磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，涉及光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器。本实用新型专利技术是为了解决在磁场传感领域中，现有磁场传感技术灵敏度低、稳定性差、生产成本高昂、操作复杂的问题。本实用新型专利技术包括DFB光源、脉冲信号发生系统、磁场感应系统、信号处理系统。其中，脉冲信号发生系统中包括偏振光控制器、光强度调制器、函数发生器；磁场感应系统内包含一号耦合器、二号耦合器、掺铒光纤放大器、延迟光纤、传感头；信号处理系统内包含光电转换器、示波器、计算机；其中，磁性敏感材料为磁性凝胶。通过测量衰荡时间来间接测量磁场强度。

Ring down loop magnetic field sensor for filling micro nano optical fiber sensing head with magnetic gel

The utility model provides a magnetic gel filled annular micro nano fiber sensing head ringdown magnetic field sensor, relates to the field of optical fiber magnetic field sensor technology, particularly relates to a magnetic gel filled annular micro nano optical fiber sensing head ringdown magnetic field sensor. The utility model aims to solve the problems that the prior magnetic field sensing technique has low sensitivity, poor stability, high production cost and complicated operation in the field of magnetic field sensing. The utility model comprises an DFB light source, a pulse signal generation system, a magnetic field induction system and a signal processing system. The pulse signal generator includes a polarization controller, a light intensity modulator, function generator system; magnetic induction system contains a number of No. two coupler, coupler, erbium-doped fiber amplifier, optical fiber delay, sensor; signal processing system comprises a photoelectric conversion device, an oscilloscope and a computer; wherein the magnetic sensitive material for magnetic gel. The magnetic field strength is measured indirectly by measuring the ring down time.

【技术实现步骤摘要】
磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器
本技术涉及光纤磁场传感
，具体涉及一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器。
技术介绍
自然界及人类社会很多地方都存在磁场或存在与磁场相关的信息。磁场作为一种信息载体，人们一直在探索通过更加精确的方法将其中承载的信息采集转换和再现出来。早在东汉时期出现的司南及之后出现的罗盘被认为是最原始的一类磁场测量仪器。随着科技的进步，电磁效应，电磁感应，超导效应不断成熟和被应用，磁场传感技术也有了很大的发展。其中，磁场传感器就成为了信息技术及相关产业中不可或缺的基本原件。目前,相对成熟的磁场测量方法有：电磁感应法、电磁效应法、磁力法、磁共振法等。已研制出的磁场传感器种类较多，并且有些已经被应用到科研、生产和社会生活等方面，但受限于测量精度、操作技术及设备成本的原因，很难大规模推广应用。随着光纤传感技术的日益成熟，光纤磁场传感器发展迅速。这类传感器以光学信号作为载体，具有灵敏度高、绝缘性好、相应速度快、成本相对低廉等优点。现有光纤磁场传感器多数以基于磁流体或磁致伸缩材料的直通式结构为主，很少有关于基于磁性凝胶材料的环形衰荡式结构的报道。磁性凝胶的制作成本更低，同时对磁场变化具有很高的灵敏度。环形衰荡结构相比直通式结构具有更高的灵敏度。因此，有必要将二者结合，设计出灵敏度更高、稳定性更好的光纤磁场传感器。
技术实现思路
本技术的实施实例提供了磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，是为了解决现有磁场传感器灵敏度低、稳定性差、成本过高、操作复杂的问题。为达上述目的，本技术实施实例采用如下技术方案：提供了一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，该磁场传感器包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；脉冲信号发生系统（2），所述的脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2-1）、光强度调制器（2-2）、函数发生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2-2），光强度调制器（2-2）另两个端口分别与函数发生器（2-3）和一号耦合器（3-1）连接；磁场感应系统（3），所述的磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3-1）、延迟光纤（3-2）、掺铒光纤放大器（3-3）、二号耦合器（3-4）、传感头（3-5），其中，一号耦合器（3-1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2-2）和传感头（3-5），另一侧与延迟光纤（3-2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3-2）相连，另一侧与二号耦合器（3-4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3-5）和光电转换器（4-1）；信号处理系统（4），所述的信号处理系统（4）内包含光电转换器（4-1）、示波器（4-2）、计算机（4-3）、其中，示波器（4-2）的一侧连接光电转换器（4-1），另一侧连接计算机（4-3）；传感头（3-5），所述的传感头（3-5）内包含磁性凝胶（3-5-1）。所述的DFB光源（1）的输出波长为1550nm。所述的函数发生器（2-3）发出的函数信号为脉冲信号，且脉宽为1μs。所述的一号耦合器（3-1）的耦合比为50%：50%，二号耦合器（3-4）的耦合比为99.5%：0.5%，且二号耦合器（3-4）的0.5%的端口与传感头（3-5）连接，且一号耦合器（3-1）和二号耦合器（3-4）的插入损耗均为3dB。所述的延迟光纤（3-2）长度为2km且为普通单模光纤。所述的传感头（3-5）外壳为磁性不敏感材料，可对其内部进行固定和保护，传感头（3-5）内的光纤是经氢氟酸腐蚀掉部分包层的单模光纤，腐蚀深度为40μm，且传感头（3-5）的方向与磁场方向垂直。所述的磁性凝胶（3-5-1）其基质为Fe3O4纳米颗粒，其颗粒直径为10nm，基液为聚硅氧烷和硅酸盐稳定剂，且基质能自由分散于基液中，且磁性凝胶（3-5-1）通过物理方法粘覆到腐蚀掉部分包层的单模光纤上。所述的所有器件的链接处均采用熔融连接的方法。本技术专利提供了一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，该光纤磁场传感器改善了现有磁场传感器灵敏度低、稳定性差、生产成本高、技术难度大的问题。本技术的有益效果是：本技术针对当前磁场传感器灵敏度低、稳定性差、生产成本高、技术难度大的缺点，提出改进方案。通过氢氟酸腐蚀部分包层的单模光纤，形成腐蚀深度为40μm的微纳光纤，选用经硝酸处理过的Fe3O4纳米颗粒作为磁性敏感材料的基质，聚硅氧烷与硅酸盐的混合液作为磁性敏感材料的基质，形成磁凝胶。并将磁凝胶通过物理方法粘覆到微纳光纤处，形成磁凝胶填充的微纳光纤传感头。将该传感头与环形衰荡结构结合，形成一种灵敏度高、稳定性好、生产成本相对低廉、操作难度较低的光纤磁场传感器。当传感头置于磁场中时，磁凝胶的有效折射率发生变化。光信号经过微纳光纤处会产生倏逝波，倏逝波在磁凝胶中随其有效折射率的变化亦会发生变化。环形衰荡结构将强度调制转化为时间调制，它是一个强度的比值，只要系统的信噪比足够高，测量出的结果就不会因为光源的光强不稳定性受大的影响，从而保证了测量精度。同时，环形衰荡系统相对简单，成本低廉。附图说明图1为磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器的系统结构；图2为脉冲信号发生系统；图3为磁场感应系统；图4为信号处理系统；图5为传感头放大图。具体实施方式下面结合说明书附图进一步说明本技术的具体实施方式。如图1，本实施方式所述的磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，它包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；如图2，脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2-1）、光强度调制器（2-2）、函数发生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2-2），光强度调制器（2-2）另两个端口分别与函数发生器（2-3）和一号耦合器（3-1）连接；如图3，磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3-1）、延迟光纤（3-2）、掺铒光纤放大器（3-3）、二号耦合器（3-4）、传感头（3-5），其中，一号耦合器（3-1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2-2）和传感头（3-5），另一侧与延迟光纤（3-2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3-2）相连，另一侧与二号耦合器（3-4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3-5）和光电转换器（4-1）；如图4，信号处理系统（4）内包含光电转换器（4-1）、示波器（4-2）、计算机（4-3）、其中，示波器（4-2）的一侧连接光电转换器（4-1），另一侧连接计算机（4-3）；所述的传感头（3-5）内包含磁性凝胶（3-5-1）。所述的DFB光源（1）的输出波长为1550nm。所述的函数发生器（2-3）发出的函数信号为脉冲信号，且脉宽为1μs。所述的一号耦合器（3-1）的耦合比均为50%：50%，二号耦合器（3-4）的耦合比为99.5%：0.5%，且二号耦合器（3-4）的0.5%的端口均与传感头（3-5）连接，且一号耦合器（3-1）和二号耦合器（3-4）的插入损耗均为3dB。所述的延迟光纤（3-2）长度为2k本文档来自技高网...

【技术保护点】
磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，其特征在于：它包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；脉冲信号发生系统（2），所述的脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2‑1）、光强度调制器（2‑2）、函数发生器（2‑3），其中，偏振光控制器（2‑1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2‑2），光强度调制器（2‑2）另两个端口分别与函数发生器（2‑3）和一号耦合器（3‑1）连接；磁场感应系统（3），所述的磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3‑1）、延迟光纤（3‑2）、掺铒光纤放大器（3‑3）、二号耦合器（3‑4）、传感头（3‑5），其中，一号耦合器（3‑1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2‑2）和传感头（3‑5），另一侧与延迟光纤（3‑2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3‑2）相连，另一侧与二号耦合器（3‑4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3‑5）和光电转换器（4‑1）；信号处理系统（4），所述的信号处理系统（4）内包含光电转换器（4‑1）、示波器（4‑2）、计算机（4‑3）、其中，示波器（4‑2）的一侧连接光电转换器（4‑1），另一侧连接计算机（4‑3）；传感头（3‑5），所述的传感头（3‑5）内包含磁性凝胶（3‑5‑1）。...

【技术特征摘要】
1.磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，其特征在于：它包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；脉冲信号发生系统（2），所述的脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2-1）、光强度调制器（2-2）、函数发生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2-2），光强度调制器（2-2）另两个端口分别与函数发生器（2-3）和一号耦合器（3-1）连接；磁场感应系统（3），所述的磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3-1）、延迟光纤（3-2）、掺铒光纤放大器（3-3）、二号耦合器（3-4）、传感头（3-5），其中，一号耦合器（3-1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2-2）和传感头（3-5），另一侧与延迟光纤（3-2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3-2）相连，另一侧与二号耦合器（3-4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3-5）和光电转换器（4-1）；信号处理系统（4），所述的信号处理系统（4）内包含光电转换器（4-1）、示波器（4-2）、计算机（4-3）、其中，示波器（4-2）的一侧连接光电转换器（4-1），另一侧连接计算机（4-3）；传感头（3-5），所述的传感头（3-5）内包含磁性凝胶（3-5-1）。2.根据权利要求1所述的磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，其特征在于：所述的DFB光源（1）的输出波长为1550nm。3.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈涛，孙滨超，
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