專利名稱：基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器。
背景技術：
磁場測量是電磁測量技術的重要分支之一。如今磁場測量技術已廣泛應用于地球物理學、空間科學、生物醫(yī)學、軍事、工業(yè)等領域，如電流測量、地質(zhì)勘探、質(zhì)譜儀、人造地球衛(wèi)星、心/腦磁圖、磁懸浮列車等。傳統(tǒng)的磁場傳感器是以電磁測試原理為基礎，如磁通門法，霍爾效應法，電磁感應，磁共振方法等，已經(jīng)有成熟產(chǎn)品應用在磁場測量中。但傳統(tǒng)方法的傳感器容易受電磁干擾、容易腐蝕等，光纖傳感器引起了人們的關注。光纖傳感技術以光波為載體,光纖為介質(zhì),感知和傳輸外界信號(被測量)的新型傳感技術。光纖具有很好的傳光特性，與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有一系列獨特的優(yōu)點，如靈敏度高、動態(tài)范圍大、頻帶寬、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆、防燃、光路可撓曲性好、傳輸損耗低、易于實現(xiàn)遠距離測量等優(yōu)點。現(xiàn)已有基于光纖技術的磁場傳感器被報道，如將磁流體膜片放入光纖法布里-珀羅干涉儀干涉腔里或馬赫-曾德干涉儀的傳感臂中，利用磁流體的磁致可變折射率現(xiàn)象，通過改變傳輸光的相位實現(xiàn)磁場傳感；或者利用磁流體包覆長周期光纖光柵形成磁場傳感器等。以上的光纖磁場傳感器的制作難度大、集成度低。本發(fā)明將磁流體直接灌注到保偏型光子晶體光纖的空氣孔中，采用Sagnac干涉儀結構，利用磁流體的磁致可變折射率特性設計了一種在線型磁場傳感器，具有靈敏度高、集成度高、制作難度低等優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器，通過波長測量實現(xiàn)了磁場強度的測量，既具有光纖Sagnac干涉技術的高精度、高靈敏度的優(yōu)點，同時容易制作，成本較低，可望被應用于多種磁場測量領域。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明的關鍵部分為傳感器的感應部分，是由內(nèi)部含有非對稱分布的空氣孔的保偏型光子晶體光纖構成的，而且其空氣孔中灌注了對磁場敏感的磁流體。本發(fā)明的結構如下保偏型光子晶體光纖中灌注了磁流體，其一端與2X2光纖耦合器的一個端口相連，另一端通過偏振控制器與2X2光纖稱合器同一側的另一個端口相連,形成Sagnac環(huán)結構，2 X 2光纖耦合器另一側的兩個端口分別與寬帶光源和光譜儀連接。2 X 2光纖耦合器將寬帶光源發(fā)出的光分成相向傳輸?shù)膬墒?，兩束光在通過偏振控制器和灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖后，由于偏振控制器的影響和灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖的雙折射效應，在2X2光纖耦合器的耦合區(qū)形成干涉，干涉光譜由光譜儀進行測量。由于灌入保偏型光子晶體光纖空氣孔中的磁流體的折射率對所處的磁場敏感，所以磁場通過磁流體可以改變保偏型光子晶體光纖的雙折射系數(shù)，進而改變輸出干涉光譜的波長。因此，通過光譜測量，即可實現(xiàn)被測磁場強度的傳感測量。本發(fā)明的優(yōu)點為:一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器，以長為IOcm的灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖作為磁場傳感部分，利用了光纖Sagnac干涉技術的高精度、高靈敏度的優(yōu)點，同時容易制作，成本較低。


圖1為基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器的結構示意圖；圖2為保偏型光子晶體光纖結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進一步描述。如圖1所示，一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器包括寬帶光源1、2X2光纖耦合器2、偏振控制器3、磁流體灌注保偏型光子晶體光纖4、光譜儀5 ;灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖的一端與2X2光纖稱合器的一個端口相連,另一端通過偏振控制器與2X2光纖稱合器同一側的另一個端口相連，形成Sagnac環(huán)結構,2X2光纖I禹合器另一側的兩個端口分別與寬帶光源和光譜儀連接本發(fā)明基于以下原理:2X2光纖I禹合器將由寬帶光源發(fā)出的光分為相向傳輸?shù)膬墒?分別沿著順時針和逆時針方向在光纖Sagnac環(huán)中傳輸,在光纖環(huán)中傳播一周后在I禹合器輸出端口出射。由于偏振控制器的影響和灌注磁流體保偏型光子晶體光纖的雙折射效應，因此兩束相反方向傳播的光會產(chǎn)生相位差，其值為:Φ = 2 31 AnLA其中An為保偏型光子晶體光纖的雙折射系數(shù)，L為保偏型光子晶體光纖的長度，λ為入射光波的波長。兩束光在2X2光纖稱合器的稱合去再次合并時會產(chǎn)生干涉,形成強度隨波長呈周期性分布的干涉譜，干涉譜的強度與相位差的關系如下:T= (1-cosO) /2當傳感器處于不同的磁場強度時，由于灌入保偏型光子晶體光纖空氣孔中的磁流體的折射率對所處的磁場敏感，所以磁場通過磁流體可以改變保偏型光子晶體光纖的雙折射系數(shù)，從而引起相位差發(fā)生變化，根據(jù)上述公式可知，干涉譜的波峰或波谷位置會發(fā)生漂移，通過監(jiān)測某個波峰或波谷隨磁場變化產(chǎn)生的漂移量，即可以解調(diào)出磁場強度的變化信
肩、O利用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)磁場傳感的關鍵為:灌注在保偏型光子晶體光纖內(nèi)部空氣孔中的磁流體具有磁致折射率變化效應，可以調(diào)制保偏型光子晶體光纖的雙折射系數(shù)，從而使光纖Sagnac環(huán)的干涉譜對磁場敏感。本實施例中，光纖稱合器2的稱合比為50%,偏振控制器3為三環(huán)型機械式光纖偏振控制器(Connect Fiber Optics, λ/4-λ/2-λ/4);連接用的光纖為標準單模光纖(Y0FC-MKD-101，模場直徑為9.9 10.9 μ mil550nm)，選用的保偏型光子晶體光纖的包層中兩個大空氣孔的直徑為4.5 μ m，其余小空氣孔的直徑為2.2 μ m，長度為10cm。磁流體為水基的Fe3O4，其密度為1.2g/mL。
權利要求
1.一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器，包括寬帶光源1、2X2的光纖耦合器2、偏振控制器3、灌入磁流體的保偏型光子晶體光纖4、光譜儀5。其特征在于:灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖的一端與2X2的光纖耦合器的一個端口相連，另一端通過偏振控制器與2X2的光纖稱合器同一側的另一個端口相連,形成Sagnac環(huán)結構,2X2光纖耦合器另一側的兩個端口分別與寬帶光源和光譜儀連接。
2.如權利要求1所述的灌注磁流體的保偏型光子晶體光纖，其特征在于保偏型光子晶體光纖的所有或部分 空氣孔中灌注了包含納米鐵磁粒子的磁流體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于磁流體灌注保偏型光子晶體光纖的磁場傳感器。傳感器感應部分是保偏型光子晶體光纖，其內(nèi)部空氣孔中灌注了對磁場敏感的磁流體。2×2光纖耦合器一端兩接口構成光纖Sagnac環(huán)，保偏型光子晶體光纖和偏振控制器位于環(huán)內(nèi)部，光纖耦合器的另一端兩接口分別接光源和光譜儀。光纖耦合器將寬帶光源發(fā)出的光分成相向傳輸?shù)膬墒?，兩束光的相位差對外界磁場變化敏感，在?jīng)過Sagnac輸出端的干涉作用下，外界磁場的變化引起光纖Sagnac輸出譜的漂移，通過波長測量，即可實現(xiàn)磁場強度的傳感測量。本發(fā)明利用光纖Sagnac干涉技術的高精度、高靈敏度的優(yōu)點，同時易制作，成本較低，可望被應用于多種磁場測量領域。
文檔編號G01R33/032GK103076575SQ20121040467
公開日2013年5月1日 申請日期2012年10月18日 優(yōu)先權日2012年10月18日
發(fā)明者董新永, 辛奕, 趙春柳, 沈常宇 申請人:中國計量學院