个压电陶瓷调制器、两个光纤延迟环、两个四分之一波片、两个传感头、光电探测器、两个锁相放大器和信号处理单元。由两路反射式光纤干涉结构组成，两传感头夹角为60°，利用相敏检测原理，通过两个锁相放大器分别解调上下两路干涉仪中由于磁场引起的相位差信息；将两锁相的输出送入信号处理单元进行“相加”和“相减”操作，旋转两个传感头，并使信号处理单元中“相减”输出为0，“相加”输出即为磁场大小，同时根据传感头的旋转角度可确定磁场方向。本发明可测试平面内任意方向磁场大小。
Description
技术领域
本发明涉及磁场光纤传感器，尤其是涉及一种平面任意方向磁场光纤传感器。
背景技术
光纤传感技术具有绝缘性好、精度高、体积小等优势，得到了快速发展，也被广泛应用在磁场传感领域，目前使用光纤进行磁场传感主要有以下三种形式，分别是全光纤型，光纤光栅结合磁致伸缩材料型和磁光玻璃型。以上三种方式的磁场传感可实现磁场测量，但是要求敏感元件与磁场方向成特定夹角，磁场测试过程中对传感器的安装方式要求较高，难以实现对任意方向或者方向变化磁场的快速精确测量。
发明内容
为了克服背景技术的不足，本发明的目的是提供一种平面任意方向磁场光纤传感器。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括：宽谱光源、光纤环形器、光纤起偏器、45°光纤熔点、1x2保偏光纤耦合器、第一压电陶瓷调制器、第一光纤延迟环、第一四分之一波片、第一传感头、第二压电陶瓷调制器、第二光纤延迟环、第二四分之一波片、第二传感头、传感头夹角、光电探测器、第一锁相放大器、第二锁相放大器、信号处理单元。由宽谱光源发出的光经光纤环形器传输到光纤起偏器变为线偏振光，经45°光纤熔点后所述线偏振光变为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，然后经1x2保偏光纤耦合器将光束一分为二，其中上光束依次经第一压电陶瓷调制器、第一光纤延迟环到达第一四分之一波片后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第一传感头，将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第一传感头末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器位置干涉；下光束依次经过第二压电陶瓷调制器、第二光纤延迟环到达第二四分之一波片后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第二传感头，将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第二传感头末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器处干涉；两路干涉信号均均通过光纤环形器到光电探测器变为电信号，通过第一锁相放大器、第二锁相放大器分别产生调制信号分别施加于第一压电陶瓷调制器和第二压电陶瓷调制器并对光电探测器探测到的两路干涉信号进行解调，解调后的输出信号送入信号处理单元。
所述第一传感头和第二传感头结构及特性一致，且均由单模光纤、磁光玻璃和反射镜组成。
所述第一传感头和第二传感头以60°的传感头夹角固定在一起。
所述第一压电陶瓷调制器的本征频率为f1和第二压电陶瓷调制器的本征频率为f2不相同。
所述第一锁相放大器产生的本征频率与第一压电陶瓷调制器的本征频率一致；第二锁相放大器产生的本征频率与第二压电陶瓷调制器的本征频率一致。
本发明具有的有益效果是：
本发明传感器的光路部分由两路反射式光纤干涉结构组成，固定两个传感头并设计其夹角为60°；利用相敏检测原理，通过两个锁相放大器分别解调上下两路干涉仪中由于磁场引起的相位差信息；将两锁相的输出送入信号处理单元，信号处理单元对两路锁相的输出信号分别进行“相加”和“相减”操作，旋转两个传感头，并使信号处理单元中“相减”输出为0，此时信号处理单元的“相加”输出即为磁场大小，同时根据传感头的旋转角度可确定磁场方向。本发明提供平面任意方向磁场光纤传感器，可测试平面内任意方向磁场大小。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明传感头的设计图。
图中：1、宽谱光源，2、光纤环形器，3、光纤起偏器，4、45°光纤熔点，5、1x2保偏光纤耦合器，6、第一压电陶瓷调制器，7、第一光纤延迟环,8、第一四分之一波片,9、第一传感头，10、第二压电陶瓷调制器,11、第二光纤延迟环，12、第二四分之一波片，13，第二传感头，14、传感头夹角，15、光电探测器，16、第一锁相放大器，17，第二锁相放大器，18、信号处理单元，19、单模光纤，20、磁光玻璃，21、金属反射膜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括：宽谱光源1、光纤环形器2、光纤起偏器3、45°光纤熔点4、1x2保偏光纤耦合器5、第一压电陶瓷调制器6、第一光纤延迟环7、第一四分之一波片8、第一传感头9、第二压电陶瓷调制器10、第二光纤延迟环11、第二四分之一波片12、第二传感头13、传感头夹角14、光电探测器15、第一锁相放大器16、第二锁相放大器17、信号处理单元18。由宽谱光源1发出的光经光纤环形器2传输到光纤起偏器3变为线偏振光，经45°光纤熔点4后所述线偏振光变为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，然后经1x2保偏光纤耦合器5将光束一分为二，其中上光束依次经第一压电陶瓷调制器6、第一光纤延迟环7到达第一四分之一波片8后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第一传感头9，将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第一传感头9末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器3位置干涉；下光束依次经过第二压电陶瓷调制器10、第二光纤延迟环11到达第二四分之一波片12后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第二传感头13，将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第二传感头13末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器3处干涉；两路干涉信号均均通过光纤环形器2到光电探测器15变为电信号，通过第一锁相放大器16、第二锁相放大器17分别产生调制信号分别施加于第一压电陶瓷调制器6和第二压电陶瓷调制器10并对光电探测器15探测到的两路干涉信号进行解调，解调后的输出信号送入信号处理单元18。
所述第一传感头9和第二传感头13结构及特性一致，且均由单模光纤19、磁光玻璃20和反射镜21组成。单模光纤19与磁光玻璃20通过紫外固化方式粘合，金属反射膜21通过电子束蒸发工艺实现，磁光玻璃20尺寸为10mm×5mm×5mm，金属反射膜21的厚度为300nm。
所述第一传感头9和第二传感头13以60°的传感头夹角14固定在一起。
所述第一压电陶瓷调制器6的本征频率为f1和第二压电陶瓷调制器10的本征频率为f2不相同。
所述第一锁相放大器16产生的本征频率与第一压电陶瓷调制器6的本征频率一致；第二锁相放大器17产生的本征频率与第二压电陶瓷调制器10的本征频率一致。
本发明的工作原理：
平面任意方向磁场光纤传感器可看作是由传感头夹角为60°的两个传感器组成，两个传感器共用宽谱光源1、光纤环形器2、光纤起偏器3、45°光纤熔点4、保偏光纤耦合器5、光电探测器15和信号处理单元18。
组成平面任意方向磁场光纤传感器的两个传感器的传感头成夹角为60°，传感头将磁场信息转化为光的相位信息并最终过锁相放大器解调。所用的两个压电陶瓷调制器具有不同的本征调制频率，所用的两个延迟光纤环具有不同长度。
第一压电陶瓷调制器6，其本征频率为f1，由第一锁相放大器16施加调制信号于第一压电陶瓷调制器6，当磁场方向沿着光传播方向时，可以通过第一锁相放大器16提取输出信号中的一次谐波信号和二次谐波信号，由第一锁相放大器16提取的信号进入信号处理单元18，运算后可以得到磁场大小可以表示为：
其中，Vout_1、Vout_2分别为由第一锁相放大器16提取得到的一次谐波分量和二次谐波分量的大小，J1(φm1)和J2(φm1)为对应的贝塞尔函数系数。
第二压电陶瓷调制器10，其本征频率为f2，由第二锁相放大器17施加调制信号于第二压电陶瓷调制器10，当磁场方向沿着光传播方向时，可以通过第二锁相放大器17提取输出信号中的一次谐波信号和二次谐波信号，由锁相放大器17提取的信号进入信号处理单元18，运算后可以得到磁场大小可以表示为：
其中，Vout2_1、Vout2_2分被为由第二锁相放大器17提取得到的一次谐波分量及二次谐波分量大小，J1(φm2)和J2(φm2)为对应的贝塞尔函数系数。
信号处理单元内18进行如下两项运算并分两路输出
实际使用时固定两传感头夹角θ＝60o，组成平面任意方向磁场光纤传感器的两个传感器的传感头合成为一个新的传感头，如图2所示。待测磁场H方向是未知的，测试时旋转合成新的传感头，同时观察信号处理单元的两路输出，当旋转至如图2所示的位置时，磁场方向与两传感头的夹角一致(均为30°)，其沿两传感头方向的平行分量是相同的。此时，信号处理单元18的C1输出为0，C2输出为因此，在实际应用时，首先旋转合成传感头的方向，当信号处理单元的输出1为0时，通过将输出通道2的数值除以即为待测磁场的大小，磁场的方向可根据合成传感头的方向判定，信号处理单元为市售的数字信号处理芯片型号为TMS320VC5410A。
Claims (5)
1.一种平面任意方向磁场光纤传感器，其特征在于，包括：宽谱光源（1）、光纤环形器（2）、光纤起偏器（3）、45°光纤熔点（4）、1x2保偏光纤耦合器（5）、第一压电陶瓷调制器（6）、第一光纤延迟环（7）、第一四分之一波片（8）、第一传感头（9）、第二压电陶瓷调制器（10）、第二光纤延迟环（11）、第二四分之一波片（12）、第二传感头（13）、光电探测器（15）、第一锁相放大器（16）、第二锁相放大器（17）和信号处理单元（18）；由宽谱光源（1）发出的光经光纤环形器（2）传输到光纤起偏器（3）变为线偏振光，经45°光纤熔点（4）后所述线偏振光变为偏振方向相互垂直的两束线偏振光，然后经1x2保偏光纤耦合器（5）将光束一分为二，其中上光束依次经第一压电陶瓷调制器（6）、第一光纤延迟环（7）到达第一四分之一波片（8）后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第一传感头（9），将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第一传感头（9）末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器（3）位置干涉；下光束依次经过第二压电陶瓷调制器（10）、第二光纤延迟环（11）到达第二四分之一波片（12）后，将两线偏振光转换为圆偏振光，然后两圆偏振光到达第二传感头（13），将磁场信息转换为两圆偏振光的相位差信息，携带相位差信息的两偏振光在第二传感头（13）末端被反射后沿原光路返回至光纤起偏器（3）处干涉；两路干涉信号均通过光纤环形器（2）到光电探测器（15）变为电信号，通过第一锁相放大器（16）、第二锁相放大器（17）分别产生调制信号分别施加于第一压电陶瓷调制器（6）和第二压电陶瓷调制器（10）并对光电探测器（15）探测到的两路干涉信号进行解调，解调后的输出信号送入信号处理单元（18）。
2.根据权利要求1所述的一种平面任意方向磁场光纤传感器，其特征在于：所述第一传感头（9）和第二传感头（13）结构及特性一致，且均由单模光纤（19）、磁光玻璃（20）和反射镜（21）组成。
3.根据权利要求1所述的一种平面任意方向磁场光纤传感器，其特征在于：所述第一传感头（9）和第二传感头（13）以60°的传感头夹角（14）固定在一起。
4.根据权利要求1所述的一种平面任意方向磁场光纤传感器，其特征在于：所述第一压电陶瓷调制器（6）的本征频率和第二压电陶瓷调制器（10）的本征频率不相同。
5.根据权利要求1所述的一种平面任意方向磁场光纤传感器，其特征在于：所述第一锁相放大器（16）产生的本征频率与第一压电陶瓷调制器（6）的本征频率一致；第二锁相放大器（17）产生的本征频率与第二压电陶瓷调制器（10）的本征频率一致。
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