CN112666503A - 一种并行双m-z光纤磁传感装置及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种并行双M‑Z光纤磁传感装置及其制作方法，包括将第一光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与宽带光源连接，另一侧两端口通过单模光纤分别与M‑Z磁传感探头和参考M‑Z磁传感探头一端相连，第二光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与光谱分析仪相接，另一侧两端口通过单模光纤分别与M‑Z磁传感探头和参考M‑Z磁传感探头另一端相连；M‑Z磁传感探头设有干涉结构的光纤，干涉结构的光纤外部套设有封闭的石英微管，石英微管内部和干涉结构光纤外部之间的封闭空间中填充有磁流体，在石英微管内形成一个M‑Z干涉仪。本发明向M‑Z光纤结构中注入磁流体以实现测量外界磁场的变化并利用并行双M‑Z干涉产生的游标效应，提升测量灵敏度和精准度；制作工艺简单易实现。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种并行双M-Z光纤磁传感装置及其制作方法。
背景技术
近年来，磁场检测在军事、航空航天、化学微检测、工业和电力传输等诸多领域应用愈加广泛。在电磁科学研究中，磁场测量可以作为检验电磁理论计算是否准确的有效手段，为许多难以计算的磁场环境提供测量数值；在电力工业，磁场测量可用于电力系统状态检测、电气设备内外磁场分布测量等；在电磁兼容领域研究中，磁场测量可用于检测电气、电子设备的对外电磁辐射与干扰，以及研究环境磁场对电子仪器运行的影响；在微波技术中，需要对微波发射与接收设备周围磁场进行测量。
磁流体作为一种新型功能介质，具有法拉第效应、磁致折变效应等多种独特磁光特性，因此，许多基于磁流体的光学器件被相继研发，如可调谐慢光器件、可调谐电容器、光开关等。同时，磁流体因液体流动性极易与光学光纤结合。随着传感技术的飞速发展，光纤传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优异的特性倍受青睐，可用于高温高压、强电磁场、强腐蚀等恶劣环境中的探测。在磁场探测方面，传统的磁场传感器具有体积大、结构复杂、动态范围小等缺点。在诸多光纤传感器中，光纤干涉传感器根据干涉原理可以分为Mach–Zehnder(M-Z)光纤传感器、Fabry-Perot(F-P)光纤传感器、Michelson光纤传感器、Sagnac光纤传感器等。M-Z光纤传感器具有结构简单紧凑、稳定性好和应用方便等诸多优点，因此M-Z光纤传感器被广泛研究，发展非常迅速，不同结构的M-Z光纤传感结构如光纤偏置、特殊结构光纤串接且在连接处烧制小球、光纤拉锥、光纤弯曲等。这些结构获得了较高的物理量测量灵敏度，但也存在一些问题，譬如，光纤中的微结构需用激光精密加工技术与化学腐蚀微处理技术，制备过程复杂；有些结构需要用到特种光纤，造价高等。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种成本低廉、重复性好、轻便易携的并行双M-Z光纤磁传感装置及其制作方法，实现对磁场的高灵敏度测量。
技术方案：本发明提供一种并行双M-Z光纤磁传感装置，包括宽带光源、光纤耦合器、M-Z磁传感探头、参考M-Z磁传感探头和光谱分析仪；第一光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与宽带光源连接，第一光纤耦合器另一侧两端口通过单模光纤分别与M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头一端相连，第二光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与光谱分析仪相接，第二光纤耦合器另一侧两端口通过单模光纤分别与M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头另一端相连；M-Z磁传感探头设有干涉结构的光纤，干涉结构的光纤外部套设有封闭的石英微管，石英微管内部和干涉结构光纤外部之间的封闭空间中填充有磁流体，在石英微管内形成一个M-Z干涉仪。
进一步地，M-Z磁传感探头采用偏置M-Z干涉结构，偏置M-Z干涉结构内设有偏置结构的单模光纤，偏置结构两边的单模光纤中心对齐。
进一步地，M-Z磁传感探头采用拉锥M-Z干涉结构，拉锥M-Z干涉结构内设有拉锥结构的单模光纤。
进一步地，M-Z磁传感探头采用双球M-Z干涉结构，双球M-Z干涉结构内设有光子晶体光纤，光子晶体光纤的两端分别与单模光纤端面的光纤泡熔接。
进一步地，M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头长度为1至1.5cm。
进一步地，其特征在于：光纤耦合器的分光比为50％。
进一步地，单模光纤为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2um，包层直径为125um。
进一步地，光子晶体光纤长2.5cm，气孔间隔为7.5um。
进一步地，石英微管的长度为1.5～2cm，内径为150um，管壁厚度为35um。
一种并行双M-Z光纤磁传感装置的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：偏置M-Z磁传感探头的制作：取两根根单模光纤，将两根单模光纤的一端分别去除涂覆层并用酒精清洁，使用光纤熔接机将两根单模光纤去除涂覆层的一端偏置熔接，熔接完成后将此结构固定于三维调节装置上，通过高倍显微镜观察与三维调节装置调节，切取合适长度的偏置光纤；另取一根单模光纤去除涂覆层后与切取后的单模光纤偏置熔接，通过光纤熔接机内置显微镜，调节使得偏置光纤两端相对应且中心对齐；取一段长度比偏置结构稍长的石英微管套在偏置结构外，用密封胶封住石英微管一端，从另一端注入磁流体后用密封胶将注入端密封；
步骤2：参考M-Z磁传感探头的制作：取两根单模光纤分别将一端涂覆层去除并用酒精清洁，用光纤熔接机将此端烧制成光纤泡；取一段光子晶体光纤，去除两端面的涂覆层并用酒精清洁后，用光纤熔接机将光子晶体光纤与一根一端烧制成光纤泡的单模光纤熔接，将熔接好的结构置于三维调节装置上，在高倍显微镜中找到熔接结构并调节三维调节装置，切取合适长度的光子晶体光纤并清洁端面，用光纤熔接机将其与另一根一端烧制成光纤泡的单模光纤熔接；
步骤3：将第一光纤耦合器一侧一端口经单模光纤与宽带光源相连，第一光纤耦合器另一侧两端口经单模光纤分别与偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头一端相连，偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头另一端分别与第二光纤耦合器一侧两端口经单模光纤相连，偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头构成并行双M-Z结构，第二光纤耦合器另一侧一端口经单模光纤与光谱分析仪相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著的优点：通过向M-Z光纤结构中注入磁流体以实现测量外界磁场的变化，使得磁传感装置体积小、重量轻，简便易携，可操作性强；利用并行双M-Z干涉产生的游标效应，大幅度提升光纤磁传感装置的灵敏度和精确度；制作工艺简单易实现、结构紧凑、稳定可靠。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的偏置M-Z磁传感探头的结构示意图；
图3为本发明的参考M-Z磁传感探头的结构示意图；
图4为本发明的拉锥M-Z磁传感探头的结构示意图；
图5为本发明的双球M-Z磁传感探头的结构示意图；
图6为本发明的磁测量光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，一种并行双M-Z光纤磁传感装置，包括宽带电源1、光纤耦合器3、偏置M-Z磁传感探头4、参考M-Z磁传感探头5、光谱分析仪6，第一光纤耦合器一侧的端口通过单模光纤2与宽带光源1连接，第一光纤耦合器另一侧两端口通过单模光纤2分别与偏置M-Z磁传感探头4和参考M-Z传感探头5一端相连，第二光纤耦合器一侧的端口通过单模光纤2与光谱分析仪6相接，第二光纤耦合器另一端两口分别与偏置M-Z磁传感探头4和参考M-Z传感5探头另一端相连。
如图2所示，偏置M-Z磁传感探头4包括石英微管8、单模光纤2，将单模光纤2熔接成偏置结构后，把石英微管8套在偏置结构外，用密封胶11封住石英微管8一端，从另一端注入磁流体7，然后用密封胶11将此端封存，偏置结构两端单模光纤2端面相对且中心对齐，在石英微管8内部形成一个M-Z干涉仪。
如图3所示，参考M-Z探头5包括光子晶体光纤9、单模光纤2，取两根单模光纤2分别将一端涂覆层去除并用酒精清洁，然后用光纤熔接机将此端烧制成光纤泡10，取一段光子晶体光纤9去除端面的涂覆层并用酒精清洁后，用光纤熔接机将光子晶体光纤9与光纤泡10熔接。
其中，M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头长度为1至1.5cm；单模光纤为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2um，包层直径为125um；光纤耦合器的分光比为50％；光子晶体光纤长2.5cm，气孔间隔为7.5um；石英微管的长度为1.5～2cm，内径为150um，管壁厚度为35um。
并行双M-Z光纤磁传感器装置的制作方法，包括以下步骤：
(1)偏置M-Z光纤磁传感探头的制作
取两根根单模光纤2，将两根单模光纤2一端分别去除涂覆层并用酒精清洁，使用光纤熔接机将两根单模光纤2去除涂覆层一端偏置熔接，熔接完成后将此结构固定于三维调节装置上，通过高倍显微镜观察与三维调节装置调节后切取合适的偏置光纤长度，另取一根单模光纤2去除涂覆层后与切取后的单模光纤2偏置熔接(通过光纤熔接机内置显微镜，调节使得偏置光纤两端相对，且中心对齐)。取一段长度比偏置结构稍长的石英微管8套在偏置结构外，用密封胶11封住石英微管一端，从另一端注入磁流体7，然后用密封胶11将此端封住，结构如图2所示。
(2)参考M-Z传感探头的制作
取两根单模光纤12分别将一端涂覆层去除并用酒精清洁，然后用光纤熔接机将此端烧制成光纤泡10，取一段光子晶体光纤光纤9去除两端面的涂覆层并用酒精清洁后，用光纤熔接机将光子晶体光纤9与一根一端烧制成光纤泡10的单模光纤12熔接，将熔接好的结构置于三维调节装置上，在高倍显微镜中找到熔接结构并调节三维调节装置，将光子晶体光纤9切取合适的长度切割，清洁光子晶体光纤9另一端后，用光纤熔接机将其与另一根一端烧制成泡状的单模光纤12熔接，结构如图3所示。
(3)可替换偏置M-Z磁传感探头的制作
如图4所示，拉锥M-Z干涉结构的制作：取单模光纤13，去除单模光纤13中间1～2cm涂覆层并用酒精清洁，将处理好的单模光纤13放入光纤熔接机中，通过设置合适的光纤熔接机熔接参数，将去除涂覆层的部分进行拉锥后，取一段长度比拉锥结构稍长的石英微管16套在拉锥结构外，用密封胶15封住石英微管16一端，从另一端注入磁流体14，然后用密封胶15将此端封住，制造的拉锥M-Z磁传感结构如图4所示。
如图5所示，双球M-Z干涉结构的制作：先制作跟参考M-Z传感探头一样的双球结构，如图3所示，取一段长度比双球结构稍长的石英微管18套在双球结构外，用密封胶17封住石英微管18一端，从另一端注入磁流体19，然后用密封胶17将此端封住，制造的双球M-Z磁传感结构如图5所示。
(4)装置的连接
将第一个光纤耦合器3一侧一端口经单模光纤2与宽带光源1相连，将第一个光纤耦合器3另一侧两端口经单模光纤2分别与偏置M-Z磁传感探头4和参考M-Z传感探头5一端相连；将第二个光纤耦合器3一侧一端口经单模光纤2与光谱分析仪6相连，将第二个光纤耦合器3另一侧两端口经单模光纤2分别与偏置M-Z磁传感探头4和参考M-Z传感探头5另一端相连。
本发明制作过程中不需要飞秒激光器或光纤光栅刻写装置等昂贵设备，相比已有光纤磁传感器，本发明制作工艺简单、结构紧凑。并行双M-Z的游标效应在光纤磁传感器中的应用，可以实现光纤磁传感器对磁场的高灵敏度测量。
并行双M-Z光纤磁传感装置的工作方式为：宽带光源1产生信号光，由单模光纤2输入到第一个光纤耦合器3，第一个光纤耦合器3将信号光通过单模光纤2输入到偏置M-Z磁传感探头4，经偏置M-Z磁传感探头4的透射光经过单模光纤2，通过第二个光纤耦合器3输出到光谱分析仪5；宽带光源1产生信号光，由单模光纤2输入到第一个光纤耦合器3，第一个光纤耦合器3将信号光通过单模光纤2输入到参考M-Z探头5，经参考传感探头5的透射光经过单模光纤2，通过第二个光纤耦合器3输出到光谱分析仪6。
并行双M-Z光纤磁传感装置的工作原理为：当光束经过石英微管8中的偏置结构时，一部分光沿直线在磁流体中传播，一部分耦合到偏置光纤的包层中传播，构成M-Z光纤干涉仪，光谱分析仪6可探测到其透射光谱，密封石英微管8中填充磁流体7，磁流体7自身折射率能够随着外界磁场的改变而发生变化；当外界磁场发生改变时，M-Z干涉光程差发生改变，利用光谱分析仪6检测干涉波长的变化就可以得到外界磁场的变化。偏置M-Z干涉仪4和参考M-Z干涉仪5构成的并行双M-Z结构，由于其产生的游标效应，进一步提高了系统磁传感灵敏度。其中，偏置M-Z干涉仪可替换成拉锥M-Z干涉仪和双球M-Z干涉仪。
游标效应如图6所示，为了产生游标效应，传感腔和参考腔的自由光谱范围FSR应相匹配，即两者的FSR接近但不相等，此时，双腔叠加干涉谱会产生周期性包络，当传感腔干涉谱随腔内光程差变化而移动时，干涉谱包络随之移动，且移动量比单个传感腔频移量大，即双腔级联时产生游标效应，对灵敏度有放大作用。
本发明的具体实施方式中凡未涉到的说明属于本领域的公知技术，可参考公知技术加以实施。
Claims (10)
1.一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，包括宽带光源、光纤耦合器、M-Z磁传感探头、参考M-Z磁传感探头和光谱分析仪；所述第一光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与宽带光源连接，所述第一光纤耦合器另一侧两端口通过单模光纤分别与M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头一端相连，所述第二光纤耦合器一侧端口通过单模光纤与光谱分析仪相接，所述第二光纤耦合器另一侧两端口通过单模光纤分别与M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头另一端相连；所述M-Z磁传感探头设有干涉结构的光纤，所述干涉结构的光纤外部套设有封闭的石英微管，所述石英微管内部和干涉结构光纤外部之间的封闭空间中填充有磁流体，在石英微管内形成一个M-Z干涉仪。
2.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述M-Z磁传感探头采用偏置M-Z干涉结构，所述偏置M-Z干涉结构内设有偏置结构的单模光纤，所述偏置结构两边的单模光纤中心对齐。
3.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述M-Z磁传感探头采用拉锥M-Z干涉结构，所述拉锥M-Z干涉结构内设有拉锥结构的单模光纤。
4.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述M-Z磁传感探头采用双球M-Z干涉结构，所述双球M-Z干涉结构内设有光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的两端分别与单模光纤端面的光纤泡熔接。
5.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头长度为1至1.5cm。
6.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置及其制作方法，其特征在于：所述光纤耦合器的分光比为50％。
7.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述单模光纤为G.652单模光纤，纤芯直径为8.2um，包层直径为125um。
8.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述光子晶体光纤长2.5cm，气孔间隔为7.5um。
9.根据权利要求1所述一种并行双M-Z光纤磁传感装置，其特征在于，所述石英微管的长度为1.5～2cm，内径为150um，管壁厚度为35um。
10.一种根据权利要求2所述的一种并行双M-Z光纤磁传感装置的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：偏置M-Z磁传感探头的制作：取两根根单模光纤，将两根单模光纤的一端分别去除涂覆层并用酒精清洁，使用光纤熔接机将两根单模光纤去除涂覆层的一端偏置熔接，熔接完成后将此结构固定于三维调节装置上，通过高倍显微镜观察与三维调节装置调节，切取合适长度的偏置光纤；另取一根单模光纤去除涂覆层后与切取后的单模光纤偏置熔接，通过光纤熔接机内置显微镜，调节使得偏置光纤两端相对应且中心对齐；取一段长度比偏置结构稍长的石英微管套在偏置结构外，用密封胶封住石英微管一端，从另一端注入磁流体后用密封胶将注入端密封；
步骤2：参考M-Z磁传感探头的制作：取两根单模光纤分别将一端涂覆层去除并用酒精清洁，用光纤熔接机将此端烧制成光纤泡；取一段光子晶体光纤，去除两端面的涂覆层并用酒精清洁后，用光纤熔接机将光子晶体光纤与一根一端烧制成光纤泡的单模光纤熔接，将熔接好的结构置于三维调节装置上，在高倍显微镜中找到熔接结构并调节三维调节装置，切取合适长度的光子晶体光纤并清洁端面，用光纤熔接机将其与另一根一端烧制成光纤泡的单模光纤熔接；
步骤3：将第一光纤耦合器一侧一端口经单模光纤与宽带光源相连，第一光纤耦合器另一侧两端口经单模光纤分别与偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头一端相连，偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头另一端分别与第二光纤耦合器一侧两端口经单模光纤相连，偏置M-Z磁传感探头和参考M-Z磁传感探头构成并行双M-Z结构，第二光纤耦合器另一侧一端口经单模光纤与光谱分析仪相连。
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