CN113655414B - 用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，本发明可调谐激光器的发射端、衰减器、偏振控制器、偏振控制器、光纤锥依次相连接，光纤锥与磁场传感***通过光纤锥锥区处的倏逝波耦合在一起，耦合进入磁场传感***的光，通过光纤锥耦合出来之后送入光电探测器，并经过T型偏置器分离出交/直流信号，分别送入示波器显示、电谱仪和网络分析仪显示，送入PID控制箱用于将激光器的输出波长；压电陶瓷通过产生频率在空心管腔两个力学模式共振频率中间的超声波，产生共振频带，弥补线宽过窄导致的***灵敏度随探测频率变化起伏大的缺陷，本发明具备体积小、集成度高、低损耗、低功耗、抗电磁干扰的优点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一个用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，具体涉及的是由压电陶瓷、磁致伸缩介质和光学谐振腔构建的光学磁场传感***，属于光学领域。
背景技术
磁场传感器广泛应用于数字经济、交通运输、生命健康、国防等领域，实现的方式多种多样。与现有的磁场传感方法相比，基于光学***的磁场传感技术有着速度快、抗电磁干扰能力强等优势。回音壁是近年来探究较为多的一类腔型，其主要利用光的全内反射原理，满足条件的光在腔体中达到相位相干叠加条件时便会被限制在微腔中，腔体尺寸可以与光波的波长比拟。因此不仅可以达到较高的Q值和较小的模式体积，还能够满足器件集成的需求，并且在回音壁模式空心管腔磁场传感***中，利用力学模式与待测交流磁场频率接近从而产生共振是增加其传感灵敏度的优选方案。但是由于其力学模式的频率谱线线宽极窄，在方案应用于传感***工作时，若待测交流磁场的频率与力学模式的频率之间有一定距离时，会导致***的探测灵敏度降低，从而使得器件的应用受限。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，属于光学器件领域。
用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，传感***包括第一信号发生器、第二信号发生器、可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、压电陶瓷压电陶瓷、磁场传感***、光电探测器、T型偏置器、示波器、分束器、电谱仪、网络分析仪、PID控制箱；磁场传感***包括磁致伸缩介质，空心管腔，支架和胶水。
所述的第一信号发生器输出的两路信号一路经PID控制箱调控后送入可调谐激光器的电压调谐端口，一路送入到示波器；第二信号发生器输出信号到压电陶瓷，；可调谐激光器的光出射端与衰减器的输入端连接，衰减器的输出端与偏振控制器的输入端连接，偏振控制器的输出端与光纤锥输入端连接；光纤锥锥区处的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感***的空心管腔内，空心管腔内光场经过光纤锥耦合输出至对应光电探测器的接收端，光电探测器输出的信号经T型偏置器分离交/直流信号，直流信号送入示波器显示，交流信号经分束器送入电谱仪和网络分析仪显示，同时分束器输出的信号送入PID控制箱中用于频率锁定。空心管腔由胶水固定在支架上，空心管腔与磁致伸缩介质之间通过胶水固定，空心管腔与压电陶瓷之间通过胶水固定。
测试传感***中可调谐激光器、衰减器、偏振控制器、光纤锥、光电探测器之间的连接均采用光纤连接；第一信号发生器与PID控制箱，PID控制箱与可调谐激光器、第一信号发生器与示波器、第二信号发生器与压电陶瓷、光电探测器与T型偏置器、T型偏置器与示波器、T型偏置器与分束器、分束器与电谱仪、分束器与网络分析仪、分束器与PID控制箱使用电学线缆连接。
磁场传感***中磁致伸缩介质与空心管腔的相对位置要保证在外界磁场作用时，磁致伸缩介质能够驱动空心管腔发生形变，进而改变空心管腔中透射光的强度；磁致伸缩介质为Terfenol-D或其它的在磁场作用下能够伸缩的介质。
压电陶瓷由信号发生器通过产生相应频率的信号来驱动，并产生相对应频率的超声波，使其受控频率在空心管腔的两个力学模式共振频率中间，以此产生共振频带。
作为优选，所述的空心管腔为中空结构，壁厚为微米-毫米，外径为微米-厘米，具体的壁厚和外径尺寸可根据实际应用过程中灵敏度的需求确定，但要保证其力学模式的共振频率不超过压电陶瓷所能产生的最大超声波频率。
作为优选，所述的压电陶瓷和磁致伸缩介质的位置可以发生改变。但是要保证其减振效果和磁致伸缩介质对空心管腔的应力。
作为优选，所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
作为优选，所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
作为优选，所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
本发明中的传感***可以进行高灵敏度磁场传感且具有较好的稳定性，同时输送信号具有抗外界干扰的能力。此外，该***主要由光纤构建，体积小，易集成，可进行磁场信息的远程探测。
附图说明
图1为发明的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步阐明本发明的实质性特点和显著进步，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施方式：
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***中描述的第一信号发生器1输出的两路信号一路经PID控制箱15调控后送入可调谐激光器3的电压调谐端口，一路送入到示波器11；第二信号发生器2输出信号到压电陶瓷7；可调谐激光器3的光出射端与衰减器4的输入端连接，衰减器4的输出端与偏振控制器5的输入端连接，偏振控制器5的输出端与光纤锥6输入端连接；光纤锥6锥区处的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感***8的空心管腔内，空心管腔内光场经过光纤锥6耦合输出至对应光电探测器9的接收端，将光电探测器9输出端口和T型偏置器10连接，T型偏置器10再分别和示波器11、分束器12连接，分束器12与电谱仪13、网络分析仪14和PID控制箱15连接。然后在无待测交流磁场的情况下通过电谱仪得到磁场传感***的力学模式谱线，然后找到目标共振峰后开启压电陶瓷7，将其工作频率设置在两个共振峰频率之间。当待测交流磁场出现且工作频率在共振频带内时，可通过该***对其进行高灵敏度探测。
Claims (7)
1.用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：包括第一信号发生器(1)、第二信号发生器(2)、可调谐激光器(3)、衰减器(4)、偏振控制器(5)、光纤锥(6)、压电陶瓷(7)、磁场传感***(8)、光电探测器(9)、T型偏置器(10)、示波器(11)、分束器(12)、电谱仪(13)、网络分析仪(14)、PID控制箱(15)；
磁场传感***(8)包括磁致伸缩介质，空心管腔，支架和胶水；空心管腔由胶水固定在支架上，空心管腔与磁致伸缩介质之间通过胶水固定，空心管腔与压电陶瓷(7)之间通过胶水固定；
所述的第一信号发生器(1)输出的两路信号一路经PID控制箱(15)调控后送入可调谐激光器(3)的电压调谐端口，一路送入到示波器(11)；第二信号发生器(2)输出信号到压电陶瓷(7)；可调谐激光器(3)的光出射端与衰减器(4)的输入端连接，衰减器(4)的输出端与偏振控制器(5)的输入端连接，偏振控制器(5)的输出端与光纤锥(6)输入端连接；光纤锥(6)锥区处的光场通过倏逝波耦合的方式进入磁场传感***(8)的空心管腔内，空心管腔内光场经过光纤锥(6)耦合输出至对应光电探测器(9)的接收端，光电探测器(9)输出的信号经T型偏置器(10)分离交/直流信号，直流信号送入示波器(11)显示，交流信号经分束器(12)送入电谱仪(13)、网络分析仪(14)和PID控制箱(15)用于信号显示和频率锁定；压电陶瓷由信号发生器通过产生相应频率的信号来驱动，并产生相对应频率的超声波，使其受控频率在空心管腔的两个力学模式共振频率中间，以此产生共振频带。
2.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：待测交流磁场频率以及磁场传感***中的空心管腔的力学模式共振频率均不超过压电陶瓷所能驱动的最大超声频率。
3.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：压电陶瓷安置在磁场传感***的支架上，且能够驱动空心管腔产生受迫振动；与此同时，空心管腔也会受到磁致伸缩介质的作用，进而保证其磁场响应能力；具体的安装位置无需严格要求，只需要能满足所使用需求即可。
4.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：所述的空心管腔为中空结构，壁厚为1微米-1毫米，外径为100微米-5厘米，具体的壁厚和外径尺寸可根据实际应用过程中灵敏度和频率需求确定。
5.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：所述的偏振控制器的偏振状态要保证光学模式的光学品质因数最高。
6.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：所述的光纤要保证所选波段内光信号的低损耗传输。
7.根据权利要求1所述的用压电陶瓷产生共振频带的光学磁场传感***，其特征在于：所述的衰减器要保证到达探测器的光功率在探测器的可接收的功率范围内。
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