基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器的製造方法
2023-10-18 07:26:14 1
基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器，包括微光纖耦合器和金屬線。微光纖耦合器由兩根單模光纖利用火焰掃火方法製成，包括一個均勻腰區、兩個錐形過渡區、兩個輸入端和輸出端；微光纖耦合器的兩個輸入端共同與金屬線的一端連接，兩個輸出端共同與金屬線的另一端連接。由於電流或者磁場的作用牽引金屬線微彎曲，使得微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，微光纖耦合器均勻腰區的直徑較小，耦合區的長度和折射率對力的作用十分敏感，因而耦合器兩個輸出端的功率大小會隨著外加電流或者磁場的變化發生明顯的變化，從而利用雙路檢測方法實現對電流或者磁場的傳感檢測。本發明能提高光能利用率，消除入射光功率擾動的影響。
【專利說明】基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖的應用領域，具體涉及光纖傳感器的研究及其製備，尤其是提供一種基於微光纖稱合器的雙路檢測式電流磁場傳感器。
【背景技術】
[0002]光纖傳感技術是於大概30多年以前興起的新型研究領域，它主要利用光纖和以之為傳輸載體的光來感知外界信號變化的新型技術。隨著時代的發展，光纖傳感技術進一步跟上潮流，大量的基於微光纖製作的傳感器件應運而生，很多已被運用於商業化。微光纖傳感器件具有很多其他普通器件所沒有的優勢，例如小型化，低成本，重量輕，抗電磁幹擾，以及易於在光纖網絡中和其他器件進行連接等等。
[0003]微光纖電流和磁場傳感器是集多個學科於一體的、涉及多方面知識的高新產品。由於小型化、高精度、易製作的需求，對其理論的深層次、多方面研究以及實際產品商業化一直是努力的方向之一。總的來說，微光纖電流和磁場傳感器在以後會遇到更多的挑戰和發展。
[0004]傳統的電流磁場傳感器重量大成本較高，一些含磁性材料的器件存在磁滯和磁飽和現象，以及一些基於諧振腔的傳感器件難於製作與封裝。因此，製作出一個小型低成本、抗電磁幹擾、靈敏度高、易於在光纖網絡中連接的電流和磁場傳感器，依然是個很大的挑戰。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種基於微光纖耦合器的電流磁場傳感器，利用電流產生的熱膨脹和安培力牽引金屬線微彎曲，使得微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，從而實現對電流和磁場的精確測量。
[0006]本發明採用的技術方案是:
[0007]基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器，包括微光纖耦合器和金屬線，微光纖耦合器由兩根單模光纖利用火焰掃火方法製成，包括一個均勻腰區、兩個錐形過渡區、兩個輸入端和兩個輸出端；所述微光纖耦合器的兩個輸入端共同與金屬線的一端連接，兩個輸出端共同與金屬線的另一端連接。
[0008]所述均勻腰區的長度為6毫米到15毫米，均勻腰區處單根光纖的直徑為I微米到5微米。
[0009]進一步地，所述金屬線採用銅線或鋁線。
[0010]利用上述雙路檢測式電流磁場傳感器的測量方法，採用雙路檢測方法，其具體步驟包括:
[0011](I)將金屬線與直流電源串聯，將可調雷射光源與所述微光纖耦合器的其中一個輸入端連接；所述微光纖耦合器的兩個輸出端分別與功率測量裝置連接，
[0012](2)開啟直流電源，電流產生熱膨脹效應，牽引金屬線微彎曲，使得所述微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，從而所述微光纖耦合器兩個輸出端的功率分配會隨著外加電流的變化發生明顯的變化；對測量的功率值採用差分法進行數據處理:將兩個輸出端測量的功率之差值與二者之和的比值記為Γ，Γ會隨著電流同步變化，通過線性擬合，將單位電流引起的Γ值的變化，定義為電流靈敏度，由此利用雙路檢測方法通過觀察Γ的變化獲得電流的大小，實現對電流的傳感檢測；
[0013](3)將金屬線與直流電源串聯並置於磁場發生器產生的磁場中，固定直流電大小，利用磁場發生器在金屬線垂直方向加上磁場，此時產生安培力，同樣牽引金屬線微彎曲，使得所述微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，然後按照步驟(2)中的方法，通過線性擬合，將單位磁場引起的Γ值的變化，定義為磁場靈敏度，由此利用雙路檢測方法通過觀察Γ的變化可以得到磁場的大小，實現對磁場的傳感檢測。
[0014]以上的測量方法，即為雙路檢測法，利用雙路檢測方法提高光能的利用率，而且消除了光源功率擾動對於系統的不利影響。
[0015]本發明的基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器傳感原理為:由於電流產生的熱膨脹的作用或者安培力的作用牽引金屬線微彎曲，使得微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，由於微光纖耦合器均勻腰區的直徑較小，耦合區的長度和折射率對力的作用十分敏感，因而耦合器兩個輸出端的功率計檢測到功率大小會隨著外加電流或者磁場的變化發生明顯的變化，從而利用雙路檢測方法實現對電流或者磁場的傳感檢測。
[0016]本發明的有益效果是:
[0017](I)該基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器利用耦合器的一端具有兩個輸出口，且兩個輸出功率均與入射光功率成比例關係，所以入射光功率的穩定性直接影響到整個器件的靈敏度，故對兩個輸出功率進行二者之差除以二者之和的差分法數據處理,可以消除系統對輸入光功率的依賴性,增強對光源擾動免疫力，提高了穩定性與可靠性，並且提高了光能的利用率。
[0018](2)本發明首次利用微光纖耦合器製備出高靈敏度的電流和磁場傳感器，成本低廉，安全性高、易於應用在光纖網絡中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器的檢測示意圖；
[0020]圖2微光纖耦合器的模擬示意圖；
[0021]圖3微光纖耦合器的(a)過渡區和(b)腰區的顯微鏡照片；
[0022]圖4本發明傳感器Port3在兩個不同電流下的透射光譜圖；
[0023]圖5本發明傳感器差分法處理後，隨電流變化的擬合圖；
[0024]圖6本發明傳感器Port3在兩個不同磁場下的透射光譜圖；
[0025]圖7本發明傳感器差分法處理後，隨磁場變化的擬合圖，電流固定0.08Ao
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖和具體實施方法對本發明做了進一步的說明，以清楚展現本發明的特點。
[0027]圖1是基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器的檢測示意圖，包括:直流電源1、金屬線2、可調雷射光源3、功率計4、磁場發生器和微光纖耦合器5 ;直流電源I與金屬線2連接,可調雷射光源3連接微光纖稱合器5 —端的一根單模光纖,微光纖稱合器5另一端的兩根單模光纖，即兩個輸出端分別與功率計4連接。
[0028]實驗中首先用光纖剝線鉗將單模光纖的塗覆層去掉，兩根光纖並排緊靠在一起，然後採用火焰掃火方法將兩個單模光纖拉細並且熔在一起，一直拉到特定的長度和特定的直徑，製成微光纖稱合器5,最後將微光纖稱合器5和金屬線2伸直,將稱合器5兩端的單模光纖尾纖通過粘結劑6粘在金屬線2上，金屬線2固定在夾具7上。本實施例的微光纖耦合器5腰區的長度約10毫米。因為微光纖耦合器5的腰區部分存在兩根單模光纖之間的耦合，所以從一根光纖通入的光會在耦合區分為兩路，從兩個輸出端輸出，從而在兩個功率計4上都能夠讀取讀數。
[0029]圖2顯示了微光纖耦合器的模擬示意圖。其中光從單模光纖中的Portl輸入，在耦合區發生耦合，光從Port3和Port4以一定的分配同時輸出。
[0030]圖3展示了本發明微光纖耦合器的過渡區和腰區的顯微鏡照片。
[0031]測量時，打開直流電源1，將金屬線2上通入直流電，改變直流電的大小，電流產生的熱膨脹的作用牽引金屬線2微彎曲，使得微光纖耦合器5在長度方向受到力的作用，由於微光纖耦合器5均勻腰區的直徑較小，耦合區的長度和折射率對力的作用十分敏感，因而耦合器兩個輸出端的功率計4檢測到功率大小會隨著外加電流的變化發生明顯的變化，從而利用雙路檢測方法實現對電流的傳感檢測。其次，固定直流電大小，利用磁場發生器在金屬線2垂直方向加上磁場，此時安培力的作用牽引金屬線2微彎曲，耦合器5長度方向受到力的作用，檢測兩個功率計4上的功率大小的改變，利用雙路檢測方法實現對磁場的傳感檢測。
[0032]圖4是該傳感器Port3在兩個不同電流下的透射光譜圖。圖中顯示對於更大的電流，透射光譜左移。對於可調雷射光源3的單波長1543nm而言，Port3的輸出功率降低。
[0033]圖5是該傳感器差分法處理後，隨電流變化的擬合圖。通入波長1543nm，從圖中可以看出較好的線性關係，通過線性擬合可以得到電流傳感的靈敏度為-1.0867A'
[0034]圖6是該傳感器Port3在兩個不同磁場下的透射光譜圖，電流固定0.08A。圖中顯示對於更大的磁場，透射光譜左移。對於單波長1543nm而言，Port3的輸出功率降低。
[0035]圖7是該傳感器差分法處理後，隨磁場變化的擬合圖，電流固定0.08Ao通入波長1543nm,從圖中可以看出較好的線性關係,經計算，當電流為0.08A時,磁場傳感靈敏度為-0.0496Π1Γ1。
[0036]本發明的特色在於:1.採用差分數值處理:兩個輸出端功率均與入射光功率成比例關係，所以入射光功率的穩定性直接影響到整個器件的靈敏度，經過差分處理後，入射光功率數學上得以消掉，即消除了入射光功率穩定性對靈敏度的影響；2.積極利用了兩個輸出端，最大化利用光能，充分利用了耦合器的優點。
【權利要求】
1.基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器，包括微光纖耦合器和金屬線，其特徵在於，微光纖耦合器由兩根單模光纖利用火焰掃火方法製成，包括一個均勻腰區、兩個錐形過渡區、兩個輸入端和兩個輸出端；所述微光纖耦合器的兩個輸入端共同與金屬線的一端連接，兩個輸出端共同與金屬線的另一端連接。
2.根據權利要求1所述的基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器，其特徵在於，所述均勻腰區的長度為6毫米到15毫米，均勻腰區處單根光纖的直徑為I微米到5微米。
3.根據權利要求1或2所述的基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器，其特徵在於，所述金屬線採用銅線或鋁線。
4.利用權利要求1所述的基於微光纖耦合器的雙路檢測式電流磁場傳感器的測量方法，其特徵在於，採用雙路檢測方法，具體步驟包括: (1)將金屬線與直流電源串聯，將可調雷射光源與所述微光纖耦合器的其中一個輸入端連接；所述微光纖耦合器的兩個輸出端分別與功率測量裝置連接， (2)開啟直流電源，電流產生熱膨脹效應，牽引金屬線微彎曲，使得所述微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，從而所述微光纖耦合器兩個輸出端的功率分配會隨著外加電流的變化發生明顯的變化；對測量的功率值採用差分法進行數據處理:將兩個輸出端測量的功率之差值與二者之和的比值記為Γ，Γ會隨著電流同步變化，通過線性擬合，將單位電流引起的Γ值的變化，定義為電流靈敏度，由此利用雙路檢測方法通過觀察Γ的變化獲得電流的大小，實現對電流的傳感檢測； (3)將金屬線與直流電源串聯並置於磁場發生器產生的磁場中，固定直流電大小，利用磁場發生器在金屬線垂直方向加上磁場，此時產生安培力，同樣牽引金屬線微彎曲，使得所述微光纖耦合器在長度方向受到力的作用，然後按照步驟(2)中的方法，通過線性擬合，將單位磁場引起的Γ值的變化，定義為磁場靈敏度，由此利用雙路檢測方法通過觀察Γ的變化可以得到磁場的大小，實現對磁場的傳感檢測。
【文檔編號】G01R19/00GK104237607SQ201410547333
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】徐飛, 嚴少誠, 陳燁, 陸延青, 胡偉 申請人:南京大學