光纤磁场传感器的探头

光纤磁场传感器的探头

1磁敏器件的选择光纤存储传感器是一种典型的位移控制装置。它使用磁敏装置测量磁体，然后通过光纤传输数据。可用的磁敏器件有多种,主要有火石玻璃(SF-6、FR-5)和YIG石榴石,掺入稀土铁石榴石等磁光晶体。其中掺入稀土铁石榴石因其费尔德常数大(比火石玻璃大2～3个数量级、比YIG石榴石大数倍)、制作成本又相对较低而越来越受到重视。2磁场强度与检偏器光强之比的关系光纤磁场传感器的测量原理如图1所示,半导体激光器发出的光在经过光纤进入磁场探头后,通过起偏器变成线偏振光;线偏振光在通过磁光晶体时,若有磁场存在且磁场方向和光传播矢量方向平行时,由于磁光晶体的法拉第磁致旋光效应,光的偏振方向将要发生旋转,且旋转角度θ和磁场强度H与磁光晶体厚度L的乘积成正比,即:θ=VHL(1)式中V为费尔德常数,是材料的特性常数。当旋转了θ角度的线偏振光通过检偏器检偏时(检偏器的偏振化方向和起偏器一样),根据马吕斯定律,就有检偏器两端的光强之比:I2∶I1=cos2θ(2)当H=0时,即无磁场时,旋转角θ=0;检偏器两端的光强之比为1∶1,即I2=I1。当H≠0时,旋转角θ≠0;检偏器两端的光强之比即为有磁场时的光强I2和无磁场的光强I1之比,则由式(1)、式(2)就可得出磁场强度与光强之比的关系:Η=arccos(√Ι2/Ι1)/(V⋅L)(3)H=arccos(I2/I1−−−−−√)/(V⋅L)(3)所以,通过检测有无磁场时的输出光强,即可达到测量磁场强度的目的。据最新报道,磁光晶体的法拉第旋转角不仅和磁场强度有关,而且和光波长有关,但关系式非常复杂,计算非常不便。光纤磁场传感器使用的是半导体激光器,且加了温度控制电路和自动功率控制电路,以确保输出光的波长变化很小,其影响可以忽略。3磁体测量设计3.1接头的密封磁场探头是整个光纤传感器的核心部件,其性能的好坏将直接影响整个系统的性能。探头的总体结构如图2所示。它是由光纤准直器、起偏器、检偏器和磁光晶体、光纤构成。所有的部件都密封在探头外壳中。探头中起偏器和检偏器的作用是产生和检测线偏振光;使用的是一种新型的起偏材料——玻璃偏振器,其性能类似一个线栅起偏器,但具有极优良的性能,不仅有优良的化学稳定性和热稳定性(环境温度超过100℃,仍能保持稳定),而且体积小(最小可达0.5mm×2mm×2mm),主透过射系数(大于99%)很高。3.2光纤准直器间的附加损耗产生的附加损耗探头两端使用的都是光纤准直器,是光纤通信系统和光纤传感器的基本光学元件,它由1/4节距的具有抗反射镀层的自聚焦透镜和光纤及插针组成,结构如图3所示。它们之间的耦合原理同普通透镜耦合原理相似。准直器的功能是对光纤中传输的高斯光束进行准直,以提高光纤间的耦合效率。其中自聚焦透镜是渐变折射率透镜,它的折射率服从平方律分布规律:n2(r)=n2020(1-Ar2)式中:n0为轴线折射率;r为离轴距离;A为自聚焦透镜的聚焦常数。由于要在磁场探头的两头使用两个光纤准直器,故这两个光纤准直器之间的耦合非常重要。它们之间的失配会产生较严重的附加损耗。其失配的主要来源有:(1)光纤准直器的离轴耦合:它是由于两个准直器的主轴处在两根平行线上,两主轴存在一定的偏轴距离而引起的失配。当间距为0.4mm时,其引起的附加损耗大于12dB,而且随着间距的增大,附加损耗快速增大。(2)光纤准直器的偏角耦合:它也是由于两个准直器的主轴不在同一直线上,两主轴存在一定的夹角而引起的失配。当夹角为0.1°时,其引起的附加损耗大于5dB,而且随着夹角的增大,附加损耗也会快速增大。(3)光纤准直器的间距耦合:此时两个准直器的主轴在同一直线上,但它们存在着一定的轴向距离而引起的失配。以上失配的前2种可以也必须通过精密加工工艺将它们的影响降至最小,否则带来的附加损耗太大,不仅直接影响测量距离,而且会影响测量精度。由于要在两个光纤准直器之间加入起偏器、检偏器和磁光晶体等元件,所以间距耦合一定会存在。也就是一定会带来的一些附加损耗。两光纤准直器的间距耦合效率为:η=4(1+ε2)(2+ε2)2(4)η=4(1+ε2)(2+ε2)2(4)式中:ε=n2020Aπdω2020/λ,ω0、λ分别为光纤高斯光束的模场半径和光波长;d为光纤准直器间的间距。设定相关参数ω0=4.5μm‚λ=1.31μm‚n0=1.5‚√A=0.332mm-1ω0=4.5μm‚λ=1.31μm‚n0=1.5‚A√=0.332mm−1.可以得出间距耦合所引起的附加损耗与间距d之间的关系曲线,如图4所示。从图中可以看出:光纤准直器的耦合损耗对一定范围内(20mm以内)的轴向间距不太敏感。在20mm内,轴向拉开两光纤准直器,其耦合损耗变化很小,可以忽略。即使大于20mm,产生的附加损耗也较小,对系统的影响不大。所以可在它们之间插入起偏器、检偏器和磁光晶体等元件。3.3sig石榴石用磁光法拉第旋转作用材料本构模型过去,在光纤磁场传感器中曾试图使用重火石玻璃作磁敏元件,但其费尔德常数太小,只有0.11/Oe·cm(1.0Oe=1000/4πΑ/m),这就要求晶体体积要非常大。虽然可利用法拉第磁光效应的非互易性,将光束设计成在晶体中多次往返,以达到增大旋转角度的目的。但这样使探头的结构复杂、制造困难,抗震性能差。目前,通过对YIG石榴石这种具有巨磁光法拉第旋转效应的材料的研究发现,虽然YIG石榴石的费尔德常数比重火石玻璃大许多(9.0/Oe·cm),但依然不够,而且其价格昂贵,实用价值不高。而利用助溶剂熔盐法,并选用稀土元素Bi作掺杂的YIG石榴石磁光材料,即BiGd:YIG——Y3-x-yBixGdyFe3O12,不仅具有高的法拉第旋转角,而且其法拉第旋转角对温度变化不灵敏(在波长为1.31μm时,其法拉第旋转角为-1067(°)/cm,温度灵敏度为4.20×10-4/K),非常适合作磁场探头中的磁光晶体。由式(3)可知,要提高光纤磁场传感器的灵敏度,探测微弱磁场,除采用高灵敏度的光电探测器及前置放大器以外,还可以增大磁光晶体的厚度和选择费尔德常数大的晶体。但由于光纤准直器的间距要求,磁光晶体的厚度还不能太大。其晶体