CN109990845A - 一种磁流体和侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构 - Google Patents

一种磁流体和侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构。包括宽带光源1、1×3耦合器2、耦合模块3、三芯光纤传感结构4、耦合模块5、3×1耦合器6、探测器7，所述的三芯光纤传感结构4包括包层4（1）、纤芯4（2）、纤芯4（3）、写有FBG的纤芯4（4）、填充有磁流体的去包层区4（5）、石英玻璃毛细管4（6），纤芯4（2）、纤芯4（3）和填充有磁流体的去包层区4（5）形成MZI结构，写有FBG的纤芯4（4）是一个FBG结构，由于磁场和温度都会改变磁流体的折射率，使得输出光强发生变化，而FBG只受温度的调制，因此输出光波长的变化仅和温度有关，通过解调出输出光强和光波长的变化，可以实现磁场和温度的双参量测量。

Description

一种磁流体和侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，将磁流体和侧面去除包层的三芯光纤相结合，利用磁流体的折射率对磁场敏感的特性和FBG对温度敏感的特性，可以实现磁场和温度的双参量测量。
背景技术
磁传感器是可以将各种磁场和其变化的量转变成电信号输出的装置，自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场和与磁场有关的信息。利用人工设置的永久磁体产生的磁场，可作为许多信息的载体，因此，探测、采集、存储、转换、监控各种磁场和磁场中承载的各种信息的任务，自然就落在磁场传感器上。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MZI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，主要利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应进行磁场传感；基于磁流体的光纤微结构磁场传感器，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，一般通过对光纤减薄包层，如利用微加工工艺去除包层或者采用包层腐蚀的细芯光纤，这样可以使使磁流体折射率接近光纤包层的折射率，然后利用石英玻璃毛细管将磁流体和微结构光纤封装，当存在磁场时，磁流体的折射率发生变化，从而包层折射率发生变化，进而影响输出光的波长，通过解调输出光的变化，实现磁场的探测。磁流体的折射率同时还会受温度的影响，从而影响测量结果，目前的报道中通过写入FBG，利用磁流体的折射率特性和FBG的温度敏感特性实现磁场和温度的双参量测量。
基于单模、单芯的光纤通信容量即将达到上限，为满足人们日益增长的对信息传输容量的需求，近年来，有关三芯光纤的相关研究比较多，三芯光纤是在包层中嵌入三个纤芯的特种光纤，将三芯光纤和磁流体相结合得到的磁场传感器结构简单，灵敏度高。
本发明采用将磁流体和侧面去除包层的三芯光纤相结合的光纤磁场传感结构，将磁流体和侧面去除包层的三芯光纤相结合，利用磁流体的折射率对磁场敏感的特性和FBG对温度敏感的特性，可以实现磁场和温度的双参量测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，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：
本发明包括宽带光源1、1×3耦合器2、耦合模块3、三芯光纤传感结构4、耦合模块5、3×1耦合器6、探测器7，其特征在于：所述的1×3耦合器2包括输入光纤2（1）、输出光纤2（2）、输出光纤2（3）、输出光纤2（4）；所述的耦合模块3包括光波导3（1）、光波导3（2）、光波导3（3），长3mm，宽1mm，高3mm；所述的三芯光纤传感结构4包括包层4（1）、纤芯4（2）、纤芯4（3）、写有FBG的纤芯4（4）、填充有磁流体的去包层区4（5）、石英玻璃毛细管4（6），包层4（1）的直径为125μm，纤芯4（2）的直径为9.6μm，纤芯4（3）的直径为6μm，写有FBG的纤芯4（4）的直径为9.6μm，FBG是利用飞秒激光直接刻写得到，周期为0.5μm，长度为500μm，纤芯4（2）和写有FBG的纤芯4（4）与纤芯4（3）形成的夹角为120°，纤芯4（2）和写有FBG的纤芯4（4）与纤芯4（3）的间距均为35.3μm，石英玻璃毛细管4（5）的外径1mm，内径0.3mm；所述的耦合模块5包括光波导5（1）、光波导5（2）、光波导5（3），长3mm，宽1mm，高3mm；所述的3×1耦合器6包括输入光纤6（1）、输入光纤6（2）、输入光纤6（3）、输出光纤6（4）。如图1所示，所述的宽带光源1与输入光纤2（1）耦合，输出光纤2（2）与光波导3（1）的前端耦合，输出光纤2（3）与光波导3（2）的前端耦合，输出光纤2（4）与光波导3（3）的前端耦合，光波导3（1）的后端与纤芯4（2）的前端耦合，光波导3（2）的后端与纤芯4（3）的前端耦合，光波导3（3）的后端与写有FBG的纤芯4（4）的前端耦合，纤芯4（2）的后端与光波导5（1）的前端耦合，纤芯4（3）的后端与光波导5（2）的前端耦合，写有FBG的纤芯4（4）的后端与光波导5（3）的前端耦合，光波导5（1）的后端与输入光纤6（1）耦合，光波导5（2）的后端与输入光纤6（2）耦合，光波导5（3）的后端与输入光纤6（3）耦合，输出光纤6（4）与探测器7耦合；所述的填充有磁流体的去包层区4（5）是利用飞秒激光在纤芯4（2）的上方刻蚀得到，深 22.4μm，长100μm，直径为96μm；所述的石英玻璃毛细管4（6）用来封装三芯光纤传感结构4，宽带光源1发出的光经过1×3耦合器2分成三路，纤芯4（2）中光作为探测光，纤芯4（3）中光作为参考光，还有一路光进入写有FBG的纤芯4（4），三束光经过3×1耦合器6汇合发生干涉，纤芯4（2）、纤芯4（3）和填充有磁流体的去包层区4（5）形成一个MZI结构，利用磁流体的可调折射率特性可实现磁场的测量，写有FBG的纤芯4（4）对温度敏感，可实现温度的测量。
所述的光波导3（1）与光波导3（2）前端相距0.5mm，后端相距35.3μm，光波导3（3）与光波导3（2）前端相距0.5mm，后端相距35.3μm，光波导3（1）和光波导3（3）的后端与光波导3（2）的后端形成的夹角为120°。
所述的光波导5（1）和光波导5（2）前端相距35.3μm，后端相距0.5mm，光波导5（3）和光波导5（2）前端相距35.3μm，后端相距0.5mm，光波导5（1）和光波导5（3）的前端与光波导5（2）的前端形成的夹角为120°。
附图说明
图1（a）为本发明所述的一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构的结构示意图；
图1（b）为本发明所述的三芯光纤传感结构示意图；
图2为本发明所述的一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构的截面图。
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基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，具体实施步骤如下：
步骤一：光纤端面预处理
用光纤切割机将三芯光纤的上下两个端面切平，然后利用超声波清洗机对光纤进行清洁。
步骤二：制备耦合模块
利用半导体微加工工艺制备两个规格一样的耦合模块，长3mm，宽1mm，高3mm，分别由三个光波导构成，三个光波导直径相同，为9μm，与侧面去包层的三芯光纤耦合的一端，外侧两个光波导与中间的光波导均相距35.3μm，外侧两个光波导与中间的光波导形成的夹角为120°；与耦合器相耦合的一端，外侧两个光波导与中间的光波导均相距0.5mm。
步骤三：飞秒激光刻写FBG
将处理好的三芯光纤固定在三维机械平台上，调节飞秒激光的参数设置，然后聚焦，用物镜聚焦后的飞秒激光焦点入射到三芯光纤侧面的一个纤芯中，同时，平行移动光纤，就会在纤芯内部形成0.5μm周期的波导结构，长度为500μm。
步骤四：三芯光纤侧面去包层
将处理好的三芯光纤固定在三维机械平台上，利用电脑控制三维方向的高精度移动。调节飞秒激光的参数设置，然后聚焦形成光斑，保持光斑的位置不变，控制平台的移动，带动光纤做相对于光斑的运动，使聚焦后的飞秒激光在光纤另外一个侧面扫描，去除包层，形成一个平面，即为去包层区，长度为100μm，深22.4μm，直径为96μm。
步骤五：填充磁流体
在光学显微镜下，将三芯光纤置于内径0.3mm，外径1mm的石英玻璃毛细管内，用紫外胶将侧面去包层的三芯光纤的一端固定于石英玻璃毛细管内，然后利用注射器将磁流体填充进石英玻璃毛细管内，最后用紫外胶将石英玻璃毛细管的另一个端口密封，这样就将浸在磁流体中的侧面去包层的三芯光纤密封在石英玻璃毛细管中。
本发明探测磁场的基本原理为：侧面去包层的三芯光纤，其中侧面去包层的纤芯和中间的纤芯形成MZI结构，写有FBG的纤芯作为温度补偿结构，宽带光源的光经过1×3耦合器分成三路分别进入三芯光纤的三个纤芯，侧面去包层的纤芯中的光，由于磁流体的折射率特性，受磁场的调制，作为探测光，中间纤芯的光作为参考光，写有FBG的纤芯中的光对温度敏感，只受温度的调制，三路光经过3×1耦合器汇合发生干涉，由于磁场和温度都会使磁流体的折射率发生变化，从而使输出光强发生变化，而FBG只受温度的调制，所以输出光的波长变化仅和温度有关，通过解调出输出光强和光波长的变化，可以实现磁场和温度的双参量测量。

Claims (3)

1.一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，包括宽带光源1、1×3耦合器2、耦合模块3、三芯光纤传感结构4、耦合模块5、3×1耦合器6、探测器7，其特征在于：所述的1×3耦合器2包括输入光纤2（1）、输出光纤2（2）、输出光纤2（3）、输出光纤2（4）；所述的耦合模块3包括光波导3（1）、光波导3（2）、光波导3（3），长3mm，宽1mm，高3mm；所述的三芯光纤传感结构4包括包层4（1）、纤芯4（2）、纤芯4（3）、写有FBG的纤芯4（4）、填充有磁流体的去包层区4（5）、石英玻璃毛细管4（6），包层4（1）的直径为125μm，纤芯4（2）的直径为9.6μm，纤芯4（3）的直径为6μm，写有FBG的纤芯4（4）的直径为9.6μm，FBG是利用飞秒激光直接刻写得到，周期为0.5μm，长度为500μm，纤芯4（2）和写有FBG的纤芯4（4）与纤芯4（3）形成的夹角为120°，纤芯4（2）和写有FBG的纤芯4（4）与纤芯4（3）的间距均为35.3μm，石英玻璃毛细管4（5）的外径1mm，内径0.3mm；所述的耦合模块5包括光波导5（1）、光波导5（2）、光波导5（3），长3mm，宽1mm，高3mm；所述的3×1耦合器6包括输入光纤6（1）、输入光纤6（2）、输入光纤6（3）、输出光纤6（4）；所述的宽带光源1与输入光纤2（1）耦合，输出光纤2（2）与光波导3（1）的前端耦合，输出光纤2（3）与光波导3（2）的前端耦合，输出光纤2（4）与光波导3（3）的前端耦合，光波导3（1）的后端与纤芯4（2）的前端耦合，光波导3（2）的后端与纤芯4（3）的前端耦合，光波导3（3）的后端与写有FBG的纤芯4（4）的前端耦合，纤芯4（2）的后端与光波导5（1）的前端耦合，纤芯4（3）的后端与光波导5（2）的前端耦合，写有FBG的纤芯4（4）的后端与光波导5（3）的前端耦合，光波导5（1）的后端与输入光纤6（1）耦合，光波导5（2）的后端与输入光纤6（2）耦合，光波导5（3）的后端与输入光纤6（3）耦合，输出光纤6（4）与探测器7耦合；所述的填充有磁流体的去包层区4（5）是利用飞秒激光在纤芯4（2）的上方刻蚀得到，深 22.4μm，长100μm，直径为96μm；所述的石英玻璃毛细管4（6）用来封装三芯光纤传感结构4，纤芯4（2）中光作为探测光，纤芯4（3）中光作为参考光，还有一路光进入写有FBG的纤芯4（4），纤芯4（2）、纤芯4（3）和填充有磁流体的去包层区4（5）形成一个MZI结构，利用磁流体的可调折射率特性可实现磁场的测量，写有FBG的纤芯4（4）对温度敏感，可实现温度的测量。
2.权利要求1所述的一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，所述的光波导3（1）与光波导3（2）前端相距0.5mm，后端相距35.3μm，光波导3（3）与光波导3（2）前端相距0.5mm，后端相距35.3μm，光波导3（1）和光波导3（3）的后端与光波导3（2）的后端形成的夹角为120°。
3.权利要求1所述的一种基于磁流体的侧面去包层的三芯光纤磁场和温度传感结构，所述的光波导5（1）和光波导5（2）前端相距35.3μm，后端相距0.5mm，光波导5（3）和光波导5（2）前端相距35.3μm，后端相距0.5mm，光波导5（1）和光波导5（3）的前端与光波导5（2）的前端形成的夹角为120°。
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