本發(fā)明涉及一種利用磁光隔離器探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有著悠久的歷史，近年來(lái)，隨著電磁感應(yīng)、磁調(diào)制、電磁效應(yīng)和超導(dǎo)效應(yīng)等物理現(xiàn)象和物理原理的相繼發(fā)現(xiàn)及有效利用，磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)有了很大發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地球物理、空間技術(shù)、軍事工程、工業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古學(xué)等許多領(lǐng)域。現(xiàn)在比較成熟的磁場(chǎng)測(cè)量方法有：磁力法、電磁感應(yīng)法、磁飽和法、電磁效應(yīng)法、磁共振法、超導(dǎo)效應(yīng)法和磁光效應(yīng)法等，依據(jù)這些方法，相繼實(shí)現(xiàn)了不同原理的各種磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器。

磁場(chǎng)測(cè)量是建立在電磁理論和電工技術(shù)基礎(chǔ)之上的一種技術(shù)方法，也是諸多物理量測(cè)量的前提與基礎(chǔ)，比如電力系統(tǒng)中電氣量的測(cè)量，通過(guò)測(cè)量輸電線路表面磁場(chǎng)的大小即可得到電流的大小。隨著磁場(chǎng)應(yīng)用范圍的不斷拓展，磁場(chǎng)測(cè)量的要求和需求也在不斷提高，尋求和應(yīng)用新效應(yīng)、新現(xiàn)象、新材料、新工藝，進(jìn)一步提高磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器的水平，更新磁場(chǎng)探測(cè)的方法成為了磁場(chǎng)測(cè)量的主要發(fā)展方向。

當(dāng)磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)向著高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度、高分辨率、微小型化、數(shù)字化和智能化方向發(fā)展的同時(shí)，其測(cè)量成本也在逐漸增加，以電力系統(tǒng)中互感器為例，一臺(tái)純光纖電流互感器的價(jià)格在10萬(wàn)以上，十分昂貴，所以到目前為止，并沒(méi)有一種大批量的商業(yè)化產(chǎn)品應(yīng)用于市場(chǎng)。除了價(jià)格因素外，它的工作性能還存在一些缺陷，如制作工藝、外界應(yīng)力造成的誤差。傳感元件是光學(xué)互感器的核心部分，其工作特性會(huì)對(duì)互感器的性能產(chǎn)生很大影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的傳感元件被研發(fā)出來(lái)，并成功應(yīng)用在通信領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。

磁光隔離器就是一款應(yīng)用在通信領(lǐng)域的光學(xué)元器件，又稱光單向器，是一種光非互易傳輸光無(wú)源器件，即沿正向傳輸方向具有較低插入損耗，而對(duì)反向傳輸光有很大衰減作用的無(wú)源器件。目前它的制作工藝成熟，產(chǎn)品價(jià)格低廉并且體積微小，便于裝設(shè)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，偏振相關(guān)型磁光隔離器經(jīng)過(guò)改造、加工后，可以用于磁場(chǎng)的測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種利用磁光隔離器探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)與方法，本發(fā)明簡(jiǎn)單、靈活、穩(wěn)定性高、可靠性強(qiáng)，并且價(jià)格低廉、易于裝設(shè)，可對(duì)大電流、強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境中的空間點(diǎn)進(jìn)行精確測(cè)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種利用磁光隔離器探測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量系統(tǒng)，包括激光驅(qū)動(dòng)及發(fā)射單元、磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元、信號(hào)解調(diào)單元、AD采樣及轉(zhuǎn)換單元和處理器，其中：

所述激光驅(qū)動(dòng)及發(fā)射單元發(fā)射功率恒定的光信號(hào)，通過(guò)磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元感應(yīng)空間磁場(chǎng)，并將測(cè)量的空間磁場(chǎng)信號(hào)輸入到信號(hào)解調(diào)單元，所述信號(hào)解調(diào)單元對(duì)輸入的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行偏置、放大，然后根據(jù)所需要測(cè)量的空間磁場(chǎng)的頻率范圍計(jì)算通帶頻率和帶寬，之后對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，最后經(jīng)過(guò)AD采樣及轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行優(yōu)化并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸給處理器，所述處理器利用測(cè)量到的溫度對(duì)費(fèi)爾德系數(shù)進(jìn)行校正，再利用校正后的費(fèi)爾德系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度。

優(yōu)選的，所述處理器通過(guò)以太網(wǎng)連接客戶端，進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示及互聯(lián)。

所述磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元，包括磁光隔離器和連接在磁光隔離器兩端的光纖，所述磁光隔離器包括依次相連的起偏器、法拉第旋轉(zhuǎn)器和檢偏器，且起偏器與檢偏器分別位于法拉第旋轉(zhuǎn)器兩側(cè)，彼此透光方向呈45度角，對(duì)磁光隔離器施加大小可變的不飽和磁場(chǎng)。

所述磁場(chǎng)方向與法拉第旋轉(zhuǎn)器軸向方向一致。

所述磁光隔離器與光纖熔接，構(gòu)成閉合式的光學(xué)回路。

所述磁光隔離器設(shè)置于需要測(cè)量的磁場(chǎng)或需要測(cè)量的空間點(diǎn)上。

一種基于上述測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，其步驟包括：

(1)連接測(cè)量系統(tǒng)，采集光強(qiáng)信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；

(2)對(duì)空間點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量溫度對(duì)費(fèi)爾德系數(shù)進(jìn)行校正；

(3)根據(jù)輸入光強(qiáng)、輸出光強(qiáng)、外加磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)換電壓之間的理論關(guān)系，得到測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

所述步驟(3)中，利用輸入光強(qiáng)、輸出光強(qiáng)、外加磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)換電壓之間的理論關(guān)系，得到測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小：

I_m＝I₀e^-αlcos²(β+θ) (1-1)

其中，I_m是輸入光強(qiáng)，I₀是輸出光強(qiáng)，α是磁光介質(zhì)的光吸收系數(shù)，l是光透過(guò)磁光介質(zhì)的長(zhǎng)度，β是起偏器與檢偏器的透光軸之間的夾角，θ是光通過(guò)介質(zhì)的法拉第旋轉(zhuǎn)角度。

本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明可以測(cè)量空間任意一點(diǎn)磁場(chǎng)、電流的大小，并且該方法簡(jiǎn)單、靈活、穩(wěn)定性高、測(cè)量速度快、可靠性強(qiáng)；

(2)本發(fā)明價(jià)格低廉、易于裝設(shè)，很好地適應(yīng)了測(cè)量技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，有利于變磁場(chǎng)測(cè)量裝置的升級(jí)和改造；

(3)本發(fā)明由于磁光隔離器制造設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)、工藝成熟、體積微小，有效地提高了磁場(chǎng)的測(cè)量精度，降低了溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等因素對(duì)光路的影響，保證了該測(cè)量方法良好的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

附圖說(shuō)明

圖1偏振相關(guān)型磁光隔離結(jié)構(gòu)圖；

圖2實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4實(shí)施例磁場(chǎng)與電壓信號(hào)函數(shù)擬合圖。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

圖2所示為本發(fā)明實(shí)時(shí)例的結(jié)構(gòu)示意圖，包括依次連接的激光驅(qū)動(dòng)及發(fā)射單元1、磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元2、信號(hào)調(diào)理單元3、AD采樣及轉(zhuǎn)換單元4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理單元5、PC接收及顯示單元6。激光驅(qū)動(dòng)及發(fā)射單元1發(fā)出功率恒定的光信號(hào)，通過(guò)磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元2感應(yīng)空間磁場(chǎng)，并將測(cè)量的空間磁場(chǎng)信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理單元3，對(duì)磁場(chǎng)輸入信號(hào)進(jìn)行偏置、放大，然后根據(jù)所需要測(cè)量的空間磁場(chǎng)的頻率范圍計(jì)算通帶頻率和帶寬，之后對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，最后經(jīng)過(guò)AD采樣及轉(zhuǎn)換單元4優(yōu)化數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳輸給處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，最終通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

圖3所示是磁場(chǎng)探測(cè)及傳輸單元結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)施例中，激光的波長(zhǎng)為1550nm，出射光強(qiáng)1.8mW，被探測(cè)磁場(chǎng)由電磁鐵提供，其磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍約-40mT—40mT，光信號(hào)進(jìn)入偏振型磁光隔離器后，被起偏器轉(zhuǎn)變成線偏振光，然后經(jīng)過(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器使光偏振面旋轉(zhuǎn)θ角，因?yàn)槠鹌髋c檢偏器之間的夾角成β度，因此，只有部分線偏振光透過(guò)檢偏器，從而輸出光強(qiáng)較輸入光強(qiáng)發(fā)生一定變化，變化幅度與θ角有關(guān)，又因所以θ與B存在線性關(guān)系，通過(guò)改變磁場(chǎng)強(qiáng)度即可改變偏轉(zhuǎn)角度，從而改變輸出光強(qiáng)。輸出光強(qiáng)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元3、AD采樣及轉(zhuǎn)換單元4、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理單元5、PC接收及顯示單元6后，輸出與光強(qiáng)有關(guān)的電壓信號(hào)，進(jìn)而由公式得到磁場(chǎng)強(qiáng)度與電壓信號(hào)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。

具體的測(cè)量方法步驟如下：

步驟一：對(duì)偏振相關(guān)型磁光隔離器進(jìn)行改造，去掉用于提供飽和磁場(chǎng)的永久磁鐵。

進(jìn)一步說(shuō)，僅使用偏振相關(guān)型磁光隔離器的核心元件，該元件生產(chǎn)工藝成熟、設(shè)計(jì)精密、體積微小、價(jià)格低廉。

步驟二：將磁光隔離器與單模光纖熔接，構(gòu)成閉合式的光學(xué)回路。

步驟三：把磁光隔離器放置在需要測(cè)量的磁場(chǎng)中或需要測(cè)量的空間點(diǎn)上。

進(jìn)一步說(shuō)，閉合光學(xué)回路由圖2所示的幾個(gè)部分構(gòu)成，光纖長(zhǎng)度為2米，磁光隔離器被光學(xué)固定架固定，置于被測(cè)磁場(chǎng)環(huán)境中，其軸向方向與磁場(chǎng)方向相同。

步驟四：向光纖一端射入穩(wěn)定的光源，經(jīng)磁光隔離器偏轉(zhuǎn)加工后輸出相應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)。

步驟五：接收磁光隔離器發(fā)出的光強(qiáng)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。

步驟六：對(duì)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。

步驟七：對(duì)費(fèi)爾德系數(shù)進(jìn)行校正。

進(jìn)一步說(shuō)，由于磁光隔離器屬于點(diǎn)狀光學(xué)器件，所以很容易測(cè)量該點(diǎn)溫度，因此使用光纖光柵法對(duì)空間點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量，然后再利用測(cè)量到的溫度對(duì)費(fèi)爾德系數(shù)進(jìn)行校正，從而使測(cè)量結(jié)果更加可靠、精確。

步驟八：利用輸入光強(qiáng)、輸出光強(qiáng)、外加磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)換電壓之間的理論關(guān)系，得到測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

I_m＝I₀e^-αlcos²(β+θ) (1-1)

其中，I_m是輸入光強(qiáng)，I₀是輸出光強(qiáng)，α是磁光介質(zhì)的光吸收系數(shù)，l是光透過(guò)磁光介質(zhì)的長(zhǎng)度，β是起偏器與檢偏器的透光軸之間的夾角，θ是光通過(guò)介質(zhì)的法拉第旋轉(zhuǎn)角度。

其中，B是被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度，V是轉(zhuǎn)換電壓，H是被測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，μ₀是真空磁導(dǎo)率4π*10^-7N/A，K為模數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)。

將式(1-2)帶入(1-1)整理得到電壓V與磁場(chǎng)B的關(guān)系表達(dá)式：

進(jìn)一步整理得：

V＝A₁cos(A₂B+A₃)+A₁ (1-4)

其中A₃＝2β

下面利用實(shí)驗(yàn)提供的數(shù)據(jù)，對(duì)公式(1-4)采用非線性擬合得到系數(shù)矩陣：

對(duì)圖4擬合結(jié)果進(jìn)行分析，得和方差7.388*10^-5，均方差8.235*10^-7，均方根9.074*10^-4，最大偏差2.1*10^-3，最小偏差1.767*10^-5，擬合情況較好，對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，最大偏差不超過(guò)2.9*10^-3，滿足了電磁測(cè)量的精度要求。

進(jìn)一步說(shuō)，得到該測(cè)量點(diǎn)的電壓幅值即可得到該測(cè)量點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小。

經(jīng)過(guò)以上八個(gè)步驟便得到了測(cè)量點(diǎn)處磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，也可以利用該方法測(cè)量相應(yīng)的電流、電壓等其他量的大小。例如當(dāng)測(cè)量線路中電流時(shí)，利用式(1-4)即可得到所測(cè)電流的大小。

其中，i是被測(cè)電流，r是該處電場(chǎng)與電流之間的距離。

同時(shí)，基于此方法得到磁場(chǎng)強(qiáng)度大小進(jìn)而完成其他參量測(cè)量的方法都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。