CN106680740A - 一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，由宽带光源，偏振控制器，光纤环行器，单模光纤，光子晶体光纤，倾斜光纤光栅，磁流体，磁场发生器，高斯计和光纤光谱仪组成。在倾斜光纤光栅前熔接上一段经过腐蚀的光子晶体光纤，并在其内部填充磁流体，既作为磁流体的载体，也提高包层模反射回纤芯的耦合效率，构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感系统。当外界磁场强度发生变化，磁流体的有效折射率随之改变，数量众多的各阶包层模与磁流体直接发生了作用，在反射光谱上观察到包层模的强度漂移，进而解调出外界磁场强度信息。该发明灵活性高，响应速度快，高灵敏度的同时抗温度干扰。
Description
技术领域
本发明属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统。
背景技术
光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型。
磁流体(Magnetic fluids，MF)主要由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成，是一种兼具流动性和强磁性的新型智能材料。其具有丰富的光学特性，如可调谐折射率，可调谐透射率，双折射效应和热透镜效应等。目前，在实验基础上已研究了诸多基于磁流体的光学器件，基于磁流体的光学传感原理及应用在国内外都是一个热门的研究课题。
倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)是栅平面与光轴成一定夹角的特殊短周期光纤光栅，该特殊结构能够有效地在包层内激励对折射率高度敏感的各阶包层模，兼具FBG与LPG的优点，同时具有低热敏交叉性和强烈的偏振依赖特性，是光纤传感技术和解决光纤光栅温度交叉敏感问题上重要的研究方向。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统。在倾斜光纤光栅前熔接上一段经过腐蚀的光子晶体光纤，并在其内部填充磁流体，该光子晶体光纤一方面作为磁流体的载体，使得光波与磁流体近距离发生作用，另一方面提高了包层模反射回纤芯的耦合效率。在此基础上，构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感系统，具备有结构紧凑、灵敏度高，温度特性优良等优点，减少磁流体水分蒸发以延长系统工作寿命。
本发明通过以下技术方案实现：一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，磁流体(7)，磁场发生器(8)，高斯计(9)，光纤光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，光子晶体光纤(5)经过腐蚀至管壁完全消失后内部填充磁流体(7)，以此构成磁场强度探头并与高斯计(9)一起置于磁场发生器(8)中；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(10)相连。
所述的光子晶体光纤(5)的长度为1.5mm～2.5mm，包层直径为125μm。
所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～8°，栅区长度为10mm～12mm，Bragg波长为1575nm，包层模波长范围为1500nm～1573nm。
所述的磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光从光纤环行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，经单模光纤(4)和光子晶体光纤(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)改变光场耦合条件，激励出两种不同的反向传输模式，一种是满足Bragg匹配条件的Bragg模，另一种是满足包层匹配条件的包层模。包层模反射回光子晶体光纤(5)时，由于纤芯直径失配耦合进入磁流体(7)，并再次发生耦合进入单模光纤(4)的纤芯，因此与磁流体(7)直接发生了作用。包含磁场强度信息的光信号返回光纤环行器(3)的b端口，从c端口出射被光纤光谱仪(10)接收和解调。磁场发生器(8)用于产生恒定的均匀磁场，高斯计(9)用于实时读取磁场强度探头附近的磁场强度以进行标定。
相位匹配条件取决于倾斜光纤光栅(6)的倾斜角度和有效光栅周期，Bragg模和各阶包层模满足的相位匹配条件表示为
λBragg＝2neff，core*Λ/cos(θ) (1)
Λ＝ΛT*cos(θ) (3)
式中，θ为栅平面的倾斜角度，λBragg为Bragg波长，为第i阶包层模波长，和分别表示纤芯和包层在波长为时的有效折射率，Λ为θ＝0°时的光栅周期，ΛT为倾斜光纤光栅(6)的有效光栅周期。
本发明基于磁流体(7)可调谐折射率的光学特性。朗之万函数描述其折射率与外磁场和温度的关系为
式中，ns为饱和磁场下的折射率，no为临界磁场下的折射率，H为外界磁场强度，Hc，n为临界磁场强度，T为热力学温度，α为拟合参数。
外磁场对磁流体(7)的折射率进行调谐，一般利用磁电方向效应进行解释。纳米磁性颗粒由于布朗运动随机分布在基液中；当施加磁场时，纳米磁性颗粒组成许多相距一定距离的沿着磁场方向排列的链状结构，从而使磁流体(7)表现出光学各向异性。当磁场强度增大，更多的磁柱形成，磁流体(7)中发生液相-柱相的分离。相分离导致有效介电常数的变化，宏观上表现为折射率的变化。
腐蚀光子晶体光纤(5)在光纤内部引入一定厚度的磁流体(7)，当外界磁场强度发生变化时，磁流体(7)的有效折射率随之改变，由于包层模强度对折射率变化非常敏感，可以在反射光谱上观察到包层模的强度漂移，进而解调出外界磁场强度信息。
本发明的有益效果是：(1)创新地通过腐蚀光子晶体光纤将磁流体引入光纤内部，该设计不影响光纤的机械性能，磁流体与光纤中传输的光波近距离作用，灵活性高，响应速度快；(2)引入对折射率变化高度敏感同时低热敏交叉性的倾斜光纤光栅作为载体，大幅提升了该新型光纤磁场传感系统的灵敏度和热稳定性。因此，本发明的突出优点是可在线应用，灵活性高，响应速度快，高灵敏度的同时抗温度干扰。
附图说明
图1是一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统的特征装置示意图。
图2是一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统的磁场强度探头结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，磁流体(7)，磁场发生器(8)，高斯计(9)，光纤光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；参见附图2，单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，光子晶体光纤(5)经过腐蚀至管壁完全消失后内部填充磁流体(7)，以此构成磁场强度探头并与高斯计(9)一起置于磁场发生器(8)中；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(10)相连。进一步的，光子晶体光纤(5)的长度为1.5mm～2.5mm，包层直径为125μm；倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～8°，栅区长度为10mm～12mm，Bragg波长为1575nm，包层模波长范围为1500nm～1573nm；磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
腐蚀光子晶体光纤(5)填充磁流体(7)的方法是，将光子晶体光纤(5)除去包层，与倾斜光纤光栅(6)熔接。保留1.5mm～2.5mm的光子晶体光纤(5)切平端面，然后垂直浸入HF酸溶液中，静置1min。在毛细效应作用下，HF酸进入光子晶体光纤(5)的空气孔中对管壁进行腐蚀，孔径进一步增大，直至整个周期性结构完全消失。接着，将光子晶体光纤(5)浸入大量超净水中清洗，烘干水分，再次垂直浸入磁流体(7)中，在毛细效应作用下磁流体(7)充满光子晶体光纤(5)内部。
本发明的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光从光纤环行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，经单模光纤(4)和光子晶体光纤(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)激励的包层模反向传输，耦合进入磁流体(7)和单模光纤(4)的纤芯，与磁流体(7)直接发生了作用。当外界磁场强度发生变化，磁流体(7)的有效折射率随之改变，数量众多的各阶包层模发生强度漂移。光信号返回光纤环行器(3)的b端口，沿c端口被光纤光谱仪(10)接收和解调，因此在反射光谱上观察到包层模的强度漂移，进而解调出外界磁场强度信息。
Claims (4)
1.一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，磁流体(7)，磁场发生器(8)，高斯计(9)，光纤光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，光子晶体光纤(5)经过腐蚀至管壁完全消失后内部填充磁流体(7)，以此构成磁场强度探头并与高斯计(9)一起置于磁场发生器(8)中；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(10)相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：所述的光子晶体光纤(5)的长度为1.5mm～2.5mm，包层直径为125μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～8°，栅区长度为10mm～12mm，Bragg波长为1575nm，包层模波长范围为1500nm～1573nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：所述的磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。
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