CN207352076U - 一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，由SLED光源，入射光纤，双芯光纤，微通道，毛细管，磁流体，电磁铁，高斯计，微位移平台，出射光纤，光纤光谱仪构成。入射光纤、双芯光纤与出射光纤依次相连构成马赫‑曾德干涉仪，并且在双芯光纤的一根纤芯上加工出微通道并注入磁流体，该微通道结合马赫‑曾德干涉仪构成光线磁场探头，利用磁流体随磁场强度变化而折射率改变的特性，光的干涉谱会发生变化，通过光纤光谱仪与高斯探头的测量可以得到光谱与磁场强度的关系，由标定得到磁场强度与折射率的关系式，以此确定磁场强度。该发明具有结构稳定、灵敏度高、光纤兼容性好、抗电磁干扰能力强等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器。
背景技术
随着越来越多系统复杂、高精密电子设备的普及，电磁环境的精密检测与安全维护越发显得重要，磁场传感器也被广泛使用。传统的磁场传感器主要由电子器件或是金属组成，例如霍尔元件，巨磁电阻，各向异性磁阻等传感器件，其本身激发的磁场对测量磁场产生干扰，从而使测量产生误差。
随着光纤技术的不断进步新型光纤磁场传感器的优异特性逐渐被发现，光纤磁场探测摆脱了电学磁场探测的框架，创新地以光纤为载体，通过光信号来探测磁场强度，因而具有灵敏度高，抗干扰强，便于分布式监测等特点。
发明内容
针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，用飞秒激光在双芯光纤的一个纤芯内加工出一个微通道，并注入磁流体，使入射光通过双芯光纤耦合发生马赫-曾德干涉。随着外界磁场强度的不同能引起双芯光纤内磁流体有效折射率发生改变，而使得两个干涉模式之间的光程差随磁场强度产生变化，该磁场传感器体积小巧，能实现较高的灵敏度和较大的磁场强度探测范围。
一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，入射光纤(2)，双芯光纤(3)，微通道(4)，毛细管(5)，磁流体(6)，电磁铁(7)，高斯计(8)，微位移平台(9)，出射光纤(10)，光纤光谱仪(11)组成；SLED光源(1)与入射光纤(2)左端相连；入射光纤(2)、双芯光纤(3)、微通道(4)与出射光纤(10)依次相连，微通道(4)位于双芯光纤(3)内部一根纤芯的中部，并在其中注入磁流体(6)构成了光纤磁场探头；双芯光纤(3)插入毛细管(5)内部，毛细管(5)中充满磁流体(6)，两端用紫外胶密封；出射光纤(10)右端接入光纤光谱仪(11)；光纤磁场探头水平置于电磁铁(7)内部，并保持磁场方向与光线传播方向平行，高斯计(8)置于光纤磁场探头一侧；入射光纤(2)、光线磁场探头与出射光纤(10)由微位移平台(9)固定。
所述的双芯光纤(3)纤芯的横截面为长轴10.9μm，短轴6.5μm的椭圆，双芯中心距为15.2μm，双芯光纤(3)的长度为200μm，包层直径为125μm。
所述的微通道(4)长度为50～60μm。
所述的磁流体(6)为平均直径10nm的Fe3O4磁性颗粒所构成的浓度为1mg/mL的水基磁流体。
本实用新型的工作原理是：SLED光源(1)发射的宽带光经过入射光纤(2)进入双芯光纤(3)，分为两束分别通过双芯。由于微通道(4)和磁流体(6)的存在，两束光产生受到外界磁场强度调控的相位差，通过双芯光纤进入出射光纤(10)的纤芯时发生马赫-曾德干涉。
当两束光分别从双芯光纤(3)的纤芯中输出后，耦合进入出射光纤(10)中，由于微通道(4)与磁流体(6)的影响，使得两束光的光程不同，从而两者产生相位差干涉强度可以表示为：
式中，Icore1，Icore2分别表示双芯光纤(3)两个纤芯内的光强度，k为波数，λ为光波长，L为微通道的长度。Δn＝ncore-nchannel是纤芯与磁流体(4)的折射率差，ncore表示光芯处的有效折射率，nchannel表示光纤微通道处磁流体的有效折射率，是干涉的初始相位。
式(1)的输出光强在下列情况下达到最小值：
式中，m为一个自然数，λm是第m阶干涉波谷。
当微通道(4)中的磁流体介质有效折射率改变时，Δn将会改变，第m阶波长将会改变δλ，近似结果如下：
磁流体(6)的折射率是周围磁场强度大小和温度的函数。马赫-曾德干涉的输出光谱也会随着周围磁场的改变而改变。根据郎之万函数，磁流体(4)的折射率nMF与磁场强度的关系能通过下式表示：
其中，ns表示磁流体的饱和折射率，T为开尔文温度，α是拟合参数，H为外磁场的磁场强度，Hc，n是临界磁场，n0是H＜Hc，n时磁流体的折射率，取决于磁流体的浓度。
本实用新型的有益效果是：由于双芯光纤的双芯以及微通道的结构特性，与普通光纤直接相连即可产生马赫-曾德干涉，该传感器的搭建较为便利；并且光纤的干涉型磁场传感器，将光纤作为传感途径，克服了传统电式传感器易受电磁干扰的缺点，同时也因光作为信号载体，传输过程中能够较好地保证信号的完整性，因此，本实用新型具有结构稳定、灵敏度高、光纤兼容性好、抗电磁干扰能力强等优点，是适用于实际生产生活磁场强度探测的较优方案。
附图说明
图1是一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器的系统结构图。
图2是一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器中光纤磁场探头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。
参见附图1，一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，入射光纤(2)，双芯光纤(3)，微通道(4)，毛细管(5)，磁流体(6)，电磁铁(7)，高斯计(8)，微位移平台(9)，出射光纤(10)，光纤光谱仪(11)组成；SLED光源(1)与入射光纤(2)左端相连；参见附图2，入射光纤(2)、双芯光纤(3)、微通道(4)与出射光纤(10)依次相连，微通道(4)位于双芯光纤(3)内部一根纤芯的中部，并在其中注入磁流体(6)构成了光纤磁场探头；双芯光纤(3)插入毛细管(5)内部，毛细管(5)中充满磁流体(6)，两端用紫外胶密封；出射光纤(10)右端接入光纤光谱仪(11)；光纤磁场探头水平置于电磁铁(7)内部，并保持磁场方向与光线传播方向平行，高斯计(8)置于光纤磁场探头一侧；入射光纤(2)、光线磁场探头与出射光纤(10)由微位移平台(9)固定。
飞秒激光加工微通道(4)的过程是，将双芯光纤(3)固定于10nm分辨率的电动微位移平台上，并使其与电脑端的直角坐标系x轴平行。激光光束通过由半波板与偏光器所构成的衰减器使其能量控制在4mJ左右，功率在20mW左右，以0.06mm/s的速度与纤轴垂直，在双芯光纤(3)中部位置穿透包层以及一根纤芯，加工出长度为50～60μm的微通道(4)。
在实验过程中，微位移平台(9)维持该磁流体双芯光纤水平绷直，实验环境的温度需维持在25℃左右。
该新型双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器的工作原理是：SLED光源(1)发射的宽带光通过入射光纤(2)进入双芯光纤(3)，双芯光纤(3)，毛细管(5)和磁流体(6)组合构成了磁流体光纤结构，入射光纤(2)，双芯光纤(3)与出射光纤(10)依次连接，光因双芯所产生的相位差在出射耦合时发生干涉。该结构通过电磁铁使得外界磁场强度发生改变，从而使微通道(4)中磁流体(6)的折射率发生变化，而使得干涉谱发生漂移。通过光纤光谱仪(11)测量监测光谱和高斯计(8)测量磁场强度，可以得到光谱曲线的移动与磁场强度的变化，并通过公式计算折射率与磁场强度的关系，构成磁流体光纤磁场传感器。因此，本实用新型具有结构稳定、灵敏度高、光纤兼容性好、抗电磁干扰能力强等优点。
Claims (4)
1.一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：由SLED光源(1)，入射光纤(2)，双芯光纤(3)，微通道(4)，毛细管(5)，磁流体(6)，电磁铁(7)，高斯计(8)，微位移平台(9)，出射光纤(10)，光纤光谱仪(11)组成；SLED光源(1)与入射光纤(2)左端相连；入射光纤(2)、双芯光纤(3)、微通道(4)与出射光纤(10)依次相连，微通道(4)位于双芯光纤(3)内部一根纤芯的中部，并在其中注入磁流体(6)构成了光纤磁场探头；双芯光纤(3)插入毛细管(5)内部，毛细管(5)中充满磁流体(6)，两端用紫外胶密封；出射光纤(10)右端接入光纤光谱仪(11)；光纤磁场探头水平置于电磁铁(7)内部，并保持磁场方向与光线传播方向平行，高斯计(8)置于光纤磁场探头一侧；入射光纤(2)、光线磁场探头与出射光纤(10)由微位移平台(9)固定。
2.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的双芯光纤(3)纤芯的横截面为长轴10.9μm，短轴6.5μm的椭圆，双芯中心距为15.2μm，双芯光纤(3)的长度为200μm，包层直径为125μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的微通道(4)长度为50～60μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器，其特征在于：所述的磁流体(6)为平均直径10nm的Fe3O4磁性颗粒所构成的浓度为1mg/mL的水基磁流体。
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