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专利名称：基于光纤光栅激光器的磁场传感器及测量方法
技术领域：
本发明涉及磁场的光纤光学測量，具体涉及基于光纤光栅激光器的磁场传感器及測量方法。
背景技术：
光纤光栅是利用掺杂光纤的光敏性制作的，通过特殊的光线照射使光纤折射率发生永久性改变。光纤光栅能对满足布拉格反射条件的入射光产生反射，也就相当于在光纤内部直接写入ー个具有波长选择性的反射镜。利用光纤光栅制作的传感器具有体积小、重量轻、信噪比高等优点。然而这种传感器大多采用波长位移检测，技术复杂且价格昂贵，检测分辨率和检测动态范围均受到检测器件的限制。在对磁场的光纤光学測量方面，分为直接測量和间接测量两类方法。直接测量即是对磁场这ー物理量进行直接的、无转换的測量。由于无需经过其他物理量的转换，不涉及中间环节，因此往往性能更加稳定、測量更加可靠、适应性更强。在直接測量方法中，普遍采用的是基于磁场的法拉第效应的原理。如1999年奥特马 贝耶尔，托马斯 博塞尔曼在“借助法拉第效应测量磁场的方法和装置”发明专利(申请号CN99802899.1)中提出利用在介质中传输的线性偏振光的偏振面在磁场中发生偏转的角度与沿着光线经过路径的磁场积分成比例的关系来測量磁场的方法。间接测量则是先将磁场转化为电、热、力等其他中间物理量，通过对这些中间物理量的測量来实现对磁场的測量。如2009年詹亚歌，邱夷平在“ー种全光纤型磁场强度在线传感測量仪”中国发明专利(申请号CN200920209227.1)中提出利用固化在磁致伸縮材料上的长周期光纤光栅峰值波长随被测磁场的变化关系来測量磁场的方法。由于光纤的法拉第效应很微弱，因此多数技术方案均需要数十甚至上百米的光纤才能实现对磁场的有效测量，这使得这些方案设计的传感器较大、不够灵活，且难以适用于需要点测量的应用场合。

发明内容
本发明的目的是提供基于光纤光栅激光器的磁场传感器，所设计的传感器小巧、灵活，特别适用于需要点测量的应用场合，解决了现有磁场传感器尺寸大、难以适用于需要点测量的应用场合的问题。本发明的另一目的是提供基于光纤光栅激光器的磁场测量方法，g在解决现有磁场测量方法难以应用在点测量场合的问题。本发明的目的米用下述技术方案来实现基于光纤光栅激光器的磁场传感器，包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器；所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器エ作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于ー个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；
所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器，在光电探测器中混合产生ー个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。本发明的另一目的通过下述技术方案来实现基于光纤光栅激光器的磁场测量方法，包括以下步骤S1、将光纤光栅激光器放置于待测磁场中，待测磁场通过法拉第效应在所述光纤光栅激光器中引入ー个正比于磁场強度的圆双折射；所述圆双折射与所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射相结合形成椭圆双折射，椭圆双折射的大小和磁场强度的大小存在 对应的关系；S2、所述光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态,产生两个同属于ー个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；S3、所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器进行检测，在光电探测器中混合产生ー个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；S4、采用调频信号解调方法检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。本发明的原理如下首先在稀土元素掺杂的光纤上制作具有两个正交偏振态输出且相互间具有一定频率差别的短腔光纤光栅激光器。然后将此光纤光栅激光器置于待测量的磁场中。利用磁场的法拉第效应在光纤光栅激光器中引入一个圆双折射，从而使得光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别随磁场强度发生变化。最后将光纤光栅激光器的输出经过ー个起偏器之后送入光电探测器进行探測，从而将光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别转变为射频拍频信号的频率变化。通过检测该频率变化可进而求得磁场强度的大�。�实现对磁场的測量。与现有技术相比，本发明的有益效果如下本发明是一种全新的方法来实现利用光纤光栅激光器对磁场的測量，采用具有正交偏振双输出的短腔光纤光栅激光器来实现，可以克服普通光纤光栅传感器波长检测的缺陷。外界磁场作用于激光腔的増益光纤中，进而改变该激光器的两个正交偏振态的频率；通过光电探測器，将两个光频进行混频后，得到其拍频；通过检测拍频即可反推知光纤光栅激光器周围磁场的大小。具有小巧、灵活，特别适用于需要点测量的应用场合的特点。


图1是基于正交偏振双折射的光纤光栅激光器的磁场传感器的原理图；图2是ー个4500G的磁场的拍频平移曲线图；图3是施加磁场强度不同时所测得的拍频频率曲线图。
具体实施例方式下面结合实施例及附图对本发明作进ー步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。实施例如图1所示，本发明包括依次连接的光纤光栅激光器101、波分复用器105、隔离器107、偏振控制器108、起偏器109及光电探测器110，以及与波分复用器105连接的泵浦光源106，泵浦光源106产生波长为980纳米的光112，而隔离器107与波分复用器105之间传输的是波长为1550纳米的光113 ;所述光纤光栅激光器101置于待测轴向磁场102中。光纤光栅激光器为在稀土元素掺杂的光纤上使用常规技术手段制作的短腔光纤光栅激光器，由于光纤的非理想圆形等因素引起的线性双折射，该短腔光纤光栅激光器本身会产生同属于ー个纵模的两个偏振态正交的激光输出，并且这两个激光输出的频率存在一定差别。在短腔光纤光栅激光器周围没有磁场时，该频率差别正比于双折射的大小。工作在单纵模双正交偏振态光纤光栅激光器被放置在图1所示的两个螺线管103所产生的轴向磁场102中，用于感测磁场强度；两个螺线管上的电流104产生的轴向磁场，在实际使用中即是待测磁场。当双频光纤光栅激光器的输出激光经起偏器后，送入光电探测器进行检测时，光纤光栅激光器的两个正交偏振态输出间的频率差别就转变为射频拍频信号的频率变化，在射频频谱分析仪111中两束正交极化的激光输出产生ー个拍频信号，其频率由下式给出
权利要求
1.基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器；所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射；光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出； 所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器，在光电探测器中混合产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，所述光纤光栅激光器为在稀土兀素掺杂的光纤上制作的短腔光纤光栅激光器。
3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，所述光纤光栅激光器是双偏振分布式布拉格反射镜光纤光栅激光器，用作反射镜的两个光栅长度分别为7. 5mm及5. 5mm,两个光栅间距为6mm。
4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，当圆双折射大于线性双折射5倍时，所述拍频信号的频率与磁场强度H关系为
5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，当圆双折射小于线性双折射1/5时，所述拍频信号的频率与磁场强度H关系为
6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅激光器的磁场传感器，其特征在于，所述待测磁场由两个通电的螺线管产生；所述光纤光栅激光器放置于两个通电的螺线管之间，其轴线平行于螺线管的轴线。
7.基于光纤光栅激光器的磁场测量方法，其特征在于，包括以下步骤 51、将光纤光栅激光器放置于待测磁场中，待测磁场通过法拉第效应在所述光纤光栅激光器中引入一个正比于磁场强度的圆双折射；所述圆双折射与所述光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射相结合形成椭圆双折射，椭圆双折射的大小和磁场强度的大小存在--对应的关系； 52、所述光纤光栅激光器工作在单纵模双正交偏振态,产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出； 53、所述两个激光输出经起偏器后输入光电探测器进行检测，在光电探测器中混合产生一个频率等于两个激光器输出的频率之差的拍频信号； 54、采用调频信号解调方法检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。
8.根据权利要求7所述的磁场测量方法，其特征在于，所述光纤光栅激光器在稀土元素掺杂的光纤上制作。
9.根据权利要求7所述的磁场测量方法，其特征在于，所述待测磁场由两个通电的螺线管产生；所述光纤光栅激光器放置于两个通电的螺线管之间，其轴线平行于螺线管的轴线。
10.根据权利要求7所述的磁场测量方法，其特征在于，所述光纤光栅激光器是双偏振分布式布拉格反射镜光纤光栅激光器，用作反射镜的两个光栅长度分别为7. 5mm及5. 5mm,两个光栅间距为6mm。
全文摘要
本发明为基于光纤光栅激光器的磁场传感器及测量方法，其传感器包括依次连接的光纤光栅激光器、起偏器及光电探测器；光纤光栅激光器的激光腔内产生的线性双折射与待测磁场引起的圆双折射相结合后形成椭圆双折射，且工作在单纵模双正交偏振态，产生两个同属于一个纵模的、具有频率差别的、偏振态正交的激光输出；两个激光输出经起偏器后输入光电探测器中混合产生拍频信号；通过检测所述拍频信号的频率变化，推算出所述椭圆双折射的变化，再计算出待测磁场的磁场强度。本发明具有小巧、灵活的特点，特别适用于需要点测量的应用场合，解决了现有磁场传感器尺寸大、难以适用于需要点测量的应用场合的问题。
文档编号G01R33/032GK103048631SQ20121056050
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月20日 优先权日2012年12月20日
发明者程凌浩, 金龙, 关柏鸥, 韩建磊, 郭贞贞 申请人:暨南大学