CN109709499B - 一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法。该传感器包括新型光纤光栅和线型磁性材料。新型光纤光栅是在多包层光纤的光敏性较高的纤芯和最内层上同时刻写光栅。线性磁性材料嵌套在空芯光纤中再与新型光纤光栅相熔接，制作成传感器。由于纤芯内的传输光因波导束缚不会受到弯曲的影响，而包层模式的能量对磁场作用下引起的光纤弯曲应变具有极高的灵敏度，而弯曲的方向和磁场方向一致，从而使光纤传感器输出的光谱信号受磁场矢量调制，构成光纤矢量磁场传感器。又因为只有共振模式的传输波长对温度有良好的响应，可以用纤芯模式测量环境温度。本发明为全光纤探针式磁场传感器，稳定性较高，结构简单，体积小，可实现温度自校准功能。

Description

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及光纤磁场传感器，具体涉及一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和人们生活水平的提高，磁场的应用越来越广泛，特别是在电力电网、导航定位、生物医学、航海航天、地球物理、军事工程等领域。因此对磁场进行精确有效的测量具有重要意义。磁场传感器是获取磁场信息的核心器件。传统的电类磁场测量方法有磁力法、电磁感应法、霍尔效应发和磁阻法等，这些方法的主要缺点：结构复杂、体积相对较大、易受电磁信号的干扰、无法适用于高温高压等恶劣环境。针对磁场传感器的这些缺点，光纤磁场传感器有其突出的优势，在磁场检测方面给出了较好的解决方案。然而，目前使用较多的光纤光栅的磁场传感器是将磁致伸缩材料和光栅直接粘贴在一起，通常存在稳定性差、灵敏度低和不能确定磁场方向等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法，将磁场变化转化为通过包层光纤光栅传感技术测量弯曲应变变化间接测量磁场大小和方向变化，充分发挥光纤光栅传感技术的优势。此结构既具有常规光纤磁场传感器易复用、长期稳定性高、耐腐蚀等特性，又具有结构简单，测量精度高，应用前景好等优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器，包括标准单模光纤，标准单模光纤连接四包层光纤，四包层光纤上刻有纤芯光纤光栅和包层光纤光栅, 四包层光纤后套接石英毛细管, 石英毛细管末端内设有线性磁性材，线性磁性材长度是石英毛细管的一半。

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器的制作方法，包括以下步骤：

1）刻写光纤光栅：使用波长为800nm、脉宽为100fs，光斑直径为9mm的飞秒激光经一反射滤光片进行调节，再经过两个全反镜反射聚焦到一柱面透镜，然后透过相位掩模板入射到由高精度三维平移台夹持的四包层光纤，纤芯和四个包层由内至外直径尺寸分别为4μm、9μm、14μm、22μm、120μm，最内部包层折射率最小，第二包层折射率最大上，控制激光输入功率为500mW，曝光时间为5s，5mm长的周期性纤芯和包层栅同时形成。光纤光栅制备时，光谱的动态变化由宽带光源（SLD）和光谱仪（OSA)）进行实时监测；

2）线性磁性材料和光纤光栅的连接：将长度为3l、端面直径为80μm的PW-080线性磁性材料的外部套入一个长度为6l、内径为100μm、外径为164μm的石英毛细管；使用FSP-80s熔接机将光纤光栅两端分别与输入单模光纤和上述石英毛细管无偏芯熔接；最后，再将石英毛细管的另一端在熔接机中直接放电密封，防止线性磁性材料掉出；至此，光纤矢量磁场传感器制作完成。

本发明的有益效果是：

本发明基于包层光纤光栅和线性磁性材料的探针式光纤矢量磁场传感器，弯曲灵敏度较高，能实现传感光路系统的能量自校准和实时温度监测。利用飞秒激光刻成的相对光纤轴的位置不对称性包层光栅，表现了明显的方向相关性，实现了光纤磁场传感器对磁场大小和方向的同时测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为标准单模光纤，2为四包层光纤，3为纤芯光纤光栅，4为包层光纤光栅，5为石英毛细管，6为线性磁性材料。

图2为本发明的光纤光栅刻写系统示意图。

图3为本发明的测试系统示意图。

图4为本发明的不同磁场下的光谱图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进一步叙述。

如图1所示，一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器，包括标准单模光纤1，标准单模光纤1连接四包层光纤2，四包层光纤2上刻有纤芯光纤光栅3和包层光纤光栅4, 四包层光纤2后套接石英毛细管5, 石英毛细管5末端内设有线性磁性材6，线性磁性材6长度是石英毛细管5的一半。

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器的制作方法，包括以下步骤：

1）刻写光纤光栅：使用波长为800nm、脉宽为100fs，光斑直径为9mm的飞秒激光经一反射滤光片进行调节，再经过两个全反镜反射聚焦到一柱面透镜，然后透过相位掩模板入射到由高精度三维平移台夹持的四包层光纤，纤芯和四个包层由内至外直径尺寸分别为4μm、9μm、14μm、22μm、120μm，最内部包层折射率最小，第二包层折射率最大上，控制激光输入功率为500mW，曝光时间为5s，5mm长的周期性纤芯和包层栅同时形成。光纤光栅制备时，光谱的动态变化由宽带光源（SLD）和光谱仪（OSA)）进行实时监测；

2）线性磁性材料和光纤光栅的连接：将长度为3l、端面直径为80μm的PW-080线性磁性材料的外部套入一个长度为6l、内径为100μm、外径为164μm的石英毛细管；使用FSP-80s熔接机将光纤光栅两端分别与输入单模光纤和上述石英毛细管无偏芯熔接；最后，再将石英毛细管的另一端在熔接机中直接放电密封，防止线性磁性材料掉出；至此，光纤矢量磁场传感器制作完成。

传感机理：

光由标准单模光纤输入到刻有Bragg光栅的四包层光纤时，在熔接点单模纤芯传输模式部分耦合至四包层光纤的包层，剩余部分继续沿四包层光纤的纤芯传输，当遇到光栅时，满足相位匹配条件的模式被反射，在传输光谱上呈现出两个明显的共振模式，即纤芯模式和包层模式。由于内包层的特殊结构，由单模光纤耦合到四包层光纤的内包层中的传输光不满足波导结构的全反射条件，极易受光纤弯曲的影响，包层模能量对光纤弯曲应变具有较高的灵敏度；纤芯模式由于良好的波导束缚和极低的曝光能量不会受到弯曲的影响，可作为传感光路系统的能量校准；两种模式对应的光谱能量不受温度的影响，而光谱波长在升温过程中表现出了红移现象，因此该传感器可以实现对环境温度的监控。又因包层栅位于中心轴的一侧，所以传感器对于弯曲也具有方向相关性。在光栅右端熔接的石英毛细管内嵌有磁性材料，对此传感器施加磁场时，由于磁场对磁性材料力的作用，传感器产生了弯曲，弯曲曲率大小反应了磁场的大小，弯曲的方向反应了磁场的方向。传感器弯曲应变的变化引起了输出光谱信号的包层模式能量的变化。所以可以用此传感器测量磁场。

实施例

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明进行了实验。光纤磁场传感器的磁场矢量测试系统装置示意图如图3所示。宽带光源SLD发出的光经过环行器输入到光纤矢量磁场传感器，反射产生光谱，由光谱仪OSA接收。固定在旋转台上电磁铁连接稳压直流电源产生匀强磁场，通过调节电流（或电压）改变磁场的大小，旋转旋转台改变磁场的方向。光纤矢量磁场传感器的传感部分置于匀强磁场中，利用特斯拉计对磁场发生装置产生的磁场实时监测，从而实现对光纤矢量磁场传感器所处磁场的强度和方向的精确控制。在磁场不同的大小和方向下，光谱仪接收到的共振光谱不同，结果如图4所示，图4中(a) 是在不同磁场大小下传感器对磁场响应光谱图，图4中(b) 是包层栅的强度随磁场变化的趋势拟合图。由图可知光谱曲线对磁场强度的大小具有明显的响应；传感器弯曲的方向随着施加磁场方向的变化而变化，表明本发明传感器对磁场矢量传感是完全可行的。

SLD宽带光源的中心波长1550nm，输出光功率20mW；磁场发生装置用于产生0-25.0mT的磁场。

Claims (1)

1.一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器的制作方法，包括标准单模光纤，标准单模光纤连接四包层光纤，四包层光纤上刻有纤芯光纤光栅和包层光纤光栅, 四包层光纤后套接石英毛细管, 石英毛细管末端内设有线性磁性材料，线性磁性材料长度是石英毛细管的一半，其特征在于，光纤光栅的探针式矢量磁场传感器的制作方法包括以下步骤：

1）刻写光纤光栅：使用波长为800nm、脉宽为100fs，光斑直径为9mm的飞秒激光经一反射滤光片进行调节，再经过两个全反镜反射聚焦到一柱面透镜，然后透过相位掩模板入射到由高精度三维平移台夹持的四包层光纤，纤芯和四个包层由内至外直径尺寸分别为4μm、9μm、14μm、22μm、120μm，最内部包层折射率最小，第二包层折射率最大，控制激光输入功率为500mW，曝光时间为5s，5mm长的周期性纤芯光纤光栅和包层光纤光栅同时形成，光纤光栅制备时，光谱的动态变化由宽带光源（SLD）和光谱仪（OSA）进行实时监测；

2）线性磁性材料和光纤光栅的连接：将长度为3lmm、端面直径为80μm的PW-080线性磁性材料的外部套入一个长度为6lmm、内径为100μm、外径为164μm的石英毛细管；使用FSP-80s熔接机将纤芯光纤光栅两端分别与标准单模光纤和上述石英毛细管无偏芯熔接；最后，再将石英毛细管的另一端在熔接机中直接放电密封，防止线性磁性材料掉出；至此，光纤光栅的探针式矢量磁场传感器制作完成。

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