CN104898073A - 基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，包括超连续光源、2×2熔融型3dB耦合器、电磁铁、载玻片、浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构、光谱仪，所述2×2熔融型3dB耦合器输入端连接超连续光源、输出端连接光谱仪，所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构接入2×2熔融型3dB耦合器剩余的两个端口形成Sagnac环，且浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构放入电磁铁产生的匀强磁场中。利用U型光纤结构和Sagnac环的双折射干涉增强效应，结合磁流体的可调谐折射率特性实现了一种磁场传感装置，具有结构和制作工艺简单、灵敏度高、体积小、成本低、可操作性强等优点，还可应用于远程和恶劣环境中的磁场传感与监测领域。

Description

基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤磁场传感器，尤其涉及一种基于U型弯曲光纤和Sagnac环的特殊结构、并利用磁流体的可调谐折射率特性的磁场传感器。
背景技术
光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等诸多特殊情况下正常工作，还可以与其他敏感材料或者微加工技术结合制造出适合各种不同需求的探测器。光纤传感器广泛应用于磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、应变、光、电压、电流、传像及某些化学量的测量等，应用前景十分广阔。
磁流体是一种利用表面活性剂将10nm左右大小的磁性颗粒均匀分散在基液中所形成的稳定磁性胶体。它既具有固体磁性材料的磁性又具备液体的流动性特点，同时拥有许多优异的磁光特性，包括：法拉第效应，可调折射率，磁控双折射等。这些特性使其很容易和一些光子器件结合，组成新型的光子器件，如：可以和光纤传感器结合，制备出性能优良的光纤磁场传感器。
磁场测量在科学研究、国防建设、工业生产、医疗仪器、日常生活等领域得到了广泛的应用、而且常常起到重要的作用。目前比较成熟的磁场测量方法有电磁感应法，磁力法，电磁效应法，磁共振法，磁光效应法，另外还有磁饱和法，超导效应法等方法。随着技术的发展，人们对磁场测量的精度和准确度等有了更高的要求。而近几年来，基于磁流体和光纤的磁场传感器因其具有体积小、灵敏度高、成本低等优点得到广泛的关注和研究。
经过对现有技术的文献检索发现，2014年，Liu等人提出基于U型弯曲单模光纤和磁流体的磁场传感器（T. Liu, Y. Chen, Q. Han, and X. Lu, "Magnetic field sensor based on U-Bent single-mode fiber and magnetic fluid," IEEE Photonics Journal 6: 1-7, 2014），之后，Zhang等人提出了基于U型弯曲单模-多模-单模光纤结构和磁流体的磁场传感器（R. Zhang, T. Liu, Q. Han, Y. Chen, and L. Li, "U-bent single-mode–multimode–single-mode fiber optic magnetic field sensor based on magnetic fluid," Applied Physics Express 7: 072501, 2014）。但这些方法均采用透射式结构，其应用范围受限，另外这些方法未充分利用U型弯曲光纤结构具有的双折射增强效应。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感器，该磁场传感器是一种制作工艺简单、成本低廉、灵敏度高的磁场传感装置，其由U型弯曲光纤结构构成Sagnac环并结合磁流体的磁场敏感特性，充分利用U型弯曲光纤的双折射干涉效应实现对磁场大小的检测。
本发明的技术方案为：
一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，包括超连续光源、2×2熔融型3dB耦合器、电磁铁、载玻片、浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构、光谱仪，所述2×2熔融型3dB耦合器输入端连接超连续光源、输出端连接光谱仪，所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构接入2×2熔融型3dB耦合器剩余的两个端口形成Sagnac环，且浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构放入电磁铁产生的匀强磁场中。
所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构由光纤、U型弯曲特氟龙管、磁流体构成，光纤穿入固定在载玻片上的U型弯曲特氟龙管中，U型弯曲特氟龙管中注满磁流体，光纤置于磁流体环境中，U型弯曲特氟龙管的两端用紫外光固化胶密封。
所述U型弯曲特氟龙管的内径为0.6mm，长度为60cm，弯曲半径为9mm。
本发明的有益效果在于：利用U型光纤结构和Sagnac环的双折射干涉增强效应，结合磁流体的可调谐折射率特性实现了一种磁场传感装置，具有结构和制作工艺简单、灵敏度高、体积小、成本低、可操作性强等优点，还可应用于远程和恶劣环境中的磁场传感与监测领域。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构示意图；
图3为本发明实施例的光谱图；
图4为本发明实施例的输出光谱中，1273nm波长处的波谷波长偏移量随磁场强度的变化；
图5为本发明实施例的输出光谱中，1415nm波长处的波谷波长偏移量随磁场强度的变化。
具体实施方式
为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1为本发明提出的基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置的整体结构示意图，其包括：超连续光源1、2×2熔融型3dB耦合器2、电磁铁3、载玻片4、浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构5、光谱仪6。图2为本发明浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构示意图，其包括： U型弯曲单模光纤7、紫外光固化胶8、磁流体9、特氟龙管10。
超连续光源1、光谱仪6分别与2×2熔融型3dB耦合器输入端、输出端相连，浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构5接入2×2熔融型3dB耦合器2剩余的两个端口，形成Sagnac环。
浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构5 由如下方法制作：U型弯曲单模光纤7置于内径为0.6mm的特氟龙管10中，并向其中注满磁流体9，使U型弯曲单模光纤7完全浸没在磁流体9中，特氟龙管10的两端用紫外光固化胶8密封，之后将特氟龙管固定在载玻片4上。
浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构5放入由电磁铁3产生的匀强磁场中，电磁铁与可调节电流的恒流源相连，变化的磁场通过调节恒流源的电流来调节。
由于包裹U型弯曲单模光纤7的磁流体9对所处的磁场敏感，当调节电磁铁3的供电电流使磁场变化时，磁流体9的折射率会发生变化，从而改变U型弯曲单模光纤7的双折射，相应的干涉谱会随着磁场的变化而发生漂移，通过检测干涉谱变化就可以获得所加磁场的大小。
图3为该实施例的测量光谱图，图4和图5为相应的1273nm和1415nm波长处的干涉谷波长偏移量随磁场的变化曲线，可以看出，当磁场在0-120 Oe间逐渐增加时，干涉谷波长的偏移量也逐渐增加，与磁场的变化呈一一对应关系，相应的磁场测量灵敏度分别可达263.1pm/Oe和220.4pm/Oe，经过标定后，即可由干涉谷波长偏移量测量未知磁场的大小，实现磁场传感的功能。
本发明制作的基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置的工作原理为：来自宽谱光源的光从3dB 耦合器的一端输入,在Sagnac环中被分成顺时针传输和逆时针传输的两束非互易光。两束光经过磁流体包裹的U型弯曲光纤结构时，由于弯曲光纤双折射的作用，会累积相位差                                               ，其中： 为U型弯曲光纤的弯曲部分长度，为U型弯曲光纤的双折射，为光波长。Sagnac环中的两束光在输出端口发生干涉，产生的干涉传输谱可近似由如下周期函数描述：
。                                     （1）
由(1)式可见, Sagnac干涉传输谱具有波长依赖性, 随波长变化出现极小值(波谷)和极大值(波峰)，相应的自由光谱区为：
，                                        （2）
式中为Sagnac干涉仪的中心波长。
当外界磁场改变时，磁流体的折射率也随之改变，进而影响U型弯曲光纤结构的双折射。若双折射改变量为, 则相位差改变量为：
。                                 （3）
波谷(或波峰)对应的波长偏移量为：
。                               （4）
由(4)式可见，随着外界磁场的变化，波谷(或波峰)对应的波长将产生偏移，通过检测该波长的偏移量即可进行磁场测量。
本实施例实现了利用磁流体的折射率在磁场作用下的改变来检测磁场的应用，其灵敏度高、结构简单、易于集成。

Claims (3)

1.一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，包括超连续光源(1)、2×2熔融型3dB耦合器(2)、电磁铁(3)、载玻片(4)、浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构(5)、光谱仪(6)，其特征在于：所述2×2熔融型3dB耦合器输入端连接超连续光源(1)、输出端连接光谱仪(6)，所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构(5)接入2×2熔融型3dB耦合器(2)剩余的两个端口形成Sagnac环，且浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构(5)放入电磁铁产生的匀强磁场中。
2. 根据权利要求1所述的基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，其特征在于：所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构(5)由光纤(7)、U型弯曲特氟龙管(10)、磁流体(9)构成，光纤(7)穿入固定在载玻片(4)上的U型弯曲特氟龙管(10)中，U型弯曲特氟龙管中注满磁流体(9)，光纤(7)置于磁流体(9)环境中，U型弯曲特氟龙管(10)的两端用紫外光固化胶(8)密封。
3.根据权利要求2所述的基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，其特征在于：所述U型弯曲特氟龙管(10)的内径为0.6mm，长度为60cm，弯曲半径为9mm。
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