一種全光纖型磁場傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全光纖型磁場傳感器，該傳感器由寬帶光源，傳感頭和光譜儀組成。傳感頭由一段灌入有磁流液的光子晶體光纖兩端與單模光纖熔接而成，其中一端偏心熔接，構成一個單纖內嵌的馬赫曾德干涉儀，通過光子晶體光纖中磁流液折射率的變化，引起不同模式之間相位差的變化，進而導致光譜漂移，檢測波峰/波谷的漂移量解調出磁場的信息，實現(xiàn)對磁場的測量；本發(fā)明結構緊湊、體積小、制作簡單、穩(wěn)定可靠、靈敏度高且成本低。
【專利說明】一種全光纖型磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖元件及光纖傳感領域，具體涉及一種全光纖型磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]磁場測量對于科學、軍事、工業(yè)應用等領域都有重要意義。傳統(tǒng)的磁場傳感器是以電測試原理為主,如電磁感應原理和霍爾效應,但作為電測儀器的傳感器往往易受電磁干擾，易腐蝕，無法工作在惡劣的環(huán)境下。因而光學式的磁場傳感器越來越來受關注。光纖作為一種本質絕緣的材料在磁場傳感方面有著獨有的優(yōu)點，除了不受電磁干擾還有體積小、重量輕、精度高，易于形成分布式測量等優(yōu)點，也能工作在高溫、高壓、強磁場、腐蝕性環(huán)境等特殊場合，與電類傳感器相比具有一些獨特的優(yōu)勢。
[0003]磁流體是一種均勻分布的膠狀體，它是由納米磁性粒子彌散在某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠質懸浮液，它既具有固體磁性材料的磁性，又有液體的流動性。磁流體是一種新型的功能材料，具有一些特殊的磁光特性，包括:可調諧折射率、二向色性、磁致雙折射、起偏特性、Faraday效應等,磁流體這些獨特的光學性質在制作高性能可調光子器件方面表現(xiàn)出很好的應用潛力。隨著光纖光子學的迅速發(fā)展，磁流體的磁性作為一種重要的物理現(xiàn)象和操控廣波傳輸?shù)氖侄沃饾u在光纖技術中得到廣泛的研究。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有技術的文獻檢索發(fā)現(xiàn)申請?zhí)枮?01010112530.7的發(fā)明專利公開了磁流液與光纖光柵相互作用實現(xiàn)的磁場傳感器，這種方案的缺點是光柵的制作較麻煩，且需要將光柵浸在灌有磁流液的毛細管中，操作較復雜，集成度低；申請?zhí)枮?01010194583.8和201110102799.1的發(fā)明專利公開了基于磁流液與光纖Fabry - Perot腔相互作用實現(xiàn)的磁場傳感器，這種方案的缺點是由于Fabry - Perot腔的長度一般是微米量級，所以需要非常精密的制作工藝，而且一般在光纖上鍍膜也不太容易，這些都增加了該方案的難度；申請?zhí)枮?01010519861.2和201310186027.X的發(fā)明專利公開了基于磁流液與微納光纖/裸露光纖相互作用實現(xiàn)的磁場傳感器，這種方案的缺點是微納光纖非常脆弱，且集成度低；申請?zhí)枮?01210404672.X的發(fā)明專利公開了一種基于磁流體灌注保偏光子晶體光纖的磁場傳感器，他們通過構造Sagnac環(huán)來獲得干涉譜，該方案直接將磁流液灌入光子晶體光纖中，是一種結構簡單且集成度較高的方案，但缺點是引入了 2X2光纖耦合器，導致了不必要的功率損耗，因為光子晶體光纖灌入磁流液后本身就會有非常大的損耗，再引入Sagnac環(huán)結構又會引起額外的損耗，導致探測困難。
[0005]目前已公開的基于磁流液的光纖磁場傳感器大多需要復雜且精密的制作工藝，并且集成度不高導致其穩(wěn)定性較差，因此，一種制作簡單、集成度高且穩(wěn)定可靠的磁場傳感器成為本領域技術人員亟待解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的缺點，提供一種結構緊湊，體積小、制作簡便、集成度高、穩(wěn)定可靠、靈敏度高、且成本低的全光纖型磁場傳感器。[0007]為了解決以上技術問題，本發(fā)明提供一種全光纖型磁場傳感器，包括順次連接的寬帶光源、傳感頭及光譜儀，傳感頭由不超過Icm的光子晶體光纖與單模光纖熔接而成，其中:
[0008]光子晶體光纖為具有空心的空氣孔結構的且空氣孔中填充有磁流液，單模光纖包括第一單模光纖和第二單模光纖，填充有磁流液的光子晶體光纖一端通過光纖熔接機的熔接與第一單模光纖熔接，另一端通過光纖熔接機的熔接與第二單模光纖偏心熔接構成一個單纖內嵌的馬赫曾德干涉儀；
[0009]寬帶光源輸出的光經(jīng)第一單模光纖耦合到填充有磁流液的光子晶體光纖中，外界磁場發(fā)生變化時，引起耦合到光子晶體光纖中的不同光束之間相位差的變化，導致光譜漂移，經(jīng)光子晶體光纖傳播又耦合到第二單模光纖，由連接在第二單模光纖上的光譜儀檢測波峰/波谷的漂移量解調出磁場的信息，實現(xiàn)對磁場的測量；
[0010]填充有磁流液的光子晶體光纖通過光纖熔接機與單模光纖熔接時，熔接機的放電強度為30mA，放電時間500ms。
[0011]本發(fā)明通過調節(jié)光纖熔接機的參數(shù)，以避免灌入磁流液后的光子晶體光纖與單模光纖熔接時不會產(chǎn)生氣泡、腫大等問題從而引起巨大的損耗，并且能保證連接強度，緩解光纖灌入磁流液后熔接困難的問題，當光纖熔接機放電時間過長，放電強度過大時，離散的磁性粒子和載體溶液會“揮發(fā)”，在熔接區(qū)域阻礙了單模光纖與光子晶體光纖的接觸，造成熔接點出現(xiàn)氣泡或腫大，且磁性粒子會摻雜在二氧化硅材料中導致連接不牢固，本發(fā)明合理設置放電強度為30mA，放電時間500ms有效避免了上述缺陷。
[0012]本發(fā)明中填充有磁流液的光子晶體光纖另一端通過光纖熔接機的熔接與第二單模光纖偏心熔接，通過光纖熔接機的手動模式在線調節(jié)兩根光纖的偏心程度，以獲取最佳的干涉效果，并保證此時傳感器有足夠的輸出功率供探測。
[0013]本發(fā)明進一步限定的技術方案是:
[0014]前述全光纖型磁場傳感器中，光子晶體光纖的空氣孔中填充的磁流液為包含納米鐵磁粒子的磁流體并采用高壓擠壓的方式填充到光子晶體光纖中。
[0015]前述全光纖型磁場傳感器中，單模光纖的纖芯直徑為2-12 μ m。
[0016]前述全光纖型磁場傳感器中，光子晶體光纖與單模光纖的熔接方式為錯位熔接、雙錐體放電熔接或錐形熔接。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
[0018]磁流液在自然光下呈現(xiàn)棕黑色，它對光具有非常強的吸收作用，因此光子晶體光纖的長度需要合理控制，本發(fā)明的傳感頭中采用的光子晶體光纖長度不超過lcm，是在線監(jiān)測下多次試驗決定的，將光子晶體光纖一端與單模光纖熔接上，打開寬帶光源和光譜儀，利用光纖熔接機將光子晶體光纖的另一端與另一根單模光纖對準，通過檢測輸出功率來評判所用的光子晶體光纖的長度是否合適，若功率太弱，則將光子晶體光纖剪短，直到功率達到能探測的范圍內為止，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)所用的光子晶體光纖長度應以不超過Icm為宜，光子晶體光纖合理的長度也保證了該傳感器的集成度和穩(wěn)定性。
[0019]本發(fā)明是直接將磁流液灌入到光子晶體光纖中，再利用光纖熔接機將光子晶體光纖與單模光纖熔接，通過一端偏心的熔接方式構成一個單纖內嵌的馬赫曾德干涉儀，它不需要使用額外的耦合器來引起損耗的增加，從而提高了傳感器的靈敏度。同時，本發(fā)明采用直接將磁流液灌入到光子晶體光纖中，直接將磁流體灌入到光纖內部，光纖外部不需要套毛細管，也不用復雜的光柵刻寫、光纖鍍膜或構造微量級Fabry - Perot腔的精密工藝問題，從而簡化了本發(fā)明的制作工藝，也降低了成本。
[0020]本發(fā)明的光子晶體光纖中填充有包含納米鐵磁粒子的磁流體并采用高壓擠壓的方式填充到光子晶體光纖中，磁流液是一種勻質分布的膠狀體，它是由納米磁性粒子彌散在某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠質懸浮液，它既具有固體磁性材料的磁性，又有液體的流動性。磁流液是一種新型的功能型材料，具有一些特殊的磁光特性，包括:雙折射效應、法拉第效應、二向色性和折射率可調等，本發(fā)明通過它所具有的折射率可調性，光子晶體光纖中的不同光束之間相位差的變化，導致光譜漂移，由光譜儀檢測波峰/波谷的漂移量解調出磁場的信息，實現(xiàn)對磁場的測量。
[0021]本發(fā)明具有結構緊湊，體積小，制作簡單，集成度高，穩(wěn)定性可靠，靈敏度高，且成本低可操作性強等優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例中全光纖型磁場傳感器的結構示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實施例全光纖型磁場傳感器中傳感頭的結構不意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實施例磁場定標實驗的結構示意圖；
[0025]圖4為使用本發(fā)明中全光纖型磁場傳感器測得的透射光譜曲線圖；
[0026]圖中:1、第一單模光纖，2、第二單模光纖，3、光子晶體光纖，4、寬帶光源，5、光譜儀，6、電磁鐵，7、特斯拉計，8、磁流液，9、傳感頭。
【具體實施方式】
[0027]下面結合說明書附圖1-4對本發(fā)明作進一步詳細的描述:
[0028]實施例1
[0029]本實施例提供的一種全光纖型磁場傳感器，結構如圖1-3所示，包括順次連接的寬帶光源4、傳感頭9及光譜儀5，傳感頭9由不超過Icm的光子晶體光纖3與纖芯直徑為2-12 μ m的單模光纖熔接而成，其中:
[0030]光子晶體光纖3為具有空心的空氣孔結構的且空氣孔采用高壓擠壓的方式填充有包含納米鐵磁粒子的磁流液8，單模光纖包括第一單模光纖I和第二單模光纖2，填充有磁流液8的光子晶體光纖3 —端通過光纖熔接機與第一單模光纖I熔接，另一端通過光纖熔接機與第二單模光纖2偏心熔接構成一個單纖內嵌的馬赫曾德干涉儀；
[0031]寬帶光源4輸出的光經(jīng)第一單模光纖I稱合到填充有磁流液8的光子晶體光纖3中，外界磁場發(fā)生變化時，引起耦合到光子晶體光纖3中的不同光束之間相位差的變化，導致光譜漂移，經(jīng)光子晶體光 纖3傳播又耦合到第二單模光纖2，由連接在第二單模光纖2上的光譜儀5檢測波峰/波谷的漂移量解調出磁場的信息，實現(xiàn)對磁場的測量；
[0032]填充有磁流液8的光子晶體光纖3通過光纖熔接機與單模光纖熔接時，熔接機的放電強度為30mA，放電時間500ms。
[0033]在本實施例中，光子晶體光纖3與單模光纖的熔接方式為錯位熔接、雙錐體放電熔接或錐形熔接。[0034]具體實施時，寬帶光源4輸出的光經(jīng)第一單模光纖I耦合到光子晶體光纖3中，由于模場失配會激發(fā)起光子晶體光纖3中的多種模式，包括纖芯模(基膜)和包層模，不同模式的有效折射率不同，當外界磁場發(fā)生變化時，引起磁流液8折射率的變化，導致參與干涉的包層模的有效折射率也相應地發(fā)生變化，因此發(fā)生干涉的光束的相位差產(chǎn)生了變化，導致光譜漂移。實際發(fā)生的是多模干涉，但此處為便于分析，我們采用簡化的雙光束干涉的模型加以表述。干涉譜的強度由下式給出:
[0035]
【權利要求】
1.一種全光纖型磁場傳感器，包括順次連接的寬帶光源、傳感頭及光譜儀，其特征在于:所述的傳感頭由不超過Icm的光子晶體光纖與單模光纖熔接而成，其中: 所述的光子晶體光纖的空氣孔中填充有磁流液，所述的單模光纖包括第一單模光纖和第二單模光纖，所述填充有磁流液的光子晶體光纖一端通過光纖熔接機的熔接與第一單模光纖熔接，另一端通過光纖熔接機的熔接與第二單模光纖偏心熔接構成一個單纖內嵌的馬赫曾德干涉儀； 所述的寬帶光源輸出的光經(jīng)第一單模光纖耦合到填充有磁流液的光子晶體光纖中，外界磁場發(fā)生變化時，引起耦合到光子晶體光纖中的不同光束之間相位差的變化，導致光譜漂移，經(jīng)光子晶體光纖傳播又耦合到第二單模光纖，由連接在第二單模光纖上的光譜儀檢測波峰/波谷的漂移量解調出磁場的信息，實現(xiàn)對磁場的測量； 所述填充有磁流液的光子晶體光纖通過光纖熔接機與單模光纖熔接時，所述熔接機的放電強度為30mA，放電時間500ms。
2.根據(jù)權利要求1所述的全光纖型磁場傳感器，其特征在于:所述光子晶體光纖的空氣孔中填充的磁流液為包含納米鐵磁粒子的磁流體并采用高壓擠壓的方式填充到光子晶體光纖中。
3.根據(jù)權利要求1所述的全光纖型磁場傳感器，其特征在于:所述單模光纖的纖芯直徑為 2-12 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的全光纖型磁場傳感器，其特征在于:所述光子晶體光纖與單模光纖的熔接方式為錯位熔接、雙錐體放電熔接或錐形熔接。
【文檔編號】G01R33/032GK104020424SQ201410232444
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月28日 優(yōu)先權日:2014年5月28日
【發(fā)明者】趙志勇, 朱冬宏, 田群, 周金龍 申請人:江蘇金迪電子科技有限公司