CN102221679A - 一种磁流体填充光子晶体光纤f-p磁场传感器 - Google Patents

Abstract

一种磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，本发明属于光纤传感技术领域。由宽带光源20、光纤耦合器21及其光纤链路(31、32、33、34)、折射率匹配液22、传感器探头23、电磁线圈18及其电流驱动系统19、光谱分析仪25、计算机24及连接电缆26和27组成。其特点是传感器探头由一段填充了磁流体13的空心光子晶体光纤12与单模光纤11熔接而成，在空心光子晶体光纤两端分别粘结部分反射膜14和全反射镜15，构成光纤F-P干涉腔结构；电磁线圈通入电流后产生的磁场使作为F-P干涉腔内介质的磁流体折射率发生变化，导致输出光谱变化而实现磁场测量。优点是温度影响小，结构简单，体积小，易实现多点分布式传感。

Description

一种磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，属于光纤传感技术领域。

背景技术

光纤磁场传感器一般都是借助一些磁光敏感材料或者磁光效应等结合光纤自身的特性而实现的一种较为先进的磁场检测技术。(L.Sun，S.Jiang，and J.R.Marciante，All-fiber optical magnetic-field sensor based on Faraday rotation in highly terbium-doped fiber，OPTICS EXPRESS，18(6)，2010)基于法拉第旋光效应利用一段2cm长的掺Tb光纤作为法拉第旋光器件，结合一段康宁SP1060单偏振光纤作为光纤偏振器实现了一种光纤磁场传感器。(M.Yang，J.Dai，C.Zhou，D.Jiang，Optical fiber magnetic field sensors with TbDyFe magnetostrictive thin films as sensing materials，OPTICS EXPRESS，17(23)，2009)将一种TbDyFe薄膜作为敏感材料，通过磁控管溅射工艺将其熔敷在去掉包层的光纤光栅表面，基于磁致伸缩效应，将磁场变化转化为TbDyFe薄膜的变形，引起光纤光栅中心反射波长的移动。这种方法工艺复杂，且需要对温度的交叉敏感问题进行补偿。(王敏，专利号200510019496.8)提出一种微弯光纤电流/磁场传感器，包括由两块具有相对的，相互错开的波纹表面的板构成的微弯变形器，一根夹在变形器中间的信号光纤，一根参考光纤和两块由具有特定的磁致伸缩系数的磁致伸缩材料制成的电流/磁场感应器。在电流/磁场变化时，电流/磁场感应器的几何尺寸因为磁致伸缩发生变化而推动微弯变形器运动，改变信号光纤的弯曲程度，从而实现对信号光纤中光强的调制。这种传感器是基于光强度调制，因此，测量结果容易受到光源功率波动、光纤扰动等的影响。(冉曾令等，专利号201010194583.8)公开了一种光纤珐珀磁场传感器，在光纤的一端面设置一个以气体或者空气为介质的珐珀腔，一个反射面为光纤的端面，另一反射面是与光纤端面相对应的膜片，膜片镀有或者粘贴有磁材料或者金属材料，靠近磁场时，磁力带动膜片运动而改变珐珀腔的腔长，光纤拾取珐珀腔的反射光学信号获取珐珀腔腔长信息，实现对磁场的测量。这种方法由于利用膜片的机械变形引起珐珀腔长的变化，膜片的弹性性能影响对传感器的重复性会带来一定的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出一种新颖、结构简单、成本低、温度影响小、易于实现多点分布式磁场检测的光纤传感器。

本发明的技术方案如下：

一种磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，包括宽带光源20、光纤耦合器21及其光纤链路(31、32、33、34)、折射率匹配液22、传感器探头23、电磁线圈18及其电流驱动系统19、光谱分析仪25、计算机24及连接电缆26和27，其特征在于：所述的传感器探头包括一段填充了磁流体13的空心光子晶体光纤12和一根标准单模光纤11(包括纤芯16和包层17)；所述的空心光子晶体光纤一端面粘结全反射镜15，另一端面通过一个部分反射膜14与单模光纤熔接在一起，构成反射式的光纤F-P干涉腔结构；在被测磁场作用下，所述的磁流体作为光纤F-P干涉腔的腔内敏感介质，其折射率将发生变化，导致输出光谱变化，从而实现磁场检测。

本发明所述的光子晶体光纤具有空心的空气孔结构，光子晶体光纤的外径尺寸和中心空气孔直径分别为125μm和40μm，作为F-P干涉腔内敏感介质的磁流体利用毛细管现象被填充入光子晶体光纤的40μm中心空气孔中。

所述的磁流体的材料为水基CdFe₂O₄，浓度为0.85emu/g。所述的电磁线圈在电流驱动系统控制下产生变化的待测磁场，电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500。所述的宽带光源采用中心波长范围从1525nm至1565nm的ASE光源。

本发明具有如下特点：①仪器结构简单、设计新颖、成本较低、实用性强。②用空心光子晶体光纤作为传感器探头，构成F-P干涉腔结构，可有效降低温度对测量结果的影响，同时也减小了光信号的损耗。③利用本发明提出的这种新型的光纤F-P磁场传感器易于实现多点分布式传感检测。

附图说明

图1为本发明提供的磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器整体原理结构示意图。

图2为利用本发明实现的在不同磁流体折射率下输出光谱的变化图。

图3为利用本发明仿真得出的磁流体折射率变化与输出光谱某个谐振峰值移动关系图。

图4为利用本发明仿真得出的被测磁场与输出光谱某个谐振峰值移动关系图。

图5为利用本发明仿真得出的在传感器腔长不同时输出光谱的变化图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体结构、原理以及测量过程作进一步的说明。

基于磁流体填充空心光子晶体光纤F-P磁场传感器由一段空心光子晶体光纤(HC-PCF)和一根标准单模光纤(SMF)构成，如图1所示。作为一种反射式的传感器设计结构，一个全反射镜被粘贴在光子晶体光纤的一端面上，另一端面通过一个部分反射Ti₂O₃膜与单模光纤熔接在一起，构成反射式的光纤F-P干涉腔结构。

在空心光子晶体光纤与单模光纤之间放置部分反射膜的目的在于增加此处对光的反射效果。对于一个光纤F-P传感器，干涉条纹信号的对比度对实际应用起至关重要的作用。由于在光子晶体光纤空心空气孔中填入了磁流体，因此，空心光子晶体光纤与标准单模光纤的熔接处的界面将由单模光纤的纤芯16和磁流体构成，由于两者的折射率值相差较小，因此，如果熔接质量很好，基于菲涅耳反射原理可知，此处的反射率值将很低，这样，就无法与全反射镜返回的另一路光发生干涉，或者干涉信号的对比度很差，使得无法实现测量，或者测量结果信噪比很低。

作为光纤F-P干涉腔内的敏感介质的磁流体是通过毛细管现象填充进空心光子晶体光纤的空气孔中的。

宽谱光源发出的光经过一个2×2光纤耦合器，部分光进入折射率匹配液，并被其吸收；另一部分进入传感器探头。经过传感器反射的光信号通过耦合器及其光纤链路进入光谱分析仪；计算机用于实现对信号的处理和对电磁线圈驱动电流的控制，以产生一个可变的被测磁场。

所述的光纤F-P磁场传感器是基于F-P干涉仪原理实现的，由于设计为反射式结构，所以发射光信号可以表示为：

$I^{\left(r\right)}=\frac{R_1+q^2{R}_2-2q\sqrt{R_1{R}_2}\cos \mathrm{\δ}}{1+q^2{R}_1{R}_2-2q\sqrt{R_1{R}_2}\cos \mathrm{\δ}}{I}^{\left(i\right)}---\left(1\right)$

其中，R₁是空心光子晶体光纤与单模光纤熔接处的反射率，R₂是全反射镜的反射率，q是熔接点处的光损耗系数，δ是F-P干涉腔内的光程差，可由下式表示：

$\mathrm{\δ}=\frac{4\mathrm{\πnL}}{\mathrm{\λ}}---\left(2\right)$

式中，n为腔内介质的折射率(此处即为磁流体的折射率)，λ为光波的波长。

基于前期的研究结果，可知在环镜温度为T时，磁流体与外加磁场的关系如下：

$n=(n_s-n_0)[\coth \left(\mathrm{\α}\frac{H-H_c}{T}\right)-\frac{T}{\mathrm{\α}(H-H_c)}]+n_0,H>H_c---\left(3\right)$

式中，H_c是临界磁场强度值，n₀为磁流体在临界磁场时的折射率，n_s为磁流体折射率的饱和值，α为拟合参数。

基于上述理论，通过控制电磁线圈的驱动电流，传感器探头处的磁场强度将发生变化，导致传感器探头F-P腔内(空心光子晶体的空心空气孔内)填充的磁流体的折射率发生变化，进而使传感器输出光谱发生变化，通过记录光谱变化情况可得到被测磁场的大小。

传感器中使用的磁流体为水基CdFe₂O₄构成，其浓度为0.85emu/g，填充长度(即F-P干涉仪的腔长)为200μm。空心光子晶体光纤的外径为125μm，空心空气孔的直径为40μm。电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500。在磁流体折射率不同时，可以得到传感器的输出光谱如图2所示。图中，倒三角形标识指出了某个特定谐振峰值随磁流体折射率变化而发生移动的情况。这样，可以通过追踪这个特定的谐振峰值的移动情况得到磁流体折射率的变化情况。两者的关系如图3所示。

基于磁流体的磁控折射率可变特性，可得到光谱谐振峰移动量与被测磁场的关系曲线，如图4所示。从图4中，可得，该传感器测量磁场的灵敏度可达33pm/Oe，如果光谱仪的波长测量分辨率能达到1pm，那么该传感器测量磁场的分辨率可达0.03Oe。

随着磁流体加工技术的进步，更多新型的磁流体将被研制出来，如透光率更高的钇铁石榴石磁流体。这样，传感器的腔长就可以设计成不同的长度，从而使得这种传感器能够实现多点分布式磁场测量。因为，具有不同腔长的光纤F-P干涉仪的输出光谱将有不同的频率，通过快速傅立叶变换就可以方便获得各个光谱的频率情况。如图5为腔长分别为70μm，100μm，300μm和500μm时，传感器的输出光谱情况。

除了通过改变光纤F-P传感器的腔长可以实现多点复用技术之外，还可以通过使用具有不同折射率的磁流体的方法实现多点分布式磁场测量。

Claims (5)

1.一种磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，包括宽带光源20、光纤耦合器21及其光纤链路(31、32、33、34)、折射率匹配液22、传感器探头23、电磁线圈18及其电流驱动系统19、光谱分析仪25、计算机24及连接电缆26和27，其特征在于：所述的传感器探头包括一段填充了磁流体13的光子晶体光纤12和一根标准单模光纤11；所述的光子晶体光纤的一端面粘结全反射镜15，另一端面通过一个部分反射膜与单模光纤熔接在一起，构成反射式的光纤F-P干涉腔结构；在被测磁场作用下，所述的磁流体作为光纤F-P干涉腔的腔内敏感介质，其折射率将发生变化，导致输出光谱变化，从而实现磁场检测。

2.按照权利要求1所述的磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，其特征在于：所述的光子晶体光纤具有空心的空气孔结构，光子晶体光纤的外径尺寸和中心空气孔直径分别为125μm和40μm，作为F-P干涉腔内敏感介质的磁流体利用毛细管现象被填充入光子晶体光纤的40μm中心空气孔中。

3.按照权利要求1所述的磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，其特征在于：所述的磁流体的材料为水基CdFe₂O₄，浓度为0.85emu/g。

4.按照权利要求1所述的磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，其特征在于：所述的电磁线圈在电流驱动系统控制下产生变化的待测磁场，电磁线圈的半径为5mm，长度为60mm，匝数为500。

5.按照权利要求1所述的磁流体填充光子晶体光纤F-P磁场传感器，其特征在于：所述的宽带光源采用中心波长范围从1525nm至1565nm的ASE光源。

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