CN109541502A - 一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤磁场传感器技术领域，具体公开了一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法，所述矢量磁场传感器包括侧边抛磨光纤、镀制在抛磨区上的金属薄膜、磁流体、光源以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述抛磨光纤是通过光纤抛磨掉部分包层和纤芯制作而成；所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在抛磨光纤周围。本发明利用表面等离子体共振(SPR)效应，在透射光谱中形成一个共振波谷(透射光强度最低值)，在不同磁场强度或磁场方向下，磁流体在金属膜上方的折射率不同，导致SPR共振波谷位置的不同，通过记录共振光谱的漂移情况，即可标定传感器对磁场方向和强度的传感特性。
Description
技术领域
本发明涉及光纤磁场传感器技术领域，具体涉及一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器及其制备与检测方法。
背景技术
传感技术、通信技术和计算机技术一同构成了现代信息产业的三大支柱，分别在信息系统中扮演着“感官”、“神经”和“大脑”的角色。其中，传感技术作为信息获取的关键部件，是后续信息传输、处理的基础，其重要性不言而喻。
光纤传感器作为现代传感器领域的一个重要分支，具有体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围大、功耗低、便于复用、便于远程监测、鲁棒性强、抗腐蚀、抗电磁干扰等独特优点，在易燃易爆、强腐蚀、强电磁场等恶劣环境下具备传统传感器无法比肩的优势。而其中的侧边抛磨光纤方法已经成为构造新型全光纤器件和多功能光纤传感器已成为研究开发的有效途径之一。但通过侧抛光纤与SPR、磁流体结合，运用SPR技术的高灵敏度等优点制备出来的一种高性能矢量磁场传感器至今仍未出现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，能灵敏地检测到磁场强度与方向的变化。
本发明采取的技术方案如下：
一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，包括侧边抛磨光纤、镀制在抛磨区上的金属薄膜、磁流体、光源以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述抛磨光纤是通过将光纤一侧的包层抛磨掉制作而成；所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在抛磨光纤周围。
本发明中，在磁场作用下，当入射光与磁场方向平行时，磁流体中的纳米粒子汇集高密度纳米群；当入射光与磁场方向垂直时，磁流体中的纳米粒子汇集成低密度纳米群。这种纳米粒子随磁场方向汇集或分散的特性，使得磁流体的折射率受到磁场强度与方向的控制，进而影响纳米粒子与抛磨光纤之间的倏逝场相互作用，引起SPR共振波长的变化，使得抛磨光纤SPR的共振波长受到磁场强度与方向的调制，构成矢量磁场传感器。
当光源发射的光耦合入传感器后，由于传感器的传感区域对环境介质的折射率非常敏感，满足共振条件的光波与金属中的等离子体波产生共振从而激发产生SPR效应，此时在透射光谱中形成一个共振波谷(透射光强度最低值)，透射光谱用光纤光谱仪采集记录。不同磁场强度或不同方向下，磁流体折射率不同，其共振波谷位置不同，通过记录抛磨光纤的共振光谱的漂移情况，即可标定传感器对磁场方向和强度的传感特性。
优选地，所述金属膜采用贵金属膜。具体的，所述贵金属膜为金膜。
优选地，所述抛磨光纤采用抛磨双模光纤。双模光钎的纤芯直径为19um左右，本发明中，采用双模光纤侧边抛磨处理制作磁场传感器，可有效提高磁场传感器的灵明度和信噪比。
优选地，抛磨区的抛磨面到纤芯的距离d为0μm，即抛磨面与纤芯相切。
优选地，所述抛磨区长度为9～15mm。
优选地，所述金属膜的厚度为40～60nm。
优选地，所述金属膜分为两层，贴合在光纤包层上的为铬膜，位于铬膜上的为金膜。具体的，铬膜的厚度在3～7nm，本发明首先在光纤包层上镀一层铬膜，在不影响传感器性能的同时，提高金膜在光纤表面的附着力。
优选地，所述抛磨光纤为光纤。
一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：S1、制备侧边抛磨光纤：通过抛磨把光纤的包层去掉，在光纤表面形成一定长度的平坦区域，即抛磨区；S2、采用真空蒸镀法将金属膜镀在抛磨光纤的抛磨区上；镀膜过程为清洗玻片后打开镀膜机预热，然后放置镀膜材料，将真空室抽真空以及离子源清洗玻片，镀金属膜顺序为先镀铬再镀金，镀膜完成后取出玻片，最后关闭镀膜机进行维护。S3、将毛细管套在抛磨光纤的抛磨区域外面，利用毛细作用将磁流体充入毛细管中，从而使磁流体包覆于光纤周围，在毛细管两端滴紫光胶，用紫外灯照射直至紫光胶完全凝固，将毛细管两端密封。
一种采用上述矢量磁场传感器的检测方法，检测磁场方向变化时，被检测磁场的磁场强度在20～300Oe之间。
优选地，检测磁场强度时，被检测磁场的磁场强度在0～400Oe之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明运用SPR技术的高折射率灵敏度的优点，将其与磁流体的传感器相结合，进一步提高磁场响应的灵敏度。
(2)本发明利用了磁流体在光纤周围的非均匀聚集特性和侧抛光纤的非中心对称特性，实现了对磁场方向的高灵敏度传感。
(3)本发明中根据多次实验寻找到优良的实验数据，能有效避免由于制备工艺的失误所带来的光功率损耗，导致传感器的灵敏度下降。
(4)本发明选定了适合的被检测磁场的磁场强度区间，使得传感器的磁场角度响应特性的灵敏度与线性度高，容易测量与反应出磁场方向的变化。
附图说明
图1为矢量磁场传感单元和检测系统装置示意图。
图2为固定磁场强度为300Oe，传感器透射率谱线随磁场方向的变换情况。
图3为固定磁场强度为300Oe，共振波长随磁场方向的变化情况。
图4为磁场方向对透射光谱以及共振波长的影响示意图，其中(a)当毛细管中充入水时，透射光谱随磁场方向的变化情况；(b)当毛细管中充入水时，共振波长与磁场方向的关系。
图5为透射谱和共振波长随磁场强度的变化示意图，其中(a)、(b)固定磁场方向为0o时，透射谱和共振波长随磁场强度的变化情况；(c)、(d)固定磁场方向为90o时，透射谱和共振波长随磁场强度的变化情况。
具体实施方式
本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例
一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，包括侧边抛磨光纤、设置在抛磨区上的金属膜、磁流体、光源以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述抛磨光纤是通过将光纤一侧的包层抛磨掉制作而成；所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在抛磨光纤周围。
其工作原理：在磁场作用下，当入射光与磁场方向平行时，磁流体中的纳米粒子汇集高密度纳米群；当入射光与磁场方向垂直时，磁流体中的纳米粒子汇集成低密度纳米群。这种纳米粒子随磁场方向汇集或分散的特性，使得磁流体的折射率受到磁场强度与方向的控制，进而影响纳米粒子与抛磨光纤之间的倏逝场相互作用，引起SPR共振波长的变化，使得抛磨光纤SPR的共振波长受到磁场强度与方向的调制，构成矢量磁场传感器。
优选地，所述抛磨光纤为抛磨双模光纤。
优选地，抛磨区的抛磨面到纤芯的距离d为0μm。
优选地，所述抛磨区长度为10mm。
优选地，所述金属膜的厚度为50nm。
优选地，所述金属膜分为两层，贴合在光纤包层上的为铬膜，位于铬膜上的为金膜。
一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、制备侧边抛磨光纤：通过抛磨把光纤的一部分包层和纤芯去掉，在光纤表面形成一定长度的平坦区域，即抛磨区；
S2、采用真空蒸镀法将金属膜镀在抛磨光纤的抛磨区上；
S3、将毛细管套在抛磨光纤的抛磨区域外面，利用毛细作用将磁流体充入毛细管中，从而使磁流体包覆于光纤周围，在毛细管两端滴紫光胶，用紫外灯照射直至紫光胶完全凝固，将毛细管两端密封。
一种采用上述矢量磁场传感器的检测方法，检测磁场方向变化时，被检测磁场的磁场强度在300Oe。
优选地，检测磁场强度时，被检测磁场的磁场强度在0～400Oe之间。
优选地，检测磁场强度时，被检测磁场的磁场方向与抛磨区相切。即如图1所示，磁场方向与抛磨区成0°或180°。
首先，针对磁场传感器对磁场方向的响应情况，申请人进行了相应的实验：
其中，如图1矢量磁场传感器单元和检测系统装置所示，当磁场方向与传感器的抛磨区相切时，两者之间角度为0或180°，当磁场方向与抛磨区正对时，两者之间的角度为90°，当磁场方向与传感器下表面相对时，两者之间的角度为270°。
将制备好的磁流体包覆的抛磨光纤固定于旋转支架上并移至电磁铁中央，根据电压与磁场的标定关系调节电压，使电磁铁产生强度为300Oe的稳定磁场，然后通过旋转支架来改变传感器与磁场之间的相对方位。在实验过程中，方位角每变化4°便对光谱进行记录，如图2和图3所示，测量得到固定磁场强度为300Oe时，磁场方向对于传感器透射率谱线以及共振波长的影响。从图2和图3中可知在300Oe下，传感器从0°变化到90°和从180°变化到270°时，波谷发生蓝移；从90°变化到180°和从270°变化到300°，波谷红移，最大移动了约240nm。
为了探讨光纤发生旋转引起的偏振光变化是否会对实验结果造成干扰，申请人进行了以下实验：
将原本披覆在光纤周围的介质由磁流体替换为折射率为1.333的蒸馏水，然后将传感器固定在旋转夹具上，每旋转20°记录一组SPR透射谱，透射谱线如图4(a)。将共振波长与旋转角度之间的对应关系呈现于图4(b)中，结果表明，光纤本身的旋转对共振波长的影响微小(最大变化～2nm)。由此我们可以下结论，光纤旋转造成的偏振态改变并不会对传感器的磁场方向响应特性造成影响。
然后，针对磁场传感器对磁场强度的响应情况，申请人进行了以下的实验：
申请人发现当磁场方向分别为0°及90°时，共振波长发生最大的红移和蓝移，因此选择选取0°与90°两个特殊角度来进行磁场强度传感特性的测试。具体实验操作：将磁场方向固定于0°或90°，然后将磁场强度从0Oe开始以20Oe为步长增加到400Oe，磁场强度每增大一次则相应地记录一次透射率谱线。选取550nm～800nm的实验数据，运用Origin的多项式拟合功能，选择最高次项9处理数据，可得到测量结果如图5所示。
从图5中不难发现，在0°的磁场方向下，随着外加磁场强度的增加，SPR共振波长向长波方向移动，当外加磁场从0Oe增加到400Oe时，共振波长从749.1nm移动到953.7nm，移动了约204.6nm。线性拟合结果表明，在20～260Oe的区间内线性度较高(R2＝0.9907)，灵敏度约为697.9pm/Oe。反之，在90°的磁场方向下，随着外磁场强度的增加，SPR共振波长向短波方向移动，当外加磁场增加到400Oe时，干涉波谷波长从729.0nm移动到671.9nm，移动了约57.1nm。在20～180Oe线性度较好的区间内，对结果进行了线性拟合(R2＝0.9867)，灵敏度约为273.7pm/Oe。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，包括侧边抛磨光纤、镀制在抛磨区上的金属膜、用于提供入射光的光源、磁流体以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述侧抛光纤是通过将光纤一侧的包层抛除掉制作而成；所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在抛磨光纤周围。
2.根据权利要求1所述的一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，所述抛磨光纤采用抛磨双模光纤。
3.根据权利要求2所述的一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，抛磨区的抛磨面到纤芯的距离d为0μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，所述抛磨区长度为9～15mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，所述金属膜的厚度为40～60nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于侧抛光纤表面等离子体共振的矢量磁场传感器，其特征在于，所述金属膜分为两层，贴合在光纤包层上的为铬膜，位于铬膜上的为金膜。
7.一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备侧边抛磨光纤：通过抛磨把光纤的包层去掉，在光纤表面形成一定长度的平坦区域，即抛磨区；
S2、采用真空蒸镀法将金属膜镀在抛磨光纤的抛磨区上；
S3、将毛细管套在抛磨光纤的抛磨区域外面，利用毛细作用将磁流体充入毛细管中，从而使磁流体包覆于光纤周围，在毛细管两端滴紫光胶，用紫外灯照射直至紫光胶完全凝固，将毛细管两端密封。
8.一种采用权利要求1～7任一项所述的一种基于侧抛光纤SPR的矢量磁场传感器的检测方法，其特征在于，检测磁场方向变化时，被检测磁场的磁场强度在20～300Oe之间。
9.根据权利要求8所述的矢量磁场传感器的检测方法，其特征在于，检测磁场强度时，被检测磁场的磁场强度在0～400Oe之间。
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