CN114089236B - 一种光纤磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤磁场传感器，包括由PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe的复合物固化所得的封装外壳，以及封装在封装外壳内的微纳光纤Micro/nano fiber，微纳光纤Micro/nano fiber为单模光纤经熔融拉锥后形成的双锥形光纤模式干涉仪，两端延伸至封装外壳外。本发明基于磁致应力变化基本原理，将磁致伸缩材料均匀混合到弹性PDMS结构中，外加磁场作用于磁致伸缩材料上导致敏感区域发生微小形变，作用于双锥形光纤干涉仪的敏感区域而形成了波长编码的磁场传感元件，可用于200mT以内的弱磁场测量，瀚宇天悦灵敏度高、重复性好、制备及测量方式简单、成本低廉、具有较强的实用性的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学传感器技术领域，具体涉及一种基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器。
背景技术
磁场传感器是一种将磁场、电流、应力、温度、压力等外界因素引起的磁敏感元件性能变化转换成电信号，并以该方式来检测相应物理量变化的传感器件。目前，弱磁场检测在多个领域内都有重要作用。传统的电学磁场传感器包括：感应线圈磁场计、磁阻传感器、磁通门磁场计、质子磁力仪等，具有体积大、灵敏度低、抗电磁干扰能力差、成本高等缺点，不适合超高强电流实时动态检测，不满足如今一些特定场合磁场检测要求。光纤磁场传感器可以充分发挥光纤传感器件的优点：灵敏度高、快速响应、易于组网、支持大范围同步监测等，能够满足一些高速、大数据量测量需求，结合磁致伸缩材料对磁场的敏感性能，可实现高灵敏度磁场强度的测量，成本低廉且实用性强，是该领域的研究热点之一，具有广阔的发展及应用前景。
目前已报道的光纤磁场传感器采用的磁敏材料可分为磁致伸缩材料和磁流体两种。磁致伸缩效应是J.Joule在1842年在镍材料中发现的，当把磁致伸缩材料放在磁场中时，伴随磁场强度的变化，磁致伸缩材料的形状和大小会发生改变，撤去磁场后磁致伸缩材料外形恢复。传统的磁致伸缩材料有镍(Ni)基合金(Ni，Ni-Co合金，Ni-Co-Cr合金)和铁基合金，其磁致伸缩系数λ值在20～80ppm之间，数值太小无法应用于磁场检测中；后来人们发现了稀土超磁致伸缩材料Terfenol-D，磁致伸缩系数λ可高达1500-2000ppm，提升了几十倍，可以满足磁场测量需求。
发明内容
本发明依据磁致伸缩材料棒的基本原理，将磁致伸缩材料粉末掺入PDMS复合材料中形成可在外加磁场中产生微小形变的复合结构，将微纳光纤传感元件嵌入到该材料结构中，制备出了一种实用性强、重复性好、不易受环境干扰的光纤磁场传感器。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种光纤磁场传感器，包括由PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe的复合物固化所得的封装外壳，以及封装在封装外壳内的微纳光纤Micro/nano fiber，微纳光纤Micro/nanofiber为单模光纤经熔融拉锥后形成的双锥形光纤模式干涉仪，两端延伸至封装外壳外，由第一微光纤端区、第二微光纤端区、第一微光纤锥区、第二微光纤锥区和微光纤均匀区构成，所述第一微光纤锥区和所述第二微光纤锥区分别位于所述微光纤均匀区的两端，所述第一微光纤端区位于所述第一微光纤锥区的外端，所述第二微光纤端区位于所述第二微光纤锥区的外端。
进一步地，所述PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合物是PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe以一定比例混合均匀的复合溶液。
进一步地，所述PDMS中的A胶与B胶以20:1的质量比均匀混合。
进一步地，制备时，将PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe均匀混合后，倒入固定有微纳光纤Micro/nano fiber的凹槽内，置于100℃的高温温控箱内静置固化，形成具有弹性和磁致伸缩特性的微纳光纤磁场传感器
进一步地，所述第一微光纤端区和所述第二微光纤端区一端与光源相连用于光信号的输入，另一端与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，两端可相互替换。
进一步地，所述微光纤均匀区的直径约为几微米，镶嵌于PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合固化物中，在磁场的作用下发生沿光纤轴向的应变，引起干涉仪长度的改变，引起输出干涉谱波长漂移，达到传感测量的目的。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于磁致应力变化基本原理，将磁致伸缩材料均匀混合到弹性PDMS结构中，外加磁场作用于磁致伸缩材料上导致敏感区域发生微小形变，作用于双锥形光纤干涉仪的敏感区域而形成了波长编码的磁场传感元件，可用于200mT以内的弱磁场测量，瀚宇天悦灵敏度高、重复性好、制备及测量方式简单、成本低廉、具有较强的实用性的特点。
附图说明
图1是本发明公开的一种光纤磁场传感器的结构示意图；
图中：1-微纳光纤Micro/nano fiber，2-PDMS，3-磁致伸缩材料TbDyFe，4-第一微光纤端区，5-第二微光纤端区，6-第一微光纤锥区，7-第二微光纤锥区，8-微光纤均匀区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示的一种光纤磁场传感器，包括：由PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe的复合物固化所得的封装外壳，以及封装在封装外壳内的微纳光纤Micro/nano fiber，微纳光纤Micro/nano fiber为单模光纤经熔融拉锥后形成的双锥形光纤模式干涉仪，两端延伸至封装外壳外，由第一微光纤端区4、第二微光纤端区5、第一微光纤锥区6、第二微光纤锥区7和微光纤均匀区8构成，所述第一微光纤锥区6和所述第二微光纤锥区7分别位于所述微光纤均匀区8的两端，所述第一微光纤端区4位于所述第一微光纤锥区6的外端，所述第二微光纤端区5位于所述第二微光纤锥区7的外端。当光信号经过第一微光纤端区4到达第一微光纤锥区6会激发出高阶模式，经过微光纤均匀区8后，在第二微光纤锥区7处激发的高阶模式耦合回光纤纤芯与基模发生干涉，形成模式干涉仪，光纤轴向的磁致应变改变干涉长度，引起输出端干涉谱的波长漂移，从而达到磁场测量的目的，这样便形成了一种干涉型光纤磁场传感器。所述微光纤均匀区8的直径约为几微米，镶嵌于PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合固化物中，在磁场的作用下发生沿光纤轴向的应变，引起干涉仪长度的改变，引起输出干涉谱波长漂移，达到传感测量的目的。
本实施例中，所述PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合物是PDMS 2与磁致伸缩材料TbDyFe 3以一定比例混合均匀的复合溶液。所述PDMS中的A胶与B胶以20:1的质量比均匀混合。
实施例2
如图1所示的一种光纤磁场传感器制备时，将PDMS 2与磁致伸缩材料TbDyFe 3均匀混合后，倒入固定有微纳光纤Micro/nano fiber 1的凹槽内，置于100℃的高温温控箱内静置固化，形成具有弹性和磁致伸缩特性的微纳光纤磁场传感器。微纳光纤Micro/nanofiber为单模光纤经熔融拉锥后形成的双锥形光纤模式干涉仪，两端延伸至封装外壳外，由第一微光纤端区4、第二微光纤端区5、第一微光纤锥区6、第二微光纤锥区7和微光纤均匀区8构成，所述第一微光纤锥区6和所述第二微光纤锥区7分别位于所述微光纤均匀区8的两端，所述第一微光纤端区4位于所述第一微光纤锥区6的外端，所述第二微光纤端区5位于所述第二微光纤锥区7的外端。当光信号经过第一微光纤端区4到达第一微光纤锥区6会激发出高阶模式，经过微光纤均匀区8后，在第二微光纤锥区7处激发的高阶模式耦合回光纤纤芯与基模发生干涉，形成模式干涉仪，光纤轴向的磁致应变改变干涉长度，引起输出端干涉谱的波长漂移，从而达到磁场测量的目的，这样便形成了一种干涉型光纤磁场传感器。
本发明的一种光纤磁场传感器可以实现200mT以内的弱磁场强度测量。基于磁致应力变化基本原理，作用于锥形光纤敏感区域而形成的波长编码型的干涉型磁场传感器。该传感器可以很容易地实现磁场测量，灵敏度高、稳定性好、制作简单、操作方便，成本低廉，便携性好，实用性强。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种光纤磁场传感器，其特征在于，包括由PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe的复合物固化所得的封装外壳，以及封装在封装外壳内的微纳光纤Micro/nano fiber，微纳光纤Micro/nano fiber为单模光纤经熔融拉锥后形成的双锥形光纤模式干涉仪，两端延伸至封装外壳外，由第一微光纤端区、第二微光纤端区、第一微光纤锥区、第二微光纤锥区和微光纤均匀区构成，所述第一微光纤锥区和所述第二微光纤锥区分别位于所述微光纤均匀区的两端，所述第一微光纤端区位于所述第一微光纤锥区的外端，所述第二微光纤端区位于所述第二微光纤锥区的外端；
所述PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合物是PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe以一定比例混合均匀的复合溶液。
2.如权利要求1所述的一种光纤磁场传感器，其特征在于，所述PDMS中的A胶与B胶以20:1的质量比均匀混合。
3.如权利要求1所述的一种光纤磁场传感器，其特征在于，制备时，将PDMS与磁致伸缩材料TbDyFe均匀混合后，倒入固定有微纳光纤Micro/nano fiber的凹槽内，置于100℃的高温温控箱内静置固化，形成具有弹性和磁致伸缩特性的微纳光纤磁场传感器。
4.如权利要求1所述的一种光纤磁场传感器，其特征在于，所述第一微光纤端区和所述第二微光纤端区一端与光源相连用于光信号的输入，另一端与光谱仪或者解调装置相连，用于输出信号的监测，两端可相互替换。
5.如权利要求1所述的一种光纤磁场传感器，其特征在于，所述微光纤均匀区的直径约为几微米，镶嵌于PDMS和磁致伸缩材料TbDyFe的复合固化物中，在磁场的作用下发生沿光纤轴向的应变，引起干涉仪长度的改变，引起输出干涉谱波长漂移，达到传感测量的目的。
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