CN109031168A - 一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，所述传感系统包括宽带光源、传感单元、磁场发生装置、磁强计、光谱仪。所述传感单元为少模光纤与两段单模光纤无错位熔接而成，将少模光纤进行细拉锥处理，在传感区覆盖磁流体以实现磁场传感。所述传感单元的一端与宽带光源连接，传感单元的另一端与光谱仪连接，亥姆霍兹线圈的输入端与电流源的正极连接，输出端与电流源的负极连接。本发明结构紧凑、制备简单，测量结果准确，灵敏度高，在各种磁场测量方面有很大的应用前景。

Description

一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤传感器。
背景技术
近年来，随着传感技术的飞速发展，光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐，可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。磁场作为一种重要的物理量，受到了广泛研究。在磁场探测方面，传统的磁场传感器具有体积大、结构复杂、动态范围小等缺点，在轻便、灵敏、快速方面稍逊于光纤磁场传感器，因此，本文设计了一种基于磁流体的光纤磁场传感器。
磁场是一种很普遍的物理量，它看不见，摸不着，但它是的确存在的，磁场传感目前广泛应用于工农业、电力系统监测、医疗监测、国防军事、地磁场研究等领域。如工农业上利用探磁法寻矿，电力系统中的监测，医学上的核磁共振，国防上的电子对抗等领域都需用到磁场技术。因此，磁场的测量受到越来越多的重视，目前已实现的光纤磁场传感器类型主要有法布里-珀罗干涉型、萨格纳克干涉型、光子晶体光纤内部填充型等。如胡涛等提出了一种新的电磁场测量方法，将磁流体材料作为光纤法-珀滤波器的腔内介质，利用磁性液体可控折射率特性，实现了对电磁场的测量，实验发现磁性液体薄膜的厚度在12μm左右时，外加磁场的磁场强度和波长有较高的线性度。祖鹏等提出了一种基于磁性液体的新型光纤萨格纳克磁场传感器，将磁性液体制成薄膜，放入具有一段保偏光纤的萨格纳克环中，使光纤萨格纳克干涉仪的正弦形状干涉光谱可随外磁场变化，实验结果表明，在外加磁场与磁性液体薄膜平面平行时，传感器灵敏度与磁性液体薄膜厚度有关，对于60μm的磁性液体薄膜，灵敏度为16.7pm/Oe。HarneetV.Thakur等人通过在保偏光子晶体光纤的包层孔中注入少量的磁流体来实现磁场传感，该传感器具有较高的灵敏度，实验测得在磁流体浓度为0.3mg/ml和0.6mg/ml时，其灵敏度分别为155.7pm/mT和242pm/mT。上述光纤磁场传感器虽然结构新颖，但都不能良好的控制其传输模式，且制备要求较高，无法确保稳定性，而少模光纤更易于实现传输模式的精准控制和分析，因此，本文设计了一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备简单、灵敏度高、测量准确的基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器。
为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明主要包括宽带光源、传感单元、亥姆霍兹线圈、电流源、磁强计以及光谱仪，所述传感单元水平置于亥姆霍兹线圈内部，传感单元的一端与宽带光源连接，传感单元的另一端与光谱仪连接；亥姆霍兹线圈的输入端与电流源的正极连接，亥姆霍兹线圈的输出端与电流源的负极连接；磁强计的探针水平放置在亥姆霍兹线圈中。
进一步的，所述传感单元包括少模光纤和两段单模光纤，在少模光纤的两端熔点处分别与两段单模光纤无错位熔接；在少模光纤的拉锥点进行拉锥形成锥区，在锥区套上毛细玻璃管并充入磁流体。
进一步的，所述宽带光源选用波长范围为1520～1610nm的宽带光源。
进一步的，所述单模光纤的纤芯直径为9μm、包层直径为125μm；所述少模光纤的纤芯直径为19μm、包层直径为125μm。
进一步的，所述电流源输出电压为0～40V，电压精度为0.1％，输出电流为0～8A，电流精度为0.5％。
进一步的，所述磁强计为磁通门磁强计，分辨率为0.1nT。
所述光谱仪通信波段为1200～2400nm，分辨率为0.02nm。
工作过程大致如下：
磁流体在静态时无磁性吸引力，在外加磁场时才会表现出磁性，且其折射率随外加磁场强度变化而变化。因此，经过拉锥处理的少模光纤由于光纤直径变小，当光传输至锥形区域时，全反射条件被改变，部分光能量会耦合进包层，以包层模式传输，另一部分光继续在纤芯中以纤芯模式传输，并在经过锥形区域的另一端时，以包层模形式传输的光会重新耦合进纤芯中，由于两个模式的光的传播常数不同，在传输相同的距离后，会产生光程差，因此两个模式的光会发生干涉，其相位差可以表示为
由双光束干涉理论可知，传输光谱中相应波峰(谷)对应的波长为
式中L为锥区长度，n1,2为纤芯-包层折射率差，λ0为光在真空中的传播波长。
由于少模光纤锥形区域直径变小，因此容易受外界环境影响，当外加磁场作用时，磁流体的折射率会发生变化，影响包层的折射率，进而影响纤芯-包层折射率差，造成干涉光谱的漂移，因此随着磁场的变化，其传输光谱会发生变化。因此，通过检测磁场引起的波长的变化，就可以实现磁场的检测。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、结构紧凑、制备简单，只需将一段少模光纤无错位熔接在两段单模光纤之间，之后对少模光纤进行拉锥即可。
2、对磁场敏感，测量结果准确。
3、基于M-Z干涉原理实现外界环境信息的检测，灵敏度高，有着很广阔的应用前景，在光纤传感方面有巨大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的示意简图。
图2为本发明传感单元的结构示意简图。
附图标号：1-亥姆霍兹线圈输入端、2-亥姆霍兹线圈输出端、3-电流源正极、4-电流源负极、5-亥姆霍兹线圈、6-宽带光源、7-光谱仪、8-磁强计、9-磁强计探头、10-电流源、11-传感单元、12-单模光纤、13-单模光纤与少模光纤熔接点、14-少模光纤拉锥点、15-少模光纤、16-单模光纤包层、17-单模光纤纤芯、18-少模光纤纤芯、19-少模光纤包层、20-毛细玻璃管、21-磁流体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，传感单元11水平放置在亥姆霍兹线圈5中，传感单元一端与宽带光源6连接，传感单元另一端与光谱仪7连接，亥姆霍兹线圈5的输入端1连接电流源10的正极3，输出端2连接电流源10的负极4，磁强计8的探针9水平放置在亥姆霍兹线圈5中，用于测量磁场。
如图2所示，传感单元11由少模光纤15在两段单模光纤12之间进行无错位熔接，两端熔接点为13，对少模光纤区域进行拉锥处理，锥形区域的两端点为14，在少模光纤的锥区套上毛细玻璃管20，充入磁流体21，之后对毛细玻璃管进行封装，形成基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器。所述传感单元中单模光纤由单模光纤纤芯17和单模光纤包层16构成，单模光纤纤芯直径为9μm，单模光纤包层直径为125μm；少模光纤由少模光纤纤芯18和少模光纤包层19构成，少模光纤纤芯直径为19μm，少模光纤包层直径为125μm。
在传感器制备的过程中，需要使用的实验设备有古河FITEL S178型光纤熔接机，波长范围为1520-1610nm的ASE3700型宽带光源以及AQ6375型光学光谱仪。在切割光纤时，尽量保证光纤端面的平整度和洁净度，并采用自动熔接的方式进行少模光纤与单模光纤之间的熔接，以最大限度保证熔接参数一致，提高可重复性，将熔接电流设置为100mA。
通过电流源给线圈通电，控制电流大小来实现对磁场强度的调节，当磁场发生变化时，磁流体的折射率会发生变化，引起传感单元的传输光谱会发生变化，从而达到检测磁场的目的。在检测具体的磁场时，从光谱仪测得不同波峰(谷)波长的漂移量，即可得出磁场的变化量。
以上所述的实施仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，主要包括宽带光源、传感单元、亥姆霍兹线圈、电流源、磁强计以及光谱仪，其特征在于：所述传感单元水平置于亥姆霍兹线圈内部，传感单元的一端与宽带光源连接，传感单元的另一端与光谱仪连接；亥姆霍兹线圈的输入端与电流源的正极连接，亥姆霍兹线圈的输出端与电流源的负极连接；磁强计的探针水平放置在亥姆霍兹线圈中。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述传感单元包括少模光纤和两段单模光纤，在少模光纤的两端熔点处分别与两段单模光纤无错位熔接；在少模光纤的拉锥点进行拉锥形成锥区，在锥区套上毛细玻璃管并充入磁流体，再对毛细玻璃管进行封装，形成基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述宽带光源选用波长范围为1520～1610nm的宽带光源。
4.根据权利要求2所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述单模光纤的纤芯直径为9μm、包层直径为125μm；所述少模光纤的纤芯直径为19μm、包层直径为125μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述电流源输出电压为0～40V，电压精度为0.1％，输出电流为0～8A，电流精度为0.5％。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述磁强计为磁通门磁强计，分辨率为0.1nT。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的锥形少模光纤磁场传感器，其特征在于：所述光谱仪通信波段为1200～2400nm，分辨率为0.02nm。
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