CN111458669A - 一种基于双f-p结构的光纤磁场和温度传感探头 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于双F‑P结构的光纤磁场和温度传感探头。包括激光光源（1）、光纤环形器（2）、传感探头（3）、信号处理模块（4），所述的传感探头（3）包括包层（3‑1）、第一纤芯（3‑2）、第二纤芯（3‑3）、第一刻槽（3‑4）、第二刻槽（3‑5）、反射膜片（3‑6），第一刻槽（3‑4）填充磁流体，第二刻槽（3‑5）填充甘油，反射膜片与两个刻槽端面构成双法布里‑珀罗谐振腔。利用磁流体的磁场敏感特性和甘油的温度敏感特性，由磁场和温度的变化，磁流体和甘油的折射率将发生改变，从而改变F‑P腔的等效腔长，最终导致两相干光之间相位差的变化，通过检测干涉信号的变化，可实现温度和磁场的双参量测量。

Description

一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头。

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，因此被广泛用于探测、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中，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。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，在二十世纪七十年代末发展起来一门不同于传统的传感器技术,即光纤传感技术。将磁场传感技术与光纤传感技术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。基于光纤的磁场传感器有很多种，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。

光纤法布里-珀罗传感器是基于F-P干涉仪的基础而设计。由于光纤F-P传感器本身对磁场、温度等外部因素不敏感，就需要通过填充敏感材料、使用敏感材料进行封装或者间接的利用机械机构来实现对待测参量的测量，从而实现相应的传感器。光纤F-P传感器的传感原理可通过两种途径来实现：一是固定腔内介质折射率不变，改变几何腔长，如应变、温度等使得F-P谐振腔的腔长变大或变小，导致输出反射光谱周期发生变化，解调输出干涉光谱的周期变化量即可达到检测被测量的目的，利用几何腔长变化检测被测量的输出光谱；二是固定几何腔长不变，改变腔内介质折射率，如将折射率可控的液体敏感材料填充入光纤F-P的谐振腔内，感受外界被测变量，比如温度、磁场等，液体折射率变化带来F-P腔等效腔长的变化，使得光纤F-P传感器的输出干涉光谱发生相应的波长漂移，通过检测光谱漂移量来达到测量的目的。

在现今的生产应用和生活中，大多光学传感器采用单芯标准光纤，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。双芯光纤是同一个包层内包含两个纤芯的光，每个纤芯都是一条光波导，即一根双芯光纤中集成了两根单芯光纤，大大提高了传感器的精度。

发明内容

针对上述所提及的问题，本发明提出了一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头的设计方案，通过固定F-P谐振腔的几何腔长不变，改变腔内敏感介质折射率的方法来实现温度磁场双参量测量，这是由于磁场和温度都会使磁流体的折射率发生变化，而甘油液体只受温度的调制，外界磁场变化对甘油折射率几乎没有影响，所以传感探头既可实现磁场和温度的双参量同时测量，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，一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头，包括激光光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、信号处理模块(4)，所述的传感探头(3)包括包层(3-1)、第一纤芯(3-2)、第二纤芯(3-3)、第一刻槽(3-4)、第二刻槽(3-5)、反射膜片(3-6)，其特征在于：所述的传感探头(3)采用的是轴对称非同轴双芯光纤，其包层(3-1)的直径为125μm，第一纤芯(3-2)的直径为8μm，第二纤芯(3-3)的直径为8μm，两纤芯间距62.5μm；所述的第一刻槽(3-3)和第二刻槽(3-4)尺寸相同，通过飞秒激光在双芯光纤端面刻蚀而得，长30μm，宽30μm，深20μm，第一刻槽(3-4)填充磁流体，第二刻槽(3-5)填充甘油，填充方式采用的是注射器加压法，所述的反射膜片(3-6)是利用真空蒸镀法在聚丙烯膜上镀金属铝制作而成，膜片厚度为3μm，反射膜片与第一刻槽(3-4)端面构成第一F-P腔，用来测量磁场，反射膜片与第二刻槽(3-5)端面构成第二F-P腔，用来测量温度并对磁场测量进行温度补偿。

第一刻槽(3-4)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。

如图2所示，传感探头基于轴对称非同轴双芯光纤，两个纤芯直径相同，通过飞秒激光在双芯光纤的右端面刻蚀两个相同的凹槽，将磁流体和甘油通过注射器加压法分别填充到第一刻槽和第二刻槽，接着利用反射膜片进行封装，反射膜片与两个刻槽端面构成双法布里-珀罗谐振腔，填充磁流体的F-P腔利用磁流体的可调折射率特性可实现磁场的测量，填充甘油的F-P腔利用甘油的温度敏感特性可实现温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。

传感探头基于F-P结构的干涉特性，当发生干涉时，相邻相干光相位差

为：

式中λ为入射光波长，n为两反射面间介质折射率，d为F-P腔长，δ为相邻光束的光程差。

当腔长d、入射光波长λ一定时，两反射面间介质折射率n与相位差

存在一定关系：

满足腔长d、入射光波长λ一定时，k为常数，当介质折射率发生改变能引起相位差的改变，从而引起干涉光谱漂移，通过检测光谱的变化量来计算出所测量的变化。

当温度和磁场共同作用时，第一纤芯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，从而带来相位差的变化并引起干涉光谱漂移。同时，温度的变化也会影响磁流体折射率变化，同样会导致干涉光谱漂移。但是第二纤芯中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，进而导致反射光二与入射光二之间相位差的变化，最终引起反射光二与入射光二产生的干涉光谱发生漂移。所以可以通过检测第二光纤中产生的干涉光谱的漂移，来计算温度变化，进一步为第一光纤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。

附图说明

图1为本发明所述的一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头结构示意图；

图2为本发明所述的一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头的截面图；

图3为本发明所述的一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头的第一信号检测光路原理图。

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双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头，具体实施步骤如下：

步骤一：光纤端面预处理

选取适当长度的双芯光纤，取双芯光纤一端用剥线钳刮去涂敷层，接着用光纤切割机将去涂敷层的端面切平，然后利用超声波清洗机对光纤进行清洁。

步骤二：在双芯光纤上端面刻槽

在电子显微镜下观察其端面平整后将其固定在光纤夹具上，确保在三维平台上保持水平放置，保持飞秒激光器不动，调节三维平台使飞秒激光经过光学透镜聚焦在切平光纤端面上第一纤芯中心处，从焦点接触到光纤开始逐步调节x,y二维微动台的位置，让飞秒激光焦斑做相对位移，控制刻槽的宽度和长度。激光在二维平台内每扫描刻蚀完一层时，物镜在z轴方向相应地向下降10μm，进入第二层扫描，总共扫描2次即可实现20μm深度的第一刻槽加工，接着飞秒激光经过光学透镜聚焦在光纤端面上第二纤芯正中心处，重复上述步骤完成第二凹槽刻蚀。

步骤三：用氢氟酸进行清洗

在激光工作过程中，会有光纤的细屑迸出并粘附在腔体和光纤上从而破坏腔体端面，影响反射率，也会对干涉谱的光强大小和对比度的准确性产生影响。先用超声波清洗装置，除去粘附在腔体端面和光纤表面的大部分细屑，然后再用5％浓度的氢氟酸腐蚀，腐蚀时间控制30秒，这样可以除去残留在腔体表面的极少部分细屑以及对凹槽不平整处进行修饰。

步骤三：分别将甘油和磁流体填充到第一刻槽和第二刻槽

将双芯光纤竖直放置，刻槽端面朝上。在光学显微镜下，将注射器插入任一刻槽中，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，便得到灌注后的第一刻槽(3-4)，再取一注射器插入另外的刻槽中，往注射器中灌注甘油，通过对注射器加压，将甘油注入进去，便得到灌注后的第二刻槽(3-5)。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而影响传感效果。

步骤四：在双芯光纤的刻槽端面用镀有金属铝的聚丙烯膜片进行封装

F-P腔的覆膜利用镀有铝的聚丙烯膜制成，通过精密仪器将适量聚丙烯拉伸成直径为1mm的饼状薄膜，在蒸镀前需对薄膜表面进行电晕处理，使其具有良好的粘合性。蒸镀时将卷筒薄膜置放于真空室内，在真空状态下将蒸发舟升温至1300℃-1400℃,然后再把高纯度的铝丝连续送至蒸发舟上。调节好放卷速度、收卷速度、送丝速度和蒸发量，开通冷却源，使铝丝在蒸发舟上连续地熔化、蒸发，从而移动的薄膜表面经冷却后形成1μm厚的金属铝膜，将双芯光纤刻槽一端竖直朝上放置，用环氧树脂胶涂敷在光纤端面上未刻蚀区域，最后将镀铝的聚丙烯膜片放置于双芯光纤正上方，控制双芯光纤缓慢向上移动直至顶紧薄膜，等待胶固化后裁剪下来。

第一信号检测光路原理图如图3所示，激光光源(1)发出的光通过光纤环行器(2)传输至该F-P传感探头(3)的第一个反射面发生部分反射，另一部分光继续传输至该F-P腔传感器的第二个反射面发生部分反射，两束反射光在光纤环行器处进行干涉，由信号处理模块(4)接收输出信号并进行处理。第二信号检测光路所需器件与上述一致。

本发明的基本原理为：反射膜片与两个刻槽端面构成双法布里-珀罗谐振腔，刻槽槽深即为F-P腔的腔长。由激光光源发出的调制光经过耦合器进入光纤，入射到法布里-珀罗腔中，在法布里-珀罗腔中经光纤端面和反射膜反射后沿原路返回、相遇而产生干涉，最后由光电探测器接收，利用磁流体的磁场敏感特性和甘油的温度敏感特性，由磁场和温度的变化，甘油和磁流体的折射率发生改变，从而改变F-P腔的等效腔长，最终导致两相干光之间相位差的变化，通过检测干涉信号的变化，可计算得到磁场和温度的变化。

Claims (3)

1.一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头，包括激光光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、信号处理模块(4)，所述的传感探头(3)包括包层(3-1)、第一纤芯(3-2)、第二纤芯(3-3)、第一刻槽(3-4)、第二刻槽(3-5)、反射膜片(3-6)，其特征在于：所述的传感探头(3)采用的是轴对称非同轴双芯光纤，双芯光纤包层(3-1)的直径为125μm，第一纤芯(3-2)的直径为8μm，第二纤芯(3-3)的直径为8μm，两纤芯间距62.5μm，所述的第一刻槽(3-4)和第二刻槽(3-5)尺寸相同，通过飞秒激光在双芯光纤的端面刻蚀而得，长30μm，宽30μm，深20μm，第一刻槽(3-4)填充磁流体，第二刻槽(3-5)填充甘油，填充方式采用的是注射器加压法，所述的反射膜片(3-6)是利用真空蒸镀法在聚丙烯膜上镀金属铝制作而成，厚度为3μm，反射膜片与两个刻槽端面构成双法布里-珀罗谐振腔，填充磁流体的F-P腔利用磁流体的可调折射率特性可实现磁场的测量，填充甘油的F-P腔利用甘油的温度敏感特性可实现温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头，其特征在于，反射膜片的制备与传感探头的封装包括以下步骤：

(1)首先将适量聚丙烯拉伸成直径为1mm的饼状薄膜，并对聚丙烯薄膜表面进行电晕处理，使其具有良好的粘合性；

(2)接着将卷筒聚丙烯薄膜置放于真空室内蒸镀，在薄膜表面形成1μm厚的金属铝膜；

(3)然后将双芯光纤刻槽一端竖直朝上放置，用环氧树脂胶涂敷在光纤端面上未刻蚀区域；

(4)最后将镀铝的聚丙烯薄膜放置在双芯光纤上方，控制双芯光纤缓慢向上移动直至顶紧薄膜，等待胶固化后裁剪下来。

3.根据权利要求1所述的一种基于双F-P结构的光纤磁场和温度传感探头，其特征是：所述的第一刻槽(3-4)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。

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