CN102411131B - 基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪 - Google Patents

Abstract

一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。包括光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱仪；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，空气孔中填充磁流体，形成测量磁场的传感探头，光栅的两端通过单模光纤分别连接光源和光谱仪，倾斜微结构光纤光栅置于变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐。通过旋转传感探头，可追踪包层模谐振波长的漂移程度和方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量。该测量仪集成化程度高，传感探头体积小，方便携带，具有不受环境温度影响的优点。同时具有化学性能稳定，灵敏度高，响应速度快，易复用等特点，适合在各种恶劣环境下工作。

Description

基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别是一种基于倾斜微结构光纤光栅和新型磁流体材料相结合的磁场矢量测量仪，其可以在地质勘探、工业检测、生物医学工程、制导、航空航天等领域及时准确地对磁场的大小和方向进行监控和测量，相比于电量传感器，其解决了在石油化工，国防科研，电力等易燃易爆环境中监测磁场的难题。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)属于短周期光纤光栅，利用特殊的写制方法，使光栅栅面与光纤轴向成一定的夹角，在实现前向传输的纤芯模向反向传输的纤芯模耦合的同时，亦可实现前向传输的纤芯模向反向传输的包层模的耦合，因此在光栅的透射谱中，不仅可以观测到纤芯模谐振峰，还可以在纤芯模谐振峰的短波方向观察到一系列分立但密集的包层模谐振峰。利用TFBG透射谱中纤芯模谐振峰和包层模谐振峰对外界物理参量的变化，可实现对该参量的监控和测量，同时由于TFBG的纤芯模和包层模谐振峰具有相似的温度特性，用二者的间隔去探测外界的变化即可实现温度的自动补偿，这种测量不受温度影响的显著优点使得TFBG在传感领域得到了广泛的应用。写在包层含有空气孔的单模光子晶体光纤(Photonic CrystalFiber，PCF)上的倾斜光栅与普通单模光纤上的倾斜光栅有着相类似的性质，由于包层中空气孔的存在，利用现有的填充技术可将一些功能材料集成到光纤包层的空气孔中，将光栅的特性和功能材料的特性有机地结合起来，大大拓展了TFBG的应用领域。

磁流体(Magnetic Fluid，MF)是由表面附着活性材料的纳米级强磁性颗粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系，它既具有磁性固体物质的磁性，又具有液体的流动特性，是一种新型的磁性功能材料，日益受到人们的重视，目前其应用已广泛深入到能源、电子、国防军工、航空航天、化工环保、冶金机械、仪器仪表、医疗卫生等方面，效果十分显著。磁流体的折射率具有磁场可调谐性，其大小与外加磁场的方向和强度有关。当外加磁场

与光源电场

相垂直时，磁流体折射率随

的增大而减小；反之，当外加磁场

与光源电场

相平行时，磁流体折射率随

的增大而增大。

倾斜微结构光纤光栅(PCF-TFBG)本身不具有磁场敏感特性，利用低压抽入法，将磁性敏感材料磁流体填充进写有TFBG的微结构光纤的包层空气孔中，可以提高其磁场灵敏度，形成高集成化的磁场传感探头。在不同的磁场环境中，磁流体的折射率不同，微结构光纤的包层平均折射率也不一样，从而影响和纤芯模相耦合的包层模的有效折射率，最终表现为包层模谐振峰波长的变化。即通过外加磁场对磁流体折射率的作用，包层模的谐振波长发生漂移，将磁场的测量转化为光纤某阶特定包层模有效折射率的测量。

在现有的光纤传感技术中，对于磁场的监控和测量基本上是采用在光纤表面镀磁性伸缩材料的方法来实现，但是由于镀膜方法的不确定性与不稳定性给传感带来了极大困难，同时，这类装置具有较大的温度交叉敏感效应，在一定程度上限制了其应用范围。而以磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅为传感探头的磁场传感器可以避免这些缺点。目前尚未有采用基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅传感器对外加磁场信号感测及分析的方案。

发明内容

本发明旨在解决磁场的监控和测量的现有方法中存在的上述问题，提供了一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。

该测量仪利用在光纤的包层空气孔中填充新型磁流体材料的倾斜微结构光纤光栅作为传感器件，由于不同磁场方向和磁场强度可以改变磁流体的折射率，引起的光纤包层模的有效折射率变化，相应地反映在TFBG光谱中包层模谐振波长的漂移的程度和方向上，实现对外界磁场大小和方向的感测。此外，通过同时追踪纤芯模谐振峰和包层模谐振峰谐振波长的变化，可以排除温度对测量结果的影响，实现温度不敏感的磁场矢量传感器。

本发明提供的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪包括，光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱解调装置(光谱仪)；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，且倾斜光栅栅区位于空气孔光子晶体光纤部分，该倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中通过低压抽入的方法填充磁性敏感材料磁流体，形成测量磁场的传感探头，倾斜微结构光纤光栅的两端熔接普通单模光纤，一端的单模光纤连接光源，另一端的单模光纤接入光谱解调装置，倾斜微结构光纤光栅部分置于大小和方向均能够发生变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐，作用于光谱的变化。

所述光源为宽带光源或可调谐激光器。

所述的磁流体为水基磁流体。

所述的变化的磁场由倾斜微结构光纤光栅两侧设置的电磁铁提供。

所述测量仪通过旋转传感探头，可以追踪某阶包层模谐振波长的漂移程度和方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量，故称为磁场矢量测量仪。通过改变磁场的大小和方向，对磁流体的折射率进行调谐，作用于光谱的变化，根据测试原理，待测磁场的大小和方向可以被同时确定。此外，这样设计的光纤磁场矢量传感器具有不受环境温度影响的优点。

测试原理：

用低压抽入法在倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中填充磁流体材料，它是一种磁性敏感材料，其折射率具有磁场可调谐性，大小与外加磁场的方向和强度有关。当外加磁场与光源电场

相垂直时，磁流体折射率随

的增大而减小；反之，当外加磁场与光源电场

相平行时，磁流体折射率随的增大而增大。当传感探头置于某特定磁场中时，磁流体折射率发生一定的变化，从而影响包层模的有效折射率。TFBG纤芯模谐振峰和包层模谐振峰相位匹配公式如下：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Bragg}}=2n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}\frac{{\mathrm{\Λ}}_g}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{Cl},i}=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff},i}^{\mathrm{cl}})\frac{{\mathrm{\Λ}}_g}{\cos \mathrm{\θ}}---\left(2\right)$

其中，λ_Bragg和λ_Cl，i分别为纤芯模谐振峰和第i阶包层模谐振峰的谐振波长，

和

分别为纤芯模和第i阶包层模有效折射率，Λ_g为光栅栅格周期，θ为倾斜光栅倾斜角度。根据相位匹配公式，当包层模有效折射率发生改变时，纤芯模式谐振峰不受影响，包层模式谐振峰波长发生漂移：光源电场

与外加磁场

夹角大于0°小于45°时，红移；光源电场

与外加磁场

夹角大于45°小于90°时，蓝移。轻微转动传感探头，使得所观测的包层模谐振峰波长漂移量增至最大值：若为最大红移，则此时的磁场方向与光纤垂直；若为最大蓝移，则此时的磁场方向与光纤平行。磁场的大小可利用此时的谐振波长漂移值计算得出。由于光纤为二维光波导，故前者仅能确定磁场的大小和磁感线所在平面，不能确定具体的磁场方向，因此我们采用后者即

时谐振波长蓝移的方法来进行测定。根据AlainJ.Mailfert等人的研究结果，

时磁流体的极化率χ随磁场大小变化的灵敏度约为

时的两倍，而磁流体的折射率因此，采用后者方式可获得更大的测量灵敏度。简言之，在测量过程中，我们将对磁场方向的探测转化为通过旋转传感探头以寻求包层模谐振峰蓝移量最大的过程，将对磁场大小的测定转化为某阶包层模谐振峰波长最大蓝移量的测量过程。由于在固定磁场方向下磁流体折射率与磁场大小的非线性关系，TFBG包层模谐振波长的漂移量随磁场大小的变化亦为非线性，在磁场较小时(约1000Gs以下)，灵敏度较大，随着磁场的增大，灵敏度逐渐减小，此外，该灵敏度也与磁流体的浓度有关。为了得到更精确的测量结果，需进行温度补偿，未填充的TFBG的纤芯模与包层模有着相似的温度特性，对两个谐振峰间隔进行探测即可做到温度的自动补偿，但填充之后，则需要考虑热光系数为2e-4/℃的磁流体带来的影响。TFBG纤芯模谐振峰谐振波长仅受温度影响，而包层模谐振峰谐振波长同时受温度和磁场的影响，即

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{co}}\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{\mathrm{cl}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& k_{\mathrm{co},T}\\ k_{\mathrm{cl},H}& k_{\mathrm{cl},T}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\ΔH}\\ \mathrm{\ΔT}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，Δλ_co和Δλ_cl为所追踪的纤芯模谐振峰和包层模谐振峰谐振波长的漂移量，ΔH和ΔT分别为外界磁场和温度的变化量，系数k_co，T和k_cl，T可根据硅和磁流体的热光系数算出，系数k_cl，H可根据特定磁场方向下磁流体折射率随磁场大小的变化关系算出。因此，若同时对纤芯模式和包层模式谐振峰波长进行探测，便可排除温度变化带来的干扰，实现温度不敏感的磁场矢量测量仪。

本发明的优点及效果：

本发明以填充磁流体的倾斜微结构光纤光栅为传感元件，根据其透射谱中纤芯模与包层模谐振波长的变化能够反映外界环境情况，同时对磁场的大小和方向进行测定，利用纤芯模仅对温度敏感而包层模对温度磁场同时敏感的特点，可对测量结果进行温度补偿，实现不受温度影响的基于倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。该测量仪采用了填充技术，集成化程度高，传感探头体积小，与在光纤上镀磁致伸缩材料的方法相比，更为结实耐用，方便携带。同时它还具有化学性能稳定，灵敏度高，响应速度快，易复用等特点，适合在各种恶劣环境下工作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

图中：1.光源，2.填充磁流体的倾斜微结构光纤光栅，3.电磁铁，4.特斯拉计，5.光谱解调装置(光谱仪)，6.连接用单模光纤，7.熔点。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪包括，光源1、单模光纤6、倾斜微结构光纤光栅2、磁流体、光谱解调装置(光谱仪)5；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，该倾斜微结构光纤光栅的两端通过熔点7熔接单模光纤6，一端的单模光纤连接光源，另一端的单模光纤接入光谱仪，倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中通过低压抽入的方法填充磁性敏感材料磁流体，形成测量磁场的传感探头，倾斜微结构光纤光栅部分置于大小和方向均能够发生变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐，作用于光谱的变化。所述的变化的磁场由倾斜微结构光纤光栅两侧设置的电磁铁3提供，磁场的大小利用特斯拉计4进行标定。

光源1可以是宽带光源或者可调谐激光器。

应用实例：

光源1的工作波段为1530-1570nm。利用载氢增敏、相位掩膜、紫外曝光的方法对纤芯掺锗且包层含有空气孔的微结构单模光纤(如实验室中武邮拉制的柚子型微结构光纤等)进行倾斜光纤光栅的写制，其透射谱中包层模谐振峰的范围约为1530nm-1559nm，纤芯模的谐振峰约为1561nm附近。实验室配置1.2g/mL水基磁流体材料，经超声震荡后形成均一稳定的溶液。通过低压抽入的方法将配置好的磁流体溶液填充进写有TFBG的微结构光纤的包层空气孔中，两端通过熔点7熔接1550波段的单模光纤，一端的单模光纤连接宽带光源，另一端单模光纤接入光谱仪。将制作好的传感探头放入由电磁铁提供的磁场环境中，并用精度为0.1Gs的商用特斯拉计对所加磁场的实际值进行标定，在光谱仪上监测透射谱的变化。当磁场变化1660Gs时，包层模谐振波长蓝移约13nm，灵敏度随磁场的增大而减小，平均灵敏度为7.845e-3nm/Gs，最高灵敏度可达2.472e-2nm/Gs。

Claims (2)

1.一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪，其特征在于，该测量仪包括光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱解调装置；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，且倾斜光栅栅区位于空气孔光子晶体光纤部分，该倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中通过低压抽入的方法填充磁性敏感材料磁流体，形成测量磁场的传感探头，倾斜微结构光纤光栅的两端熔接普通单模光纤，一端的单模光纤连接光源，另一端的单模光纤接入光谱解调装置，倾斜微结构光纤光栅部分置于大小和方向均能够发生变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐，作用于光谱的变化；所述测量仪通过旋转传感探头，追踪倾斜光纤光栅的包层模谐振波长的漂移程度、方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量。

2.根据权利要求1所述的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪，其特征在于：所述的磁流体为水基磁流体。

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