一種環境溫度變化和磁感應強度的測量方法及裝置的製作方法
2023-10-22 09:03:52 4
專利名稱：：一種環境溫度變化和磁感應強度的測量方法及裝置的製作方法
技術領域：
：本發明屬於光電
技術領域：
，涉及光纖傳感技術，尤其涉及基於磁光光纖Bragg光柵(MFBG)的磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變化的測量方法及裝置。
背景技術：
：光纖傳感技術是伴隨著光導纖維以及光纖通信技術的發展而迅速發展起來的一種新型傳感技術。它是以光信號為待測信息的載體，以光纖為傳輸介質和傳感媒質，將被測量的信息以光信號的形式提取出來。具體地說，光纖傳感器是通過提取出光纖中光波的特徵參量(如光強、波長、相位、振幅等)隨外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移、加速度等)直接或者間接地發生變化的關係來探測各種物理量的一種裝置。與傳統的電傳感器相比，光纖傳感器有很多優點，如①抗電磁幹擾、電絕緣性好、耐腐蝕、方便安全；②靈敏度高；③重量輕、體積小、可微型化；④傳輸容量大、測量對象廣泛；⑤成本低；⑥便於復用、便於組網、可實現遠程遙控。光纖磁場傳感器是測量磁場或電流的一種光纖傳感器，可基於不同原理實現。基於磁致伸縮原理的光纖磁場傳感器是利用磁致伸縮材料對光纖的擾動來改變光波相位從而探測微弱磁場的，但由於磁致伸縮效應作為機械效應，其高頻響應較差，而且對磁致伸縮材料的要求比較嚴格。人們也基於光的幹涉原理研究開發了各種幹涉型光纖傳感器，如基於Fabry-Perot幹涉儀的光纖磁場傳感器，基於Micelson幹涉儀的光纖磁場傳感器，基於Mach-Zehnder幹涉儀的光纖磁場傳感器等，這些幹涉型光纖傳感器適合應用於動態交變磁場的檢測。另一方面，由於實際應用中外界的擾動對磁場測量精度的影響不可避免，其中溫度變化的影響尤其突出，所以溫度和磁場的交叉敏感性是研究光纖磁場傳感器中的一個重要瓶頸。為得到高精度的測量結果，人們提出了各種具有溫度補償功能的光纖磁場傳感器。一種是對光纖磁場傳感器中的溫度敏感器件採用溫度控制系統使其保持在恆溫的工作狀態，如利用單片機驅動半導體致冷器對半導體雷射器進行溫度控制；另一種是補償光纖磁場傳感器中隨溫度變化的費爾德常數以確保磁場測量的精確度。它們屬於非本徵傳感方式，而且執行起來複雜。磁光光纖Bragg光柵(MFBG)具有較高的磁光性能，其製作方法有幾種，如在光纖Bragg光柵中摻入使其具有高磁光係數的稀土元素(如Tb、Pr等)，或者在拉制的YIG光纖上寫入Bragg光柵等。MFBG在基於磁光效應誘導的偏振模轉換與光柵引起的正向/反嚮導波光耦合的共同作用下，具有與傳統的光纖光柵不同的特點(l)在無線性雙折射的磁光光纖光柵中，其本徵模是圓偏振光；(2)磁場和溫度的變化可使磁光光纖光柵中傳播的左右旋本徵模的Bragg波長分別發生相反和相同方向的移動；(3)磁光效應改變了傳統非磁性光纖光柵中線偏振光的帶隙結構，色散特性更加豐富。利用磁光光纖光柵這種特殊結構和固有的特性，可實現磁場測量、電流傳感以及實現偏振模轉換控制或光學偏置等。在磁光光纖Bragg光柵中，法拉第效應會導致偏振面的旋轉(偏振模轉換)，磁光耦合強度可以通過外加磁場調節。
發明內容為克服現有的基於普通光纖光柵和溫度補償的光纖磁場傳感方法的不足，本發明提供了一種基於磁光光纖Bragg光柵(MFBG)的環境溫度變化和磁感應強度的測量方法及裝置，它是基於磁光光纖光柵的本徵傳感方式，可同時對環境磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變化進行測量，在檢測中可自動消除溫度的影響，測量方法簡單、實現起來方便。本發明利用MFBG帶隙邊緣頻譜所具有的線性對稱性以及磁場作用下頻譜對圓偏振態的選擇性原理來實現磁場傳感或光纖Verdet常數測量的。MFBG的特性可用光柵耦合係數Kg二k。Arig和磁光耦合係數Km=k。Anm(=。F=VBB)兩個參數表徵，其中Ar^和Anm分別為相應的折射率改變，k。=2/A為波爾茲曼常數，Of為法拉第旋轉角，VB和B分別為Verdet常數和磁感應強度大小。MFBG的反射或透射譜的形狀就是由kg和km決定的。圖1給出了圓偏振光經過均勻MFBG的透射譜和反射譜，沒有磁場時左旋和右旋圓偏振光的譜線重合。由圖可見，均勻MFBG的光譜關於中心波長對稱，而且在帶隙邊緣具有很好線性。本發明技術方案如下—種環境溫度變化和磁感應強度的測量方法，如圖2所示，包括以下步驟步驟1:將磁光光纖Bragg光柵置於磁屏蔽和恆溫條件下(相當於環境磁感應強度B=0和環境溫度變化AT=0)，分別採用波長為A工和A2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率PQ1和P。2。步驟2:將磁光光纖Bragg光柵置於已知磁感應強度B的磁場和已知溫度變化AT的條件下，分別採用波長為、和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Pi和其中，APe為由環境中磁感應強度引起的磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的偏振光光功率的變化量，APT為由環境中溫度變化引起的磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的偏振光光功率的變化量；可得步驟4:由步驟3中的(2)式確定P,&與APe的線性關係以及P「&與A&的線性關係；同時磁光光纖Bragg光柵具有這樣的固有特性環境磁感應強度B和由環境中磁感應強度引起的磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的偏振光光功率的變化量A&呈線性關係，而環境溫度變化AT和由環境中溫度變化引起的磁光光纖Bragg光柵反射(或透P2。步驟3:由射)的偏振光光功率的變化量APT也呈線性關係。根據磁光光纖Bragg光柵上述固有特性能夠進一步得到P,P2與B的線性關係(如圖7所示)以及P「P2與AT的線性關係(如圖8所示)。步驟5:當待測磁感應強度B的磁場和待測溫度變化AT作用於磁光光纖Bragg光柵時，分別採用波長為、和入2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射(或透射)的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率Pi和&，進而得到P,^和P「P2的值。步驟6:根據步驟4確定的P一P2與B的線性關係以及PrP2與AT的線性關係，找出步驟5所得的P,P2和的值分別對應的磁感應強度B和溫度變化AT的值，所得磁感應強度B的值就是步驟5中未知磁感應強度B的大小，所得溫度變化AT的值就是步驟5中未知溫度變化AT的大小。本發明是利用MFBG的固有特性，根據外界參數對MFBG反射(或透射)譜的影響原理實現磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變化進行測量的。工作原理描述如下如圖3(a)所示，當磁感應強度B=0以及恆溫時時不同波長的左旋和右旋圓偏振光的反射光與入射光重合，在此初始狀態下左旋圓偏振反射光的光功率為PM，右旋圓偏振反射光光功率為P『由磁光光纖光柵的特性可知，環境磁場的作用使的偏振反射(或透射)光的Bragg波長移動，左旋和右旋圓偏振光經過磁光光纖光柵的反射(或透射)譜分別左移和右移，經過磁光光柵的左旋和右旋圓偏振光(波長分別為、和A2)光功率相對於8=0時有相同的增加量APb。同樣，溫度也對MFBG的反射(或透射)特性產生影響。由溫度與中心Bragg波長的關係可知，溫度的變化使MFBG的反射(或透射)譜(左旋和右旋圓偏振光)向同一個方向漂移相同大小。如圖3(b)所示可見，左旋和右旋圓偏振光光功率分別增加和減小相同大小APT。設MFBG在環境磁感應強度B和溫度變化AT的作用下，左旋和右旋圓偏振光的反I屍=屍+AP+AP屍2=屍02+化-/^PA=2APB+P01+P02P「P2=2APT可見，APBocPi+P2，APtocPi-P2。由上分析可知，同時考慮磁感應強度和溫度的影響時，根據左旋和右旋圓偏振反射(或投射)光光功率之和與差的大小變化可分別實現磁場測量和溫度測量。從而得出磁感應強度B和APe以及溫度的變化AT和A&的線性關係，這就是基於MFBG的磁感應強度和溫度變化的測量方法的原理。需要說明的是1、上述方案中，步驟1所採用的入射左旋和右旋圓偏振光的波長、和、可以相同，也可以不相同。2、利用本發明技術方案的基本原理，也可以實現MFBG的光纖Verdet常數的測量。本發明提供的一種基於磁光光纖Bragg光柵(MFBG)的環境溫度變化和磁感應強度的測量方法及裝置，基於磁光光纖光柵的本徵傳感方式，可同時對環境磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變化進行測量，在檢測中可自動消除溫度的影響，具有測量方法簡單、實現裝置結構簡單的特點。圖1是圓偏振光經過均勻MFBG的透射譜和反射譜。圖2是本發明流程示意圖。圖3是磁感應強度和溫度變化對磁光光纖光柵的反射(或透射)譜的影響。其中(a)為磁感應強度對磁光光纖光柵的反射(或透射)譜的影響；(b)為溫度變化對磁光光纖光柵的反射(或透射)譜的影響。圖4是本發明提供的環境溫度變化和磁感應強度的測量裝置示意圖。圖5是本發明提供的反射式環境溫度變化和磁感應強度的測量裝置示意圖。圖6是本發明提供的透射式環境溫度變化和磁感應強度的測量裝置示意圖。圖7是P一&與B的線性關係。圖8是P「P2與AT的線性關係。具體實施例方式本發明提供的基於MFBG的環境溫度變化和磁感應強度的測量方法的實現裝置，如圖4所示，包括四個單元偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵(MFBG)、偏振光檢測單元和數據處理單元。根據磁光光纖光柵的反射和透射特性，本發明確定的裝置有兩種反射式測量裝置(如圖5所示)和透射式測量裝置(如圖6所示)。具體實施方式一—種環境溫度變化和磁感應強度的測量裝置，如圖4、5所示，包括偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵(MFBG)、偏振光檢測單元和數據處理單元。所述偏振光發射單元包括第一、二窄帶光源，第一、二光纖起偏器，第一、二光偏振控制器和光波分復用器W匿；第一窄帶光源發出的波長為、的光經第一光纖起偏器起偏後通過第一光偏振控制器產生左旋圓偏振光；第二窄帶光源發出的波長為入2的光經第二光纖起偏器起偏後通過第二光偏振控制器產生右旋圓偏振光；左旋圓偏振光和右旋圓偏振光通過光波分復用器WDM合成一路輸出。所述偏振光檢測單元包括光波分解復用器DWDM和第一、二光電檢測器。光波分解復用器DW匿將輸入的兩個不同波長的光信號分開，分別由第一、二光電檢測器進行非相干檢測和光電轉換。所述第一、二光電檢測器由包括光電二極體組成的光電檢測電路構成。所述數據處理單元包括模數轉換、數據採集、計算機處理及結果顯示部分。偏振光檢測單元檢測輸出的電信號經數據處理單元進行模數轉換、數據採集後輸入計算機進行數據處理及結果顯示。所述偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵和偏振光檢測單元之間通過一個光環形器連接即所述偏振光發射單元的信號輸出端接光環形器的埠l，所述磁光光纖Bragg光柵的反射埠接光環形器的埠2，所述偏振光檢測單元的信號輸入端接光環形器的端□3。具體實施方式二—種環境溫度變化和磁感應強度的測量裝置，如圖4、6所示，包括偏振光發射單7元、磁光光纖Bragg光柵(MFBG)、偏振光檢測單元和數據處理單元。所述偏振光發射單元包括第一、二窄帶光源，第一、二光纖起偏器，第一、二光偏振控制器和光波分復用器W匿；第一窄帶光源發出的波長為、的光經第一光纖起偏器起偏後通過第一光偏振控制器產生左旋圓偏振光；第二窄帶光源發出的波長為入2的光經第二光纖起偏器起偏後通過第二光偏振控制器產生右旋圓偏振光；左旋圓偏振光和右旋圓偏振光通過光波分復用器WDM合成一路輸出。所述偏振光檢測單元包括光波分解復用器DWDM和第一、二光電檢測器。光波分解復用器DW匿將輸入的兩個不同波長的光信號分開，分別由第一、二光電檢測器進行非相干檢測和光電轉換。所述第一、二光電檢測器由包括光電二極體組成的光電檢測電路構成。所述數據處理單元包括模數轉換、數據採集、計算機處理及結果顯示部分。偏振光檢測單元檢測輸出的電信號經數據處理單元進行模數轉換、數據採集後輸入計算機進行數據處理及結果顯示。所述偏振光發射單元的信號輸出端接磁光光纖Bragg光柵的反射埠，所述偏振光檢測單元的信號輸入端接磁光光纖Bragg光柵的透射埠。8權利要求一種環境溫度變換和磁感應強度的測量方法，包括以下步驟步驟1將磁光光纖Bragg光柵置於磁屏蔽和恆溫條件下，分別採用波長為λ1和λ2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P01和P02；步驟2將磁光光纖Bragg光柵置於已知磁感應強度B的磁場和已知溫度變化ΔT的條件下，分別採用波長為λ1和λ2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2；步驟3由P1=P01+PB+PTP2=P02+PB-PT---(1)其中，ΔPB為由環境中磁感應強度引起的磁光光纖Bragg光柵反射或透射的偏振光光功率的變化量，ΔPT為由環境中溫度變換引起的磁光光纖Bragg光柵反射或透射的偏振光光功率的變化量；可得P1+P2=2PB+P01+P02P1-P2=2PT---(2)步驟4由步驟3中的(2)式確定P1+P2與ΔPB的線性關係以及P1-P2與ΔPT的線性關係；同時磁光光纖Bragg光柵具有這樣的固有特性環境磁感應強度B和由環境中磁感應強度引起的磁光光纖Bragg光柵反射或透射的偏振光光功率的變化量ΔPB呈線性關係，而環境溫度變化ΔT和由環境中溫度變換引起的磁光光纖Bragg光柵反射或透射的偏振光光功率的變化量ΔPT也呈線性關係；根據磁光光纖Bragg光柵上述固有特性能夠進一步得到P1+P2與B的線性關係以及P1-P2與ΔT的線性關係；步驟5當待測磁感應強度B的磁場和待測溫度變化ΔT作用於磁光光纖Bragg光柵時，分別採用波長為λ1和λ2的左旋偏振光和右旋偏振光入射到磁光光纖Bragg光柵，測量經磁光光纖Bragg光柵反射或透射的左旋偏振光和右旋偏振光的光功率P1和P2，進而得到P1+P2和P1-P2的值；步驟6根據步驟4確定的P1+P2與B的線性關係以及P1-P2與ΔT的線性關係，找出步驟5所得的P1+P2和P1-P2的值分別對應的磁感應強度B和溫度變化ΔT的值，所得磁感應強度B的值就是步驟5中未知磁感應強度B的大小，所得溫度變化ΔT的值就是步驟5中未知溫度變化ΔT的大小。2.—種環境溫度變換和磁感應強度的測量裝置，包括偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵、偏振光檢測單元和數據處理單元；所述偏振光發射單元包括第一、二窄帶光源，第一、二光纖起偏器，第一、二光偏振控制器和光波分復用器W匿；第一窄帶光源發出的波長為、的光經第一光纖起偏器起偏後通過第一光偏振控制器產生左旋圓偏振光；第二窄帶光源發出的波長為入2的光經第二光纖起偏器起偏後通過第二光偏振控制器產生右旋圓偏振光；左旋圓偏振光和右旋圓偏振光通過光波分復用器WDM合成一路輸出；所述偏振光檢測單元包括光波分解復用器DWDM和第一、二光電檢測器；光波分解復用器DW匿將輸入的兩個不同波長的光信號分開，分別由第一、二光電檢測器進行非相干檢測和光電轉換；所述數據處理單元包括模數轉換、數據採集、計算機處理及結果顯示部分；偏振光檢測單元檢測輸出的電信號經數據處理單元進行模數轉換、數據採集後輸入計算機進行數據處理及結果顯示；所述偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵和偏振光檢測單元之間通過一個光環形器連接即所述偏振光發射單元的信號輸出端接光環形器的埠l，所述磁光光纖Bragg光柵的反射埠接光環形器的埠2，所述偏振光檢測單元的信號輸入端接光環形器的埠3。3.根據權利要求2所述的環境溫度變換和磁感應強度的測量裝置，其特徵在於，所述第一、二光電檢測器由包括光電二極體組成的光電檢測電路構成。4.一種環境溫度變換和磁感應強度的測量裝置，包括偏振光發射單元、磁光光纖Bragg光柵、偏振光檢測單元和數據處理單元；所述偏振光發射單元包括第一、二窄帶光源，第一、二光纖起偏器，第一、二光偏振控制器和光波分復用器W匿；第一窄帶光源發出的波長為、的光經第一光纖起偏器起偏後通過第一光偏振控制器產生左旋圓偏振光；第二窄帶光源發出的波長為入2的光經第二光纖起偏器起偏後通過第二光偏振控制器產生右旋圓偏振光；左旋圓偏振光和右旋圓偏振光通過光波分復用器WDM合成一路輸出；所述偏振光檢測單元包括光波分解復用器DWDM和第一、二光電檢測器；光波分解復用器DW匿將輸入的兩個不同波長的光信號分開，分別由第一、二光電檢測器進行非相干檢測和光電轉換；所述數據處理單元包括模數轉換、數據採集、計算機處理及結果顯示部分；偏振光檢測單元檢測輸出的電信號經數據處理單元進行模數轉換、數據採集後輸入計算機進行數據處理及結果顯示；所述偏振光發射單元的信號輸出端接磁光光纖Bragg光柵的反射埠，所述偏振光檢測單元的信號輸入端接磁光光纖Bragg光柵的透射埠。5.根據權利要求4所述的環境溫度變換和磁感應強度的測量裝置，其特徵在於，所述第一、二光電檢測器由包括光電二極體組成的光電檢測電路構成。全文摘要一種環境溫度變化和磁感應強度的測量方法及裝置，屬於光電
技術領域：
，涉及光纖傳感技術，尤其涉及基於磁光光纖Bragg光柵(MFBG)的磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變換的測量方法及裝置。本發明採用磁光光纖光柵，根據其本徵傳感方式及其反射和透射特性，分別利用左旋和右旋圓偏振光入射MFBG，通過檢測MFBG的反射(或透射)圓偏振光的光功率來實現同時對磁感應強度(或光纖Verdet常數)和溫度變化進行測量，實現了多參數非相干檢測，具有方便易行、無需溫度補償的優點。文檔編號G01R33/032GK101750590SQ20091016791公開日2010年6月23日申請日期2009年10月16日優先權日2009年10月16日發明者吳士娟,武保劍,邱昆申請人:電子科技大學