CN206906563U - 基于单模‑多模‑无芯光纤结构的磁场强度检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于单模‑多模‑无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，包括：单模光纤；多模光纤，其输入端与单模光纤的输出端熔接；无芯光纤，其一端与多模光纤的输出端偏心熔接；无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处包覆第一金属膜层；无芯光纤的另一端面附着第二金属膜层；无芯光纤的表面包覆超磁致伸缩材料层。将磁场强度检测传感器置于磁场中，磁场强度发生变化，会导致有超磁致伸缩材料薄膜发生形变及波导折射率发生变化，从而引起无芯光纤纵向长度产生微小形变及谐振条件发生变化，使马赫‑泽德混合干涉中一干涉臂光程发生变化导致整个波导干涉条件发生变化，通过光电探测器接收信号，并进行处理即可反推外部环境磁场强度。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器。
背景技术
磁场测量对于科学、军事、工业应用等领域都有重要意义。传统的磁场传感器是以电测试原理为主，如电磁感应原理和霍尔效应，但作为电测仪器的传感器往往易受电磁干扰，易腐蚀，无法工作在恶劣的环境下。因而光学式的磁场传感器越来越来受关注。光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点，除了不受电磁干扰还有体积小、重量轻、精度高，易于形成分布式测量等优点，也能工作在高温、高压、强磁场、腐蚀性环境等特殊场合，与电类传感器相比具有一些独特的优势。
随着科学技术的进一步发展，使用新技术制备新型磁场传感器得到研究人员的重视，尤其在国防、航空航天航海以及医学等高新技术领域的更高要求，使得磁场传感器成为研究人员不断在该方法进行探索的动力。目前较为成熟的磁场探测方法主要有电磁感应发、核磁共振法以及磁阻效应等方法，然而这些磁场传感器均有短板，如体积、质量大，无法满足亲量化以及高新技术装备的要求。微型光纤磁场传感器具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、测量精度高等优点，目前微型光纤磁场传感器主要利用新型光纤结构、磁流体材料、磁性符合材料等新材料或结合新型光纤结构的方法制备，上述方法的光纤磁场传感器大多需要复杂且精密的制作工艺，并且集成度不高导致其稳定性较差，因此，一种制作简单、集成度高、稳定可靠并具有单端输出的磁场传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。
为了实现根据本实用新型的这些目的和其它优点，提供了一种基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，包括：
单模光纤，其用于光信号的输入和输出；
多模光纤，其输入端与所述单模光纤的输出端无偏心熔接；
无芯光纤，其一端与所述多模光纤的输出端偏心熔接；所述无芯光纤的表面附着超磁致伸缩材料层；
其中，所述无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤的另一端附着第二金属膜层以反射无芯光纤中的光信号。
优选的是，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。
优选的是，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm。
优选的是，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。
优选的是，所述超磁致伸缩材料层为铽镝铁超磁致伸缩材料层。
优选的是，所述超磁致伸缩材料层的厚度为1～10μm。
优选的是，所述超磁致伸缩材料层采用粘贴法或真空磁控溅射方法附着在无芯光纤的表面。
优选的是，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。
优选的是，所述第一金属膜层采用真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第一金属膜层采用真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上。
本实用新型至少包括以下有益效果：本实用新型的磁场检测传感器，当超辐射发光二极管发出的光在单模光纤中传输，并进入多模光纤中传输，在多模光纤的端面，光信号被分为两部分，第一部分在端面处被第一金属膜层反射，第二部分进入无芯光纤中传输，并在无芯光纤的末端被第二金属膜层反射，反射光进入多模光纤中与无芯光纤中的反射光进行干涉，干涉光通过单模光纤输出；当磁场导致无芯光纤表面的超磁致伸缩材料层发生微小形变或者波导折射率变化，进而影响干涉光的谐振波长位移，通过波长偏移量反推磁场强度。
本实用新型的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本实用新型的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明：
图1为本实用新型基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器的结构示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
图1示出了本实用新型的一种基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，包括：单模光纤1，其用于光信号的输入和输出；多模光纤2，其输入端与所述单模光纤1的输出端无偏心熔接；无芯光纤3，其一端与所述多模光纤2的输出端偏心熔接；所述无芯光纤3的表面附着超磁致伸缩材料层4；
其中，所述无芯光纤3与多模光纤2偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层5以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤3的另一端附着第二金属膜层6以反射无芯光纤中的光信号。
其中，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。
在这种技术方案中，当超辐射发光二极管发出的光在单模光纤中传输，并进入多模光纤中传输，在多模光纤的末端，光信号被分为两部分，第一部分在端面处被第一金属膜层反射，第二部分进入无芯光纤中传输，并在无芯光纤的末端被第二金属膜层反射，反射光进入多模光纤中与多模光纤中的反射光进行干涉，干涉光通过单模光纤输出；当将附着有超磁致伸缩材料层的磁场强度检测传感器置于磁场中，磁场强度发生增大或减少，会导致有超磁致伸缩材料薄膜发生形变及波导折射率发生变化，从而引起无芯光纤纵向长度产生微小形变及谐振条件发生变化，使马赫-泽德混合干涉中一干涉臂光程发生变化导致整个波导干涉条件发生变化，最后信号并被铟镓砷-光电探测器接收，通过对接收信号进行处理即可反推外部环境磁场强度。
在上述技术方案中，所述超磁致伸缩材料层的厚度为1～10μm，所述超磁致伸缩材料层为铽镝铁超磁致伸缩材料层；采用这种材料层，其在常温下各向异性常数几乎为零，显示出巨大的磁致伸缩效应，磁致伸缩系数高达1500-2000ppm，能够在磁场中实现敏感检测。
在上述技术方案中，所述超磁致伸缩材料层采用粘贴法或真空磁控溅射方法附着在无芯光纤的表面。所述真空磁控溅射方法中溅射靶材使用纯度为99.9％铽镝铁靶，在1×10-3Pa高真空下，氩气作为工艺气体，气压0.5Pa，采用射频溅射工艺，起始功率70W，溅射功率150W。采用这种方式，超磁致伸缩材料层能够牢固的连接在多模光纤的表面，并且能够提高磁场的检测精度。
在上述技术方案中，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。采用这种方式，能够将光信号分为两部分进行传输，提高了磁场强度检测的精度。
在上述技术方案中，所述第一金属膜层采用粘贴法或真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第一金属膜层采用粘贴法或真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上，采用这种附着方式，使金属膜层能够牢固的连接，并准确的对光信号进行反射，提高了磁场的检测精度。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (9)
1.一种基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，包括：
单模光纤，其用于光信号的输入和输出；
多模光纤，其输入端与所述单模光纤的输出端无偏心熔接；
无芯光纤，其一端与所述多模光纤的输出端偏心熔接；所述无芯光纤的表面附着超磁致伸缩材料层；
其中，所述无芯光纤与多模光纤偏心熔接后的不重叠位置处附着第一金属膜层以反射多模光纤中的光信号；所述无芯光纤的另一端附着第二金属膜层以反射无芯光纤中的光信号。
2.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述单模光纤的直径均为125μm、芯径均为8～10μm。
3.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述多模光纤的长度为3～10mm、直径为125μm、芯径为50～125μm。
4.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述无芯光纤的长度为3～10mm、直径为20～100μm。
5.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述超磁致伸缩材料层为铽镝铁超磁致伸缩材料层。
6.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述超磁致伸缩材料层的厚度为1～10μm。
7.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述超磁致伸缩材料层采用粘贴法或真空磁控溅射方法附着在无芯光纤的表面。
8.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述单模光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行无偏心熔接；所述无芯光纤与多模光纤采用光纤熔接技术进行偏心熔接。
9.如权利要求1所述的基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器，其特征在于，所述第一金属膜层采用真空溅射方法附着在多模光纤与无芯光纤不重叠的端面上；所述第一金属膜层采用真空溅射方法附着在无芯光纤的另一个端面上。
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|---|---|---|---|---|
| CN107179516A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-09-19 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于单模‑多模‑无芯光纤结构的磁场强度检测传感器 |
| CN113671230A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-11-19 | 中国计量大学 | 一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头 |
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| CN107179516A (zh) * | 2017-07-28 | 2017-09-19 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于单模‑多模‑无芯光纤结构的磁场强度检测传感器 |
| CN107179516B (zh) * | 2017-07-28 | 2023-06-09 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于单模-多模-无芯光纤结构的磁场强度检测传感器 |
| CN113671230A (zh) * | 2021-09-10 | 2021-11-19 | 中国计量大学 | 一种电磁转化式光纤增敏电流传感探头 |
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