最好是能用肉眼观察到光的变化，
或者用长光纤拉开旋转磁铁与电子元件的距离？ 如果“效应”随这个拉开的距离加长而减小， 就要考虑可能是旋转磁场对电子元件的影响了， 总之实验要尽量严格一点，免得空欢喜一场？

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土豆

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想提醒注意的是现在一些光纤磁强计就是用来测量微弱磁场的，
理论是利用的法拉第磁光效应，即磁场改变光的偏振面角度，
由于固体激光的偏振度都很高，
所以微小的磁场就会引起光纤内的激光偏振角发生变化，
这也可能会在某些情况下引起测量的微小变化？需要排除这种情况才好，

再就是要排除变化磁场对任何电子元件的影响，

☆2006-12-25 12:53:00

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刘武青
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可以用光纤磁强计来证明：光纤切割磁力线效应成立。

开始，让被测量的磁体静止不动，读出数据。

然后，让此同样被测量的磁体在原处作旋转运动，读出数据。

比较这两个数据的区别，证明了光纤切割磁力线磁致发光效应成立。

刘武青  http://www.cqfyl.com>

☆2006-12-26 10:38:0
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王黎蒙 张廷荣

中国电子科技集团公司第二十三研究所

摘要:本文介绍了将磁致伸缩材料铽(Tb)与光纤Bragg光栅相结合,用于磁场参数测量的方法,给出了H～ΔλB , H(B)～λB , ωt～H, ωt～ΔλB 的计算曲线；分析表明：该方法给出的磁场测量范围为10-4～10-1T量级,在1550nm和1310nm波长时最佳测量灵敏度分别为1.451×10-3 nm/Oe和1.226×10-3 nm/Oe。

关键词:磁场参数 光纤光栅 传感 测量

1.引言

磁性、磁场、磁作用等磁学问题是自然界广泛存在的一种物理现象,具有普遍性。日常生活、传统产业、高新技术、国防科技、生物医学等领域的许多场合都要对磁场进行准确、精密的测量。磁场测量有多种方法,例如：磁力法、电磁感应法、磁通门法、电磁效应法、磁共振法、超导效应法、磁光效应法等。光纤技术有许多突出的优点,人们已将它引入到磁场的传感与探测领域,已开发了光纤法拉第磁强计,干涉型光纤磁场传感器等。我们采用光纤光栅技术与磁致伸缩效应相结合的方法,用来测量弱磁场参数,除了光纤的探头小型化并且灵活多样、可远程检测、易联网、可复用等优点外,光纤光栅还具有重复性好、稳定性高、可进行绝对测量、不受光源光强随机起伏波动影响、对光路损耗不敏感等特点。我们的光纤光栅方法将为弱磁场参数的传感与检测增添一种新方法,使磁场测量的手段更加多样化,进一步丰富磁场传感內容。

2. 原理

图1.光纤光栅磁场参数传感测量系统示意图

根据光纤Bragg光栅(FBG)方程：

(1)

式中λB为光栅Bragg反射波长；整数m是光栅的干涉级；ncore为纤芯折射率；ΔnUV是由紫外光照射引起的折射率微扰,它是轴向z的周期(或非周期)函数,常见的有余弦型、高斯型等；Λ为光栅周期。

可以推导出FBG反射波长相对位移量表达式：

(2)

式中ne为光栅有效折射率,p11、p12为光纤光栅弹光系数,ν为泊松比,εz为光栅轴向应变,ξ为热光系数,α为热膨胀系数,ΔT为温度变化量。

由耦合模理论,光纤光栅的反射率可以表示为：

(3)

式中L光栅长度,χ耦合系数,Δβ=β-π/Λ,β=2πneff/λ,S=(χ2-Δβ2)1/2,Q=iS,在Δβ=0(λ=λB)时,有最大反射率Rmax=tanh2(χL)。

因此,我们可以求得图1中光谱仪或探测器接收到的光强：

(4)

其中：Io为光源输出光强,T12、T23是光环行器1→2、2→3端口的透过率,R是光栅的反射率。由于光强ID是反射波长λB的函数,当外界磁场作用使λB发生偏移时,相应的ID也产生变化；当反射率R最大时,对应的光强ID也最大。

通过合适的工艺手段,在光栅外层被覆一层铽(Tb)磁性材料,或在铽棒(板)中嵌入光栅,即可构成磁场参数的测量探头。对于稀土(4f族)磁性材料铽,文献[2]给出了T=78.7K低温条件下纵向磁致伸缩量(ΔL/L)与磁场强度H的实验曲线(见图2所示)；在外磁场平行于b轴时,我们可以用分段函数近似表示它们之间的数值关系：

(5)

即第一段(0-3000 Oe)用抛物线,第二、三段用直线来逼近。

在恒定的低温环境下测量时,ΔT=0,由上述(2)、(5)两式,我们可以求得磁场强度表达式：

(6)

其中

(7)

对于一定的光纤光栅,材料参数ne 、p11、p12 、ν均为某一常数,因此,由(6)式可知：在已知测量波长λB情况下,通过测量光纤光栅的反射波长位移量ΔλB,我们就可以求得磁场强度H和磁感应强度B=μoH值等。我们把磁场强度H(或磁感应强度B)表示为：

(8)

即磁场强度H(或磁感应强度B)可以分解成直流项和交流项之和。

3.计算结果与讨论

根据上节有关公式和文献[2]给出的实验曲线(图2),我们计算了H～ΔλB, H(B)～λB, ωt～H,ωt～ΔλB等曲线,见下列图3～图5所示。

图3 H～ΔλB关系曲线 (○:1550nm,△:1310nm)

图4 H(B)～λB关系曲线

△:H=HoSinωt; ○:H=HoCosωt .

图6 ωt～H关系曲线

△:Ⅰ段,Ho=1500 Oe;○:Ⅱ段,Ho=4000 Oe;□:Ⅲ段,Ho=12500 Oe.

图7 ωt～ΔλB 关系曲线

从上述曲线我们可以发现磁场参数H、B与λB 的关系是非线性的,而不是象通常光纤光栅型传感特性所描述的线性关系(如ΔλB(或λB)与ΔT,ΔλB(或λB)与εz一般均为线性关系)。这是由稀土磁性材料铽(Tb)的纵向磁致伸缩量(ΔL/L)与磁场强度H关系是非线性所决定的,这可以从图2或表达式(5)得到证实。图2的(ΔL/L)～H曲线可以近似认为由一段抛物线和两段直线构成,非线性主要由第一段(ΔL/L)∝ H2 所致。

铽(Tb)的原子序数65、是稀土(4f族)元素,室温下为六方晶体结构,具有螺旋磁性,磁各向异性,不同的晶轴具有不同的磁致伸缩量,是巨磁致伸缩材料之一。在低温条件下,沿基面具有很大的磁致伸缩量,约10-3数量级,是目前最大值之一,而常见的铁族(3d族)金属及合金材料的纵向磁致伸缩量仅为10-5～10-6数量级。

测量波长位移量ΔλB的方法有多种,如波长扫描法、光学滤波法、光束相干法等,我们采用光谱仪(或波长计)或DWDM加探测系统进行检测。如果反射波长位移量探测系统的波长分辨率为0.001nm,那么在1550nm和1310nm波长时最小可测量磁场强度分别为96.46 Oe和104.93 Oe；磁感应强度B的测量范围在1550nm和1310nm波长时分别为7.68×10-4 T～2.39×10-1 T和8.35×10-4 T～2.39×10-1 T,与应用光纤磁光效应方法的测量范围相同,都是10-4～10-1 T量级。如果进一步扩大磁致伸缩量,那么磁场的测量范围还可增大。在三个磁场区域内,我们的测量灵敏度在1550nm波长下分别为1.075×10-7nm/(Oe)2 (0～3000 Oe) ,1.451×10-3nm/Oe(3000～5000 Oe)和9.672×10-6nm/Oe(5000～30000 Oe)。其中3000～5000 Oe磁场范围内测量最灵敏。如果提高探测系统的波长分辨率,测量范围和灵敏度也将进一步提高。

从另一角度来看,如果输入一个交变或调制的磁场,那么经过光栅探头,输出一个响应的反射波长偏移量,实际上这可以认为是一种新型的波长偏移量调制方式,它不同于光波的强度、相位、偏振调制等,原理上光栅探头起到了磁光波长偏移调制的作用。通过测量λB,我们可以求得磁场参数H或B等。

由于磁场与电流通过Ampere环路定律紧密联系,因此将该光栅磁场探头放置在导电输送电线附近,并使电流产生的磁场方向与光纤光栅的轴向(或铽磁致伸缩材料的b轴)尽可能的保持一致或平行,那么通过 I=2πBx/μo 关系式,再测出光栅与导线的距离x,我们就可以推算出电流I的大小。光纤光栅型的电流传感器就是利用磁致伸缩原理来传感和测试的,与我们介绍的磁场测量方法相同。因此,本文的方案实际上是相关的双(多)参数传感、测量方法,有望在实际的磁场测试中得到使用。

由于磁场测量可以在短时间内完成,本文没有考虑测量环境的温度变化对测量结果的影响。

参考文献

[1] 靳伟 廖延彪 张志鹏等著 导波光学传感器：原理与技术 科学出版社 1998年5月 p320-350。

[2] R.S.特贝尔,D.J.克雷克著 北京冶金研究所《磁性材料》翻译组译 磁性材料 科学出版社 1979年 p227

老刘，这个问题不简单呀，

如果你有兴趣，不如我们一起把“边缘干涉”与窄缝衍射的问题搞清楚？
我看你的摄影工具还不错，可以把实验过程拍下来，
更容易说明一些问题？
加上你还有申请专利的经验，我们就申请这个专利吧？