CN114019430A - 一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，包括单模光纤、多模光纤、第一薄膜层、第二薄膜层；所述多模光纤两端与单模光纤熔接，熔接后的多模光纤拉锥得到微光纤腰区；所述第一薄膜层覆盖在微光纤腰区；所述第二薄膜层覆盖在第一薄膜层外面；所述第一薄膜层为聚合物薄膜；所述第二薄膜层为磁致伸缩薄膜。本发明通过拉锥之后镀膜的方法实现对磁场的传感，腰区直径仅为10微米左右，能够进入一些较为密闭的环境中进行探测任务；通过聚合物薄膜作为应力传导层，使得微光纤在镀上金属薄膜后仍能通光，利用微光纤倏逝场强的特点，提升光纤传感器对磁场的响应灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种微光纤磁场传感器及制备方法，尤其涉及一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器及制备方法。
背景技术
光纤是一种低损耗光波导纤维，在通信、传感等众多领域已经有了许多可靠的应用。基于光纤的传感器件具有体积小、重量轻和抗电磁干扰等诸多优点，已在工程中得到大量应用。光纤磁场传感器主要有基于法拉第效应、基于金刚石NV色心以及基于磁致伸缩材料三种。铽镝铁合金是镍铁和压电陶瓷之后的第三代磁致伸缩材料。当外加磁场时，它磁畴间的边界发生移动，与外磁场方向不同的磁畴发生体积变化，从而导致了宏观上的磁致伸缩现象。
因为单模-多模-单模SMS光纤结构具有制作简单、成本低等诸多优点，通过改变多模光纤长度还可调整其干涉透射。因此单模-多模-单模光纤结构受到了广泛重视。由于传输多模的模间干涉，在拉锥SMS光纤结构中存在谐振式干涉透射谱，通过透射谱波谷位置的漂移量可以对外界环境变化进行解析。
目前通过磁致伸缩套管封装单模-多模-单模光纤结构，实现了磁场的感知能力。但是由于其封装之后使得传感器整体体积增加，丢失了光纤传感器体积纤细的优势。直接对单模-多模-单模光纤结构封装，导致灵敏度较低。
随着微纳光纤制作工艺的成熟，拉锥而成的微纳光纤腰椎平坦区长、直径可达纳米量级，能提供更长传感作用范围且倏逝场更强，有利于实现更高灵敏度的折射率传感。但由于微光纤的能量主要在倏逝场，表面覆上金属不通光，因此到目前，仍然没有微光纤结合磁致伸缩材料薄膜的相关研究进展。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器及制备方法，解决微光纤直接镀金属磁致伸缩薄膜不通光，磁场响应灵敏度低的问题。
技术方案：本发明所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，包括单模光纤、多模光纤、第一薄膜层、第二薄膜层；
所述多模光纤两端与单模光纤熔接，熔接后的多模光纤拉锥得到微光纤腰区；
所述第一薄膜层覆盖在微光纤腰区；所述第二薄膜层覆盖在第一薄膜层外面。
所述第一薄膜层为聚合物薄膜，包括PDMS薄膜、特氟龙薄膜。
所述第二薄膜层为磁致伸缩薄膜，包括Terfenol-D薄膜。
所述多模光纤拉锥由氢氧焰拉锥制得。
所述第一薄膜层由涂覆法制得。
所述第二薄膜层由磁控溅射法制得。
本发明所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多模光纤去除涂覆层，两端熔接单模光纤；
(2)拉锥多模光纤获得微光纤腰区；
(3)在微光纤腰区表面涂覆一层聚合物作为应变传导层；
(4)在微光纤腰区聚合物外面镀上磁致伸缩薄膜；
(5)对温度和磁场的响应标定。
步骤(2)采用氢氧焰法拉锥多模光纤，控制氢气火焰的有效扫火长度，在火焰加热熔融光纤的同时拉动光纤向两端移动，拉至腰区直径至设定值。
步骤(3)中将聚合物液滴以固定速度扫涂覆在微光纤腰区，静置固化后得到设定厚度的薄膜厚度层。
步骤(4)中采用磁控溅射的方法对微光纤腰区镀上磁致伸缩薄膜。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：
(1)本发明通过拉锥之后镀膜的方法实现对磁场的传感，腰区部分直径仅为10微米左右，能够进入一些较为密闭的环境中进行探测任务。
(2)通过聚合物薄膜作为应力传导层，使得微光纤在镀上金属膜后仍能够通光，利用微光纤倏逝场强的特点，提升光纤传感器对磁场的响应灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2本发明中单模-多模-单模光纤熔接示意图；
图3本发明中多模光纤拉锥后涂覆PDMS过程示意图；
图4本发明中光纤涂覆PDMS后截面显微图；
图5是本发明传感器实物图；
图6本发明传感器对温度的响应测试结果；
图7是本发明传感器对磁场的响应测试结果；
图8是本发明传感器磁场响应拟合结果。
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。
由图1可知，本发明所述的一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其结构包括单模光纤尾纤1、光纤腰区2、光纤过渡区3、PDMS薄膜4、Terfenol-D薄膜5、拉锥多模光纤6；多模光纤6拉锥至腰区直径9微米左右；单模光纤尾纤1熔接在多模光纤两端；PDMS薄膜通过扫涂法固化在微光纤表面作为应力传导层；Terfenol-D薄膜覆盖在PDMS薄膜上。
其中，单模光纤尾纤1为光波导，优选单模光纤；PDMS薄膜4由PDMS溶液扫涂法制得，优选厚度为1.5微米；Terfenol-D薄膜5为Terfenol-D金属薄膜，优选厚度为420纳米，优选镀膜方法为磁控溅射；所述多模光纤部分长度约为1厘米，优选纤芯直径105微米的多模光纤；所述多模光纤通过氢氧焰法拉锥，优选腰区直径9微米左右。
在两段单模光纤(SMF)中间熔接一段多模光纤(MMF),光源的光进入第一段单模光纤，作为多模光纤的入射场，在接近多模光纤前表面时光场分布接近高斯分布。由单模光纤传来的基模光进入多模光纤后，多模光纤中的高阶本征模被激励，在传输过程中不同的模式在多模光纤中相互耦合，由于不同阶数的导模模场分布的差异，因而导致它们在向单模光纤基模耦合时耦合系数间的不同，其结果是只有少数的导模才有可能被有效地耦合到单模光纤中去，其他模式将耦合到单模光纤的包层中，最终被损耗掉。这些模式之间发生干涉，形成干涉谱，通过透射谱的变化，可以解析出外界参量的变化。拉锥后的SMS光纤结构中的多模光纤段直径极细,倏逝场强,在空气中传播的包层模能量较多,对外界参量，比如应力的变化非常敏感。
由图2-图4，可知本发明所述基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)对单模光纤、多模光纤表面使用酒精进行清洁；将一段1厘米长的多模光纤去除涂覆层，两端熔接单模光纤；
(2)采用氢氧焰法对多模光纤部分进行拉锥，氢气火焰的有效扫火长度控制在5毫米，在火焰加热熔融光纤的同时，步进电机拉动光纤向两端移动，拉至腰区直径9微米左右；
(3)配置PDMS溶液，优选PDMS和固化剂配比为20:1；在微光纤表面涂覆一层低折射率聚合物作为应变传导层。通过位移台，将PDMS液滴以100微米每秒的速度扫涂在微光纤腰区，之后静置30分钟等待固化，得到薄膜厚度优选为1.5微米；
(4)采用磁控溅射的方法对微光纤镀上Terfenol-D薄膜，厚度优选为420纳米；
(5)对温度、磁场的响应分别进行标定
本发明中微光纤磁场传感器通过一层聚合物应力传导层首次实现了金属磁致伸缩材料与微光纤的结合。在外加磁场作用时，Terfenol-D薄膜会沿着磁场方向向两侧延展，通过PDMS薄膜，将应力传导到拉锥单模-多模-单模(SMS)结构上。将入射光从一端尾纤输入，另一端得到的透射谱会随着应力的变化而变化，通过解析波谷位置的漂移，就可以得到外界磁场的大小。
本实施例中采用本发明制备方法制备的微光纤磁场传感器如图5所示。图6该传感器对温度变化的响应。随着温度不断上升，波谷的位置发生蓝移。以优选参数为例，制得的传感器温度响应大约在50pm/℃。图7该传感器对磁场强度变化的响应。随着磁场增大，波谷的位置发生红移。图8以优选参数为例制备传感器，记录波谷对应的波长与磁场强度的关系，制得的传感器温度响应大约在2.63pm/mT。
本发明利用微光纤的强倏逝场特性提高了SMS结构光纤磁场传感器的灵敏度，在工业、农业等领域都有着重要的应用前景。
Claims (10)
1.一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：包括单模光纤、多模光纤、第一薄膜层、第二薄膜层；
所述多模光纤两端与单模光纤熔接，熔接后的多模光纤拉锥得到微光纤腰区；
所述第一薄膜层覆盖在微光纤腰区；所述第二薄膜层覆盖在第一薄膜层外面。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：所述第一薄膜层为聚合物薄膜。
3.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：所述第二薄膜层为磁致伸缩薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：所述多模光纤拉锥由氢氧焰拉锥制得。
5.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：所述第一薄膜层由涂覆法制得。
6.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器，其特征在于：所述第二薄膜层由磁控溅射法制得。
7.一种基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将多模光纤去除涂覆层，两端熔接单模光纤；
(2)拉锥多模光纤获得微光纤腰区；
(3)在微光纤腰区表面涂覆一层聚合物作为应变传导层；
(4)在微光纤腰区聚合物外面镀上磁致伸缩薄膜；
(5)对温度和磁场的响应标定。
8.根据权利要求7所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)采用氢氧焰法拉锥多模光纤，控制氢气火焰的有效扫火长度，在火焰加热熔融光纤的同时拉动光纤向两端移动，拉至微光纤腰区直径至设定值。
9.根据权利要求7所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤(3)中将聚合物液滴以固定速度扫涂覆在微光纤腰区，静置固化后得到设定厚度的薄膜厚度层。
10.根据权利要求7所述的基于磁致伸缩材料的微光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于：步骤(4)中采用磁控溅射的方法对微光纤腰区镀上磁致伸缩薄膜。
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| CN114812887A (zh) * | 2022-04-29 | 2022-07-29 | 威海长和光导科技有限公司 | 一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置、方法及传感器 |
| CN114812887B (zh) * | 2022-04-29 | 2022-12-20 | 威海长和光导科技有限公司 | 一种智能水凝胶光纤传感器的制备装置、方法及传感器 |
| CN114563022A (zh) * | 2022-05-03 | 2022-05-31 | 安徽省国盛量子科技有限公司 | 基于倏逝波的量子传感微结构的制作方法及传感器 |
| CN114563022B (zh) * | 2022-05-03 | 2022-07-22 | 安徽省国盛量子科技有限公司 | 基于倏逝波的量子传感微结构的制作方法及传感器 |
| CN115494284A (zh) * | 2022-11-07 | 2022-12-20 | 安徽省国盛量子科技有限公司 | 基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法 |
| CN115494284B (zh) * | 2022-11-07 | 2023-07-21 | 安徽省国盛量子科技有限公司 | 基于环路积分技术的量子电流互感器及数据处理方法 |
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