一種基於錐結構和花生錐結構級聯光纖布拉格光柵的光纖磁場傳感器的製作方法
2023-10-17 08:35:24 2
本發明屬於光纖傳感
技術領域：
，特別是涉及雙參量測量(磁場、溫度)光纖傳感技術。
背景技術：
：微弱磁場的測量已經被廣泛應用於航空航天、信息存儲和環境監測等領域。與用電子技術來監測外界磁場強度的方法相比，光纖磁場傳感器靈敏度高、體積小，遠程操作損耗低，因此受到更廣泛的關注。然而，光纖的主要成分是二氧化矽，光纖裝置本身對外界磁場強度的變化不敏感，將光纖裝置與磁性材料相結合，可以實現對外界磁場強度的測量，例如磁電阻材料、磁光材料等。利用磁流體的可調折射率特性，許多利用磁流體作為磁感應材料的光纖磁場傳感器被相繼提出。將幹涉結構與磁流體封裝於毛細管，利用模式幹涉及光纖光柵的特性對測量量的靈敏度不同，可以消除傳感測量中的交叉靈敏問題，從而可以做到雙參量甚至多參量測量。技術實現要素：本發明提出並製作了一種錐結構和花生錐結構級聯光纖布拉格光柵的光纖磁場傳感器，輸出信號中存在光纖布拉格(FBG)透射峰和幹涉峰，根據其對溫度和磁場的不同敏感性，可用其實現雙參量同時測量並消除交叉靈敏。為達到上述目的，本發明的技術方案為：一種基於錐結構和花生錐結構級聯光纖布拉格光柵的光纖磁場傳感器，包括磁流體塗覆的錐結構和花生錐結構、光纖布拉格光柵、寬帶光源、光譜分析儀、磁鐵、特斯拉計，錐結構和花生錐結構構成的傳感結構與磁流體封裝於毛細管中；寬帶光源的光經入射端單模光纖依次通過錐結構、花生錐結構、光纖布拉格光柵經出射端單模光纖傳輸到到光譜分析儀。進一步的，經出射端單模光纖的輸出信號包含光纖布拉格光柵的透射峰和幹涉峰，利用它們對磁場和溫度的不同靈敏度能夠實現同時測量。進一步的，錐結構和花生錐結構之間的長度為2.4cm，單模光纖纖芯直徑為8.3μm，包層直徑為125μm，在普通單模上寫制的光纖布拉格光柵在室溫條件下其中心波長為1534.03nm。進一步的，該傳感結構用於實現溫度和磁場的同時測量，方法具體為：觀察光譜圖，當dip1和dipFBG發生波長漂移時，分別獲取dip1的波長改變量Δλ1和dipFBG的波長改變量ΔλFBG，使用下式計算獲得環境溫度變化量ΔT和磁場強度的變化量ΔH：ΔTΔH=1DKHFBG-KH1-KTFBGKT1Δλ1ΔλFBG]]>其中D＝KT1KHFBG-KTFBGKH1；式中，KT1、KH1分別為dip1對於溫度和磁場的敏感係數，KTFBG和KHFBG是dipFBG對於溫度和磁場的敏感係數。本發明的優點和有益效果：本發明提出了一種幹涉型光纖磁場傳感器，結構簡單且容易製作，只需要普通的單模光纖及刻寫在單模光纖中的光纖布拉格光柵。該傳感器中輸出信號包含幹涉峰和FBG的透射峰，根據其對溫度和磁場的不同敏感性，可以實現對溫度和磁場的同時測量。該發明的幹涉型傳感器在航天、環境檢測、醫療方面有著潛在的應用價值。附圖說明圖1為本發明光纖磁場傳感器結構示意圖；圖2為本發明圖1中傳感結構放大示意圖；圖3為本發明光纖磁場傳感器的輸出信號譜；圖中：1.寬帶光源、2.入射端單模光纖、3.傳感結構、4.磁鐵、5.特斯拉計、6.出射端單模光纖、7.光譜分析儀、8.錐結構、9.花生錐結構、10.光纖布拉格光柵(FBG)。具體實施方式實施例：本發明基於錐結構和花生錐結構級聯光纖布拉格光柵(FBG)的光纖磁場傳感器，如圖1、2所示。由磁流體塗覆的錐結構8和花生錐結構9、光纖布拉格光柵(FBG)10、寬帶光源(BBS)1、光譜分析儀(OSA)7、磁鐵4、特斯拉計5組成，錐結構8和花生錐結構9構成的傳感結構3與磁流體封裝於毛細管中。寬帶光源的光經入射端單模光纖2依次通過錐結構8、花生錐結構9、光纖布拉格光柵10經出射端單模光纖6傳輸到到光譜分析儀7。所述的光纖布拉格光柵(FBG)10室溫條件下中心波長為1534.03nm，錐結構8和花生錐結構9之間的距離為2.4cm，單模光纖纖芯直徑為8.3μm，包層直徑為125μm。如圖1所示，本發明在同時對溫度和磁場進行傳感時光路傳輸為：寬帶光源的光從入射端單模光纖2入射進錐結構8後，纖芯中的一部分光進入包層激發起高階包層模式，其餘的光繼續在纖芯中傳輸。包層中的光到達花生錐結構9時，被重新耦合回纖芯，與纖芯中的光發生幹涉。纖芯中的光繼續傳播經過光纖布拉格光柵10後，滿足布拉格波長的光被反射，其餘的光被透射通過出射端單模光纖6傳輸至光譜分析儀7中，監測環境溫度和磁場的變化。使用磁流體塗覆的錐結構8和花生錐結構9級聯光纖布拉格光柵(FBG)10的光纖磁場傳感器進行溫度和磁場的同時測量，具體方法為：觀察光譜圖，室溫下傳感器的透射譜為圖3。當dip1和dipFBG發生波長漂移時，分別獲取dip1的波長改變量Δλ1和dipFBG的波長改變量ΔλFBG，敏感矩陣如下式所示：Δλ1ΔλFBG=KT1KH1KTFBGKH2ΔTΔH]]>式中，KT1、KH1分別為dip1對於溫度和磁場的敏感係數，KTFBG和KHFBG是dipFBG對於溫度和磁場的敏感係數。其中KT1、KH1以及KTFBG和KHFBG可以通過測量獲得，其中測量過程具體為：首先利用磁場傳感實驗裝置測量磁場，如圖1所示，通過磁鐵外加磁場，磁場強度通過改變磁鐵與傳感結構的距離而變化，利用特斯拉計測量磁場的強度，得到KH1和KHFBG。然後用所述傳感器對溫度進行測量，將製作好的傳感器固定於恆溫板上，設置恆溫板溫度變化範圍為25℃-43℃，每隔2℃記錄一次數據，得到KT1和KTFBG。根據以上測量獲得敏感矩陣。使用敏感矩陣，獲得溫度和磁場的變化:ΔTΔH=1DKHFBG-KH1-KTFBGKT1Δλ1ΔλFBG]]>其中D＝KT1KHFBG-KTFBGKH1。應當明確的是，本發明不限於這裡的實施例，本領域技術人員根據本發明的揭示，按本發明構思所做出的顯而易見的改進和修飾都應該在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3