一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。包括光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱仪；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，空气孔中填充磁流体，形成测量磁场的传感探头，光栅的两端通过单模光纤分别连接光源和光谱仪，倾斜微结构光纤光栅置于变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐。通过旋转传感探头，可追踪包层模谐振波长的漂移程度和方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量。该测量仪集成化程度高，传感探头体积小，方便携带，具有不受环境温度影响的优点。同时具有化学性能稳定，灵敏度高，响应速度快，易复用等特点，适合在各种恶劣环境下工作。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感
，特别是一种基于倾斜微结构光纤光栅和新型磁流体材料相结合的磁场矢量测量仪，其可以在地质勘探、工业检测、生物医学工程、制导、航空航天等领域及时准确地对磁场的大小和方向进行监控和测量，相比于电量传感器，其解决了在石油化工，国防科研，电力等易燃易爆环境中监测磁场的难题。
技术介绍
光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating, TFBG)属于短周期光纤光栅，利用特殊的写制方法，使光栅栅面与光纤轴向成一定的夹角，在实现前向传输的纤芯模向反向传输的纤芯模耦合的同时，亦可实现前向传输的纤芯模向反向传输的包层模的耦合，因此在光栅的透射谱中，不仅可以观测到纤芯模谐振峰，还可以在纤芯模谐振峰的短波方向观察到一系列分立但密集的包层模谐振峰。利用TFBG透射谱中纤芯模谐振峰和包层模谐振峰对外界物理参量的变化，可实现对该参量的监控和测量，同时由于TFBG的纤芯模和包层模谐振峰具有相似的温度特性，用二者的间隔去探测外界的变化即可实现温度的自动补偿，这种测量不受温度影响的显著优点使得 TFBG在传感领域得到了广泛的应用。写在包层含有空气孔的单模光子晶体光纤(Isotonic Crystal Fiber, PCF)上的倾斜光栅与普通单模光纤上的倾斜光栅有着相类似的性质，由于包层中空气孔的存在，利用现有的填充技术可将一些功能材料集成到光纤包层的空气孔中，将光栅的特性和功能材料的特性有机地结合起来，大大拓展了 TFBG的应用领域。磁流体(Magnetic Fluid,MF)是由表面附着活性材料的纳米级强磁性颗粒高度弥散于某种液体之中所形成的稳定的胶体体系，它既具有磁性固体物质的磁性，又具有液体的流动特性，是一种新型的磁性功能材料，日益受到人们的重视，目前其应用已广泛深入到能源、电子、国防军工、航空航天、化工环保、冶金机械、仪器仪表、医疗卫生等方面，效果十分显著。磁流体的折射率具有磁场可调谐性，其大小与外加磁场的方向和强度有关。当外加磁场&与光源电场f相垂直时，磁流体折射率随的增大而减小；反之，当外加磁场&与光源电场g相平行时，磁流体折射率随的增大而增大。倾斜微结构光纤光栅(PCF-TFBG)本身不具有磁场敏感特性，利用低压抽入法，将磁性敏感材料磁流体填充进写有TFBG的微结构光纤的包层空气孔中，可以提高其磁场灵敏度，形成高集成化的磁场传感探头。在不同的磁场环境中，磁流体的折射率不同，微结构光纤的包层平均折射率也不一样，从而影响和纤芯模相耦合的包层模的有效折射率，最终表现为包层模谐振峰波长的变化。即通过外加磁场对磁流体折射率的作用，包层模的谐振波长发生漂移，将磁场的测量转化为光纤某阶特定包层模有效折射率的测量。在现有的光纤传感技术中，对于磁场的监控和测量基本上是采用在光纤表面镀磁性伸缩材料的方法来实现，但是由于镀膜方法的不确定性与不稳定性给传感带来了极大困难，同时，这类装置具有较大的温度交叉敏感效应，在一定程度上限制了其应用范围。而以磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅为传感探头的磁场传感器可以避免这些缺点。目前尚未有采用基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅传感器对外加磁场信号感测及分析的方案。
技术实现思路
本专利技术旨在解决磁场的监控和测量的现有方法中存在的上述问题，提供了一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。该测量仪利用在光纤的包层空气孔中填充新型磁流体材料的倾斜微结构光纤光栅作为传感器件，由于不同磁场方向和磁场强度可以改变磁流体的折射率，引起的光纤包层模的有效折射率变化，相应地反映在TFBG光谱中包层模谐振波长的漂移的程度和方向上，实现对外界磁场大小和方向的感测。此外，通过同时追踪纤芯模谐振峰和包层模谐振峰谐振波长的变化，可以排除温度对测量结果的影响，实现温度不敏感的磁场矢量传感器。本专利技术提供的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪包括，光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱解调装置(光谱仪)；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，且倾斜光栅栅区位于空气孔光子晶体光纤部分，该倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中通过低压抽入的方法填充磁性敏感材料磁流体，形成测量磁场的传感探头，倾斜微结构光纤光栅的两端熔接普通单模光纤，一端的单模光纤连接光源，另一端的单模光纤接入光谱解调装置，倾斜微结构光纤光栅部分置于大小和方向均能够发生变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐， 作用于光谱的变化。所述光源为宽带光源或可调谐激光器。所述的磁流体为水基磁流体。所述的变化的磁场由倾斜微结构光纤光栅两侧设置的电磁铁提供。所述测量仪通过旋转传感探头，可以追踪某阶包层模谐振波长的漂移程度和方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量，故称为磁场矢量测量仪。通过改变磁场的大小和方向，对磁流体的折射率进行调谐，作用于光谱的变化，根据测试原理，待测磁场的大小和方向可以被同时确定。此外，这样设计的光纤磁场矢量传感器具有不受环境温度影响的优点ο测试原理用低压抽入法在倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中填充磁流体材料，它是一种磁性敏感材料，其折射率具有磁场可调谐性，大小与外加磁场的方向和强度有关。当外加磁场#与光源电场g相垂直时，磁流体折射率随的增大而减小；反之，当外加磁场#与光源电场g相平行时，磁流体折射率随的增大而增大。当传感探头置于某特定磁场中时，磁流体折射率发生一定的变化，从而影响包层模的有效折射率。TFBG纤芯模谐振峰和包层模谐振峰相位匹配公式如下 _5] ^gg = 2^ff ^ ⑴权利要求1.一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪，其特征在于，该测量仪包括光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱解调装置；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，且倾斜光栅栅区位于空气孔光子晶体光纤部分，该倾斜微结构光纤光栅的包层空气孔中通过低压抽入的方法填充磁性敏感材料磁流体，形成测量磁场的传感探头，倾斜微结构光纤光栅的两端熔接普通单模光纤，一端的单模光纤连接光源，另一端的单模光纤接入光谱解调装置，倾斜微结构光纤光栅部分置于大小和方向均能够发生变化的磁场中，用于对磁流体的折射率进行调谐， 作用于光谱的变化。2.根据权利要求1所述的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪， 其特征在于所述测量仪通过旋转传感探头，追踪包层模谐振波长的漂移程度和方向，对磁场大小和磁场方向同时进行测量。3.根据权利要求1所述的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪， 其特征在于所述的磁流体为水基磁流体。4.根据权利要求1所述的基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪， 其特征在于所述的变化的磁场由倾斜微结构光纤光栅两侧设置的电磁铁提供。全文摘要一种基于磁流体填充的倾斜微结构光纤光栅的磁场矢量测量仪。包括光源、单模光纤、倾斜微结构光纤光栅、磁流体、光谱仪；所述的倾斜微结构光纤光栅是基于纤芯掺锗、包层含有空气孔的光子晶体光纤的光栅，空气孔中填充磁流体，形成测量磁场的传感探头，光本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘波，刘妍，苗银萍，张昊，王志，刘艳格，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：
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