CN102455418B - 光纤磁场传感器 - Google Patents

Abstract

光纤磁场传感器，本发明公开了一种基于光纤的宏弯损耗和磁性液体的磁光效应的强度型磁场传感器，其特征为：由多模(或单模)光纤和磁性液体组成。本发明还公开了强度型磁场传感器的磁场测试仪，它包括：LD光源、3dB光纤耦合器、振幅调制型光纤磁场传感器、光电探测器、数据接收及信号处理装置。本发明的技术特点是：体积小、系统简单、稳定性好、安全可靠、容易组网、传感器性能可根据实际需要来设计等独特优势。

Description

光纤磁场传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，特别涉及一种基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器及基于该传感器的磁场测试仪。

背景技术

磁性液体是一种由纳米级的强磁性颗粒弥散在基液中所形成的稳定的胶体体系，它既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动性，是一种新型的功能材料。在外部磁场的作用，磁性液体具有很强的磁光效应，是一种新型的光学材料。

光纤是一种很好的光传输波导，具有重量轻、体积小、传输距离长、不受电磁干扰等优点，使其在通信中可得到广泛的应用。但是外界因素往往引起光纤中光强的变化，利用该特性可以来测量各种物理量。因此，光纤传感在军事、工业、民用等各个领域有着广泛的应用和研究。目前，改变光纤中光强的变化主要有以下几种：改变光纤的弯曲状态；改变光纤的耦合条件；改变光纤对光波的吸收特性；改变光纤中的折射率分布等等。

经对现有技术的文献检索发现，J.J.Chieh等在《JournalofAppliedPhysics》2005年上发表了“Dynamicresponseofoptical-fibermodulatorbyusingmagneticfluidascladdinglayer”，该文中提出了，利用磁性液体作为腐蚀后的光纤包层，光纤的出射光强随磁场大小变化而变化特性进行光传感，其不足光纤腐蚀不好控制。2006年上海交通大学的朴胜利等人在《JournalofAppliedPhysics》发表了“Fiber-opticevanescentfieldmodulatorusingamagneticfluidasthecladding”，该文中指出在光纤拉伸处包裹上磁性液体，光纤的出射光强亦随磁场的变化而变化。它们都是利用磁性液体的折射率随磁场的变化而变化，从而引起光纤内部的光在光纤表面与磁性液体之间的交界面处传输变化，从而相应地光纤在该段的传输特性发生了变化。

发明内容

本发明基于光纤的腐蚀和拉伸的不易控制，提供一种基于光纤弯曲损耗原理的光纤磁场传感的装置，通过光纤的光强度变化检测磁场的目的。磁性液体的折射率可以通过施加外部磁场来调节，导致光纤内部的部分光在光纤和磁性液体交界面处的光透射特性变化，进而可实现磁场检测的目的。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制型光纤磁场传感器，在裸露的多模(或单模)光纤包覆上磁性液体，再把该段光纤弯曲到临界弯曲半径，从而形成了光纤磁场传感器。

所述的振幅调制性光纤磁场传感器如图2。

一种基于该光纤磁场传感器的磁场测试仪，该磁场测试仪包：LD光源、3dB光纤耦合器、光纤磁场传感器、光电探测器、数据接收及信号处理装置。其中LD光源发出的光通过3dB光纤耦合器将光分成两束，分别传输到磁场传感器和参考光路；磁场传感器的光信号和参考光路中的光信号分别传送到两个光电探测器转化成电信号，电信号送入数据接收及信号处理装置。

若干个磁场传感器可以通过并联组网形成准分布式传感网络。

本发明提供的基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器具有体积小、系统简单、稳定性好、安全可靠、容易组网、传感器性能可根据实际需要来设计等独特优势。

附图1为本发明基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器的磁场测试仪的结构示意图；

附图2为本发明基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器；

图中：基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器1(包括有保护套的光纤8、光纤裸露段9、封装胶10、封装细管(阻燃、有韧性)11、磁性液体12)、LD光源2、有保护套的连接光纤3、3dB光纤耦合器4、光电探测器5和6、数据接收及信号处理装置7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

附图2分别是本发明基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器的结构示意图；附图1分别是本发明基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器的磁场测试仪的结构示意图。

如图2所示，本实施例为一基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器：一根有保护套的多模(或单模)光纤8、光纤裸露段9、封装胶10、封装细管(阻燃、有韧性)11、磁性液体12。

如图1所示，本实施例为一种基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器的磁场测试仪：基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器1(包括有保护套的光纤8、光纤裸露段9、封装胶10、封装细管(阻燃、有韧性)11、磁性液体12)、LD光源2、有保护套的连接光纤3、3dB光纤耦合器4、光电探测器5和6、数据接收及信号处理装置7。

如图1所示，本实施例工作时，基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器1要弯曲到一定程度，到底弯曲到何种程度，将视被测场所的磁场分布情况而定。当磁场与光纤平行时，磁性液体的折射率随磁场的增大而增大，所以此时光纤弯曲程度要大，这样当磁场增大时，弯曲光纤段的损耗将变小；而当磁场垂直于光纤时，光纤弯曲程度可以小一些，发生损耗，这样当磁场增大时，弯曲光纤段的损耗将增大。因此，当存在磁场时，磁性液体12的折射率变化，使得浸在磁性液体中的裸露的弯曲光纤段的损耗系数发生相应的变化。假设浸在磁性液体中的裸露光纤段的损耗系数为α(λ，H，R)，则经过光纤磁场传感器1后的纯弯曲损耗L_s可表示为

L_s＝10log₁₀[exp(2αL)]＝8.686αL

其中L是裸露光纤长度

磁场传感器出来的光信号与参考光路中的光信号进行比较，可以探测到施加在磁性液体上的磁感应强度H。同时，通过参考光路的比较，可以降低LD光源波动的影响。

Claims (4)

1.一种基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制型光纤磁场传感器(1)，其特征在于：包括一根有保护套的光纤(8)、封装胶(10)、封装细管(11)、磁性液体(12)，所述光纤(8)包括一小段裸露的光纤裸露段(9)，所述光纤(8)为多模或单模光纤；所述封装细管(11)套装在光纤(8)上，使所述光纤裸露段(9)位于所述封装细管(11)的内部，所述封装胶(10)位于所述封装细管(11)的两端，在所述封装胶(10)和所述封装细管(11)所形成的空间内充有所述磁性液体(12)，从而使所述光纤裸露段(9)浸在所述磁性液体(12)中；使用时，将所述光纤裸露段(9)弯曲。

2.根据权利要求1所述的基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制型光纤磁场传感器，其特征在于：所述光纤裸露段(9)的弯曲半径根据磁性液体的浓度不同而不同。

3.一种基于权利要求1所述的光纤磁场传感器的磁场测试仪，其特征在于：该磁场测试仪包括：基于磁性液体的弯曲光纤振幅调制传感型光纤磁场传感器(1)、LD光源(2)、有保护套的连接光纤(3)、3dB光纤耦合器(4)、第一光电探测器(5)和第二光电探测器(6)以及数据接收及信号处理装置(7)；

其中：LD光源(2)发出的光通过3dB光纤耦合器(4)将光分成两束，分别传输到传感器(1)和参考光路，一束光经过传感器(1)后经连接光纤(3)直接传送到第二光电探测器(6)转化成电信号，另一束传输到参考光路的光直接传送到第一光电探测器(5)转化成电信号，两路电信号送入数据接收及信号处理装置(7)进行信号处理。

4.根据权利要求3所述的磁场测试仪，其特征在于：数据接收及信号处理装置(7)的信号处理采用两路电信号进行比较法处理，根据两路信号的比较值对应出磁感应强度。