基于推拉式光纤迈克尔逊干涉仪的高灵敏度磁场传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：Highly sensitive magnetic field sensor based on push-pull fiber-optic Michelson interferometer

　　

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  提出了一种基于推拉式迈克尔逊干涉仪（MI）的高灵敏度光纤磁场传感器。
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  推拉式操作结构显著提高了磁场灵敏度，达到0.3606?rad/μT。
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  在3?Hz的低频下，实现了274?pT/Hz^1/2的噪声限制分辨率。

引言

磁场的检测和测量在多个领域中发挥着重要作用，包括航空航天[1]、[2]、导航[3]、[4]和电气工业[5]、[6]。尽管传统的电子磁场传感器（如霍尔效应传感器、磁通门磁力计和超导量子干涉装置（SQUIDs）已经非常成熟，但它们面临着结构复杂和易受电磁干扰（EMI）影响等挑战[7]。

光纤磁场传感器凭借其较大的动态范围、高灵敏度和抗EMI特性[8]，吸引了大量研究兴趣。近年来，已经提出了多种类型的光纤磁场传感器。通常，光纤磁场传感器通过将磁敏材料（如磁致伸缩材料和磁流体）与光纤集成来实现，从而将磁场变化转换为光波长、光强度或相位变化。例如，基于表面等离子体共振（SPR）的磁流体辅助光纤传感器已被用于矢量磁场检测和温度补偿[9]、[10]。虽然基于光纤布拉格光栅（FBG）的磁场传感器结构紧凑简单，但其灵敏度仅限于几皮米/特斯拉（pm/mT），这限制了其在弱磁场检测中的应用[11]、[12]、[13]。包括法布里-珀罗干涉仪（FPI）和迈克尔逊干涉仪（MZI/MI）在内的光纤干涉仪在磁场传感器中得到了广泛应用，与基于FBG的传感器相比，它们具有更高的灵敏度和分辨率[14]。例如，Chen等人提出了一种结合弹性光纤FPI和磁致伸缩棒的光纤磁场传感器，其磁场分辨率达到了1.8 mT[15]。Chatterjee等人[16]通过跟踪光纤FPI基磁场传感器反射的干涉谱的峰值变化，实现了10.80 μT/Hz^1/2的高磁场分辨率。相比之下，通过使用长长度的光纤和磁致伸缩材料，基于MZI/MI的光纤磁场传感器可以获得比FPI基传感器更好的分辨率性能[17]、[18]、[19]。然而，传统的MZI/MI传感器容易受到环境因素的影响，尤其是热漂移和低频振动[20]。因此，大多数现有研究集中在几十到几百赫兹的频率范围内，而在超低频带（< 10?Hz）的性能较差。尽管在1?Hz时已经实现了0.10?nT/Hz^1/2的高分辨率[21]，但主动调制磁场的要求阻碍了完全被动式全光纤探头的实现，从而限制了其在遥感应用中的潜力。

本文提出并展示了一种基于推拉式MI的光纤磁场传感器。与传统的光纤MI传感器不同，该传感器的双臂都用于检测磁场。通过将磁致伸缩棒嵌入一个具有推拉效应的3D打印H形结构中，外部磁场引起的棒状应力被转换为光纤中的差动应变，从而在MI的两个臂中产生相反的相位变化，提高了灵敏度。引入了一种改进的相位生成载波（PGC）算法来解调相位变化，同时保持了探头的完全被动特性。实验结果表明，在3?Hz时磁场灵敏度为0.3606?rad/μT，在100?Hz时磁场分辨率达到274?pT/Hz^1/2。系统的动态范围超过113?dB。所提出的传感器在低频范围内具有很好的重复性和高性能，因此在地磁异常检测和水下物体检测等领域具有应用潜力。

章节摘要

工作原理

光纤磁场传感器的示意图如图1所示。该传感器由换能器结构、磁致伸缩棒、一对磁铁和光纤线圈组成，如图1(a)所示。所提出的换能器具有对称的H形结构，由两个弧形心轴通过一个中央横梁连接而成。磁致伸缩棒的大小为3.5?mm ×?3.5?mm ×?35?mm，采用商用TbDyFe材料制成。

实验结果与分析

制造的传感器采用AlSi₁₀Mg材料3D打印而成，尺寸为60?×?60?×?55?mm，如图3所示。进行了一系列实验来评估该传感器的性能，实验装置如图1(c)所示。该传感器的NLL中心波长为1550.012?nm，线宽小于5?kHz。用于生成交流磁场的自制螺线管有40?cm长，内径为110?mm。

结论

总之，本研究提出并实验验证了一种基于推拉结构的光纤干涉式磁场传感器。H形结构使不平衡的光纤MI能够在差分模式下工作，从而提高了磁场灵敏度，并显著降低了低频噪声。实验结果表明，该传感器的磁场灵敏度为0.3606?rad/μT，并实现了274?pT/Hz的卓越噪声限制分辨率。

CRediT作者贡献声明

Siyuan Zhang：研究、形式分析。 Hai He：方法学研究。 Wei He：验证、研究。 Yanli Zhang：软件开发、数据管理。 Ziyue Wang：初稿撰写、概念构思。 Xiaofeng Jin：撰写、审稿与编辑、指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了宁波市公共福利研究计划（2025S100）的支持。

Ziyue Wang目前正在浙江大学信息科学与电子工程学院攻读电子科学与技术博士学位。他的主要研究兴趣包括光纤传感和微波光子传感。