CN103076575A - 基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器 - Google Patents

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辛奕
赵春柳
沈常宇
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Abstract

本发明公开了一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器。传感器感应部分是保偏型光子晶体光纤，其内部空气孔中灌注了对磁场敏感的磁流体。2×2光纤耦合器一端两接口构成光纤Sagnac环，保偏型光子晶体光纤和偏振控制器位于环内部，光纤耦合器的另一端两接口分别接光源和光谱仪。光纤耦合器将宽带光源发出的光分成相向传输的两束光，两束光的相位差对外界磁场变化敏感，在经过Sagnac输出端的干涉作用下，外界磁场的变化引起光纤Sagnac输出谱的漂移，通过波长测量，即可实现磁场强度的传感测量。本发明利用光纤Sagnac干涉技术的高精度、高灵敏度的优点，同时易制作，成本较低，可望被应用于多种磁场测量领域。

Description

基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器。
背景技术
磁场测量是电磁测量技术的重要分支之一。如今磁场测量技术已广泛应用于地球物理学、空间科学、生物医学、军事、工业等领域，如：电流测量、地质勘探、质谱仪、人造地球卫星、心/脑磁图、磁悬浮列车等。传统的磁场传感器是以电磁测试原理为基础，如磁通门法，霍尔效应法，电磁感应，磁共振方法等，已经有成熟产品应用在磁场测量中。但传统方法的传感器容易受电磁干扰、容易腐蚀等，光纤传感器引起了人们的关注。
光纤传感技术以光波为载体，光纤为介质，感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术。光纤具有很好的传光特性，与传统的传感器相比，光纤传感器具有一系列独特的优点，如灵敏度高、动态范围大、频带宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、防燃、光路可挠曲性好、传输损耗低、易于实现远距离测量等优点。现已有基于光纤技术的磁场传感器被报道，如将磁流体膜片放入光纤法布里-珀罗干涉仪干涉腔里或马赫-曾德干涉仪的传感臂中，利用磁流体的磁致可变折射率现象，通过改变传输光的相位实现磁场传感；或者利用磁流体包覆长周期光纤光栅形成磁场传感器等。以上的光纤磁场传感器的制作难度大、集成度低。本发明将磁流体直接灌注到保偏型光子晶体光纤的空气孔中，采用Sagnac干涉仪结构，利用磁流体的磁致可变折射率特性设计了一种在线型磁场传感器，具有灵敏度高、集成度高、制作难度低等优点。
发明内容
本发明公开了一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器，通过波长测量实现了磁场强度的测量，既具有光纤Sagnac干涉技术的高精度、高灵敏度的优点，同时容易制作，成本较低，可望被应用于多种磁场测量领域。
本发明的技术方案如下：
本发明的关键部分为传感器的感应部分，是由内部含有非对称分布的空气孔的保偏型光子晶体光纤构成的，而且其空气孔中灌注了对磁场敏感的磁流体。本发明的结构如下：保偏型光子晶体光纤中灌注了磁流体，其一端与2×2光纤耦合器的一个端口相连，另一端通过偏振控制器与2×2光纤耦合器同一侧的另一个端口相连，形成Sagnac环结构，2×2光纤耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源和光谱仪连接。2×2光纤耦合器将宽带光源发出的光分成相向传输的两束光，两束光在通过偏振控制器和灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤后，由于偏振控制器的影响和灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤的双折射效应，在2×2光纤耦合器的耦合区形成干涉，干涉光谱由光谱仪进行测量。由于灌入保偏型光子晶体光纤空气孔中的磁流体的折射率对所处的磁场敏感，所以磁场通过磁流体可以改变保偏型光子晶体光纤的双折射系数，进而改变输出干涉光谱的波长。因此，通过光谱测量，即可实现被测磁场强度的传感测量。
本发明的优点为：一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器，以长为10cm的灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤作为磁场传感部分，利用了光纤Sagnac干涉技术的高精度、高灵敏度的优点，同时容易制作，成本较低。
附图说明
图1为基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器的结构示意图；
图2为保偏型光子晶体光纤结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步描述。
如图1所示，一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器包括宽带光源1、2×2光纤耦合器2、偏振控制器3、磁流体灌注保偏型光子晶体光纤4、光谱仪5；灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤的一端与2×2光纤耦合器的一个端口相连，另一端通过偏振控制器与2×2光纤耦合器同一侧的另一个端口相连，形成Sagnac环结构，2×2光纤耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源和光谱仪连接
本发明基于以下原理：
2×2光纤耦合器将由宽带光源发出的光分为相向传输的两束光，分别沿着顺时针和逆时针方向在光纤Sagnac环中传输，在光纤环中传播一周后在耦合器输出端口出射。由于偏振控制器的影响和灌注磁流体保偏型光子晶体光纤的双折射效应，因此两束相反方向传播的光会产生相位差，其值为：
Φ＝2πΔnL/λ
其中Δn为保偏型光子晶体光纤的双折射系数，L为保偏型光子晶体光纤的长度，λ为入射光波的波长。两束光在2×2光纤耦合器的耦合去再次合并时会产生干涉，形成强度随波长呈周期性分布的干涉谱，干涉谱的强度与相位差的关系如下：
T＝(1-cosΦ)/2
当传感器处于不同的磁场强度时，由于灌入保偏型光子晶体光纤空气孔中的磁流体的折射率对所处的磁场敏感，所以磁场通过磁流体可以改变保偏型光子晶体光纤的双折射系数，从而引起相位差发生变化，根据上述公式可知，干涉谱的波峰或波谷位置会发生漂移，通过监测某个波峰或波谷随磁场变化产生的漂移量，即可以解调出磁场强度的变化信息。
利用本发明能够实现磁场传感的关键为：灌注在保偏型光子晶体光纤内部空气孔中的磁流体具有磁致折射率变化效应，可以调制保偏型光子晶体光纤的双折射系数，从而使光纤Sagnac环的干涉谱对磁场敏感。
本实施例中，光纤耦合器2的耦合比为50％，偏振控制器3为三环型机械式光纤偏振控制器(Connect Fiber Optics，λ/4-λ/2-λ/4)；连接用的光纤为标准单模光纤(YOFC-MKD-101，模场直径为9.9～10.9μm1550nm)，选用的保偏型光子晶体光纤的包层中两个大空气孔的直径为4.5μm，其余小空气孔的直径为2.2μm，长度为10cm。磁流体为水基的Fe3O4，其密度为1.2g/mL。

Claims (2)

1.一种基于磁流体灌注保偏型光子晶体光纤的磁场传感器，包括宽带光源1、2×2的光纤耦合器2、偏振控制器3、灌入磁流体的保偏型光子晶体光纤4、光谱仪5。其特征在于：灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤的一端与2×2的光纤耦合器的一个端口相连，另一端通过偏振控制器与2×2的光纤耦合器同一侧的另一个端口相连，形成Sagnac环结构，2×2光纤耦合器另一侧的两个端口分别与宽带光源和光谱仪连接。
2.如权利要求1所述的灌注磁流体的保偏型光子晶体光纤，其特征在于保偏型光子晶体光纤的所有或部分空气孔中灌注了包含纳米铁磁粒子的磁流体。
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