一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法技术

本发明专利技术公开了一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法，本专利根据真空的导热系数非常微小，提出一种通过在封装磁流体玻璃管外套一个玻璃管并将管内抽真空，利用真空层阻止外界温度变化的传递来解决温度交叉敏感问题的新方法；同时利用无芯光纤（由一种介质组成）解决热光效应和热膨胀效应带来的温度串扰来代替传统光纤（由两种介质组成）；该方法在本质上解决了温度对光纤磁场传感器的交叉敏感问题，同时减少了该传感器的制作成本、不需要在后期解调方面做大量工作、制作工艺简单、结构紧凑，具有一定的推广应用价值。

A method to solve the cross sensitivity of magnetic fluid and optical fiber to temperature

【技术实现步骤摘要】
一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法
本专利技术涉及一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法。
技术介绍
磁流体（MagneticFluid,MF),是由被覆表面活性剂的纳米磁性微粒均匀分布在基载液中形成的稳定胶体物质。磁流体作为一种新型纳米级功能材料，具有许多光学特性，如：光透射特性、磁致折变效应、热透镜效应等。光纤传感器是光信号以光纤作为载体进行传输并感知外界参量变化的传感器，具备灵敏度高、耐腐蚀、测量速度快、兼容性强、信息容量大等优点。将新型材料磁流体与光纤传感相结合，形成光纤磁场传感器具有许多优良特性，近几年被广泛的研究与应用。在使用光纤磁场传感器的过程中，面临温度交叉敏感问题（即所测得的光信号是由磁场光信号和温度光信号的叠加信号）。由于光纤磁场传感器的测量精度高，在弱磁场的检测中温度变化对其测量结果的影响是不容忽视的。因此，如何解决光纤磁场传感中温度交叉敏感问题是现今和未来的一个关键的技术问题。在目前的研究阶段已有的解决温度交叉敏感问题大致有以下三种方法。第一种是差分法。先用温度传感器测出温度信号，将温度信号与叠加信号送入计算机中，通过计算机技术将两路信号进行差分，从而去除温度带来的串扰。这种方法虽然可以解决温度带来的串扰，但是使光纤磁场传感器的体积增大，成本增加，解调变得复杂。第二种是温度补偿法。传统光纤是由纤芯和包层两种介质组成，由于光纤的热光效应和热膨胀效应，光纤传感器的干涉谱对于温度会有一定的相位漂移。同样温度对于磁场也有影响，所以可通过设计使得磁流体由温致效应导致的漂移量和光纤本身对于温度的漂移量大小相等，方向相反，即可以在光纤磁场传感器内部抵消温度带来的串扰，从而得到所需要的磁场信号。然而这种方式要实现相位漂移大小正好相等、方向刚好相反十分困难。通过这种方法，只是对于温度带来的影响进行一定的补偿。第三种是双参量矩阵法。利用光纤磁场传感器干涉谱不同干涉波谷的灵敏度不同结合双参量矩阵而实现的。即在使用光纤磁场传感器之前要先将光纤磁场传感器的温度灵敏度和磁场灵敏度提前测出来，并将待测环境的温度和磁场的初始值测出来，代入双参量矩阵，可将温度信号和磁场信号分离开，从而解决温度交叉敏感问题。不足之处是在使用该传感器之前需要进行复杂繁琐的定标过程，且解调复杂。据分析，光纤磁场传感器受温度的影响主要来源于两个方面。一、当外界温度变化磁流体本身折射率发生变化。二、大多数光纤是由纤芯和包层两种介质组成，这两种介质的折射率不同，基于热光效应和热膨胀效应，当外界温度发生变化，两种介质折射率变化量不同。本专利提出一种可以有效解决以上问题的新方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法，包括：（1）在封装磁流体的玻璃管外套一个玻璃管并将管内抽真空，阻止外界温度变化的传递给磁流体，来解决磁流体带来的温度交叉敏感的新方法。（2）用无芯光纤（由一种介质组成）代替传统光纤（由两种介质组成）解决光纤本身带来的温度交叉敏感的新方法。具体设计两种将玻璃管内抽真空的方案和验证无芯光纤对温度的不敏感特性。本专利技术中，在封装磁流体的玻璃管外加一真空层，由于真空层的导热系数非常微小，可以有效阻止外界与磁流体进行热传递，从而使磁流体的温度保持恒定，成功解决了温度变化带来的串扰问题。将玻璃管内抽真空的两种设计方案如下：方案一，利用真空泵抽真空。真空度是指处于真空状态下的气体稀薄程度，真空度越高隔热效果越好。真空泵抽气速率，单位为，其中为真空室容积（），为达到要求真空度所需时间（），为初始真空度（），为要求真空度（）。利用该公式可以计算出真空泵的抽气量和抽气时间。具体步骤：（1）通过游标卡尺测量出小玻璃管的外径、长度和大玻璃管的内径、长度，通过计算得出得出大玻璃管内气体的体积。（2）在封装磁流体的小玻璃管外套一个大玻璃管，并用UV胶将其左端完全包裹密封，使其左边不再能有气流流通，如图1所示。（3）将真空泵的抽气管伸入玻璃管内，用UV胶进行密封，如图2所示。抽真空时，只要抽出与步骤（1）中相同体积的气体，即可表明玻璃管中的气体被全部抽出，从而实现玻璃管内真空。（4）采用灼烧的方式熔断极细的抽气管同时在熔点处滴加UV胶进行密封加固。这样一个真空的玻璃管即可实现，如图3所示。方案二，通过将玻璃管中注入有色液体，排除玻璃管内的空气，再将有色液体全部抽出，就可以得到真空玻璃管，这种方式更加直观。本专利技术专利另一个核心，如图4所示，设计光纤磁场传感器是单模光纤（Singlemodefiber,SMF）-无芯光纤(Nocorefiber,NCF)-单模光纤结构。用无芯光纤（由一种介质组成）代替传统光纤（由两种介质组成）成功解决由热光效应和热膨胀效应带来的温度串扰问题。该结构的传感原理是基于多模干涉原理，无芯光纤是由一种介质组成的，当外界温度发生改变，虽然无芯光纤自身的折射率也会发生变化，但是其内部各种模式之间的光程差仍然保持恒定，即不受温度变化的影响。如图5所示，将制作好的SMF-NCF-SMF结构一端连接宽带光源，另一端连接光谱分析仪。将传感器固定到玻璃板上并浸没在样品池中。将温度计放置在传感器上，改变样品池中水的温度，观察谱线变化。实验中采用水浴法来改变传感器周围的温度，用量程为0-100℃的温度计进行定标。温度在32-72℃范围变化的光谱如图6所示。从图6中可以看出，随着温度不断地升高，干涉波形并没有发生漂移，由此可以证明使用无芯光纤可以很好的解决光纤本身带来的温度交叉敏感问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为大玻璃管一端密封的结构示意图；图2为大玻璃管抽真空的结构示意图；图3为真空玻璃管的结构示意图；图4为SMF-NCF-SMF传感结构示意图；图5为温度检测装置；图6为无芯光纤的温度检测光谱图。具体实施方式本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“一端”、“另一端”、“外侧”、“上”、“内侧”、“水平”、“同轴”、“中央”、“端部”、“长度”、“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法，其特征在于：包括在封装磁流体的玻璃管外套一个玻璃管并将管内抽真空，阻止外界温度变化的传递给磁流体，来解决磁流体带来的温度交叉敏感的方法；用无芯光纤（由一种介质组成）代替传统光纤（由两种介质组成）解决光纤本身带来的温度交叉敏感的方法，具体设计两种将玻璃管内抽真空的方案和验证无芯光纤对温度的不敏感特性。/n

【技术特征摘要】
1.一种解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法，其特征在于：包括在封装磁流体的玻璃管外套一个玻璃管并将管内抽真空，阻止外界温度变化的传递给磁流体，来解决磁流体带来的温度交叉敏感的方法；用无芯光纤（由一种介质组成）代替传统光纤（由两种介质组成）解决光纤本身带来的温度交叉敏感的方法，具体设计两种将玻璃管内抽真空的方案和验证无芯光纤对温度的不敏感特性。


2.根据权利要求1所述的解决磁流体和光纤自身对温度交叉敏感的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭保进，范荣华，马倩倩，李连琴，杜兆峰，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33