CN111123176A - 一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，以三芯光纤传感模块为敏感元件，三芯光纤传感模块包括外包层、内包层、第一空芯、第二空芯、第三空芯，三个空芯在空间上呈120°排列，将磁性液体和甘油液体分别填充到第一空芯和第三空芯从而得到两条液体波导，第二空芯不填充，两条液体波导输出的探测光分别和第二空芯输出的参考光相干涉，经光谱分析仪得到两个干涉光谱，利用磁流体的磁场敏感特性和甘油的温度敏感特性，检测干涉图像的漂移便可推算得到磁场和温度的变化。该光纤传感器既实现了磁场和温度的双参量同时测量的目的，又具有温度补偿能力，提高了磁场测量的精度。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，设计了一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，将磁流体和甘油对空心光纤进行填充，利用磁流体的磁场敏感特性和甘油的温度敏感特性，可用其实现对双参量的同时测量。
背景技术
磁场或与磁场相关的信息存在于自然界和人类社会生活等许多地方，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，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，而且近几年随着信息化、工业化、交通运输、电子技术等等的快速发展，使得磁场传感器得到更多的发展和应用。目前随着光纤器件的价格越来越低廉，种类越来越繁多，光纤通信技术也越来越成熟，出现了一种新型传感器技术，即光纤传感技术。将两者相结合组成了一种新型传感器，即光纤磁场传感器，它继承了两者的优点，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。
磁流体主要由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成，是一种兼具流动性和强磁性的新型智能材料。其具有丰富的光学特性，如可调谐折射率，可调谐透射率，双折射效应和热透镜效应等。目前，在实验基础上已研究了诸多基于磁流体的光学器件，基于磁流体的光学传感原理及应用在国内外都是一个热门的研究课题。
在现今的生产应用和生活中，大多光学传感器采用普通光纤，用其作为基础元件进而制作的光纤传感器一般只能测量单一变量，而且在双参量测量时会存在交叉敏感问题，从而在应用上就很大程度的限制了光纤传感器性能的上升空间。针对上述所提及的问题，本发明提出了一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感结构，既实现了磁场与温度双参量测量，又具有温度补偿能力，提高了磁场的测量精度。
发明内容
针对上述所提及的问题，本发明提出了一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，该传感器不仅实现了磁场与温度双参量测量，又具有温度补偿能力，提高了磁场测量的精度。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
如图1所示，一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，包括LD光源(1)、1×3耦合器(2)、第一光路匹配模块(3)、三芯光纤传感模块(4)、第二光路匹配模块(5)、光路干涉模块(6)、第一接收器(7-1)、第二接收器(7-2)、光谱分析仪(8)。如图2和图3所示，所述的三芯光纤传感模块(4)包括外包层(4-1)、内包层(4-2)、第一空芯(4-3)、第二空芯(4-4)、第三空芯(4-5)，第一空芯(4-3)填充磁流体，第二空芯(4-4)未进行填充，第三空芯(4-5)填充甘油，三根空心光纤的空间位置两两互为120°。
所述三芯光纤传感模块(4)长度为6～8cm，其中每个空芯直径均为50～100μm。
所述第一空心光纤(4-3)中填充的磁流体是一种水基磁流体，以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂。
所述第一空芯(4-3)和第三空芯(4-3)两端未被液体填充长度为1～2mm。
本发明设计了一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，其中传感探头基于定制的三芯空心光纤，三个纤芯直径相同，空间位置上两两互为120°，采用双包层结构减少传输损耗，将磁性液体和甘油液体分别填充到第一空芯和第三空芯，两液体波导的输出光作为探测光一和探测光二分别与第二空芯输出的参考光相干涉。当温度和磁场共同作用时，探测光一与参考光干涉产生的干涉光谱对外界磁场变化和温度变化均产生响应。磁场的改变引起磁流体折射率的改变，从而带来光程差的变化并引起干涉峰漂移。同时，温度的变化也会影响磁流体折射率变化，同样会导致干涉峰漂移。但是，探测光二与参考光产生的干涉峰对外界磁场变化不产生响应，仅对温度变化产生响应。温度变化引起甘油的折射率发生变化，进而导致探测光二与参考光之间光程差的变化，最终引起探测光二与参考光产生的干涉峰发生漂移。所以可以通过检测探测光二与参考光产生的干涉峰的漂移，来计算温度变化，进一步为探测光一与参考光产生的干涉光谱进行温度补偿，减少温度对磁场测量的影响。该传感器既实现了磁场和温度的双参量同时测量的目的，又具有温度补偿能力，提高了磁场测量的精度。
探测光一和探测光二与参考光之间光程差公式为：
δ1＝(n1-n0)L
δ2＝(n2-n0)L
式中n0为空气折射率，n1为磁流体的折射率，n2为甘油折射率，L为三芯光纤敏感长度。
附图说明
图1为基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器示意图；
图2为本发明所述的三芯光纤传感模块示意图；
图3为基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器的截面图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明作进一步详细描述。
附图中,LD光源(1)、1×3耦合器(2)、第一光路匹配模块(3)、三芯光纤传感模块(4)、第二光路匹配模块(5)、光路干涉模块(6)、第一接收器(7-1)、第二接收器(7-2)、信号解调器(8)。LD光源(1)通过输出光纤(2-1)与1×3耦合器(2)连接，1×3耦合器(2)右端与第一光路匹配模块(3)左端连接，三芯光纤传感模块(4)左右两端分别与第一光路匹配模块(3)和第二光路匹配模块(5)熔接，第二光路匹配模块(5)右端和光路干涉模块(6)左端连接，光路干涉模块(6)右端与第一接收器(7-1)和第二接收器2(7-2)连接，第一接收器和第二接收器输出的信号传输到光谱分析仪(8)中进行处理。
具体实施步骤如下：
步骤一：光纤端面预处理
选取适当长度的三芯光纤，用光纤切割机将它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：第一空芯填充磁流体
由于磁流体粘稠度较高，对第一空芯采用注射器填充。在光学显微镜下，首先将光纤倾斜放置，将注射器插入第一空芯中，再往注射器中灌注磁流体，通过对注射器加压，将磁流体注入进去，便得到灌芯后的光纤，之后再用高透光率紫外胶给第一空芯密封。在填充的过程中，不能进行的太快，防止由于挤压过快有气泡进入纤芯，而使得纤芯液柱填充不连续。
步骤三：第三空芯填充甘油
光学显微镜下，首先第二空芯两端用高透光率紫外胶封闭，接着将三芯光纤一端垂直插入到装有甘油的瓶中，利用光纤里面与外在空间空气的毛细作用将甘油吸入第三空芯中，之后再用高透光率紫外胶封闭第三空芯的两端端口，等固化完成后用酒精进行清洗。
步骤四：制备光路匹配模块
利用半导体微加工工艺制备两个规格相同的光路匹配模块，一端有三个接口与三根光纤相连接，另一端端面结构与三芯空心光纤一致。
步骤五：三芯空心光纤与光路匹配模块耦合
将第一光路匹配模块和三芯空心光纤共轴熔接，熔接采用光纤熔接机的手动模式，使液体填充的三芯光纤和第一光路匹配模块牢固熔接，保证液体不会泄露，另一端以同样方法熔接第二光路匹配模块。
本发明的工作原理是：LD光源出射的激光经过1×3耦合器分成三路分别进入三芯光纤的三个纤芯，输出时第一空芯(4-3)中的光作为探测光一，第二空芯(4-4)中的光作为参考光，第三空芯(4-5)中的光作为探测光二，三路光进入光路干涉模块中，探测光一与参考光叠加并发生干涉，探测光二与参考光叠加并发生干涉，干涉之后的光信号分别被第一接收器和第二接收器接收，最后第一接收器和第二接收器输出的信号传输到光谱分析仪(8)中进行处理，通过监测这两个干涉峰的移动，可计算得到磁场和温度的变化，而且通过软件计算可对磁场测量结果进行温度补偿，减少温度对磁场测量的影响。
Claims (3)
1.一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，包括LD光源（1）、1×3耦合器（2）、第一光路匹配模块（3）、三芯光纤传感模块（4）、第二光路匹配模块（5）、光路干涉模块（6）、第一接收器（7-1）、第二接收器（7-2）、光谱分析仪（8），其特征在于：所述的三芯光纤传感模块（4）长度为6~8cm，包括外包层（4-1）、内包层（4-2）、第一空芯（4-3）、第二空芯（4-4）、第三空芯（4-5），每个空芯直径均为50~100μm，第一空芯（4-3）填充磁流体，第二空芯（4-4）未进行填充，第三空芯（4-5）填充甘油，三根空心光纤的空间位置两两互为120°，各空芯孔心位于三芯光纤半径的一半处；所述第一空芯（4-3）通过注射器进行填充，第一空芯（4-3）的输出光与第二空芯（4-4）的输出光发生干涉，利用磁流体的可调折射率特性可实现磁场的测量；所述第三空芯（4-3）通过毛细作用进行填充，第三空芯（4-3）输出光与第二空芯（4-4）的输出光发生干涉，利用甘油的温度敏感特性可实现温度的测量。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，其特征在于：所述第一空心光纤（4-3）中填充的磁流体是一种水基磁流体，以Fe3O4纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体填充的三芯空心光纤磁场和温度传感器，其特征在于：所述第一空芯（4-3）和第三空芯（4-3）两端未被液体填充的长度为1~2mm。
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