CN111679230A - 一种基于磁流体的磁场传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体的磁场传感装置，包括：宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元以及光谱仪，所述宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元和光谱仪通过单模光纤依次连接，所述传感单元为两端分别熔接有单模光纤的保偏光纤，所述保偏光纤的气孔内填充有磁流体；所述偏振控制器被配置为使线偏振光以与保偏光纤的快轴成45度角方向进入所述保偏光纤，所述线偏振光为所述宽带光源输出的光经过起偏器后形成，所述光谱仪用于记录光谱图，本发明提供的磁场传感装置具有灵敏度高、电磁绝缘性好、响应速度快、结构简单、成本更低的优势。

Description

一种基于磁流体的磁场传感装置
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体的磁场传感装置。
背景技术
磁场测量在诸多科学研究和工程技术领域具有重要意义，特别是在电力系统、电磁兼容及微波技术等领域具有广泛应用。磁场测量离不开磁场传感器，为保证磁场强度测量的准确度，通常需要磁场传感器尽可能减少对被测磁场的扰动，然而传统的磁场传感器通常使用有源金属探头，这会扰乱被测电磁场的分布；并且，传输测量磁场信号的金属电缆会受到电磁噪声的干扰。
综上可知，现有磁场传感方法由于测量精度低、设备制作成本高、电磁干扰等问题而受到很多限制，很难大规模推广应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种基于磁流体的磁场传感装置，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于磁流体的磁场传感装置，包括：宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元以及光谱仪，所述宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元和光谱仪通过单模光纤依次连接，所述传感单元为两端分别熔接有单模光纤的保偏光纤，所述保偏光纤的气孔内填充有磁流体；
所述偏振控制器，被配置为使线偏振光以与保偏光纤的快轴成45度角方向进入所述保偏光纤，所述线偏振光为所述宽带光源输出的光经过起偏器后形成；
所述光谱仪，用于记录光谱图。
进一步，所述保偏光纤的纤芯直径为8μm，包层直径为125μm，气孔直径30μm。
进一步，所述磁流体为直径大小10nm的磁性颗粒。
进一步，所述磁性颗粒为四氧化三铁。
进一步，所述单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
进一步，所述宽带光源的波长范围为1480至1620nm。
进一步，所述光谱仪的波长范围为600至1700nm，分辨率为0.02nm。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种基于磁流体的磁场传感装置，该磁场传感装置以光波作为载波，采用磁流体作为磁场感应物质，通过外加磁场对光信号进行调制，当磁流体在磁场改变时，其光学特性会发生改变，从而导致测量得到的光强度也会相应改变，通过光强度的大小即可得出磁场强度，本发明提供的磁场传感装置具有灵敏度高、电磁绝缘性好、响应速度快、结构简单、成本更低的优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一种基于磁流体的磁场传感装置的结构示意图；
图2为本发明实施例中保偏光纤的横向截面示意图；
图3为本发明实施例中保偏光纤在平行于双孔连线时的侧面示意图；
图4为本发明实施例中光强度与磁场强度的对应关系图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1，如图1所示为实施例提供的一种基于磁流体的磁场传感装置，包括：
宽带光源100、起偏器200、偏振控制器300、传感单元400以及光谱仪500，所述宽带光源100、起偏器200、偏振控制器300、传感单元400和光谱仪500通过单模光纤依次连接，所述传感单元400为两端分别熔接有单模光纤的保偏光纤，所述保偏光纤的气孔600内填充有磁流体800；
所述偏振控制器300，被配置为使线偏振光以与保偏光纤的快轴成45度角方向进入所述保偏光纤，所述线偏振光为所述宽带光源100输出的光经过起偏器200后形成；
所述光谱仪500，用于记录光谱图。
本发明实施例的工作原理是：保偏光纤的内部有2个气孔600，也称为双孔，保偏光纤的横向截面示意图如图2所示。参考图3，当保偏光纤的双孔填充有磁流体800时，随着外界磁场的变化，磁流体800的分子排列也会发生变化，磁流体800表现出的折射率也发生了相应的变化，磁流体800折射率的变化促使保偏光纤的横向结构发生了改变，从而使保偏光纤的快轴的传输常数和保偏光纤的慢轴的传输常数均产生了变化，最终通过光谱仪500测量输出的光强度发生了变化。那么，通过光谱仪500显示的光强度，便可以反向推出保偏光纤周围的磁场强度，实现对磁场的测量。
本实施例中，线偏振光以与保偏光纤的快轴成45度角方向进入保偏光纤，以尽可能获得较大的消光比干涉输出，线偏振光经保偏光纤输出后被分解为相互垂直的两部分光，两部分光分别沿保偏光纤的快轴和保偏光纤的慢轴传输，光在保偏光纤的快轴中传输时和在保偏光纤的慢轴中传输时，具有不同的传输常数，从而导致两部分光从保偏光纤输出时产生干涉；通过光谱仪500记录干涉后的光谱图谱，即可读取光谱仪500在波长范围内测量输出的光强度。
参考图4，图4给出了光强度与磁场强度的对应关系，在一个示例性的实施例中，将所述宽带光源100的波长设为1550nm，通过选取多个磁场强度下，光谱仪500测量输出的光强度，拟合得出光强度与磁场强度的计算公式：y＝19.74-0.0088x，其中，x代表光强度，y代表磁场强度；使用时，将所述宽带光源100的波长设为1550nm，通过读取光谱仪500测量输出的光强度，将所述光强度代入上述计算公式，即可得出磁场强度。
本实施例提供的磁场传感装置以光波作为载波，采用磁流体800作为磁场感应物质，通过外加磁场对光信号进行调制。磁流体800作为一种磁性敏感物质具有独特的光学特性，磁流体800在磁场改变时，其光学特性会发生改变，并且具有极高的灵敏度。本发明提供的磁场传感装置具有灵敏度高、电磁绝缘性好、响应速度快、结构简单、成本更低的优势。
本发明实施例的使用方法如下：
参考图3，先将磁流体800填充到保偏光纤的气孔600中，再将保偏光纤两端分别与单模光纤进行熔接，形成结构封闭的传感单元400。
之后，参考图1，将宽带光源100、起偏器200、偏振控制器300、传感单元400及光谱仪500通过单模光纤依次连接，此时，单模光纤的连接方式可以为通过跳线连接，也可以通过光纤熔接。
然后，当传感单元400周围有磁铁时，通过读取光谱仪500测量输出的光强度，将所述光强度代入上述计算公式，即可得出磁铁的磁场强度。
在一个优选的实施例中，所述保偏光纤的纤芯700直径为8μm，包层直径为125μm，气孔600直径30μm。
在一个优选的实施例中，所述磁流体800为直径大小10nm的磁性颗粒。
在一个优选的实施例中，所述磁性颗粒为四氧化三铁。
在一个优选的实施例中，所述单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
在一个优选的实施例中，所述宽带光源100的波长范围为1480至1620nm。
在一个优选的实施例中，所述光谱仪500的波长范围为600至1700nm，分辨率为0.02n m。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出各种等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，包括：
宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元以及光谱仪，所述宽带光源、起偏器、偏振控制器、传感单元和光谱仪通过单模光纤依次连接，所述传感单元为两端分别熔接有单模光纤的保偏光纤，所述保偏光纤的气孔内填充有磁流体；
所述偏振控制器，被配置为使线偏振光以与保偏光纤的快轴成45度角方向进入所述保偏光纤，所述线偏振光为所述宽带光源输出的光经过起偏器后形成；
所述光谱仪，用于记录光谱图。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述保偏光纤的纤芯直径为8μm，包层直径为125μm，气孔直径30μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述磁流体为直径大小10nm的磁性颗粒。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述磁性颗粒为四氧化三铁。
5.根据权利要求4所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述单模光纤的纤芯直径为9μm，包层直径为125μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述宽带光源的波长范围为1480至1620nm。
7.根据权利要求6所述的一种基于磁流体的磁场传感装置，其特征在于，所述光谱仪的波长范围为600至1700nm，分辨率为0.02nm。
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