專利名稱：磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體地說(shuō)，是一種磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭。
背景技術(shù)：
微弱磁場(chǎng)探測(cè)應(yīng)用于很多重要領(lǐng)域。目前實(shí)現(xiàn)靈敏度最高的是超導(dǎo)量子干涉器件(Superconducting Quantum Interference Device SQUID)，但其探頭體積大，成本高，操作復(fù)雜，而且需要工作在低溫條件下。光纖干涉型磁場(chǎng)傳感器具有體積小，成本低，常溫下工作。光纖材料具有抗電磁干擾、耐腐蝕性。而且美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室F.Bucholtz等人報(bào)道了磁致伸縮光纖馬赫—曾德?tīng)柛缮嫘痛艂鞲衅髟谝欢l件下能探測(cè)到 的磁場(chǎng)，其靈敏度接近SQUID。磁致伸縮光纖干涉型磁傳感系統(tǒng)的靈敏度高低與探頭有很大關(guān)系。L.L.Picon等人總結(jié)了四種典型探頭結(jié)構(gòu)，被稱作貼片(ribbon)、三明治(sandwich)、圓柱體(cylinder)和外部護(hù)套包裹型(external sheath coating)，其中，在圓柱體骨架上纏繞磁致伸縮材料和光纖被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證磁場(chǎng)反應(yīng)最靈敏，但它無(wú)法分辨圓柱截面上磁場(chǎng)方向。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的專家于95年提出了在繞線筒上粘貼兩片磁致伸縮材料，纏繞光纖制作探頭并構(gòu)建磁傳感系統(tǒng)應(yīng)用于海上船只航線測(cè)量實(shí)驗(yàn)，申請(qǐng)了美國(guó)國(guó)家專利(美國(guó)專利號(hào)5 305 075，1994年4月19日，一種具有三個(gè)纏繞馬赫—曾德?tīng)柛缮鎯x的雙貼片式光纖磁致伸縮換能器的磁致伸縮傳感器探頭)，但只有部分磁致伸縮材料引起光纖形變，且磁致伸縮材料與光纖的粘貼式結(jié)合，伸縮不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其結(jié)構(gòu)一體化、方向性好、靈敏度高和性能更可靠。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括輸入單模光纖、第一單模光纖3dB耦合器、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖、壓電陶瓷環(huán)、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖、跑道型骨架、閉環(huán)磁致伸縮帶，第二單模光纖3dB耦合器、兩路輸出單模光纖，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖用環(huán)氧膠首尾兩點(diǎn)粘貼，緊緊纏繞在壓電陶瓷環(huán)上，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖和壓電陶瓷環(huán)設(shè)在跑道型骨架內(nèi)，在跑道型骨架上緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶，首尾用環(huán)氧膠與跑道型骨架固定，輸入單模光纖與第一單模光纖3dB耦合器光學(xué)連接，第一單模光纖3dB耦合器分別與馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖光學(xué)相連，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖分別與第二單模光纖3dB耦合器光學(xué)相連，第二單模光纖3dB耦合器與兩路輸出單模光纖光學(xué)相連。
所述的跑道型骨架，其中間是一個(gè)矩形，兩端是半圓，矩形兩長(zhǎng)邊向外呈拱形。該結(jié)構(gòu)的閉環(huán)磁致伸縮帶與被測(cè)場(chǎng)平行作用距離加長(zhǎng)，從而提高探頭靈敏度。兩端半圓既是和矩形構(gòu)成一個(gè)閉合整體，使磁致伸縮材料受磁場(chǎng)作用向外伸張，又是對(duì)光纖彎曲起到緩沖作用。矩形向外呈拱形是為了閉環(huán)磁致伸縮帶的應(yīng)力能更好地傳遞到馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖上。
所述的跑道型骨架，其內(nèi)部設(shè)有一圓柱腔，用于設(shè)置壓電陶瓷環(huán)。這樣探頭結(jié)構(gòu)可以一體化，且光纖在探頭內(nèi)部，消除了很多環(huán)境因素的影響，如風(fēng)和噪音等。
所述的跑道型骨架與閉環(huán)磁致伸縮帶可以相對(duì)移動(dòng)。由探頭構(gòu)成的磁傳感系統(tǒng)的工作頻率是探頭的機(jī)械諧振頻率，如果跑道型骨架與閉環(huán)磁致伸縮帶不可以相對(duì)移動(dòng)的話，則探頭的諧振頻率由跑道型骨架、閉環(huán)磁致伸縮帶和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖確定，因跑道型骨架質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后面兩項(xiàng)，使諧振頻率大大降低，不利于后面信號(hào)處理。
所述的馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖和閉環(huán)磁致伸縮帶構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)整體。所述的閉環(huán)整體，其機(jī)械諧振固有頻率在15KHz～35KHz之間，并可以用ANSYS有限元分析出其諧振頻率。
所述的輸入單模光纖、兩路輸出單模光纖和壓電陶瓷環(huán)的屏蔽線電極抽頭在跑道型骨架外面。結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，使用者只要相應(yīng)地接好五根線即可。因?yàn)殡娐分杏懈哳l信號(hào)發(fā)生器，所以壓電陶瓷環(huán)的電極采用屏蔽線是防止高頻噪音信號(hào)輸入到壓電陶瓷環(huán)中。
外部光源輸出激光經(jīng)過(guò)輸入單模光纖到第一單模光纖3dB耦合器分成兩路光信號(hào)。一路通過(guò)緊繞在壓電陶瓷環(huán)上的馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖，二者作為一個(gè)整體放置在跑道型骨架的圓柱腔內(nèi)。一路通過(guò)馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖。閉環(huán)磁致伸縮帶緊繞在跑道型骨架上，然后再緊繞馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖。被測(cè)磁場(chǎng)使閉環(huán)磁致伸縮帶產(chǎn)生形變，應(yīng)變通過(guò)應(yīng)力傳遞到馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖，產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化，這樣兩路光信號(hào)在第二單模光纖3dB耦合器處干涉就產(chǎn)生相應(yīng)的相位差。該相位差被外界激勵(lì)線圈產(chǎn)生的正弦磁場(chǎng)調(diào)制，從兩路輸出單模光纖輸出給光電轉(zhuǎn)換和檢測(cè)電路解調(diào)就可以知道被測(cè)場(chǎng)大小。
馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖受外界噪音、溫度等影響產(chǎn)生直流相位噪聲，可以將檢測(cè)電路輸出的直流信號(hào)加載到壓電陶瓷環(huán)上構(gòu)成負(fù)反饋系統(tǒng)，不僅可以使馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀工作在最靈敏處，而且可以消除直流相位噪聲。本探頭采用跑道型骨架，使纏繞其表面的閉環(huán)磁致伸縮帶與被測(cè)磁場(chǎng)的平行作用距離加長(zhǎng)，從而使提高探頭靈敏度和方向性。另外，探頭采用一體化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括輸入單模光纖1、第一單模光纖3dB耦合器2、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖3、壓電陶瓷環(huán)4、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5、跑道型骨架6、閉環(huán)磁致伸縮帶7，第二單模光纖3dB耦合器8、兩路輸出單模光纖9，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖3用環(huán)氧膠首尾兩點(diǎn)粘貼，緊緊纏繞在壓電陶瓷環(huán)4上，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖3和壓電陶瓷環(huán)4設(shè)在跑道型骨架6內(nèi)，在跑道型骨架6上緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶7，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶7，首尾用環(huán)氧膠與跑道型骨架6固定，輸入單模光纖1與第一單模光纖3dB耦合器2光學(xué)連接，第一單模光纖3dB耦合器2分別與馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖3和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5光學(xué)相連，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖3和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5分別與第二單模光纖3dB耦合器8光學(xué)相連，第二單模光纖3dB耦合器8與兩路輸出單模光纖9光學(xué)相連。
所述的跑道型骨架6，其中間是一個(gè)矩形，兩端是半圓，矩形兩長(zhǎng)邊向外呈拱形。該結(jié)構(gòu)的閉環(huán)磁致伸縮帶7與被測(cè)場(chǎng)平行作用距離加長(zhǎng)，從而提高探頭靈敏度。兩端半圓既是和矩形構(gòu)成一個(gè)閉合整體，使磁致伸縮材料受磁場(chǎng)作用向外伸張，又是對(duì)光纖彎曲起到緩沖作用。矩形向外呈拱形是為了閉環(huán)磁致伸縮帶7的應(yīng)力能更好地傳遞到馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5上。
所述的跑道型骨架6，其內(nèi)部設(shè)有一圓柱腔，用于設(shè)置壓電陶瓷環(huán)4。這樣探頭結(jié)構(gòu)可以一體化，且光纖在探頭內(nèi)部，消除了很多環(huán)境因素的影響，如風(fēng)和噪音等。
所述的跑道型骨架6與閉環(huán)磁致伸縮帶7可以相對(duì)移動(dòng)。由探頭構(gòu)成的磁傳感系統(tǒng)的工作頻率是探頭的機(jī)械諧振頻率，如果跑道型骨架6與閉環(huán)磁致伸縮帶7不可以相對(duì)移動(dòng)的話，則探頭的諧振頻率由跑道型骨架6、閉環(huán)磁致伸縮帶7和馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5確定，因跑道型骨架6質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后面兩項(xiàng)，使諧振頻率大大降低，不利于后面信號(hào)處理。
所述的馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖5和閉環(huán)磁致伸縮帶7構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)整體。所述的閉環(huán)整體，其機(jī)械諧振固有頻率在15KHz～35KHz之間，并可以用ANSYS有限元分析出其諧振頻率。
所述的輸入單模光纖1、兩路輸出單模光纖9和壓電陶瓷環(huán)4的屏蔽線電極抽頭在跑道型骨架6外面。結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，使用者只要相應(yīng)地接好五根線即可。因?yàn)殡娐分杏懈哳l信號(hào)發(fā)生器，所以壓電陶瓷環(huán)4的電極采用屏蔽線是防止高頻噪音信號(hào)輸入到壓電陶瓷環(huán)4中。
權(quán)利要求
1.一種磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，包括輸入單模光纖(1)、第一單模光纖3dB耦合器(2)、馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖(3)、壓電陶瓷環(huán)(4)、馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖(5)、跑道型骨架(6)、閉環(huán)磁致伸縮帶(7)，第二單模光纖3dB耦合器(8)、兩路輸出單模光纖(9)，其特征在于，馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖(3)用環(huán)氧膠首尾兩點(diǎn)粘貼，緊緊纏繞在壓電陶瓷環(huán)(4)上，馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖(3)和壓電陶瓷環(huán)(4)設(shè)在跑道型骨架(6)內(nèi)，在跑道型骨架(6)上緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶(7)，馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖(5)緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶(7)，首尾用環(huán)氧膠與跑道型骨架(6)固定，輸入單模光纖(1)與第一單模光纖3dB耦合器(2)光學(xué)連接，第一單模光纖3dB耦合器(2)分別與馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖(3)和馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖(5)光學(xué)相連，馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖(3)和馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖(5)分別與第二單模光纖3dB耦合器(8)光學(xué)相連，第二單模光纖3dB耦合器(8)與兩路輸出單模光纖(9)光學(xué)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的跑道型骨架(6)，其中間是一個(gè)矩形，兩端是半圓，矩形兩長(zhǎng)邊向外呈拱形，兩端半圓和矩形構(gòu)成一個(gè)閉合整體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的跑道型骨架(6)，其內(nèi)部設(shè)有一圓柱腔。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的跑道型骨架(6)與閉環(huán)磁致伸縮帶(7)可以相對(duì)移動(dòng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的馬赫-曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖(5)和閉環(huán)磁致伸縮帶(7)構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)整體。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的閉環(huán)整體，其機(jī)械諧振固有頻率在15KHz～35KHz之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，其特征是，所述的輸入單模光纖(1)、兩路輸出單模光纖(9)和壓電陶瓷環(huán)(4)的屏蔽線電極抽頭在跑道型骨架(6)外面。
全文摘要
一種磁致伸縮光纖干涉型磁傳感器探頭，屬于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括輸入單模光纖、第一單模光纖3dB耦合器、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖、壓電陶瓷環(huán)、馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖、跑道型骨架、閉環(huán)磁致伸縮帶，第二單模光纖3dB耦合器、兩路輸出單模光纖，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖用環(huán)氧膠首尾兩點(diǎn)粘貼，緊緊纏繞在壓電陶瓷環(huán)上，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀參考臂光纖和壓電陶瓷環(huán)設(shè)在跑道型骨架內(nèi)，在跑道型骨架上緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶，馬赫—曾德?tīng)柟饫w干涉儀信號(hào)臂光纖緊緊纏繞閉環(huán)磁致伸縮帶，首尾用環(huán)氧膠與跑道型骨架固定。本發(fā)明結(jié)構(gòu)一體化、方向性好、靈敏度高和性能更可靠。
文檔編號(hào)G01R33/02GK1737602SQ20051002929
公開(kāi)日2006年2月22日 申請(qǐng)日期2005年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月1日
發(fā)明者施長(zhǎng)海, 李新碗, 陳建平, 葉愛(ài)倫 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)