CN109932667A - 一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头。它包括激光光源1、光纤跳线2、环形器3、光纤跳线4、传感探头5、光纤跳线6、探测器7，所述的传感探头5包括单模光纤5（1）、陶瓷插针5（2）、紫外胶5（3）、磁致伸缩套管5（4）、磁流体5（5）、陶瓷插针5（6）、单模光纤5（7），陶瓷插针5（2）和陶瓷插针5（6）相对插入磁致伸缩套管5（4）中，形成F‑P腔结构，陶瓷插针的两端面之间的距离作为F‑P腔的腔长，当存在磁场时，磁流体的折射率发生改变，从而改变F‑P腔的等效腔长，同时，磁致伸缩套管5（4）发生轴向伸缩，从而改变F‑P腔的光学腔长，通过解调输出光的相位变化就可以实现磁场的探测。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头，利用磁致伸缩套管的磁致伸缩效应和磁流体的磁致折射率可调特性实现磁场的探测。
背景技术
磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相位物理量的器件。传统的磁场传感器，如霍尔传感器、磁阻传感器、磁通门传感器和感应线圈传感器等虽然具有较为成熟的技术，但是由于其功耗大、体积大、结构复杂、易于受电磁干扰、对周围环境要求高等特点，使其在一些领域难以应用，不能够满足探测需求。而光纤磁场传感器继承了光纤传感器的优点，具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、便于分布式多点探测、全光传输等突出优点，已成为磁场传感领域的研究热点。基于光纤的磁场传感器有多种，如基于光纤光栅结构的磁场传感器、基于F-P干涉结构的磁场传感器、基于倏逝波机理的磁场传感器和基于表面等离子体共振的磁场传感器等等，依据不同的传感性能可应用于不同的磁场合。
目前基于光纤的磁场传感器按照不同的传感机理主要有：基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器，主要利用磁致伸缩效应实现磁场传感，当存在磁场时，由于材料磁化状态的改变，材料的长度会发生微小的变化。通常采用在光纤传感区域镀膜的方法镀上一层具有正磁致伸缩特性（如Tb-Fe）的薄膜或者负磁致伸缩特性（Sm-Fe）的薄膜，或者采用粘接的方法将磁致伸缩套管和光纤结合起来，当在长度方向外加磁场时，正磁致伸缩薄膜伸长，负磁致伸缩薄膜缩短，从而带动光纤发生轴向的伸缩变化，进而改变光纤的光学长度，通过解调出相位量的变化，从而获得外界磁场的大小；基于磁流体的光纤磁场传感器，主要利用磁流体的磁致折射率可调特性实现磁场传感，由于磁流体的磁致折射率可调特性，磁流体的折射率在外加磁场下会发生变化，当外加磁场平行于传输光的方向时，磁流体的折射率随外加磁场的增加而增加，当外加磁场的方向垂直于传输光的方向时，磁流体的折射率随外加磁场的增加而减小，一般采用在光纤端面刻槽或者制作F-P腔体将磁流体和光纤相结合，当存在磁场时，磁流体的折射率发生变化，从而改变输出光的波长，通过解调输出光的变化，实现磁场的探测。
本发明采用将磁流体和磁致伸缩套管相结合的光纤磁场传感探头结构，利用磁流体的磁致折射率可调特性和磁致伸缩套管的磁致伸缩效应实现磁场的探测，可有效提高磁场探测灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁流体和磁致伸缩套管双磁敏效应的光纤磁场传感探头的设计方案，能实现对磁场的探测。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明包括激光光源1、光纤跳线2、环形器3、光纤跳线4、传感探头5、光纤跳线6、探测器7，所述的传感探头5包括单模光纤5（1）、陶瓷插针5（2）、紫外胶5（3）、磁致伸缩套管5（4）、磁流体5（5）、陶瓷插针5（6）、单模光纤5（7），所述的激光光源1工作波长为1550nm，连接头为FC/PC型，所述的磁致伸缩套管5（5），具有正的磁致伸缩特性，套管材料为TbDyFe2磁致伸缩材料，内径为2.9mm，外径为6mm，长度为16mm，陶瓷插针5（2）的外径为2.5mm，内径为0.125mm，长度16mm，连接头为FC/PC型，陶瓷插针5（6）的外径为2.5mm，内径为0.125mm，长度16mm，连接头为FC/PC型，所述的探测器7的连接头为FC/PC型。如图1所示，所述的激光光源1与光纤跳线2的前端耦合，光纤跳线2的后端与环形器3的端口1耦合，环形器3的端口2与光纤跳线4的前端耦合，光纤跳线4的后端与传感探头5的前端耦合，陶瓷插针5（2）和陶瓷插针5（6）相对插入磁致伸缩套管5（4）中，形成F-P腔结构，陶瓷插针的端面作为F-P腔的反射面，两端面的距离作为F-P腔的腔长， F-P腔内填充有磁流体5（5），在1550nm波长处，当F-P腔的腔长为1/2个波长的整数倍时，透射光强出现峰值，考虑到磁流体的填充，取腔长为3.1mm，然后利用紫外胶5（3）将陶瓷插针5（2）和陶瓷插针5（6）固定在磁致伸缩套管5（4）中，所述的探测器7与光纤跳线6的后端耦合，光纤跳线6的前端与环形器3的端口3耦合。
所述的单模光纤5（1）和单模光纤5（7）的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
所述的光纤跳线2、光纤跳线4、光纤跳线6连接头均为FC/PC型。
所述的磁流体5（5）是一种水基磁流体，以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，颗粒平均直径约10nm，体积浓度为5.4%，采用油酸作为表面活性剂。
附图说明
图1为本发明所述的一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头的结构示意图；
图2为本发明所述的一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头的截面图。
具体实施方式
下面将结合图1，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明是可以对磁场进行探测的一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头，具体实施步骤如下：
步骤一：
根据陶瓷插针的尺寸：外径为2.5mm，内径为0.125mm，长度为16mm，将磁致伸缩套管加工成内径为2.9mm，外径为6mm，长度为16mm的管状结构。
步骤二：
用酒精清洁磁致伸缩套管。
步骤三：
将磁致伸缩套管固定在两个六维调整架中间的夹具上，并在一端的六维调整架上固定陶瓷插针，然后粗略的调整陶瓷插针和磁致伸缩套管的位置。将显微镜移动到磁致伸缩套管截面位置进行观察，调整六维调整架，使陶瓷插针慢慢靠近，在距磁致伸缩套管截面一定距离处停留，然后使用六维调整架进行微调，使陶瓷插针端面和磁致伸缩套管截面进行对准，此时，缓慢的将陶瓷插针推进磁致伸缩套管，直到陶瓷插针推进4mm时停止推进，在距离磁致伸缩套管截面2mm处涂上胶水，然后继续推进2mm停止推进，用紫外灯进行照射固化。
步骤四：
利用注射器将磁流体注入磁致伸缩套管中，并用酒精清理管口处残留的磁流体。
步骤五：
将经过处理的磁致伸缩套管固定在两个六维调整架中间的夹具上，在另一端的六维调整架上固定另外一个陶瓷插针，粗调FC/PC陶瓷插针位置。将显微镜移动到磁致伸缩套管位置进行观察，调整使得FC/PC陶瓷插针缓慢靠近磁致伸缩套管截面处，然后微调，使得FC/PC陶瓷插针端面和磁致伸缩套管截面对准，此时，缓慢推进FC/PC陶瓷插针，会把一部分磁流体挤出来，直到推进5mm时停止推进，在距离磁致伸缩套管截面1.9mm处涂上胶水，然后继续推进1.9mm停止推进，用紫外灯进行照射固化。磁致伸缩套管中固定的两个陶瓷插针形成F-P腔结构，F-P腔内填充有磁流体，腔长为3.1mm。在不施加磁场时，激光光源的光经过F-P腔后，被光谱仪接收，通过观察光谱仪上显示的F-P腔的输出光谱，利用双波长解调法计算出F-P腔的腔长，与预设的腔长比较，判断该传感器是否符合要求。
本发明探测磁场的基本原理为：磁致伸缩套管中固定的两个陶瓷插针形成F-P腔结构，陶瓷插针的两端面作为F-P腔的两个反射面，两端面的距离作为F-P腔的腔长，F-P腔内填充有磁流体，当施加平行于传输光方向的磁场时，由于磁流体的折射率可调特性，磁流体的折射率随着磁场的增加而增大，从而F-P腔的等效腔长增大，同时，由于磁致伸缩套管的磁致伸缩效应，采用具有正磁致伸缩特性的TbDyFe2磁致伸缩材料将发生轴向伸长变化，从而使F-P腔的光学腔长增大，磁流体和磁致伸缩套管的双重作用有效的增大了F-P腔的腔长，使得传输光发生改变，通过解调输出光的相位变化就可以实现磁场的探测。
Claims (3)
1.一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头，包括激光光源1、光纤跳线2、环形器3、光纤跳线4、传感探头5、光纤跳线6、探测器7，所述的传感探头5包括单模光纤5（1）、陶瓷插针5（2）、紫外胶5（3）、磁致伸缩套管5（4）、磁流体5（5）、陶瓷插针5（6）、单模光纤5（7），所述的磁致伸缩套管5（4），内径为2.9mm，外径为6mm，长度为16mm，陶瓷插针5（2）的外径为2.5mm，内径为0.125mm，长度16mm，陶瓷插针5（6）的外径为2.5mm，内径为0.125mm，长度16mm，所述的激光光源1与光纤跳线2的前端耦合，光纤跳线2的后端与环形器3的端口1耦合，环形器3的端口2与光纤跳线4的前端耦合，光纤跳线4的后端与传感探头5的前端耦合，陶瓷插针5（2）和陶瓷插针5（6）相对插入磁致伸缩套管5（4）中，形成F-P腔结构，陶瓷插针的端面作为F-P腔的两反射面，两端面的距离作为F-P腔的腔长，腔长为3.1mm， F-P腔内填充有磁流体5（5），利用紫外胶5（3）将陶瓷插针5（2）和陶瓷插针5（6）固定在磁致伸缩套管5（4）中，所述的探测器7与光纤跳线6的后端耦合，光纤跳线6的前端与环形器3的端口3耦合。
2.权利要求1所述的一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头，所述的磁致伸缩套管5（4），具有正的磁致伸缩特性，套管材料为TbDyFe2磁致伸缩材料。
3.权利要求1所述的一种磁流体和磁致伸缩套管的双磁敏光纤磁场传感探头，所述的磁流体5（5）是一种水基磁流体，以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，颗粒平均直径约10nm，体积浓度为5.4%，采用油酸作为表面活性剂。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| AD01 | Patent right deemed abandoned | ||
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Effective date of abandoning: 20240920 |