基于光学干涉原理的高精度磁场传感器及其测量方法技术

本发明专利技术公开了基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，包括圆柱形树脂固定模具，树脂固定模具的中心处穿插有Terfenol

【技术实现步骤摘要】
基于光学干涉原理的高精度磁场传感器及其测量方法


[0001]本专利技术属于光纤传感
，涉及一种基于光学干涉原理的高 精度磁场传感器，本专利技术还涉及上述传感器的测量方法。

技术介绍

[0002]目前，随着人工智能与电子信息化的飞速发展，磁场的测量已 经广泛用于智能电网、自然灾害预测、生物医学检测、国防军事等各 个领域。在磁场传感技术研究中，出现用来诊断疾病的“心磁图”，人 体磁电纳米机器人靶向药运输，通过磁场监测来定位潜艇，利用探磁 法的地质探测仪等高精尖研究成果。然而，这些领域的应用对磁场传 感器的测量精度、抗干扰能力有很高的性能要求。如今传统的磁场传 感器主要包括霍尔传感器、磁通门式磁强计、光泵磁强计等。这些传 统的磁场传感器有着成熟的技术，能满足不同测量需求。但在实际应 用中存在着测量精度不高、响应程度迟缓、造价成本太大、抗干扰能 力差等各种限制因素。光纤磁场传感器因其响应快、抗干扰能力、无 外加电源激励等特点，在传感领域备受青睐。
[0003]光纤磁场传感器多数利用磁致伸缩材料受到磁场作用下产生形 变，利用光学干涉原理进行解调检测。专利CN101852840A公开了一 种光纤珐珀磁场传感器，是在光纤的端面上用157nm激光器加工出 一个圆柱形微槽，，再用镀上磁性材料的膜片与微槽对接形成光纤珐 珀磁场传感器。虽然利用了光纤传感器的精度高、抗干扰等优点，但 是主要缺点就是：制作工序复杂，加工仪器和成本要求较高。

技术实现思路

[0004]专利技术的目的是提供一种基于光学干涉原理的高精度磁场传感器， 该传感器具有结构简单、测量精度高、体积小巧、使用方便、抗干扰 能力强的突出优点；
[0005]本专利技术的目的是还提供一种基于光学干涉原理的高精度磁场传 感器的测量方法。
[0006]本专利技术所采用的第一种技术方案是，基于光学干涉原理的高精度 磁场传感器，包括圆柱形树脂固定模具，树脂固定模具的中心处穿插 有Terfenol
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D磁致伸缩材料棒，Terfenol
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D磁致伸缩材料棒插入树脂 固定模具的一端端部设有铜制抛光反射片；
[0007]还包括树脂底座模具，树脂底座模具中心穿插有陶瓷插针，树脂 底座模具与树脂固定模块之间构成以空气为介质的法珀腔体。
[0008]本专利技术第一种技术方案的特点还在于：
[0009]铜制抛光反射片粘接在Terfenol
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D磁致伸缩材料棒的一端， Terfenol
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D磁致伸缩材料棒粘接铜制抛光反射片的一端端面为敏感 端，陶瓷插针插入树脂底座模具的一端端面为接收端，敏感端与接收 端分别为法珀腔体的两个反射面。
[0010]树脂固定模具的一端加工有凹槽，铜制抛光反射片恰好安装在所 述凹槽处。
[0011]铜制抛光反射片为圆形结构，所述凹槽与铜制抛光反射片的结构 相适应。
[0012]本专利技术采用的第二种技术方案为，基于光学干涉原理的高精度磁 场传感器的测量方法，具体包括如下步骤：
[0013]步骤1，将磁场传感器轴向放置于直流磁场发生器和亥姆霍兹线 圈中间位置，保持与磁场方向平行放置，使Terfenol
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D磁致伸缩材料 棒产生沿磁场方向的轴向微形变，从而改变法珀腔的腔长；
[0014]步骤2，将磁场传感器的陶瓷插针与光纤解调仪连接，光学信号 通过光纤解调仪解调相对应的法珀腔长形变量，将光信号转化为电信 号，传输至光纤解调仪相连接的计算机进行分析，最终实现对磁场的 测量；
[0015]步骤3，测量不同磁场下所对应的Terfenol
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D磁致伸缩材料棒沿 轴向方向的形变量，最后进行多组数据拟合；
[0016]步骤4，得出在磁场H作用下，Terfenol
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D磁致伸缩材料棒沿轴 向方向的形变量与外加磁场的关系式为：
[0017][0018]式中：L为Terfenol
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D磁致伸缩材料棒长度；ΔL为Terfenol
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D磁 致伸缩材料的长度的变化；C为Terfenol
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D磁致伸缩材料棒的伸缩系 数；n为磁致伸缩材料形变分解级数；
[0019]步骤5，测量的Terfenol
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D磁致材料棒的伸缩量Δε与光纤磁场传 感器腔长变化量相同，根据公式(2)计算出磁场强度H的数值：
[0020][0021]本专利技术的有益效果是，本专利技术利用磁致伸缩效应将磁场转化为机 械能，采用F
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P光学干涉原理，通过光纤解调仪将光信号转化为电信 号，从而达到检测磁场的目的；此方法利用光学检测的灵敏度高、抗 干扰能力强、无外加激励源等优点，极大提升磁场检测的测量精度。
附图说明
[0022]图1为本专利技术基于光学干涉原理的高精度磁场传感器的结构示 意图；
[0023]图2为本专利技术基于光学干涉原理的高精度磁场传感器的检测系 统示意图；
[0024]图3(a)～(c)为本专利技术基于光学干涉原理的高精度磁场传感 器测量交直流磁场的输出曲线图。
[0025]其中：1.单模光纤，2.陶瓷插针，3.树脂底座模具，4.铜制抛光反 射片，5.树脂固定模具，6.Terfenol
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D磁致伸缩材料棒，7.亥姆霍兹线 圈，8.直流磁场发生器，9.光纤解调仪，10.计算机。
具体实施方式
[0026]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0027]本专利技术基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，如图1所示，将 尺寸为3.5*3.5mm、长度35mm的方棒形Terfenol
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D磁致伸缩材料棒 6嵌入固定于直径8mm、长度为35.5mm圆柱尺寸的树脂固定模具5 中心位置，在树脂固定模具5的一端加工深度为0.5mm、
边缘厚度为 3.5mm的凹槽，将直径3mm、厚度为0.1mm的圆形铜制抛光反射片 4与Terfenol
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D磁致伸缩材料棒6相粘接并固定于凹槽端处，将粘有 铜制抛光反射片4的Terfenol
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D磁致伸缩材料棒6作为光纤磁场传感 器的敏感端；将陶瓷插针2嵌入固定至直径8mm、长度为8.5mm的 圆柱形尺寸树脂底座模具3，将陶瓷插针2插入树脂底座模具3的一 端作为磁场传感器的接收端；将嵌入陶瓷插针2的树脂底座模具3与 嵌入已粘接铜制反射片4的磁致伸缩材料棒6棒的树脂固定模具5进 行胶水粘接固定，并且保持两端面距离为0.5mm
±
0.01mm，将其构成 一个以空气为介质的法珀腔体；所构造法珀腔体包括两个反射面，其 中接受端为陶瓷插针2的端面，另一敏感端为粘接铜制反射片4的磁 致伸缩材料棒6。当受到外界磁场作用时，Terfenol
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D磁致伸缩材料 棒6会沿磁场方向发生微形变从而改变所述法珀腔的腔长，经过腔体 光束多次折射引起了光谱周期变化，最终通过光纤法珀解本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，其特征在于：包括圆柱形树脂固定模具，树脂固定模具的中心处穿插有Terfenol
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D磁致伸缩材料棒，Terfenol
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D磁致伸缩材料棒插入树脂固定模具的一端端部设有铜制抛光反射片；还包括树脂底座模具，树脂底座模具中心穿插有陶瓷插针，树脂底座模具与树脂固定模块之间构成以空气为介质的法珀腔体。2.根据权利要求1所述的基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，其特征在于：所述铜制抛光反射片粘接在Terfenol
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D磁致伸缩材料棒的一端，Terfenol
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D磁致伸缩材料棒粘接铜制抛光反射片的一端端面为敏感端，陶瓷插针插入树脂底座模具的一端端面为接收端，敏感端与接收端分别为法珀腔体的两个反射面。3.根据权利要求1所述的基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，其特征在于：所述树脂固定模具的一端加工有凹槽，铜制抛光反射片恰好安装在所述凹槽处。4.根据权利要求3所述的基于光学干涉原理的高精度磁场传感器，其特征在于：所述铜制抛光反射片为圆形结构，所述凹槽与铜制抛光反射片的结构相适应。5.根据权利要求1～4任一权利要求所述的基于光学干涉原理的高精度磁场传感器的测量方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嘉伟，付庚，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：