收稿日期：2005-01-11
基金项目：国家自然科学基金资助项目（60377029） 作者简介：张学亮（1975-），男，山西人，讲师，博士生，主要从事光纤传感与光纤器件研究。 文章编号：1004-2474（2006）04-0384-03
张学亮，倪 明，孟 洲，李智忠，胡永明
（国防科技大学光电科学与工程学院，湖南长沙410073）
摘 要：通过直流磁控溅射镀膜，将磁致伸缩材料———铽镝铁被覆在一段去掉保护层的保偏光纤上，得到铽镝
铁被覆保偏光纤结构的磁传感单元。采用保偏光纤及保偏光纤器件，建立马赫-曾德尔光纤干涉仪，
将铽镝铁被覆保偏光纤结构的磁传感部分接在干涉仪的一臂中间，另一臂中接入保偏光纤绕制的压电陶瓷调制器进行光纤干涉系统的相位控制。该系统通过压电陶瓷调制器将相位控制在正交工作点上，解决 了系统的相位衰落；全保偏光纤结构有效控制了系统偏振诱导的信号衰落，实现了系统对信号的稳定检测。实验得到了系统在不同大小直流偏置 磁场作用下的磁场响应特性，结果表明，较大直流偏置磁场可使系统响应灵敏度提高约20倍，
最小可测的交流磁场信号达到2.2×10-8
T 。
关键词：光纤光学；保偏光纤；磁场传感；磁致伸缩；铽镝铁
中图分类号：
TP212.1 文献标识码：A Study of Polarization Maintaining Fiber Magnetic Field Sensor with
Magnetostrictive Material Jacket
ZHANG Xue-liang ，NI Ming ，MENG Zhou ，LI Zhi-zhong ，HU Yong-ming
（College of Optoelectro Science &Engineering ，National University of Defense Technology ，Changsha 410073，China ）
Abstract ：Optical fiber magnetic field sensor is obtained by coating the TbDyFe film around the naked polarization
maintaining fiber by mean of DC magneton sputter technology.An all polarization maintaining fiber （PMF ）M-Z interferom-eter has been manufacfured with PMF and PMF components ，克莱斯勒pt巡洋舰
which has succeeded in controlling the phase and the polariza-tion induced signal fading.Responses to magnetic field of the system have been measured with weak and strong DC bias magnetic field ，proving that the strong DC bias magnetic field can raise the response of this system to the level of about twentyfold.The smallest AC magnetic field signal of 2.2×10-8T can be obtained in this system.
Key words ：fiber optics ；polarization maintaining fiber ；magnetic field sensing ；magnetostrictive ；TbDyFe
光纤磁场传感器以其特有的电绝缘、抗干扰及较高灵敏度特性，在工业、医学以及军事领域受到研究人员的广泛关注。早在上世纪80年代初，亚里夫等人就提出了磁致伸缩材料被覆光纤的磁场传感器结构，并从理论上预测了其交流磁场信号可能达到
10-16T 的最小可检测灵敏度［1］
。
该结构紧凑小巧，
但由于材料与光纤的结合效果以及材料伸缩效率等因素，其没能得到较好地发展。美国海军实验室采用片状或带状磁致伸缩材料研制了光纤磁场传感
器
［2-4］
，其信号达到了10-9T 量级的检测水平，用于水下磁场阵列探测系统，取得了很好的效果。我国
在光纤磁场传感领域开展了一系列工作［5］
，并取得
一定的成果。但这些光纤磁传感器的光纤系统是由普通单模光纤构成，存在着偏振态不稳定性，而处理该不稳定性的结果可能会使整个系统更加复杂。
铽镝铁（TbDyFe ）超磁致伸缩材料的出现使人们又回头探索被覆光纤结构的光纤磁传感器。在工
作中，采用直流磁控溅射镀膜法将磁致伸缩材料TbDyFe 均匀镀在一段去掉外包层的保偏光纤上，形
成TbDyFe 薄膜被覆保偏光纤结构的光纤磁场传感单元。将其接入全保偏马赫-曾德尔光纤干涉仪的一臂中间，通过接在另一臂中的由保偏光纤绕制的压电陶瓷调制器进行相位控制，使系统相位控制在正交工作点上，解决了系统由温度等外界噪声引起的相位衰落；全保偏光纤结构有效地杜绝了其他系统由于光纤随机双折射等原因引起的偏振诱导信号衰落。这样就实现了稳定的基于铽镝铁薄膜被覆保偏光纤结构的交流磁场传感。实验检测了系统在不同直流偏置磁场作用下的频率响应以及幅度变化响应特性，结果表明系统在2～10kHz 频率范围内具有较平坦的响应，测量的幅度响应也具有很好的线性特性，大直流偏置磁场使响应提高了约20倍，系统最小可测交流磁场达2.2×10-8T 。
第28卷第4期压 电 与 声 光
Vol.28No.42006年8月
PIEZOELECTECTRICS &ACOUSTOOPTICS
Aug.2006
1 全保偏光纤磁场传感系统
1.1 磁致伸缩材料被覆光纤结构
在上世纪八、九十年代，磁致伸缩材料在光纤磁场传感领域受到了很大重视。最初提出的光纤磁传感结构就是磁致伸缩材料作为包层被覆在光纤表面的结构。随后，材料研究的发展驱使人们更多地采用了光纤粘附片状材料等其他结构。考虑到当前的TbDyFe 合金有很大的磁致伸缩系数，通过镀膜技术将该材料被覆在光纤上会获得紧凑小巧的磁传感探头。就此，我们用直流磁控溅射镀膜设备，将TbDy-Fe 材料均匀镀在光纤表面。设备中加装了可旋转光纤的装置，这使光纤在镀膜过程中以一定速度旋转，保证了材料均匀被覆光纤。另外，为保证光纤干涉仪系统为全保偏结构，这里的光纤也选用保偏光纤，最终可得磁致伸缩材料被覆保偏光纤结构的光纤磁传感探头。磁致伸缩材料被覆光纤结构如图1所示。这里使用的保偏光纤直径为（去掉包层后）∅125µm 的熊猫型保偏光纤；
成膜厚约2µm ，镀膜的光纤长约10cm
。
图1 磁致伸缩材料被覆光纤的结构
1.2 保偏光纤磁传感系统
采用保偏光纤以及保偏光纤器件搭建成马赫-曾德尔全保偏光纤干涉仪。光源选用稳定化分布反馈式（DFB ）半导体激光器，激光器的光经过消光比为30dB 的保偏光纤偏振器起偏后，注入全保偏光纤干涉仪。这里构成光纤干涉仪的两个保偏光纤耦合器分束比为0.5，偏振保持能力不小于20dB ；PZT 压电陶瓷相位调制器的偏振保持能力同样不小于20dB 。磁致伸缩材料被覆光纤接在干涉仪的一臂中，通过细致控制干涉仪两臂长度，使两臂长度差不大于3mm ，以保证干涉仪内两臂的光很好地相干。耦合器输出的干涉信号经探测器探测后得到电信号，再通过放大处理后输入计算机。通过计算机进行信号处理，即得到待测的磁场信号。通过采用以上较高性能的器件以及准确的光纤熔接，可得到的系统干涉可见度在0.95以上。
本实验系统中，采用螺线管施加实验需要的不同频率、不同大小的磁场信号，螺线管的电流信号由精密信号源提供。该螺线管单位长度的匝数n =900匝/m ，产生的磁场强度为H =nI 。实验需要的较大的直流磁场偏置用永磁体装置施加，该装置中心的磁场大小为0.01T 。磁致伸缩材料被覆光纤
的磁传感段准直放在螺线管内中心位置。总体结构如图2
十八和谐综合区
所示。
图2 保偏光纤磁传感系统
光福7号1.3 系统原理
马赫-曾德尔全保偏光纤干涉仪输出的合成总光强为
I 0=I 1+I 2+2I 1I ヘ2cos （φs +φn +φPZT +φ0）（1）式中 I 1、I 2分别为干涉仪两臂的光强；φs 为信号引起的相位变化；φn 为各种干扰和噪声；φPZT 为压电陶瓷调制器产生的相位变化；φ0为初始相位。所有上面四项相位都指干涉仪两臂的相位差信号。
在式（1）基础上，考虑偏振以及电噪声影响的光信号经光电转换后可写成：
V 0=V ［1+k cos （φs +φn +φPZT +φ0）］+V n
（2）
式中 V 0为输出的电压信号；V 为信号幅度；k 为干涉仪的可视度；V n 为电路附加噪声。
由式（2）可见，k 的稳定性直接影响信号的稳定采集。本系统采用全保偏光纤构成，有效地保证了系统中传输光的偏振稳定，抑制了偏振诱导的信号衰落。同时选用了性能稳定的保偏光纤耦合器和偏振器，进而保证k 尽量接近1，并在测量过程中稳定不变。
由于光纤两臂差一直受外界振动和温度变化作用，干涉系统在自然状态下（不进行工作点控制）的输出结果会存在很多噪声，为此需要对系统进行必要的控制。本系统在干涉臂中加入了用保偏光纤绕制的压电陶瓷相位调制器，采用相位补偿法，即工作
点控制法［6］
来消除温度等造成的影响。具体操作：
由计算机A /D 采集系统输出，再由D /A 适当改变压电陶瓷调制器上的电压，使φn +φPZT +φ0=π/2，可获得稳定的传感信号为
V 0=V （1+k sin φs ）+V n
（3）
当待测信号存在并很小时，有sin φs ≈φs 。考虑到一般的待测信号为频率信号，可针对待测信号频率的带通滤波，即得 φs =V 0/（V ・k ）（4）
1.4 实验分析
系统以Labview 软件为工作平台，采样率为100kHz ，
采样点数为10240。实验中检测了全保偏光 第4期张学亮等：磁致伸缩材料被覆保偏光纤磁场传感研究385
纤交流磁场传感系统的输出信号，并将信号变换为频域信号，以便于实验测量的直观观察。如式（4），V 与k 由系统实时测量，供计算信号大小使用。
图3是在永磁体直流磁场偏置下、
在系统传感头上施加磁场幅度大小为4.5×10-4T 、频率为4300Hz 的磁场信号检测所得的系统响应。此次测量中，V =2.79V ，k =0.98。
图3 系统对磁场为4.5×10-4T 、频率
为4300Hz 的信号的响应
该信号的幅度为0.056V 。由式（4）可得，实验系统对该信号的响应大小为0.02048rad 。
磁致伸缩材料被覆全保偏光纤交流磁场传感系统的相位灵敏度，也是其绝对灵敏度，定义为单位磁感应强度引起的光纤相位变化，表示为
M b =φ/B （5）则该全保偏光纤交流磁场传感系统对4300Hz 信号的相位灵敏度为45.51rad /T 。
通过使信号发生器发出的信号保持一定的幅度大小不变，经放大器放大后施加在螺线管上，即保持施加在系统传感头上的磁场幅度大小保持不变。改变信号发生器的输出信号频率，实验系统检测相应的不同频率信号的响应，得到系统的频率响应特性。通过配置永磁体装置或移走永磁体装置，得到了由永磁体装置产生的较强直流磁场偏置或环境中地磁场产生的弱直流磁场偏置下的频率响应特性，结果如图4
所示。
图4 系统在弱直流磁场偏置和强直流磁场
偏置作用时的频率响应特性
由图4可见，系统在地磁场产生的弱直流磁场偏置作用下对交流磁信号已有一定的响应。在1kHz 以下的频率范围内，由于受低频噪声和1/f 噪声影响，没有检测到有效信号；在1kHz 以上的较大频率范围内则有较平坦的响应，即没有明显的大的磁力共振峰出现，仅隐约可见一些小的峰值。当施
夏日原野上的追赶
加大小为0.01T 的永磁体直流磁场偏置后，该系统响应在200Hz 起就能检测到较大的信号响应。两组测量结果相比，大的直流偏置磁场使部分频率的信号响应得到了放大，而有些频率上的信号响应仍和弱偏置磁场作用时的响应几乎一样。因此，可以认为大的直流偏置磁场提升了共振峰的响应幅度，而对于非共振区域则没有作用。另外，在图4（b ）中至少有将近10个大小不等的共振峰。据此认为，包裹在光纤上的铽镝铁磁致伸缩材料在纵向并不均匀，根据该段光纤上材料各处的均匀程度可分为若干段，各段都具有各自的磁力共振峰，频率响应的结果为图4（b ）中众多共振峰共存的分布情况。
选择4kHz 频率信号，改变磁场信号幅度，系统检测到不同幅度信号作用下的响应特性曲线，如图5所示。为了方便起见，在图5中的横坐标直接用螺线管回路中的电流大小表示。该螺线管单位长度的匝数n =900匝/m ，相应的磁场强度可由公式H =nI 得到。由图可见，在不同直流磁场偏置下，系统对信号幅度的响应都具有较好的线性；强直流磁场偏置使同样幅度的信号响应增加了约20
倍。
图5 系统在弱直流磁场偏置作用和
强直流磁场偏置作用时
本实验系统在500Hz 以上的频率范围内的噪声本底（没有信号时系统的响应）为10-6rad ，因此，根据系统的相位灵敏度计算可得，该系统最小可测到幅度为2.2×10-8T 的交流磁场信号。
3 结束语
本文采用直流磁控溅射镀膜技术将铽镝铁材料均匀镀在一段去掉外包层的保偏光纤上，形成铽镝铁薄膜被覆保偏光纤结构的光纤磁场传感单元。将其接入全保偏马赫-曾德尔光纤干涉仪的一臂中间，
构成干涉型全保偏光纤磁场传感系统。另一臂中的保偏光纤结构的压电陶瓷调制器将系统相位在控制正交工作点上，解决了系统由温度等外界噪声引起的相位衰落；全保偏光纤结构有效地杜绝了其他系统存在的偏振衰落。这样就实现了稳定的基于铽镝
（下转第389页）
386压 电 与 声 光2006年
式中λ
B11为FBG
1
受压力后输出的中心波长；λ
B12
为FBG
2
受拉力后输出的中心波长；µ为FBG横向
泊松比；ε
z
为轴向应变（当光栅受拉力时取“+”，反之取“-”）。
由式（7）、（8）得到FBG
1和FBG
2
的中心波长
差为
Δλ=Δλ2-Δλ1=2λB1｛1-n2
eff
2
［（1-
µ）P12-µP11］｝εz（9）所以
Δλ=2K
ε
λB1εz（10）由于工程测量中，FBG的应变灵敏度为2×10-3nm/µε，而温度灵敏度为0.03nm/℃，可见在加速度测量时，温度补偿十分重要。由式（10）可知，利用FBG的测量结构能很好地对温度进行补偿，并且对应变测量的灵敏度比单光纤光栅提高了2倍。通过测量两个光纤光栅的中心波长得其波长差是本传感探头设计的主要思想。
4 结束语
光纤光栅因其自身的波长编码特点和对温度、应变敏感的特性，在传感领域得到了很好的发展。将光纤光栅组成分布式传感网络进行加速度测量，
对大型构件、建筑等实施多点信号检测、故障报警有着重要的实用价值。本文结合副载波调频、波分复用技术提出了一种分布式光纤布喇格的加速度测量系统，同时设计了FBG的加速度传感探头结构，其探头尺寸小，质量轻，而且能自动补偿温度噪声，测量灵敏度比单光纤光栅提高了2倍，有着广泛的应用前景。
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==============================================
131-134.
（上接第386页）
铁薄膜被覆保偏光纤结构的交流磁场传感。该磁场传感系统在地磁场偏置下，频率为2～10kHz时具有较平坦的响应，测量的幅度响应也具有很好的线性特性；在0.01T的较强直流磁场偏置下，在2～10 kHz频率范围内部分区域的响应得到大幅度提升，对4kHz信号的幅度响应也提高了约20倍，系统最小可检测到幅度为2.2×10-8T的交流磁场。
该系统响应磁场的相位灵敏度还较低，但根据铽镝铁材料的直流偏置特性，适当地提高直流偏置磁场的大小可得到更好的效果。另外，实验中的铽镝铁材料被覆光纤的镀制受镀膜条件的限制，只镀得10cm长，镀膜均匀性也相对较差，因而在频率响应中出现较多的峰值，这需要对今后的镀膜工艺工作进行必要的改进来实现更加均匀的传感光纤。若能适当提高镀膜被覆光纤的质量，就可能消除过多的杂乱的共振峰，进一步提高响应。全保偏光纤系统以及铽镝铁磁致伸缩材料被覆保偏光纤结构的传感探头是一种新材料应用的探索，对相关磁致伸缩类的光纤磁场传感具有一定的参考价值。
致谢：对国防科技大学材料系的同志在铽镝铁
材料镀膜实验中的帮助表示感谢。
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第4期李国利等：基于双光纤光栅的加速度传感探头结构的设计389
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