高灵敏度光纤磁场传感器测试系统的制作方法

1.本发明涉及传感器测试装置，特别是一种高灵敏度光纤磁场传感器测试系统，用于测试高灵敏度光纤磁场传感器。


背景技术：

2.目前，低频地磁场变化和磁偏角变化构成的震磁异常在地震前兆中发挥着重要的作用。随着仪器设备向智能化方向的转变，磁场传感器也朝着高灵敏度、高分辨率、小型化以及易于集成的方向发展。而光纤传感器凭借着其独特的优势（体积小、质量轻、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀以及易于集成等），在近几十年得到了广泛的关注并发展迅速。因此，越来越多的研究人员利用其制备光纤磁场传感器实现对磁场的测量。光纤磁场传感器大致上可以分为三类：基于超磁致伸缩材料的磁场传感器、基于折射率可调特性的磁场传感器以及基于法拉第效应的磁场传感器。
3.其中，基于超磁致伸缩材料的光纤磁场传感器凭借超磁致伸缩材料的大磁致应变、响应速度快以及高居里温度等特性而被广泛研究。例如一些研究人员通过氢氟酸腐蚀掉特定厚度的光纤布拉格光栅(简称为fbg)的包层，并利用磁控溅射技术将磁致伸缩tbdyfe（铽镝铁）薄膜涂敷在处理过的fbg上作为磁场传感层。通过实验获得了0.108 pm/gs的磁场灵敏度。还有一些研究人员人在fbg包层上面加工微机械槽，并利用terfenol-d稀土超磁致伸缩材料涂覆在凹槽内，从而制备了结构简单的光纤磁场传感器。在0~200 gs磁场范围内，获得了0.03 pm/gs的磁场灵敏度以及3 gs的磁场分辨率。另外一些研究人员通过在两个相同的fbg中间夹一层透明硅胶形成法布里-珀罗腔（简称f-p腔），并将其粘贴在磁致伸缩材料棒上，进而实现对磁场的测量并获得了-3.483
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0.37pm/gs 的磁场灵敏度。然而，这些磁场传感器的磁场灵敏度非常低，无法满足现实的灵敏度需求。导致灵敏度不高的一个原因可能是磁致伸缩材料本身由于加工制作不同而导致磁致伸缩应变不明显。另一个原因是光纤本身的应变系数小，从而导致超磁致伸缩材料的磁致伸缩应变量只有很小一部分传递到光纤传感器，极大程度上降低了传感器的灵敏度。而对于采用高灵敏度的光纤磁场传感器进行实验测试，来分析其对磁场变化的灵敏度尤为重要，目前尚无针对高灵敏度的光纤磁场传感器专用的实验测试系统。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种高灵敏度光纤磁场传感器测试系统，解决了对高灵敏度光纤磁场传感器进行实验测试难度大，无专用测试设备的问题。其能够针对高灵敏度光纤磁场传感器进行有效测试。
5.本发明所采用的技术方案是：该高灵敏度光纤磁场传感器测试系统包括光谱仪、高斯计和高灵敏度光纤磁场传感器，其技术要点是：所述高灵敏度光纤磁场传感器为包括组合有超磁致伸缩材料棒、单模光纤和石英毛细管的传感器本体，石英毛细管的两端分别插有单模光纤，形成信号输入端和信号输出端，单模光纤的插入段去除外包层，通过非固定
式的滑动插入石英毛细管两端，插入在石英毛细管的两单模光纤相对端面相互平行，在两单模光纤相对端面之间形成有空气腔，露在石英毛细管外部的单模光纤通过外包层沿超磁致伸缩材料棒长度方向粘接固定；还包括超连续谱光源机、光纤环形器、可编程直流电源和电磁线圈，光纤环形器前两端口分别连接超连续谱光源机和光谱仪，高灵敏度光纤磁场传感器连接光纤环形器的第三端口，并且平行于磁场方向放置于电磁线圈的中心位置，可编程直流电源端口连接电磁线圈，高斯计利用高斯计探头靠近磁场传感器探测。
6.所述传感器本体的信号输入端串联有光纤布拉格光栅传感器。
7.本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明采用光谱仪、高斯计、将单模光纤、连续谱光源机、光纤环形器、可编程直流电源和电磁线圈进行组合连接，并将高灵敏度光纤磁场传感器设置在平行于磁场方向放置于电磁线圈的中心位置，高灵敏度光纤磁场传感器采用半固定式的有超磁致伸缩材料棒、单模光纤和石英毛细管的连接结构，石英毛细管和超磁致伸缩材料棒组合，单模光纤的插入段去除外包层，通过非固定式的滑动插入石英毛细管两端，因此为非固定式的滑动连接，单模光纤插入到石英毛细管内形成f-p腔，石英毛细管两端与单模光纤之间并未固定，这种连接方式将单模光纤与毛细管之间存在的阻力降低到最小，显著提高了超磁致伸缩材料棒的伸长量到腔长变化量之间的转换效率，从而能够提高传感器的磁场灵敏度。因此，能够有针对性的对该高灵敏度光纤磁场传感器进行有效测试，便于对高灵敏度光纤磁场传感器调节测试各种状态下的性能，使得对磁场的测量更加准确。
附图说明
8.以下结合附图对本发明作进一步描述。
9.图1是本发明的高灵敏度光纤磁场传感器的结构示意图；图2是本发明的整体连接结构示意图；图3是图1的a-a向剖视图；图4是本发明的实施高灵敏度光纤磁场传感器的另一种的结构示意图；图5是本发明的高灵敏度光纤磁场传感器在测试系统中传感器的干涉光谱对磁场变化的多状态响应曲线图；图6是本发明的高灵敏度光纤磁场传感器在测试系统中传感器的磁场灵敏度多状态响应曲线图；图7是本发明的的高灵敏度光纤磁场传感器级联传感器的fbg对温度的响应曲线图。
10.图中序号说明：1传感器本体、2单模光纤、2-1插入段、3外包层、4石英毛细管、5空气腔、6超磁致伸缩材料棒、6-1沟槽、7粘胶、8光纤布拉格光栅传感器、9超连续谱光源机、10光谱仪、11光纤环形器、12可编程直流电源、13高斯计、13-1高斯计探头、14电磁线圈。
具体实施方式
11.根据图1至7详细说明本发明的具体结构，实施例一，如图1和图2所示，一种高灵敏度光纤磁场传感器测试系统，包括：光谱仪、高斯计、超连续谱光源机、光纤环形器、可编程直流电源、电磁线圈和高灵敏度光纤磁场传感器。
12.其中，高灵敏度光纤磁场传感器为半固定式高灵敏度光纤磁场传感器，如图1和图3所示，其主要包括组合有超磁致伸缩材料棒6、单模光纤2和石英毛细管4的传感器本体1，超磁致伸缩材料棒6也称gmm棒，采用稀土铽镝铁，尺寸伸缩可随外加磁场成比例变化，其磁致伸缩系数远大于传统的磁致伸缩材料。石英毛细管4的两端分别插入单模光纤2，形成信号输入端和信号输出端，单模光纤带有外包层3，单模光纤插入石英毛细管的插入段2-1去除外包层，通过非固定式的滑动插入石英毛细管两端，在两单模光纤相对端面之间形成有空气腔5，该空气腔形成法布里-珀罗（f-p）干涉仪，石英毛细管两端与单模光纤之间并未固定，去掉了原本用于固定单模光纤和石英毛细管的uv胶，极大程度上降低了腔长变化所受到的阻力；插入在石英毛细管的两单模光纤相对端面相互平行。露在石英毛细管外部的单模光纤通过外包层3沿超磁致伸缩材料棒6长度方向通过粘胶7粘接固定。作为改进，还可以在超磁致伸缩材料棒的粘接面设置有弧形沟槽6-1，更有利于单模光纤通过外包层粘接。
13.如图2所示，为本发明的整天连接结构图，超连续谱光源机9可采用型号为sc-5-fc（安扬激光技术有限公司），波长范围为480-2200nm。光谱仪10可采用型号为aq6370d（日本横河电机株式会社(yokogawa），波长范围为600-1700 nm，分辨率可达0.02 nm。光纤环形器11的工作波长范围为1500
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30 nm。可编程直流电源12可采用型号为it6154（itech艾德克斯电子有限公司），电流调节范围为0-9 a，电压调节范围为0-60 v。高斯计13可采用型号为ch-1600（北京翠海科技）。光纤环形器11的前两端口分别连接超连续谱光源机9和光谱仪10，磁场传感器为本发明半固定式高灵敏度光纤磁场传感器的传感器本体1，磁场传感器连接光纤环形器11的第三端口，并且平行于磁场方向放置于电磁线圈的中心位置，可编程直流电源12端口连接电磁线圈14，高斯计13利用高斯计探头13-1靠近磁场传感器探测。通过调节可编程直流电源的输出的电流来改变电磁线圈产生磁场的大小，从而我们能够在光谱仪上观察到干涉光谱的变化。
14.工作过程及原理：在石英毛细管两端插入的两根单模光纤端面互相平行，一束光由一侧的单模光纤进入，部分光通过光纤端面进入到空气腔，在由另一侧光纤端面反射回相对侧光纤内部，从而形成干涉现象。两束光之间的光程差可以表示为公式(1)：(1)式中n为空气腔内部折射率，d为空气腔的腔长，为入射光通过左侧光纤端面的折射角。从而干涉仪的相位为公式(2)：(2)式中λ为用于检测待测物的峰对应的波长。将公式(2)式变换成λ的函数为公式(3)：(3)由于传感器空气腔腔内没有物质填充，形成的f-p腔内部折射率可以认为基本恒定。因此，在这里可以忽略折射率n对波长的影响。如果待测量发生变化导致检测用的峰发生移动，则用于检测的峰对应的波长变化量与传感器腔长变化量之间的关系为公式
(4)：(4)由图1可以看出，空气腔腔长变化的是由于超磁致伸缩材料棒在磁场变化下发生的应变而导致的。由于将传感器沿着gmm棒的轴向进行粘贴，在这里只考虑gmm棒的轴向应变。假设gmm棒的长度为l，则其在磁场变化下的发生的轴向应变量为。单模光纤与石英毛细管之间没有任何连接，则腔长变化量近似等于gmm棒的伸长量：，则有公式(5)：(5)传感器是通过干涉峰对应的波长变化来实现待测物的测量，因此，传感器的磁场灵敏度可以表示为公式(6)：(6)式中为磁场变化量。通过公式(6)可以看出，当用于检测的干涉对应的波长和传感器的腔长为定值时，传感器的灵敏度正比于gmm棒的应变量（这里的为对应下的gmm棒发生的应变）。因此，提高gmm棒的应变量到腔长变化量之间的转换效率能够有效提高传感器的磁场灵敏度。同时还可以通过减小腔长来进一步提高传感器的磁场传感性能。
15.测试工作过程：将本发明的高灵敏度光纤磁场传感器连接到实验系统后进行磁场测量实验。如图5所示，传感器的干涉光谱对磁场变化的多状态响应曲线图，传感器的光谱范围为1480-1580 nm。由图5 (a)可以看出，当磁场由0 gs增加到1202.915 gs时，传感器的干涉光谱向右移动并且有逐渐增大的趋势。然而场磁场大于102 gs以后，光谱的移动距离明显增大。为了保证能够更准确的追踪光谱的变化轨迹，在后续的磁场测量中，减小了磁场的增量。
16.通过对图5 (b)~(e)的观察可以发现，传感器的光谱向右都有着较大的移动，但是变化范围还在自由光谱范围之内。然而通过图5 (f)~(h)可以看到，传感器的光谱随磁场的增加出现了重叠，这意味着光谱的移动距离大于了传感器的自由光谱范围。通过图5 (a)和图5 (h)的对比可以发现，传感器的干涉谷由3个变成了4个。这是由于随着磁场的逐渐增加，磁致伸缩材料棒沿磁场方向的伸长量使得传感器的腔长发生了显著的变化，从而使得传感器的干涉谷增加。
17.然后，通过计算分析所设计的传感器的磁灵敏度。为更好的观察传感器在磁场刚开始变化时的响应情况，将图5 (a)与图5 (b)放在一起进行计算，传感器的磁场灵敏度结果如图6所示，传感器的磁场灵敏度多状态响应曲线图，可以看出，传感器对0-120 gs内的磁场的响应并不是线性的，这也完全符合图6 (a)的光谱变化情况。这是由于gmm棒自身特性导致的，在磁场由0 gs开始增加时，gmm棒的内部只有部分磁畴开始翻转，从而导致gmm棒沿轴向的应变并不明显，这也就导致了传感器腔长变化不大。因此，传感器在磁场刚开始变
化时灵敏度较低。而随着磁场的逐渐增大，gmm棒内部磁畴大部分开始翻转，使得gmm棒有着明显的应变，并且应变的变化量相对均匀。这使得光谱出现了较大的右移，从而导致传感器的磁场灵敏度提高，并且传感器对磁场的响应具备良好的线度。当磁场高于120 gs时，传感器的磁场灵敏度均在1 nm/gs以上。在184.538-198.733 gs磁场范围内，传感器的灵敏度高达1.871 nm/gs，对应的磁场分辨率为0.01 gs。而磁场灵敏度先增加后减小的变化趋势也是gmm棒自身随磁场的变化的特性导致的。可以通过对gmm棒施加预应力改善其磁致伸缩特性以及外加偏置磁场的方法来有效解决该问题。
18.此外，gmm棒的热膨胀系数为11
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10-6/℃，显然传感器存在温度交叉敏感问题，会影响到磁场测量的准确度。而光纤布拉格光栅对温度变化敏感，而对磁场的变化没有响应。因此，作为进一步改进，如图4所示，在传感器本体信号输入端串联有光纤布拉格光栅传感器8，通过将传感器与fbg串联来解决温度交叉敏感问题。图7为级联传感器的fbg对温度的响应结果。fbg的温度灵敏度为0.0136 nm/℃。当磁场和温度同时变化时，磁场传感器的光谱的移动距离为磁场和温度共同引起。通过fbg测量出温度的变化量，从而能够计算出温度变化量导致磁场传感器的光谱的移动距离。因此，能够有效提高磁场测量的准确度。
19.本发明的高灵敏度光纤磁场传感器的制作过程：为能够制作性能良好的传感器，需要借助于高精度的三维调整架，调整架的分辨率需要在μm量级。制备传感器所用的单模光纤尺寸为：9/125 μm；石英毛细管的尺寸为0.15mm（内直径）和1 mm；gmm棒的长度为4 cm，直径为0.5 cm。用uv胶将石英毛细管平行于gmm棒方向固定。然后通过光纤夹具将处理后的单模光纤从石英毛细管两端推进到毛细管内部，并通过工业相机观察两根单模光纤端面的平行情况。最后用uv胶将为进入到毛细管内部的单模光纤固定在gmm棒两端。制作为如图1所示的好的半固定式高灵敏度光纤磁场传感器。
20.本发明的高灵敏度光纤磁场传感器提出并制备了基于超磁致伸缩材料的半固定式高灵敏度光纤磁场传感器。取消了单模光纤与石英毛细管之间的连接，显著提高了超磁致伸缩材料棒由磁场变化而导致的伸长量到传感器腔长变化量之间的转换效率。制作了腔长为33.605 μm的光纤f-p传感器，并通过实验验证了其具备良好的磁场传感特性。在0-303 gs磁场范围内，传感器的最高灵敏度达到了1.871 nm/gs，对应的磁场分辨率为0.01 gs,明显高于目前大多数报道的磁场传感器。通过在本发明传感器的信号输入端串联fbg，实现对温度的测量，进而解决温度交叉敏感问题。此外，在传感器尺寸不受限制的情况下，还可以通过增大超磁致伸缩材料的尺寸来进一步提高传感器的磁场灵敏度。由于磁致伸缩材料本身固有的特性，在磁场的最初变化范围内，传感器存在线性度以及灵敏度均不是很高问题。可以通过外加偏置磁场或者施加预应力来有效解决这一问题。能够有针对性的对该高灵敏度光纤磁场传感器进行有效测试，便于对高灵敏度光纤磁场传感器调节测试各种状态下的性能，使得对磁场的测量更加准确。
21.综上所述，实现本发明的目的。