(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210832672.3 (22)申请日 2022.07.14 (71)申请人 重庆大学 地址 400044 重庆市沙坪坝区沙坪坝正 街 174号 (72)发明人 欧阳希　周湶　陈明浩　陈伟根　 李剑　王有元　杜林　王飞鹏　 谭亚雄　万福　黄正勇　 (74)专利代理 机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 1 1275 专利代理师 赵荣之 (51)Int.Cl. G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 基于磁光晶体-光栅复合结构的光纤磁场- 温度双参数传感器系统 (57)摘要 本发明涉及一种基于磁光晶体 ‑光栅复合结 构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器系统， 属于光 学传感器技术领域， 包括磁光晶体 ‑光栅复合结 构传感单元、 光路测量系统、 磁场 ‑温度双参数解 调系统； 窄带激光光源发射出窄带激光， 经过消 偏器后转变成无偏振态， 并经过环形器入射至磁 光晶体‑光栅复合结构传感单元的感温光纤光栅 进行反射、 透射； 反射光传递至单路光探； 透射光 通过准直器传输至偏振片， 经过磁光晶体进入偏 振分光棱镜分解成两束垂直的线偏光， 通过两个 准直器传递至平衡双路光探； 磁场 ‑温度双参数 解调系统进行采集管理； 通过温度 ‑磁场双参数 解调算法获取被测点的温度、 磁场信息并进行磁 场补偿。 权利要求书3页 说明书9页 附图3页 CN 115200643 A 2022.10.18 CN 115200643 A 1.一种基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器系统， 其特征在 于： 包括磁光晶体 ‑光栅复合结构传感单 元、 光路测量系统、 磁场 ‑温度双参数解调系统； 所述光路测量系统包括窄带激光光源、 消偏器、 环形器、 传感单元、 单路光探、 平衡双 路 光探； 所述的磁光晶体 ‑光栅复合结构传感单元包括磁光晶体、 偏振片、 偏振分光棱镜、 准直 器、 感温光纤光 栅； 所述窄带激光光源发射出窄带激光， 经过消偏器后转变成无偏振态， 并经过环形器入 射至磁光晶体 ‑光栅复合结构传感单元的感温光纤光栅进行反射、 透射； 其中反射光传递至 单路光探中以探测反射光的大小； 透射光通过准直器传输至偏振片上进行起偏， 所获取 的 偏振光继续经过磁光晶体在磁场调制下偏振方向发生旋转， 再进入偏振分光棱镜分解成两 束垂直的线偏光， 两束线偏光通过两个准直器输入光纤中， 传递至平衡双路光探中进行双 路光强的探测； 所述磁场 ‑温度双参数解调系统通过多路光强数据采集与处理单元对单路光探和平衡 双路光探的光 强数据进 行多路同步采集， 并进行数字滤波、 光强数据的转换、 数据同步存储 管理； 通过温度 ‑磁场双参数解调算法对处理后的多路光 强数据进 行实时温度、 磁场双参数 解调， 以获取被测点的温度、 磁场信息； 并通过磁场测量温度补偿算法， 基于所获取到的温 度数据， 对未修 正的磁场数据进行实时补偿， 得到准确的磁场值。 2.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述磁光晶体的类型与结构尺寸根据被测磁场变化区间及灵敏度要求 进行选择， 关键性 参数包括磁光晶体的费尔德系数、 透光 率、 线性双折 射率、 厚度； 所述感温光纤光栅的类型与参数按照不同被测环境温度变化区间进行标准化设计与 制备， 其中关键性 参数包括中心波长、 最高反射 率、 带宽； 所述感温光纤光栅集成封装于准直器内部； 所述磁光晶体、 光纤光栅、 准直器、 偏振片 与偏振分光 棱镜通过微加工的方式制备， 并集成封装于细小的玻璃管内； 通过导热光学胶对所述磁光晶体 ‑光栅复合结构传感单元内部的各个器件进行固定， 并填充内部残余空气； 在所述磁光晶体 ‑光栅复合结构传感单元外部涂敷有一层绝缘高分 子胶。 3.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述磁光晶体 ‑光纤光栅复合传感单元运用磁光晶体的法拉第旋光效 应、 光纤光 栅的热光效应对磁场 ‑温度双参数进行感知； 所述感温光纤光 栅的中心波长随温度的变化关系如下： 其中， T0表示基准温度值， ξ表示FBG的热光系数， α 表示FBG的热膨胀系数， α ＜＜ξ， FBG的 热光系数和热膨胀系数均取决于材 料本体特性， 当材 料选定后可看作常数； 窄带激光射入感温光纤光栅后发生反射、 透射， 感温光纤光栅的中心波长由于热光效 应而随着温度的变化发生偏移， 光波中心波长的漂移改变窄带光的透射光强与反射光强， 并且当窄带光波的波长中心位于光栅反射谱的边沿线性区间时， 温度与反射光强I1、 透射 光强I2之间关系式表示 为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115200643 A 2I1＝k1T+b1 I2＝k2T+b2 其中， k1， k2， b1， b2分为反射光强、 透射光强与温度T之间的线性关系式的斜率、 截距， 基 于该表达式， 以支撑通过温度 ‑磁场双参数解调算法从反射光强或透射光强中解调出传感 器温度的值； 对感温光纤光栅的中心波长、 带宽、 最大反射系数进行多参数优化选择， 确定不同参数 对测温线性区间、 单位温度变化下波长漂移值与反射率光强变化值之间影响规律， 进而综 合优选出感 温光纤光 栅的参数并进行实际制备； 所述磁场感知利用磁光晶体在磁场作用下所引发的法拉第旋光效应， 磁光晶体中线偏 振光的偏振方向在磁光晶体中发生旋转， 且旋转角度 θ与所感知的磁场B呈现线性关系， 即： θ ＝V(T)BL 其中， V(T)为磁光晶体关于温度T的费尔德系数， L 为磁光晶体的通 光长度； 运用偏振分光棱镜将旋转后的线偏光转换成两束相互垂直偏振光并分离， 之后将两束 线偏光同时输入至平衡双路光探中测量两者光强值I2‑1与I2‑2； 偏振棱镜按照光轴方向与偏 振片的起偏方向以45度夹角进行布置， 两者 光强与旋光角的关系式表示 为： 基于该关系式， 以支撑通过温度 ‑磁场双参数解调算法计算出磁场值。 4.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述窄带激光光源具备中心波长可调功能， 根据感温光栅的反射光谱、 反射光强或透射光强与温度之 间关系式， 以及环 境温度变化区间确定出输入窄带光谱的中 心波长， 窄带光的中心波长需处于光 栅中心波长的左侧短波长区间内。 5.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述平衡双路光探测量两路输入光的各自光强大小以及两者在同增益 下的差值， 并分别转换成三路电信号进 行输出， 对比与外部信号作差的方法求解两者差值， 用于磁致旋光角 θ、 透射 光强I2的求解。 6.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述磁光晶体、 光纤光栅、 准直器、 偏振片与偏振分光棱镜集成并封装在 玻璃管里， 通过导热光学胶固定， 并在所述玻璃管的外 部涂覆有一层绝 缘高分子胶。 7.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述磁场 ‑温度解调算法从多路光强数据计算出实际被测点的磁场、 温 度大小； 其中， 温度解调算法基于温度与反射光强I1或透射光强I2之间关系式进行设计， 关 系式中各系 数大小通过理论与试验相结合方式计算得到， 并应用于温度解调算法， 从所采 集的光强数据中计算出实际温度值； 磁场解调算法根据平衡双路光探所测量两路光 强值与 旋光角之间关系式进行设计， 从采集的两路光纤数据中求 解出待修 正的磁场值。 8.根据权利要求1所述的基于磁光晶体 ‑光栅复合结构的光纤磁场 ‑温度双参数传感器 系统， 其特征在于： 所述的磁场测 量温度补偿算法将已经获得到的温度值对未修正的磁场 值进行补偿， 将所测 量的温度值带入至两路光强值与旋光角之间的关系式中， 修改原有磁 场解调算法中费尔德系 数的大小， 进而去除温度的干扰， 计算输出 的磁场值即为实际磁场权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115200643 A 3