基于法拉第效应的光纤磁场传感技术.pdf

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1、第4卷第4期解放军理工大学学报(自然科学版)VOl.4NO.42003年8月JOurnalOfPLAUniverSityOfScienceandTechnOlOgyAug.2003文章编号,1009-3443(2003)04-0027-04基于法拉第效应的光纤磁场传感技术周胜军,崔敏,闻传花(解放军理工大学通信工程学院,江苏南京210007)摘要,针对亚铁磁材料阐述了基于法拉第效应测量磁场的理论基础,讨论了传感器的响应特性和方向性,并分析了传感器的频率响应和噪声特性,对于3mm长的YIG(YttriumIrOnGarnet)样品,当B{60mT时,

2、传感器的输出为线性而且没有滞后作用;在80~Z的频率点的噪声相当于10nT/~~Z磁场,传感器的频率响应在2.5M~Z~700M~Z以内是基本平直的,这些指标说明基于法拉第效应的光纤磁场传感器适合脉冲磁场的测量,关键词,光纤传感;磁场;法拉第效应中图分类号,TN913.7文献标识码,AMagnetic-fieldSensingTechni

3、fSci.8Tech.,Nanjing210007,China)Abstract,Magnetic-fieldSenSOrSbaSedOntheFaradayeffectiSdemOnStrateduSingferrOmagneticirOngar-netS.TheSenSOrreSpOnSeanddirectiOnalityarediScuSSed,andnOiSeeguivalentfieldandfreguencyre-SpOnSeareanalyZedreSpectively.FOrB{60mT,linearityandnOhyStereS

4、iSareeXhibited.Signal-tO-nOiSemeaSurementSat80~ZOnSmall(typically5mmdiameter>3mmlOng)SampleSOfyttriumirOngarnet(YIG)yieldnOiSeeguivalentmagneticfieldSOf10nT/~~Z.FreguencyreSpOnSemeaSurementSeXhibitvirtuallyflatreSpOnSetOapprOXimately700M~Z.KeyWOrds,fiberSenSing;magneticfield;F

5、aradayeffect法拉第效应正越来越多地应用在磁场传感上,范围和稳定性等指标,钇铁石榴石(YIG)不仅具有由于法拉第型传感器的传感头结构简单,无需外加很好的磁光特性,其灵敏度比其他材料高出二三个电源且不涉及电流传导,所以传感器系统具有尺寸数量级,而且具有较好的频率响应特性和较低的光小~精度高~灵敏度好~动态范围大和响应快速的优损失;通过对材料的组分进行调整,可以进一步提高点,适合于高电压电缆的故障检测和在需要电火花灵敏度和温度稳定性[2],防护的危险环境下测量磁场[1],本文对采用YIG的法拉第型光纤磁场传感器磁场传感器所使用的磁光晶体性能对

6、传感器的进行了理论分析,并对其主要特性进行了研究,性能起着决定性的作用,近年来,国内外对多种磁光材料进行了研究,金属玻璃和半导体晶体都已经在l亚铁磁材料的法拉第效应测量磁场传感器中作为传感元件,如ZnSe晶体~掺Tb玻璃~的理论基础CdMnTe晶体,虽然采用这些磁光材料可以改善传感器的灵敏度,但会不同程度地牺牲传感器的频率在亚铁磁物质中,如果存在外加磁场,则物质内部的磁畴将排列成有序的磁场偶极子,在其中传播收稿日期,2002-12-16.作者简介,周胜军(1971-),男,博士生.的线偏振光的偏振面将发生旋转,法拉第旋转角度28解放军理工大学学报(

7、自然科学版)第4卷0F正比平行于光波的传播方向上磁场分量O如果晶体周围的磁场发生变化时0也会发生相应变化Fz传感器的响应偏振面旋转角0可以表示为[3]F,在波长/=1.3~m处是YIG样品法拉第旋转Sat0F=V(/T)Hdl(1)效应非常明显的区域位于YIG样品吸收波长(/=式(1)中/是真空中的光波长T是传感元件周围[5]1~m)之上O对直径5mm的圆柱体长度为3mm的温度V是亚铁磁物质的Verdet常数它与绝对的YIG晶体施加通量密度从0~320mT的磁场温度T和光波长/有关H是光信号传播方向上的/=1.3~m波长处YIG单晶体(Y3Fe50

8、12)的响应特磁场强度O由式(1)可知法拉第旋转角度0Sat由F性如图2所示OVerdet常数和磁光材料的工作长度l给出O