CN109375124B - 一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，包括：宽带光源、光纤环形器、光纤旋转连接器、传感探头和光谱仪；所述传感探头通过在单模光纤上依次刻写45°倾斜光纤光栅、大角度倾斜光纤光栅和啁啾光纤光栅，并将所述大角度倾斜光纤光栅的栅区套入玻璃毛细管中，注入磁流体后封装制成。本发明利用大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度变化和方向性特点，结合磁流体的双折射特性，可以同时监测磁场的强度大小和方向；并且结构简单、易于制作，受外界温度影响较小，灵敏度和精度高。

Description

一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器。
背景技术
磁场作为与当今信息时代息息相关的一个参量，在航空、军事、生物医学、电力传输系统等各方面，磁场的探测都占据了非常重要的地位。传统的磁场传感器主要运用霍尔效应、磁光效应、磁滞效应等基本原理，大多精度不高，灵敏度有限，且在一些复杂恶劣的环境中工作时不断显现出频带不宽、磁饱和、有爆炸危险等弊端，光纤传感技术的发展改变了这一现状，光纤传感器以其精度高、体积小、重量轻、抗干扰等优势，已经广泛应用于海洋水文测量、地质灾害、建筑结构、地球物探等领域。
目前应用较多的有光纤光栅结合磁致伸缩材料的磁场传感器，但其制作流程复杂，灵敏度有限，无法满足日益增长的测量精度要求；还有普通光纤光栅结合磁流体的磁场传感器，但大多无法检测磁场方向。因此设计一种易于制作、精度高，并且能同时测量磁场大小和方向的光纤磁场矢量传感器就显得非常必要。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，旨在解决现有传感器灵敏度有限，测量精度不能满足要求，并且不能同时测量磁场强度大小和方向的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，包括：宽带光源、光纤环形器、光纤旋转连接器、传感探头和光谱仪；
所述宽带光源连接所述光纤环形器；
所述光纤环形器连接所述光纤旋转连接器和所述光谱仪；
所述光纤旋转连接器连接所述传感探头；
所述连接采用光纤熔融的方式。
进一步地，所述光纤旋转连接器用于旋转所述传感探头，最小旋转角度为0.1°。
进一步地，所述传感探头通过在单模光纤上依次刻写45°倾斜光纤光栅、大角度倾斜光纤光栅和啁啾光纤光栅，并将所述大角度倾斜光纤光栅的栅区套入玻璃毛细管中，注入磁流体后封装制成。
进一步地，所述45°倾斜光纤光栅采用相位掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为45°，栅区长度为20mm。
进一步地，所述的大角度倾斜光纤光栅采用幅度掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为69°～89°，栅区长度为10mm～15mm，光栅轴向周期为25μm～30μm。
进一步地，所述大角度倾斜光纤光栅对外界环境的折射率变化敏感，所述折射率变化对应的所述大角度倾斜光纤光栅的光谱变化称为所述大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度。
进一步地，所述大角度倾斜光纤光栅的在光栅慢轴方向的折射率灵敏度最大，在光栅快轴方向上的折射率灵敏度最小。
进一步地，所述磁流体的折射率受磁场作用发生变化。
进一步地，所述磁流体受磁场作用的折射率变化在所述大角度倾斜光纤光栅折射率响应范围内。
进一步地，所述啁啾光纤光栅的带宽覆盖所述大角度倾斜光纤光栅波长动态范围。
本发明的磁场矢量传感器传感机制为：从所述宽带光源发出的光经过所述45°倾斜光纤光栅，产生线偏振光并进入所述大角度倾斜光纤光栅中，经所述啁啾光纤光栅反射，由所述光谱仪接收光信号。
基于上述技术方案，本发明的磁场矢量传感器测量磁场矢量的工作原理为：
磁场强度变化会改变所述磁流体的折射率，而所述磁流体作为所述大角度倾斜光纤光栅的外界环境，所述磁流体的折射率变化会改变所述大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度，即所述大角度倾斜光纤光栅包层模谐振峰的波长漂移量，因此，通过检测所述波长漂移量的变化即可确定待测磁场的强度大小。
同时，经实验研究，所述大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度还具有方向性，即光栅慢轴方向上的折射率灵敏度最大，光栅快轴方向上灵敏度最小，且前者约是后者的2倍，因此通过改变所述传感探头的旋转角度可得到不同的波长漂移量，通过得到的波长漂移量的变化趋势来确定磁场的方向。
设计合理的光栅结构及选用合适浓度的磁流体，能起到增大波长漂移量，提高传感器灵敏度的作用。
按照本发明的磁场矢量传感器测量二维平面上磁场矢量方法：
将所述传感探头放置于与二维平面垂直方向上，在磁场强度大小发生变化的过程中，所述大角度倾斜光纤光栅的包层模对所述磁流体的折射率变化产生响应，由所述光谱仪观测所述包层模谐振峰的波长漂移量，进而得出磁场的强度大小；
检测待测磁场方向过程中，用所述光纤旋转连接器将所述传感探头旋转0°～360°，由所述光谱仪观测包层模的波长漂移量变化，在极坐标系中，波长漂移量随旋转角度的曲线图束腰位置即为磁场方向。
同理，测量三维空间中的磁场矢量时，将探头分别放置于X，Y，Z三个方向上，按照上述测量二维平面上磁场矢量的方式，分别得出对应方向的磁场强度大小和方向，进行矢量合成后即可测得三维空间中的磁场强度大小和方向。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明的基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，利用大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度变化和方向性特点，结合磁流体的双折射特性，通过观测大角度倾斜光纤光栅包层模谐振峰的波长漂移量变化，可以同时监测磁场的强度大小和方向；
由于大角度倾斜光纤光栅具有低温度串扰特性，因此本发明的基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器受外界温度影响较小，从而测量稳定性提高，同时结构简单、易于制作，灵敏度和精度高。
附图说明
图1是按照本发明的基于大角度倾斜光纤光栅磁场矢量光纤传感器的结构图；
图2是按照本发明的传感探头结构图；
图3是大角度倾斜光纤光栅折射率TM/TE灵敏度方向性实验结果图；
图4是磁场方向传感的实验结果图；
1为宽带光源，2为光纤环形器，3为光纤旋转连接器，4为传感探头，5为光谱仪，6为45°倾斜光纤光栅，7为大角度倾斜光纤光栅，8为啁啾光纤光栅，9为玻璃毛细管，10为磁流体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，按照本发明的一种基于大角度倾斜光纤光栅磁场矢量光纤传感器，包括：宽带光源1、光纤环形器2、光纤旋转连接器3、传感探头4和光谱仪5；
宽带光源1连接光纤环形器2；光纤环形器2连接光纤旋转连接器3和光谱仪5；光纤旋转连接器3连接传感探头4；以上各光器件之间采用光纤熔融的方式连接。
光纤旋转连接器3用于旋转传感探头4，最小旋转角度为0.1°。
制作图1所示的矢量光纤传感器，主要包括以下步骤：
1)制作传感探头4
传感探头4的结构如图2所示，其制作过程为：
在单模光纤上依次刻写上45°倾斜光纤光栅6、大角度倾斜光纤光栅7、啁啾光纤光栅8；用擦拭纸蘸取无水乙醇将光栅的包层表面擦拭干净并晾干；将大角度倾斜光纤光栅7的栅区套入内径为0.5mm的玻璃毛细管9中，用滴管取一定剂量的磁流体10滴在玻璃毛细管9的一端口，使磁流体10充满毛细管9；用蜡将毛细管9的两个端口封住，以防止磁流体泄漏；
其中45°倾斜光纤光栅6采用相位掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为45°，栅区长度为20mm；大角度倾斜光纤光栅7采用幅度掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为69°～89°，栅区长度为10mm～15mm，光栅轴向周期为25μm～30μm。
2)用单模光纤将宽带光源1、光纤环形器2、光纤旋转连接器3、传感探头4和光谱仪5按照图1所示的结构依次连接。
根据上述制作流程，可以看出按照本发明的一种基于大角度倾斜光纤光栅磁场矢量光纤传感器结构简单，操作方便，易于制作。
下面对按照本发明的矢量光纤传感器的工作原理进行分析：
大角度倾斜光纤光栅7的包层模对外界环境的折射率变化敏感，外界环境的折射率变化引起大角度倾斜光纤光栅的光谱变化，折射率变化对应的光谱变化称为大角度倾斜光纤光栅7折射率灵敏度，其折射率灵敏度用大角度倾斜光纤光栅7包层模谐振峰的波长漂移量Δλ来表征，采用如下公式表示：
Δλ＝ΓSRIγλ
其中ΓSRI是折射率相关因子，γ波导色散因子，um是零阶贝塞尔函数的第m个解，λres是谐振峰波长，Λ是光栅轴向周期，nco、ncl、nsur分别是纤芯折射率、包层折射率、第m阶包层模有效折射率、外界环境折射率，rcl是包层半径。
由此可见，外界环境折射率的变化会改变大角度倾斜光纤光栅7包层模的波长漂移量。
在匀强磁场的作用下，磁流体10中的磁性颗粒会在磁场方向上逐渐形成磁链，各向异性结构使磁流体的双折射特性显现出来，如下式所示：Δn＝n||-n⊥，即在二维平面上，磁流体的折射率是椭圆分布的。在某一恒定磁场强度下，以椭圆长轴为极轴方向，圆心为极点，通过极坐标换算，磁流体的折射率分布可表示为：
其中nhigh、nlow分别是椭圆长轴和短轴，即平行于磁场和垂直于磁场方向上的磁流体折射率分量。
随着磁场强度的增大，平行于磁场方向上的磁性颗粒逐渐密集，垂直于磁场方向的磁性颗粒逐渐稀疏，因此，平行于磁场方向上的磁流体折射率分量增大，垂直于磁场方向上的磁流体折射率分量减小。
在平行磁场的方向上，磁流体的折射率与磁场强度之间的关系一般可用朗之万函数描述：
其中n0是磁场强度达到阈值Hc.n前的折射率，ns是磁流体达到饱和后的折射率，T是热力学温度，α为拟合参数。
根据上述分析，磁场强度变化会改变磁流体10的折射率，而磁流体10作为大角度倾斜光纤光栅7的外界环境，磁流体10的折射率变化会改变大角度倾斜光纤光栅7包层模谐振峰的波长漂移量，因此，通过大角度倾斜光纤光栅7包层模谐振峰的波长漂移量变化即可确定待测磁场的强度大小。
此外，经实验研究，大角度倾斜光纤光栅7的折射率灵敏度，即波长漂移量随着外界环境折射率变化还具有方向性，如图3所示，光栅慢轴方向上的折射率灵敏度最大，快轴方向上最小，且前者约是后者的2倍，因此通过改变传感探头4的旋转角度可得到不同的波长漂移量，通过得到的波长漂移量的变化趋势来确定磁场的方向。
此外，磁流体由磁性颗粒、基液和表面活性剂构成，因为它的折射率随外界磁场变化而变化是磁性颗粒逐渐形成磁链的过程，所以浓度越高，磁性颗粒就越多，随外界磁场改变的折射率变化范围就越大，在磁流体折射率不超过包层折射率(激发包层模的必要条件)的前提下，选择合适浓度的磁流体能有效提高传感器灵敏度；另外，由大角度倾斜光纤光栅传感理论得知，通过减小光纤包层半径，可使折射率相关因子增大，或在光栅外镀一层高折射率的薄膜，使波导色散因子趋于无穷(理论值)，也能增大波长漂移量，提高传感器的灵敏度。
基于上述技术方案，按照本发明的一种基于大角度倾斜光纤光栅磁场矢量光纤传感器工作原理如下：
从宽带光源1发出的光经过45°倾斜光纤光栅6后，产生线偏振光并进入大角度倾斜光纤光栅7中，后经啁啾光纤光栅8反射到光谱仪。
测量二维平面上磁场强度矢量方法：
假设待测磁场在XZ平面上，将传感探头4放置于Y方向上，在磁场强度大小发生变化的过程中，大角度倾斜光纤光栅7的包层模对磁流体10的折射率变化产生响应，由光谱仪5观测包层模谐振峰的波长漂移量，进而得出磁场的强度大小；
检测待测磁场方向过程中，利用光纤旋转连接器3旋转传感探头4，并由光谱仪5观测包层模的漂移量变化，实验结果如图4所示，波长漂移量随传感探头4旋转0°～360°变化的曲线图在极坐标系中成“8”字，束腰位置即为待测磁场的方向。
同理，测量三维空间中的磁场矢量时，将探头分别放置于X，Y，Z三个方向上，按照上述测量二维平面上磁场矢量的方式，分别得出对应方向的磁场强度大小和方向，进行矢量合成后即可测得三维空间中的磁场强度大小和方向。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，包括：宽带光源、光纤环形器、光纤旋转连接器、传感探头和光谱仪；
所述宽带光源连接所述光纤环形器；
所述光纤环形器连接所述光纤旋转连接器和所述光谱仪；
所述光纤旋转连接器连接所述传感探头；
所述连接采用光纤熔融的方式；
所述传感探头通过在单模光纤上依次刻写45°倾斜光纤光栅、大角度倾斜光纤光栅和啁啾光纤光栅，并将所述大角度倾斜光纤光栅的栅区套入玻璃毛细管中，注入磁流体后封装制成；所述的大角度倾斜光纤光栅采用幅度掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为69°～89°，栅区长度为10mm～15mm，光栅轴向周期为25μm～30μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述光纤旋转连接器用于旋转所述传感探头，最小旋转角度为0.1°。
3.根据权利要求1所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述45°倾斜光纤光栅采用相位掩模板技术刻写，光栅面与纤轴夹角为45°。
4.根据权利要求1所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述大角度倾斜光纤光栅对外界环境的折射率变化敏感，所述折射率变化对应的所述大角度倾斜光纤光栅的光谱变化称为所述大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度。
5.根据权利要求4所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述大角度倾斜光纤光栅的折射率灵敏度具有方向性，在光栅慢轴方向的折射率灵敏度最大，在光栅快轴方向上的折射率灵敏度最小。
6.根据权利要求1所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述啁啾光纤光栅的带宽覆盖所述大角度倾斜光纤光栅波长动态范围。
7.根据权利要求1所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，所述磁流体的折射率受磁场作用发生变化，并且所述折射率变化在所述大角度倾斜光纤光栅折射率响应范围内。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于大角度倾斜光纤光栅的磁场矢量传感器，其特征在于，将所述传感探头放置于垂直磁场方向，利用所述光纤旋转连接器将所述传感探头旋转0°～360°，由所述光谱仪监测到的光谱图得到待测磁场的强度大小和方向。
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