基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置的製作方法

2023-05-26 08:04:41

專利名稱：基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於傳感技術領域，特別是一種基於閃耀光纖光柵和磁流體相結合的電流變化檢測裝置。它是一種能夠克服絕緣、溫漂、振動和汙染等困難，並且為惡劣工程環境中的電流計量、電力分配、繼電保護、控制和監視等工作提供一種新而可靠的解決方案的裝置，具有重要的現實意義和廣闊的應用前景。
背景技術：
閃耀光纖光柵(BFBG:Blazed fiber Bragg grating)是一種光柵柵面與光纖軸向有一定夾角的短周期光纖光柵。由於光柵的柵面發生傾斜，前向傳輸的入射光除了部分耦合為滿足布喇格條件的反向傳輸的纖芯模外，其它的還將耦合為一系列反向傳輸的包層模。由於BFBG具有大量不同性質的諧振峰，使它們對於不同的外界參量，如折射率、溫度、應力、彎曲等具有不同的響應。因此，閃耀光纖光柵在傳感領域有著非常廣泛的用途。閃耀光纖光柵作為一種新型的光子器件，它們特殊的結構與模式耦合使其兼具布喇格光柵(FBG)與長周期光柵(LPG)的雙重優點，且有著非常獨特的優越性。它們不僅能夠實現單參量的精確測量；而且在多參量傳感技術中發揮著重要的作用，從而可以解決溫度交叉敏感問題，是一種新型的多功能光纖光柵。研究表明:由於其纖芯模與包層模具有相同的溫度敏感特性，因此，在實現對摺射率測量的同時能夠對溫度漂移進行動態補償。而且BFBG耦合模式具有更窄的帶寬和更穩定的溫度特性，能夠為實現更高精度的測量提供條件。磁流體(Magnetic Fluid, MF)是由納米級的強磁性顆粒均勻分散於液態載液中所形成的穩定磁性膠體，它既具有固態磁性物質的磁性，又具有液態物質的流動性，是一種新型的功能材料。其粒子都是單疇顆粒，膠體表現出超順磁性，且在重力和電磁力作用下能夠保持穩定，不出現沉澱和分層現象。近年來，隨著集成光學、光子器件的迅猛發展，以及磁流體在光學領域潛在應用的發現，一些研究者開始重視磁流體的光學性質，並且提出了基於磁流體的光子器件，如光開關、光調製器、磁場或電場傳感器，可調諧光柵和波分復用器等。光纖光柵傳感技術由於具有本質安全絕緣、測量信號不受光強變化等因素影響、能適應惡劣環境等優點，成為當前電流傳感器研究探索的重要方向。應用特殊機構對布喇格光纖光柵(FBG)的波長進行電磁調諧，將FBG粘貼在懸臂梁和巨磁致伸縮材料Terfenol-D上，並應用不同方式對熱漂移補償，實現溫度不敏感的光纖光柵電流傳感，已取得了一些較好的實驗結果，體現出解決前述已有電流傳感器所面臨的一些困難的較好潛力。但是，這些工作一般都是將FBG粘貼在固體的轉化機構上，將磁場變化轉換為機械變形的方式，其轉化效能、頻率和波長漂移等受固體轉換機構自身固有屬性的限制，傳感器靈敏度和精度提高的難度很大。現有的一些光纖電流傳感技術，在抗惡劣環境能力等方面，仍存在不少技術困難，在應用過程中遇到了較大障礙，所以迫切需要研發新的技術
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置。該裝置利用磁場作用在磁流體的方法來實現調節閃耀光纖光柵光學性質的目的。磁場由電流提供，即磁流體的折射率可以通過施加外部電流來調節。當具有適當折射率的磁流體在閃耀光纖光柵外包層時，閃耀光纖光柵的光學性質得到了調節，還可以實現對溫度的動態補償。本發明通過以下具體的技術方案實現:一種基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置，包括光源、單模光纖、填充有磁流體的閃耀型光纖光柵、通電的螺線圈、光譜儀，所述的光源通過單模光纖連接到閃耀型光纖光柵，閃耀型光纖光柵的另一個接頭通過單模光纖連接到光譜儀上，其中閃耀型光纖光柵放置在通電的螺線圈內；所述的填充磁流體的閃耀型光纖光柵的結構是，閃耀型光纖光柵置於毛細管中，並在毛細管中注入磁流體，使閃耀型光纖光柵置於磁流體環境中。所述的通電螺線圈用於提供磁場，通電螺線圈的長度為傳感單元長度的10倍以上，即可以將通電螺線圈看成無限長。所述的閃耀型光纖光柵放入到通電螺線圈的中央處。 所述的光源為超連續光源。填充有磁流體的閃耀型光纖光柵的製作步驟如下:步驟1，用紫外曝光法在單模光纖上寫制閃耀光纖光柵。步驟2，用光纖切割刀去除步驟I寫制的閃耀光纖光柵和普通光纖的塗覆層，並將去除塗覆層的部分垂直切割，形成端面，然後用光纖熔接機將閃耀光纖光柵兩端與普通光纖連接。步驟3，將連接有普通光纖的閃耀光纖光柵放入稀釋好的HF溶液中進行腐蝕，至預計時間後，將光柵從HF酸中取出，用清水洗去殘留的HF溶液，使光柵僅腐蝕部分包層。步驟4，將毛細管套入步驟3腐蝕後的閃耀光纖光柵，並且套入到被腐蝕的部分。步驟5，用兩個夾持臺緊緻閃耀光纖光柵，並在毛細管中注入磁流體。步驟6，在毛細管的兩端，以石碏封裝，冷卻後製得填充有磁流體的閃耀型光纖光柵。本發明製作的基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置的工作原理為:磁場由通電的螺線圈提供，磁場作用在磁流體上，光柵的諧振波長發生漂移，從而將電流的測量轉化為對閃耀型光纖光柵3的諧振波長的測量。通過檢測到的中心波長漂移值可以探測到磁流體在磁場作用下折射率變化情況。這樣間接可以探測到所加磁場的大小。並且通過磁場來反演電流的大小。根據畢奧-薩伐爾定律求出，當L — °o (當L大於傳感單元長度的10度以上，認為是無限長)時，B= μ 。其中L為通電螺線圈的長度，η為通電螺線圈的匝數，μ ^指真空中
的磁導率。這樣磁場反演J=+。
μ0η本發明的優點和有益效果:本發明提供的電流變化檢測裝 置具有製作工藝簡單，成本低，集成度高，可操作性強等優點，還可以廣泛應用於傳感器和惡劣環境中的通電領域。


圖1是基於閃耀型光纖光柵的電流變化檢測裝置整體結構及原理示意圖；圖2是填充有磁流體的閃耀型光纖光柵的結構示意圖。圖中，1-光源，2-通電螺線圈，3-填充磁流體的閃耀型光纖光柵，4-光譜儀，5-單模光纖，6-毛細管，7-石蠟封口，8-磁流體。
具體實施例方式為了更好地說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。實施例1如圖1所示，基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置，包括光源1、單模光纖5、填充有磁流體8的閃耀型光纖光柵3、通電的螺線圈2和光譜儀4。所述的光源I通過單模光纖5連接到閃耀型光纖光柵3，閃耀型光纖光柵3的另一個接頭通過單模光纖5連接到光譜儀4上，其中閃耀型光纖光柵3放置在通電的螺線圈2內。所述的填充磁流體的閃耀型光纖光柵的結構是，閃耀型光纖光柵3置於毛細管6中，並在毛細管中注入磁流體8，使閃耀型光纖光柵置於磁流體環境中，毛細管的兩端用蠟滴將其封裝形成蠟封口 7，見圖2。磁場由通電的螺線圈2提供，磁場作用在磁流體8上，閃耀型光纖光柵3的諧振波長發生漂移，從而將電流的測量轉化為對閃耀型光纖光柵3的諧振波長的測量。通過檢測到的中心波長漂移值可以探測到磁流體8在磁場作用下折射率的變化情況，這樣可以間接探測到所加磁場的大小，並且通過磁場來反演電流的大小。填充磁流體的閃耀型光纖光柵的製作取一根普通單模光纖，用紫外曝光法在單模光纖上寫制閃耀光纖光柵3。然後用光纖切割刀去除普通單模光纖5和閃耀光纖光柵3上的塗覆層，並將去除塗覆層的部分垂直切割，形成端面。用光纖熔接機將閃耀光纖光柵兩端與普通光纖連接。將閃耀光纖光柵3放入稀釋好的HF溶液中進行腐蝕，至預計時間後，將光柵從HF酸中取出，用清水洗去殘留的HF溶液，使光柵僅腐蝕部分包層。將毛細管6套入閃耀光纖光柵，並且套入到被腐蝕的部分。在毛細管6中注入磁流體8。最後在毛細管6的兩端用蠟滴將其封裝形成蠟封口 7。具體應用實例將實施例1中製作的填充磁流體的閃耀光纖光柵應用於檢測外部環境的電流變化。其原理是磁場由通電的螺線圈2提供，磁場作用在磁流體8上，閃耀型光纖光柵3的諧振波長發生漂移，從而將電流的測量轉化為對閃耀型光纖光柵3的諧振波長的測量。通過檢測到的中心波長漂移值可以探測到磁流體8在磁場作用下折射率變化情況。這樣間接可以探測到所加磁場的大小。並且通過磁場來反演電磁螺線圈2電流的大小。實際使用時，用光譜儀檢測光的諧振波長，由此記錄諧振波長隨外界電流變化而變化。本實施在常溫條件下實現了磁場作用下磁流體折射率改變在檢測磁場中的應用。在工作範圍內，其靈敏度極高，且結構簡單，易於集成。
權利要求
1.一種基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置，其特徵在於:該裝置包括光源、單模光纖、填充有磁流體的閃耀型光纖光柵、通電的螺線圈、光譜儀，所述的光源通過單模光纖連接到閃耀型光纖光柵，閃耀型光纖光柵的另一個接頭通過單模光纖連接到光譜儀上，其中閃耀型光纖光柵放置在通電的螺線圈內；所述的填充磁流體的閃耀型光纖光柵的結構是，閃耀型光纖光柵置於毛細管中，並在毛細管中注入磁流體，使閃耀型光纖光柵置於磁流體環境中。
2.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:所述的通電螺線圈用於提供磁場，通電螺線圈的長度為傳感單元長度的10倍以上。
3.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:閃耀型光纖光柵放入到通電螺線圈的中央處。
4.根據權利要求1所述的檢測裝置，其特徵在於:所述的光源為超連續光源。
全文摘要
一種基於閃耀光纖光柵的電流變化檢測裝置，包括光源、單模光纖、填充有磁流體的閃耀型光纖光柵、通電的螺線圈、光譜儀，所述的光源通過單模光纖連接到閃耀型光纖光柵，閃耀型光纖光柵的另一個接頭通過單模光纖連接到光譜儀上，其中閃耀型光纖光柵放置在通電的螺線圈內。磁場由通電的螺線圈提供，磁場作用在磁流體上，光柵的諧振波長發生漂移，通過檢測到的中心波長漂移值可以探測到磁流體在磁場作用下折射率變化情況，這樣間接可以探測到所加磁場的大小，並且通過磁場來反演電流的大小。本發明提供的電流變化檢測裝置具有製作工藝簡單，成本低，集成度高，可操作性強等優點，還可以廣泛應用於傳感器和惡劣環境中的通電領域。
文檔編號G01R19/00GK103207310SQ20131008406
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月14日 優先權日2013年3月14日
發明者苗銀萍, 藺際超, 林煒, 張楷亮, 劉波, 袁育傑, 吳繼旋 申請人:天津理工大學