CN112461400A - 一种基于磁流体的双芯lpg温度-磁场传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种基于磁流体的双芯LPG温度‑磁场传感探头，包括宽带光源、光纤链路、传感探头和光谱仪，其中传感探头是在双芯光纤两端进行无偏芯熔接两根单模光纤，并在双芯光纤的其中一根纤芯上刻写LPG，在另一根纤芯和包层处利用飞秒激光微加工制作梯形微腔结构并填充磁流体，最后用金属铝和环氧树脂胶进行封装。本传感探头可以实现磁场和温度双参量测量，利用磁流体的折射率因外界磁场改变而改变，导致包层有效折射率发生改变，从而改变谐振波长；当外界温度改变时，利用金属铝套管和环氧树脂胶较好的热膨胀性，使LPG的周期发生改变，从而改变长周期光纤光栅透射光的谐振波长。最后由光谱仪测量得到的谐振波长的变化情况来测量温度与磁场。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头。
背景技术
近几年来，我国科技得到了迅速的发展，光纤传感器的检测技术有了重大的突破，且广泛的应用于军事制导、航空航天、地质勘测、工业检测和电力系统等领域。与传统的传感器相比，光纤传感器具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强和非接触测量等优点，因此广泛应用于复杂多变的环境中。
光纤光栅传感器是很重要的光纤传感器之一，光纤光栅是对光纤纤芯的折射率进行周期性调制而形成的，按周期大小来分有布拉格光纤光栅(FBG:Fiber Bragg Grating)和长周期光纤光栅(LPFG:Long PeriodFiber Grating)。长周期光纤光栅的光谱特性是前向传输的纤芯导模和包层导模之间发生耦合的结果，与布拉格光纤光栅相比，不仅具有较高的温度灵敏度，而且长周期光纤光栅没有背向反射光，不会对光源的稳定性造成影响，因此常被用作光纤温度传感器。
磁流体又称磁性液体、铁磁流体或者磁液，是磁性纳米颗粒Fe3O4在表面活性剂的包裹作用下，均匀分散在基载液中形成的一种胶体溶液，既有液体的流动性又有固体磁性物质的磁性。磁流体有丰富的光学性质，如热透镜效应、磁致双折射效应和可调折射率特性等，而磁流体在光纤磁场传感器中的应用主要是基于其折射率可调特性，即在磁场作用下磁流体的折射率会发生变化，常被用来制作光纤磁场传感器。
双芯光纤作为一种新型的特种光纤，具有特殊的折射率分布特性。双芯光纤是在同一根光纤中分布两个相对平行的纤芯，光波在一根纤芯中传输时，会有部分能量泄露出，进入另一根纤芯，发生能量和信息的交换。双芯光纤分类方式很多，按照物理结构分，有同轴双芯光纤和非同轴双芯光纤；按位置分类，有对称和非对称双芯光纤。对称双芯光纤的两个纤芯对称分布在光纤的圆心，非对称的双芯光纤一般有一个纤芯在光纤圆心处，另一个纤芯偏移圆心一段距离。因此双芯光纤的独特结构，常被制作成光纤传感器。
本发明设计了一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，利用磁流体的磁致折射率可调特性来测量磁场强度，利用长周期光纤光栅和双芯光纤的独特结构来测量温度，并对磁场测量进行温度补偿。
发明内容
本发明设计了一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，可以实现对磁场和温度的双参量测量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，包括宽带光源(1)、光纤链路(2)、传感探头(3)和光谱仪(4)，其特征在于：所述的传感探头(3)长度为15mm，包括第一单模光纤(3-1)、第一单模光纤纤芯(3-2)、双芯光纤(3-3)、金属铝套管(3-4)、磁流体(3-5)、双芯光纤纤芯1(3-6)、第二单模光纤(3-7)、长周期光纤光栅(3-8)、双芯光纤纤芯2(3-9)、环氧树脂胶(3-10)和第二单模光纤纤芯(3-11)，所述的第一单模光纤(3-1)、双芯光纤(3-3)和第二单模光纤(3-7)的包层直径为125μm，折射率为1.447，所述的第一单模光纤纤芯(3-2)和第二单模光纤纤芯(3-10)的直径为9μm，纤芯折射率为1.452，所述的双芯光纤(3-3)的长度为6mm，所述的金属铝套管(3-4)内径为160μm，外径为500μm，长度为15mm，与环氧树脂胶(3-10)一起用来封装传感探头(3)并达到增敏的目的，所述的磁流体(3-5)是通过注射器填充到双芯光纤(3-3)的包层中的梯形微腔结构中，所述的双芯光纤纤芯1(3-6)和双芯光纤纤芯2(3-9)直径均为4μm，两个纤芯轴对称分布在光纤端面处，双芯纤芯距为8μm，传感探头(3)利用磁流体(3-5)实现对磁场的测量，利用长周期光纤光栅(3-8)和双芯光纤实现对温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。
传感探头(3)的结构是在双芯光纤(3-3)的左右两端分别与第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-7)进行无偏芯熔接。
双芯光纤(3-3)是利用飞秒激光微加工技术在双芯光纤纤芯1(3-6)包层处的加工出填充磁流体的梯形微腔结构，梯形长端长度为55μm，短端长度为45μm，深度为50μm，宽度为45μm，利用高频CO2激光器在双芯光纤纤芯2(3-9)刻写出长周期光纤光栅(3-8)，周期为200μm。
当宽带光源发出的光通过光纤链路进入第一单模光纤后，传输到第一单模光纤末端时，因第一单模光纤与双芯光纤是进行无偏心熔接，光波按照分光比为1：1分别进入双芯光纤的两个纤芯。双芯光纤纤芯1中的光通过微腔结构中的磁流体传输到纤芯末端；双芯光纤纤芯2中的光通过LPG传输到纤芯末端。两束光经过双芯光纤末端后进入第二单模光纤，传入光纤链路，最后进入光谱仪。
轴对称非同轴的双芯光纤，当纤芯距离较小时，纤芯模式可以发生定向耦合。光在两个纤芯中的传输功率为：
式中，P1(z)和P2(z)分别是光在双芯光纤纤芯1、2传输的功率；A1(z)和A2(z)分别是光在两个纤芯传输的光波振幅；R0为A1(z)的初始值；δ为相位失配量；K12和K21为双芯耦合系数；z为双芯光纤的长度。当光在双芯光纤的两个纤芯传输时，光发生能量交换，从而影响输出功率。
当光在LPG中传输时，LPG中的纤芯模会与同向各阶包层模之间发生耦合，公式如(3)：
式中，λres为LPG的谐振波长；
和
分别是纤芯有效折射率和包层有效折射率；Λ是光栅周期。LPG的谐振波长是由纤芯有效折射率、包层有效折射率和周期共同决定的，当外界温度和磁场改变其中参量时，就会引起谐振波长的变化，因此来制作长周期光纤光栅传感器。
传感探头的设计是：先使用熔接机在双芯光纤两端进行无偏心熔接两个单模光纤，然后再双芯光纤纤芯1和包层处，通过飞秒激光微加工技术，加工出一个梯形微腔结构。再利用高频CO2激光器在双芯光纤纤芯2刻写长周期光纤光栅。然后，用注射器向梯形微腔结构中填充磁流体。最后使用环氧树脂胶和金属铝套管进行封装。
工作原理是，由于双芯光纤的特殊结构，光在传播过程中纤芯之间发生耦合，发生信息和能量的交换，传输光谱图是呈正弦波形，分别标记两处为参考点，即标记1和标记2。当外界磁场发生变化时，会引起磁流体折射率发生改变，从而改变双芯光纤包层的有效折射率，使得传输光的光功率以及长周期光纤光栅的谐振波长发生变化，最后通过光谱仪测得谐振波长的漂移量来计算磁场的变化；当外界温度发生改变时，因金属铝套管和环氧树脂胶的热膨胀系数较高，且环氧树脂胶对于金属和光纤都有较好的粘合性，金属铝套管和环氧树脂胶的热膨胀性使LPG的周期发生改变，从而改变长周期光纤光栅透射光的谐振波长，通过光谱仪测得谐振波长的漂移量来计算温度的变化。当温度和磁场同时作用时，利用传输矩阵，如公式(4)：
式中，Δλ1和Δλ2分别是双芯光纤标记1与标记2的透射谱波长漂移量；KB,1和KT,1分别是标记1处的磁场和温度灵敏度；KB,2和KT,2分别是标记2处的磁场和温度灵敏度；ΔB和ΔT分别是磁场和温度的变化量。通过谐振波长的变化情况，用传输矩阵来计算，实现对温度和磁场的测量。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头的检测原理图；
图2为本发明所述的一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头结构示意图；
图3本发明所述的一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头的横向截面图。
具体实施方式
下面将结合图2对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明设计的是一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，可以实现温度与磁场双参量测量，具体实施步骤如下：
当宽带光源发出的光通过光纤链路进入第一单模光纤后，传输到第一单模光纤末端时，因第一单模光纤与双芯光纤是进行无偏心熔接，光波按照分光比为1：1分别进入双芯光纤的两个纤芯。双芯光纤纤芯1中的光通过微腔结构中的磁流体传输到纤芯末端；双芯光纤纤芯2中的光通过LPG传输到纤芯末端。两束光经过双芯光纤末端后进入第二单模光纤，传入光纤链路，进入光谱仪，通过光谱仪测得的谐振波长的变化情况来反映外界磁场和温度的变化。
步骤一：单模光纤与双芯光纤的熔接
本发明使用轴对称非同轴的双芯光纤，长度为6mm，两个纤芯直径均为4μm，两个纤芯轴对称分布在光纤端面处，纤芯距为8μm，与两根纤芯直径为9μm的普通单模光纤进行无偏心熔接。
步骤二：在双芯光纤纤芯2上刻写LPG
利用高频CO2激光器在双芯光纤纤芯2处刻写LPG，与在普通单模光纤上刻写LPG不同，在双芯光纤上刻写LPG需要注意曝光时间、角度和能量等问题。首先，双芯光纤被两个旋转台固定，使双芯光纤呈伸直状态，一端与宽带光源连接，另一端与光谱仪连接。在纤芯与激光器曝光方向相垂直的情况下，设置相关参数，在双芯光纤纤芯2上刻写LPG，周期是200μm。
步骤三：在双芯光纤纤芯1与包层加工出梯形微腔结构
利用飞秒激光加工出梯形微腔结构。首先，将双芯光纤固定在操作平台上，使双芯光纤纤芯1垂直于飞秒激光的照射方向。为避免加工时影响到另外一根纤芯，设置相关参数，使得飞秒激光能量聚焦到双芯光纤纤芯1上，移动高精度电动平台，打开光开关，以5μm/s的速度移动双芯光纤，使双芯光纤沿着轴线移动，移动45μm后，再返回原点，重复上述操作，加工出梯形微腔结构，梯形长端长度为55μm，短端长度为45μm，深度为50μm，宽度为45μm。
步骤四：磁流体的填充与封装
用注射器把磁流体填充进梯形微腔中，并用环氧树脂胶进行封装。将金属铝套管水平固定在一个三维调整平台的夹具上，在另一个三维调整平台上固定传感探头，并粗略调整金属铝套管和传感探头的位置。通过移动显微镜至金属铝套管左端面处，缓慢移动传感探头进入金属铝套管中，再用环氧树脂胶封装并固定两端面。金属铝套管(3-4)内径为160μm，外径为500μm，长度为15mm。
步骤五：对所制作的传感探头进行清洗晾干
本发明设计了一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头的基本工作原理为：利用双芯光纤的特殊结构，光在传播过程中纤芯之间发生耦合，发生信息和能量的交换，传输光谱图是呈正弦波形，分别标记两处为参考点。当外界磁场发生变化时，会引起磁流体折射率发生改变，从而改变双芯光纤包层的有效折射率，使得传输光的光功率以及长周期光纤光栅的谐振波长发生变化，最后通过光谱仪测得谐振波长的漂移量来计算磁场的变化；当外界温度发生改变时，因金属铝套管和环氧树脂胶的热膨胀系数较高，且环氧树脂胶对于金属和光纤都有较好的粘合性，金属铝套管和环氧树脂胶的热膨胀性使LPG的周期发生改变，从而改变长周期光纤光栅透射光的谐振波长，通过光谱仪测得谐振波长的漂移量来计算温度的变化。当温度和磁场同时作用时，利用传输矩阵根据谐振波长的变化量来分别计算温度与磁场的变化。
Claims (3)
1.一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，包括宽带光源(1)、光纤链路(2)、传感探头(3)和光谱仪(4)，其特征在于：所述的传感探头(3)长度为15mm，包括第一单模光纤(3-1)、第一单模光纤纤芯(3-2)、双芯光纤(3-3)、金属铝套管(3-4)、磁流体(3-5)、双芯光纤纤芯1(3-6)、第二单模光纤(3-7)、长周期光纤光栅(3-8)、双芯光纤纤芯2(3-9)、环氧树脂胶(3-10)和第二单模光纤纤芯(3-11)，所述的第一单模光纤(3-1)、双芯光纤(3-3)和第二单模光纤(3-7)的包层直径为125μm，折射率为1.447，所述的第一单模光纤纤芯(3-2)和第二单模光纤纤芯(3-10)的直径为9μm，纤芯折射率为1.452，所述的双芯光纤(3-3)的长度为6mm，所述的金属铝套管(3-4)内径为160μm，外径为500μm，长度为15mm，与环氧树脂胶(3-10)一起用来封装传感探头(3)并达到增敏的目的，所述的磁流体(3-5)是通过注射器填充到双芯光纤(3-3)的包层中的梯形微腔结构中，所述的双芯光纤纤芯1(3-6)和双芯光纤纤芯2(3-9)直径均为4μm，两个纤芯轴对称分布在光纤端面处，双芯纤芯距为8μm，传感探头(3)利用磁流体(3-5)实现对磁场的测量，利用长周期光纤光栅(3-8)和双芯光纤实现对温度的测量，并对磁场测量进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，其特征在于：所述的传感探头(3)的结构是在双芯光纤(3-3)的左右两端分别与第一单模光纤(3-1)和第二单模光纤(3-7)进行无偏芯熔接。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁流体的双芯LPG温度-磁场传感探头，其特征在于：所述的双芯光纤(3-3)是利用飞秒激光微加工技术在双芯光纤纤芯1(3-6)包层处的加工出填充磁流体的梯形微腔结构，梯形长端长度为55μm，短端长度为45μm，深度为50μm，宽度为45μm，利用高频CO2激光器在双芯光纤纤芯2(3-9)刻写出长周期光纤光栅(3-8)，周期为200μm。
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