基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器。磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光谱仪和宽谱光源，其中传感头由级联的空气腔和磁流体腔构成，且空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于磁流体腔的1/10。宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器进入传感头，经传感头反射的光信号经光纤耦合器进入光谱仪。经空气腔和磁流体腔反射的光信号会产生游标效应，从而大大提高了磁场的测量灵敏度。本实用新型专利技术设计的光纤支架结构固定在磁流体腔两侧的单模光纤和熊猫光纤上，利用光纤支架的热膨胀效应抵消磁流体的热光效应，从而实现温度自动补偿。该磁场传感器具有可温度自动补偿、结构紧凑、灵敏度高、测量范围大的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利涉及一种光学磁场传感器，具体设计一种磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器。
技术介绍
光纤磁场传感器具有安全性能好、抗电磁干扰、非接触测量、可现场实时遥测和动态测量范围广等诸多优点。在磁场测量和分析领域中，光纤磁场传感器吸引众多学者进行研究，并且将会在电力检测行业得到广泛使用。磁流体是应现代科学发展而产生的一种超顺磁特性液体功能材料，几乎无固体磁性物质所具有的磁滞现象，其折射率随外加磁场在一定范围内呈线性变化，且易于与光纤相结合。将磁流体与F-P腔相结合的磁场传感技术可弥补基于法拉第效应磁场传感器沃尔德常数较低以及基于超磁致伸缩材料的磁场传感器难以克服磁滞现象的问题。但是，由于磁流体的热光系数非常大，高出石英2个数量级，因此基于磁流体的磁场传感器必须消除温度的干扰。目前，通常采用串联光纤光栅的方法实现温度和磁场同时测量，例如文献1（Ri-QingLv,YongZhao,DanWang,andQiWang.MagneticFluid-FilledOpticalFiberFabry–PérotSensorforMagneticFieldMeasurement.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,26(3):217-219(2014)）。但是，此方法不利于传感器小型化和集成化，灵敏度受FBG测量灵敏度的限制，而且会缩短干涉型磁场传感器的测量范围。此外，专利技术专利（申请号CN102221679A）公开了基于磁流体填充光子晶体光纤的磁场传感器，尽管利用此传感器对温度的敏感度有所降低，但是不能实现温度完全补偿，而且该传感器灵敏度偏低。
技术实现思路
在下文中给出了关于本技术的简要概述，以便提供关于本技术的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本技术的穷举性概述。它并不是意图确定本技术的关键或重要部分，也不是意图限定本技术的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。鉴于此，本技术提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，以至少解决现有的基于磁流体的磁场传感器对温度交叉敏感以及灵敏度偏低的问题。根据本技术的一个方面，提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，该基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信号通过光纤耦合器进入光谱仪。进一步地，传感头包括第一单模光纤部分、第一空芯光纤部分、第二单模光纤部分、第二空芯光纤部分、熊猫光纤部分以及光纤支架部分；其中，第一单模光纤部分的一端与第一空芯光纤部分的一端相熔接，第一空芯光纤部分的另一端与第二单模光纤部分的一端相熔接，第一空芯光纤部分的内部为空气腔；第二单模光纤部分的另一端与第二空芯光纤部分的一端相熔接，第二空芯光纤部分的另一端与熊猫光纤部分相熔接，第二空芯光纤部分内部为磁流体腔；熊猫光纤部分的侧面上开有一个侧孔，该侧孔仅与熊猫光纤部分的两个气孔之一相连通；熊猫光纤部分的暴露端端面上的、与侧孔相连通的气孔被封闭。进一步地，第一空芯光纤部分的长度为50μm-200μm，第一空芯光纤部分的壁厚为20μm-50μm；第二空芯光纤部分的长度为50μm-100μm，第二空芯光纤部分的壁厚为1μm-10μm；第一单模光纤部分外径、第一空芯光纤部分外径、第二单模光纤部分外径、第二空芯光纤部分外径以及熊猫光纤部分的外径均为125μm；第一空芯光纤部分的内部为空气腔，第二空芯光纤部分的内部为磁流体腔，且该空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于该磁流体腔自由光谱范围的1/10；熊猫光纤部分的包层内两个气孔直径为10μm-20μm，两个气孔中心间距为25μm-60μm，熊猫光纤部分的长度为10mm-20mm，熊猫光纤的侧孔直径尺寸为5μm-20μm，侧孔距离熊猫光纤部分与第二空芯光纤部分的熔接点2mm-5mm。进一步地，光纤支架一端固定在第二单模光纤上，另一端固定在熊猫光纤上，且该两固定端与第二空芯光纤部分的距离为1mm-10mm，光纤支架的截面尺寸为10mm×10mm。进一步地，宽谱光源的光谱范围为1300nm-1600nm。本技术的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器采用了空气腔和磁流体腔级联的方式，利用级联游标效应使该传感器相对于单个磁流体腔磁场传感器（例如专利技术专利CN102221679A）磁场测量灵敏度提高了1-2个数量级。此外，本技术的基于磁流体填充光纤F-P腔的磁场传感器设计了一光纤支架结构，利用光纤支架的热膨胀效应可完全抵消磁流体的热光效应，解决了基于磁流体填充型磁场传感器对温度交叉敏感的问题。相对于串联FBG的方法（例如文献1，Ri-QingLv,YongZhao,DanWang,andQiWang.MagneticFluid-FilledOpticalFiberFabry–PérotSensorforMagneticFieldMeasurement.IEEEPhotonicsTechnologyLetters,26(3):217-219(2014)），此温度补偿方法结构紧凑、灵敏度高、测量范围大。通过以下结合附图对本技术的最佳实施例的详细说明，本技术的这些以及其他优点将更加明显。附图说明本技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本技术的优选实施例和解释本技术的原理和优点。在附图中：图1是示出本技术的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器的一个示例的结构示意图；图2是示出图1所示的传感头的一种可能结构的示意图；图3是示出用于制作本技术的传感头的制作方法的一种示例性处理的流程图；图4是示出空气腔与磁流体腔级联四光束干涉模型；图5是示出空气腔与磁流体腔级联干涉光谱包络变化。本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以便有助于提高对本技术实施例的理解。具体实施方式在下文中将结合附图对本技术的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本技术关系不大的其他细节。本技术的实施例提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，该基于磁流体填充光纤微腔的温本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，其特征在于，所述基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；其中，所述的传感头包括第一单模光纤部分、第一空芯光纤部分、第二单模光纤部分、第二空芯光纤部分、熊猫光纤部分以及光纤支架部分；所述光纤支架一端固定在所述第二单模光纤部分上，所述光纤支架另一端固定在所述熊猫光纤部分上，且所述该两固定端与所述第二空芯光纤部分的距离均为1mm‑10mm；其中，所述第一空芯光纤部分的内部为空气腔，所述第二空芯光纤部分的内部为磁流体腔，且该空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于该磁流体腔自由光谱范围的1/10；其中，所述宽谱光源发出的宽谱光经过所述光纤耦合器后进入所述传感头，经所述传感头反射的光信号通过所述光纤耦合器进入所述光谱仪。

【技术特征摘要】
1.基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，其特征在于，所述基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光谱仪以及宽谱光源；其中，所述的传感头包括第一单模光纤部分、第一空芯光纤部分、第二单模光纤部分、第二空芯光纤部分、熊猫光纤部分以及光纤支架部分；所述光纤支架一端固定在所述第二单模光纤部分上，所述光纤支架另一端固定在所述熊猫光纤部分上，且所述该两固定端与所述第二空芯光纤部分的距离均为1mm-10mm；其中，所述第一空芯光纤部分的内部为空气腔，所述第二空芯光纤部分的内部为磁流体腔，且该空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于该磁流体腔自由光谱范围的1/10；其中，所述宽谱光源发出的宽谱光经过所述光纤耦合器后进入所述传感头，经所述传感头反射的光信号通过所述光纤耦合器进入所述光谱仪。2.根据权利要求1所述的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，其特征在于，所述第一单模光纤部分的一端与所述第一空芯光纤部分的一端相熔接，所述第一空芯光纤部分的另一端与所述第二单模光纤部分的一端相熔接，所述第一空芯光纤部分内部为空气腔；所述第二单模光纤部分的另一端与所述第二空芯光纤部分的一端相熔接，所述第二空芯光纤部分的另一端与所述熊猫光纤部分相熔接，所述第二空芯光纤部分内部为磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨玉强，葛伟，杨群，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：新型
国别省市：黑龙江;23