CN106197548A - 一种基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁场传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁场传感器，并用其实现双参量同时测量，属于光纤传感技术领域。本发明的光纤磁场传感器输出信号中存在光纤布拉格光栅(FBG)的透射峰和模间干涉峰，根据透射峰和干涉峰对温度和磁场的不同敏感性，可实现对温度和磁场的同时测量。使用本结构进行传感实验，利用敏感矩阵，在已知透射峰和干涉峰的波长改变量的情况下获知温度以及磁场的改变量。该传感器在航天、环境检测、医疗方面有着潜在的应用价值。

Description

一种基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁 场传感器

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别是涉及双参量测量(磁场、温度)光纤传感技术。

背景技术

微弱磁场的测量已经被广泛应用于航空航天、信息存储和环境监测等领域。与用电子技术来监测外界磁场强度的方法相比，光纤磁场传感器灵敏度高、体积小，远程操作损耗低，因此受到更广泛的关注。然而，光纤的主要成分是二氧化硅，光纤装置本身对外界磁场强度的变化不敏感，将光纤装置与磁性材料相结合，可以实现对外界磁场强度的测量，例如磁电阻材料、磁光材料等。

利用磁流体的可调折射率特性，许多利用磁流体作为磁感应材料的光纤磁场传感器被相继提出。将干涉结构与磁流体封装于毛细管，利用模式干涉及光纤光栅的特性对测量量的灵敏度不同，可以消除传感测量中的交叉灵敏问题，从而可以做到双参量甚至多参量测量。

发明内容

本发明提出并制作了一种锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁场传感器，输出信号中存在光纤布拉格(FBG)透射峰和干涉峰，根据其对温度和磁场的不同敏感性，可用其实现双参量同时测量并消除交叉灵敏。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁场传感器，包括磁流体涂覆的锥结构和花生锥结构、光纤布拉格光栅、宽带光源、光谱分析仪、磁铁、特斯拉计，锥结构和花生锥结构构成的传感结构与磁流体封装于毛细管中；

宽带光源的光经入射端单模光纤依次通过锥结构、花生锥结构、光纤布拉格光栅经出射端单模光纤传输到到光谱分析仪。

进一步的，经出射端单模光纤的输出信号包含光纤布拉格光栅的透射峰和干涉峰，利用它们对磁场和温度的不同灵敏度能够实现同时测量。

进一步的，锥结构和花生锥结构之间的长度为2.4cm，单模光纤纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm，在普通单模上写制的光纤布拉格光栅在室温条件下其中心波长为1534.03nm。

进一步的，该传感结构用于实现温度和磁场的同时测量，方法具体为：观察光谱图，当dip₁和dip_FBG发生波长漂移时，分别获取dip₁的波长改变量Δλ₁和dip_FBG的波长改变量Δλ_FBG，使用下式计算获得环境温度变化量ΔT和磁场强度的变化量ΔH：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}H\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{cc}{K}_{HFBG}& -K_{H1}\\ -K_{TFBG}& K_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{FBG}\end{array}\right]$

其中D＝K_T1K_HFBG-K_TFBGK_H1；

式中，K_T1、K_H1分别为dip₁对于温度和磁场的敏感系数，K_TFBG和K_HFBG是dip_FBG对于温度和磁场的敏感系数。

本发明的优点和有益效果：

本发明提出了一种干涉型光纤磁场传感器，结构简单且容易制作，只需要普通的单模光纤及刻写在单模光纤中的光纤布拉格光栅。该传感器中输出信号包含干涉峰和FBG的透射峰，根据其对温度和磁场的不同敏感性，可以实现对温度和磁场的同时测量。该发明的干涉型传感器在航天、环境检测、医疗方面有着潜在的应用价值。

附图说明

图1为本发明光纤磁场传感器结构示意图；

图2为本发明图1中传感结构放大示意图；

图3为本发明光纤磁场传感器的输出信号谱；

图中：1.宽带光源、2.入射端单模光纤、3.传感结构、4.磁铁、5.特斯拉计、6.出射端单模光纤、7.光谱分析仪、8.锥结构、9.花生锥结构、10.光纤布拉格光栅(FBG)。

具体实施方式

实施例：

本发明基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤磁场传感器，如图1、2所示。由磁流体涂覆的锥结构8和花生锥结构9、光纤布拉格光栅(FBG)10、宽带光源(BBS)1、光谱分析仪(OSA)7、磁铁4、特斯拉计5组成，锥结构8和花生锥结构9构成的传感结构3与磁流体封装于毛细管中。

宽带光源的光经入射端单模光纤2依次通过锥结构8、花生锥结构9、光纤布拉格光栅10经出射端单模光纤6传输到到光谱分析仪7。

所述的光纤布拉格光栅(FBG)10室温条件下中心波长为1534.03nm，锥结构8和花生锥结构9之间的距离为2.4cm，单模光纤纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm。

如图1所示，本发明在同时对温度和磁场进行传感时光路传输为：宽带光源的光从入射端单模光纤2入射进锥结构8后，纤芯中的一部分光进入包层激发起高阶包层模式，其余的光继续在纤芯中传输。包层中的光到达花生锥结构9时，被重新耦合回纤芯，与纤芯中的光发生干涉。纤芯中的光继续传播经过光纤布拉格光栅10后，满足布拉格波长的光被反射，其余的光被透射通过出射端单模光纤6传输至光谱分析仪7中，监测环境温度和磁场的变化。

使用磁流体涂覆的锥结构8和花生锥结构9级联光纤布拉格光栅(FBG)10的光纤磁场传感器进行温度和磁场的同时测量，具体方法为：

观察光谱图，室温下传感器的透射谱为图3。

当dip₁和dip_FBG发生波长漂移时，分别获取dip₁的波长改变量Δλ₁和dip_FBG的波长改变量Δλ_FBG，敏感矩阵如下式所示：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{K}_{T1}& K_{H1}\\ K_{TFBG}& K_{H2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}H\end{array}\right]$

式中，K_T1、K_H1分别为dip₁对于温度和磁场的敏感系数，K_TFBG和K_HFBG是dip_FBG对于温度和磁场的敏感系数。

其中K_T1、K_H1以及K_TFBG和K_HFBG可以通过测量获得，其中测量过程具体为：

首先利用磁场传感实验装置测量磁场，如图1所示，通过磁铁外加磁场，磁场强度通过改变磁铁与传感结构的距离而变化，利用特斯拉计测量磁场的强度，得到K_H1和K_HFBG。

然后用所述传感器对温度进行测量，将制作好的传感器固定于恒温板上，设置恒温板温度变化范围为25℃-43℃，每隔2℃记录一次数据，得到K_T1和K_TFBG。

根据以上测量获得敏感矩阵。

使用敏感矩阵，获得温度和磁场的变化:

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}H\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{cc}{K}_{HFBG}& -K_{H1}\\ -K_{TFBG}& K_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\λ}}_1\\ {\mathrm{\Δ\λ}}_{FBG}\end{array}\right]$

其中D＝K_T1K_HFBG-K_TFBGK_H1。

应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于锥结构和花生锥结构级联光纤布拉格光栅的光纤磁场传感器，其特征在于：包括磁流体涂覆的锥结构(8)和花生锥结构(9)、光纤布拉格光栅(10)、宽带光源(1)、光谱分析仪(7)、磁铁(4)、特斯拉计(5)，锥结构(8)和花生锥结构(9)构成的传感结构(3)与磁流体封装于毛细管中；

宽带光源的光经入射端单模光纤(2)依次通过锥结构(8)、花生锥结构(9)、光纤布拉格光栅(10)经出射端单模光纤(6)传输到到光谱分析仪(7)。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：经出射端单模光纤(6)的输出信号包含光纤布拉格光栅(10)的透射峰和干涉峰，利用它们对磁场和温度的不同灵敏度能够实现同时测量。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于：锥结构8和花生锥结构9之间的长度为2.4cm，单模光纤纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm，在普通单模上写制的光纤布拉格光栅10在室温条件下其中心波长为1534.03nm。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种光纤磁场传感器，其特征在于：所述的传感结构(3)用于实现温度和磁场的同时测量，方法具体为：观察光谱图，当dip₁和dip_FBG发生波长漂移时，分别获取dip₁的波长改变量Δλ₁和dip_FBG的波长改变量Δλ_FBG，使用下式计算获得环境温度变化量ΔT和磁场强度的变化量ΔH：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}T\\ \mathrm{\Δ}H\end{array}\right]=\frac{1}{D}\left[\begin{array}{cc}{K}_{HFBG}& -K_{H1}\\ -K_{TFBG}& K_{T1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_1\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{FBG}\end{array}\right]$

其中D＝K_T1K_HFBG-K_TFBGK_H1；

式中，K_T1、K_H1分别为dip₁对于温度和磁场的敏感系数，K_TFBG和K_HFBG是dip_FBG对于温度和磁场的敏感系数。