专利名称：一种光纤干涉型磁传感器探头的制作方法
技术领域：
本发明属于传感与测试技术领域，具体地说，是一种用于弱磁测量的基于磁致伸缩效应的多层结构光纤干涉型磁传感器探头。
背景技术：
弱磁测量在军事、国民经济领域应用广泛。目前测量弱磁场的方法有很多种， 主要方法包括磁通门法、磁光泵法、质子法、超导量子干涉法和光纤传感法等，利用这些方法的基本原理制作的磁力仪特点各不相同。其中，磁通门法是最先得到发展的弱磁测量方法，磁通门磁力仪的分辨率一般为0. InT ΙΟηΤ，但是体积较大，其探头尺寸一般在Φ85πιπιΧ55πιπι左右，价格较高且温度特性差；光泵磁力仪精度很高，但是由光学系统和气室而构成的探头体积较大，需要用严格的方法保证其稳定性，其探头尺寸一般在 Φ50mmX200mm左右，仪器体积在200mmX IOOmmX44mm左右；质子磁力仪的分辨率可达 0. InT,其体积在690mmX 270mmX 200mm左右，适合于测量恒定磁场，但不适合测量变化的磁场；超导量子磁力仪是现今精度最高价格也最贵的弱磁测量仪器，结构复杂，体积庞大， 对工作环境要求很高，目前大多应用于医疗及材料磁性研究领域。1980年美国的亚里夫教授首次提出利用磁致伸缩材料对光纤相位的改变来探测微弱磁场的方法，并从理论上预测最小可探测磁场可达10-16T ；此后光纤微弱磁场传感器获得了重大进展。干涉型光纤磁传感器是光纤微弱磁场传感器的一种，它的探头结构对传感器的灵敏度影响很大。通常，干涉型光纤磁传感器的探头形式为干涉仪传感臂光纤采用粘贴式(或者三明治式、圆柱体式、包覆式)与磁致伸缩材料结合在一起，并紧紧缠绕在跑道型或圆柱形骨架上；然后把骨架放置在螺线管线圈内。经对现有的技术文献检索发现，美国海军曾申请了美国国家专利(美国专利号 5305075，1994年4月19日，一种具有三个缠绕马赫-曾德尔干涉仪的粘贴式光纤磁致伸缩换能器的磁致伸缩传感器探头)。上海交通大学曾申请了中国国家专利(中国专利号200510029291. 8，2006年2月
26日，磁致伸缩光纤干涉型磁传感器探头)。上述两个发明专利存在的问题是(1)由于磁致伸缩材料与光纤结合不紧密，光纤在磁场作用下的变形不充分，导致探头灵敏度偏低；( 为了测量直流或交流磁场，必须把探头放置在螺线管线圈内，利用螺线管线圈产生交流或直流磁场对被测磁场进行调制， 从而导致探头体积偏大、线圈消耗功率大。

发明内容
本发明针对现有光纤干涉型磁传感器探头体积较大、磁致伸缩材料与光纤结合不紧密、消耗功率大的问题，提出了一种基于磁致伸缩效应的多层结构光纤干涉型磁传感器探头。本发明将提供一种光纤干涉型磁传感器探头，包括干涉仪传感臂、干涉仪参考臂、输入保偏光纤、Y波导集成光学器件、保偏光纤耦合器、两路输出保偏光纤和跑道型骨
^K O所述干涉仪传感臂由若干多层膜结构段和若干裸光纤段相互间隔、交替连接构成。多层膜结构段的各段完全相同，都是镀膜的保偏光纤；多层膜结构段从保偏光纤纤芯往外依次是磁致伸缩材料膜层、绝缘材料膜层和螺旋状线圈层；螺旋状线圈层为高电导率金属材质做成的线圈，相邻两段多层膜结构段的线圈的螺旋状旋进方向相反。裸光纤段为保偏光纤，各段完全相同。相邻两段多层膜结构段的线圈在裸光纤段以串接方式连接。线圈的两端引线分别位于干涉仪传感臂的两端。干涉仪传感臂的输入输出端即是多层膜结构段的保偏光纤纤芯和裸光纤段相互串联形成的一条保偏光纤的输入输出端。所述干涉仪参考臂由保偏光纤做成，长度与干涉仪传感臂相等。干涉仪传感臂与干涉仪参考臂并排缠绕并固定在跑道型骨架上。缠绕时，干涉仪传感臂的多层膜结构段位于跑道型骨架的直线跑道部分，裸光纤段位于跑道型骨架的弯道部分。所述跑道型骨架采用绝缘非磁性材料制作，内开有空腔，用于放置Y波导集成光学器件和保偏光纤耦合器。输入保偏光纤的一端连接在Y波导集成光学器件的输入端。Y波导集成光学器件的两个输出端分别连接干涉仪传感臂和干涉仪参考臂的一端，干涉仪传感臂和干涉仪参考臂的另外一端分别连接在保偏光纤耦合器的两个输入端。两根输出保偏光纤的一端分别连接保偏光纤耦合器的两个输出端。作为本发明的进一步改进，本发明中所述跑道型骨架，其直线处跑道略向外拱。使用时，与本发明所述光纤干涉型磁传感器探头连接的外部设备包括激光器、光电探测器、交流电压源(或电流源)和控制电压。连接方式为输入保偏光纤连接到激光器的输出；两路输出保偏光纤分别连接两个光电探测器；Y波导集成光学器件电极与外部的控制电压连接；干涉仪传感臂的线圈引线和外部的交流电压源或电流源连接。本发明的有益效果是采用光纤和磁致伸缩材料镀膜方式，使磁致伸缩材料与光纤结合更为紧密，光纤在磁场作用下的变形充分，使探头灵敏度提高；采用在光纤上制作螺旋状线圈层代替现有的螺线管线圈，产生交流或直流磁场对被测磁场进行调制，使探头体积减小、线圈消耗功率降低。


图1是本发明某一具体实施方式
提供的光纤干涉型磁传感器探头结构示意图；图2是本发明的进一步改进的某一具体实施方式
提供的光纤干涉型磁传感器探头结构示意图；图3是本发明某一具体实施方式
中干涉仪传感臂结构示意图；图4是本发明某一具体实施方式
中干涉仪传感臂镀膜段的截面示意图。1-跑道型骨架，2-Y波导集成光学器件，3-保偏光纤耦合器，4-输入保偏光纤，5-Y 波导集成光学器件电极引线，6-干涉仪传感臂，7-干涉仪参考臂，8-干涉仪传感臂线圈引线，9-输出保偏光纤，10-干涉仪传感臂多层膜结构段，11-干涉仪传感臂裸光纤段，12-干涉仪传感臂螺旋状线圈，13-保偏光纤纤芯，14-磁致伸缩材料膜层，15-绝缘材料膜层， 16-螺旋状线圈层。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。图1是本发明某一具体实施方式
提供的光纤干涉型磁传感器探头结构示意图。如图所示，本具体实施方式
包括跑道型骨架1、Y波导集成光学器件2、保偏光纤耦合器3、输入保偏光纤4、干涉仪传感臂6，干涉仪参考臂7，输出保偏光纤9。跑道型骨架1采用绝缘非磁性材料(尼龙，聚四氟乙烯等)制作，其形状是截面为跑道型的柱体。干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7缠绕在跑道型骨架1的外表面。跑道型骨架1的中心开有两个空腔，一个空腔放置Y波导集成光学器件2，另一个空腔放置保偏光纤耦合器3。输入保偏光纤4的一端连接在Y波导集成光学器件2的输入端，另一端连接外部激光器。干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7的一端分别连接Y波导集成光学器件2的两个输出端，干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7经过缠绕在跑道型骨架1后，另外一端分别连接保偏光纤耦合器3的两个输入端。两根输出保偏光纤9的一端分别连接在保偏光纤耦合器3的输出端，另一端分别连接外部光电探测器。图2是本发明的进一步改进的某一具体实施方式
提供的光纤干涉型磁传感器探头结构示意图。如图所示，本具体实施方式
包括跑道型骨架1、γ波导集成光学器件2、保偏光纤耦合器3、输入保偏光纤4、Υ波导集成光学器件电极引线5，干涉仪传感臂6，干涉仪参考臂7，干涉仪传感臂线圈引线8，输出保偏光纤9。跑道型骨架1采用绝缘的非磁性材料 (尼龙，聚四氟乙烯等)制作，跑道型骨架1其直线跑道略向外拱，以便于传感臂变形。干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7缠绕在跑道型骨架1的外表面。跑道型骨架1的中心开有两个空腔，一个空腔放置Y波导集成光学器件2，另一个空腔放置保偏光纤耦合器3。输入保偏光纤4的一端连接在Y波导集成光学器件2的输入端，另一端连接外部激光器。干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7的一端分别连接在Y波导集成光学器件2的两个输出端，干涉仪传感臂6和干涉仪参考臂7的另外一端分别连接在保偏光纤耦合器3的两个输入端。两根输出保偏光纤9的一端分别连接在保偏光纤耦合器3的输出端，另一端分别连接外部光电探测器。图3是本发明某一具体实施方式
中干涉仪传感臂结构示意图。如图所示，包括干涉仪传感臂多层膜结构段10、干涉仪传感臂裸光纤段11。干涉仪传感臂多层膜结构段10 从保偏光纤纤芯往外依次是磁致伸缩材料膜层、绝缘材料膜层，螺旋状线圈12。干涉仪传感臂多层膜结构段10与干涉仪传感臂裸光纤段11间隔排列，干涉仪传感臂多层膜结构段 10的长度与跑道型骨架1的直道段相等，干涉仪传感臂裸光纤段11的长度与跑道型骨架1 的弯道段相等。相邻的两个干涉仪传感臂多层膜结构段10的螺旋状线圈12的旋进方向相反，并且相邻螺旋状线圈12经过裸光纤段11以串联方式连接。图4是本发明某一具体实施方式
中干涉仪传感臂多层膜结构段的截面示意图。如图所示干涉仪传感臂多层膜结构段10的截面从内向外依次为保偏光纤纤芯13、磁致伸缩材料膜层14、绝缘材料膜层15、螺旋状线圈层16。可以采用下述步骤制作本发明。第一步选择尼龙，聚四氟乙烯等绝缘非磁性材料制作跑道型骨架1，外表面抛光，在柱体内部制作两个长方形的空腔；第二步将干涉仪传感臂6的保偏光纤放置在有机溶液中，去除光纤表面的涂覆层，并在烘干机中充分干燥；用长度等于跑道型骨架1弯道长度的铝箔纸将裸光纤分段包裹，每段间隔跑道型骨架1直道长度；第三步采用磁控溅射方法在已经过处理的干涉仪传感臂6的光纤上制备具有磁致伸缩性能的软磁材料薄膜；第四步去掉覆盖在干涉仪传感臂6上的铝箔，采用真空蒸镀或磁控溅射方法再次在干涉仪传感臂6的光纤上制备绝缘材料(氧化硅、氮化硅等)薄膜；第五步采用真空蒸镀或磁控溅射方法再次在干涉仪传感臂6的光纤上制备良高电导率金属材质(银、铜等)薄膜；第六步采用激光刻蚀工艺在已制备的干涉仪传感臂多层膜结构段10上制备微米级螺距的圆柱面螺线线圈，相邻两段保留微米级宽的金属薄膜作为连接两段的导线，并且螺线旋进方向相反；干涉仪传感臂6制备完成；第七步截取与干涉仪传感臂6相同长度的同类型光纤，构成干涉仪参考臂7，将干涉仪参考臂7和干涉仪传感臂6并排缠绕在跑道型骨架上，缠绕时，干涉仪传感臂7的多层膜结构段位于跑道型骨架1的直线跑道部分，裸光纤段位于跑道型骨架1的弯道部分。在跑道型骨架1的弯道处用胶(如502胶等)将干涉仪参考臂7和干涉仪传感臂6粘在骨架 1上。第八步将干涉仪传感臂6与干涉仪参考臂7的一端连接在Y波导集成光学器件 2的输出端，另一端连接在保偏光纤耦合器3的输入端；第九步输入保偏光纤4的一端连接在Y波导集成光学器件2的输入端，一端放置在跑道型骨架1外部；第十步输出保偏光纤9 一端连接在保偏光纤耦合器3的输出端，另一端放置在跑道型骨架1外部；第十一步将干涉仪传感臂线圈引线8的末端放置跑道型骨架1外部；将Y波导集成光学器件电极引线5的末端放置在跑道型骨架1外部，本发明结构制作完毕。
权利要求
1.一种光纤干涉型磁传感器探头，包括干涉仪参考臂(7)、输入保偏光纤G)、Y波导集成光学器件O)、保偏光纤耦合器(3)、两路输出保偏光纤(9)和跑道型骨架(1)，其特征在于，还包括干涉仪传感臂(6)；所述干涉仪传感臂(6)由若干多层膜结构段(10)和若干裸光纤段(11)相互间隔、交替连接构成；多层膜结构段(10)的各段完全相同，都是镀膜的保偏光纤；多层膜结构段(10)从保偏光纤纤芯(13)往外依次是磁致伸缩材料膜层(14)、 绝缘材料膜层(1 和螺旋状线圈层(16)；螺旋状线圈层(16)为高电导率金属材质做成的线圈，相邻两段多层膜结构段(10)的线圈的螺旋状旋进方向相反；裸光纤段(11)为保偏光纤，各段完全相同；相邻两段多层膜结构段(10)的线圈在裸光纤段(11)以串接方式连接； 线圈的两端引线分别位于干涉仪传感臂(6)的两端；干涉仪传感臂(6)的输入输出端即是多层膜结构段(10)的保偏光纤纤芯(1 和裸光纤段相互串联形成的一条保偏光纤的输入输出端；所述干涉仪参考臂(7)由保偏光纤做成，长度与干涉仪传感臂(6)相等；干涉仪传感臂(6)与干涉仪参考臂(7)并排缠绕并固定在跑道型骨架(1)上；缠绕时，干涉仪传感臂 (6)的多层膜结构段(10)位于跑道型骨架(1)的直线跑道部分，裸光纤段(11)位于跑道型骨架的弯道部分；所述跑道型骨架(1)采用绝缘非磁性材料制作，内开有空腔，用于放置 Y波导集成光学器件( 和保偏光纤耦合器(3)；输入保偏光纤(4)的一端连接在Y波导集成光学器件O)的输入端；Y波导集成光学器件O)的两个输出端分别连接干涉仪传感臂 (6)和干涉仪参考臂(7)的一端，干涉仪传感臂(6)和干涉仪参考臂(7)的另外一端分别连接在保偏光纤耦合器(3)的两个输入端；两根输出保偏光纤(9)的一端分别连接保偏光纤耦合器⑶的两个输出端。
2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉型磁传感器探头，其特征在于所述跑道型骨架 (1)，其直线处跑道略向外拱。
全文摘要
本发明提供一种光纤干涉型磁传感器探头，包括干涉仪传感臂、干涉仪参考臂、输入保偏光纤、Y波导集成光学器件、保偏光纤耦合器、两路输出保偏光纤和跑道型骨架。干涉仪传感臂由若干多层膜结构段和若干裸光纤段相互间隔、交替连接构成。多层膜结构段都是镀膜的保偏光纤，从保偏光纤纤芯往外依次是磁致伸缩材料膜层、绝缘材料膜层和螺旋状线圈层。裸光纤段为保偏光纤。相邻两段多层膜结构段的线圈在裸光纤段以串接方式连接。所述干涉仪参考臂由保偏光纤做成。干涉仪传感臂与干涉仪参考臂并排缠绕并固定在跑道型骨架上。跑道型骨架内开有空腔，放置Y波导集成光学器件和保偏光纤耦合器。本发明的有益效果是灵敏度提高、体积减小、消耗功率低。
文档编号G01R33/032GK102269802SQ20111019586
公开日2011年12月7日 申请日期2011年7月13日 优先权日2011年7月13日
发明者张琦, 李季, 潘孟春, 田武刚, 罗诗途, 辛建光, 陈棣湘 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学