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磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器的制作方法

文檔序號:11916315閱讀:600來源:國知局
磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器的制作方法與工藝

本實用新型涉及光纖磁場傳感技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器。



背景技術(shù):

自然界及人類社會很多地方都存在磁場或存在與磁場相關(guān)的信息。磁場作為一種信息載體,人們一直在探索通過更加精確的方法將其中承載的信息采集轉(zhuǎn)換和再現(xiàn)出來。早在東漢時期出現(xiàn)的司南及之后出現(xiàn)的羅盤被認為是最原始的一類磁場測量儀器。隨著科技的進步,電磁效應(yīng),電磁感應(yīng),超導(dǎo)效應(yīng)不斷成熟和被應(yīng)用,磁場傳感技術(shù)也有了很大的發(fā)展。其中,磁場傳感器就成為了信息技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)中不可或缺的基本原件。

目前,相對成熟的磁場測量方法有:電磁感應(yīng)法、電磁效應(yīng)法、磁力法、磁共振法等。已研制出的磁場傳感器種類較多,并且有些已經(jīng)被應(yīng)用到科研、生產(chǎn)和社會生活等方面,但受限于測量精度、操作技術(shù)及設(shè)備成本的原因,很難大規(guī)模推廣應(yīng)用。

隨著光纖傳感技術(shù)的日益成熟,光纖磁場傳感器發(fā)展迅速。這類傳感器以光學(xué)信號作為載體,具有靈敏度高、絕緣性好、相應(yīng)速度快、成本相對低廉等優(yōu)點?,F(xiàn)有光纖磁場傳感器多數(shù)以基于磁流體或磁致伸縮材料的直通式結(jié)構(gòu)為主,很少有關(guān)于基于磁性凝膠材料的環(huán)形衰蕩式結(jié)構(gòu)的報道。磁性凝膠的制作成本更低,同時對磁場變化具有很高的靈敏度。環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)相比直通式結(jié)構(gòu)具有更高的靈敏度。因此,有必要將二者結(jié)合,設(shè)計出靈敏度更高、穩(wěn)定性更好的光纖磁場傳感器。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本實用新型的實施實例提供了磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器,是為了解決現(xiàn)有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、成本過高、操作復(fù)雜的問題。

為達上述目的,本實用新型實施實例采用如下技術(shù)方案:

提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器,該磁場傳感器包括DFB光源(1)、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)(2)、磁場感應(yīng)系統(tǒng)(3)、信號處理系統(tǒng)(4);

脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)(2),所述的脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)(2)內(nèi)包含有偏振光控制器(2-1)、光強度調(diào)制器(2-2)、函數(shù)發(fā)生器(2-3),其中,偏振光控制器(2-1)一端連接DFB光源(1)另一端連接光強度調(diào)制器(2-2),光強度調(diào)制器(2-2)另兩個端口分別與函數(shù)發(fā)生器(2-3)和一號耦合器(3-1)連接;

磁場感應(yīng)系統(tǒng)(3),所述的磁場感應(yīng)系統(tǒng)(3)內(nèi)包含一號耦合器(3-1)、延遲光纖(3-2)、摻鉺光纖放大器(3-3)、二號耦合器(3-4)、傳感頭(3-5),其中,一號耦合器(3-1)一側(cè)的兩端口分別連接光強度調(diào)制器(2-2)和傳感頭(3-5),另一側(cè)與延遲光纖(3-2)相連,摻鉺光纖放大器一側(cè)與延遲光纖(3-2)相連,另一側(cè)與二號耦合器(3-4)相連,二號耦合器的另一側(cè)兩端口分別連接傳感頭(3-5)和光電轉(zhuǎn)換器(4-1);

信號處理系統(tǒng)(4),所述的信號處理系統(tǒng)(4)內(nèi)包含光電轉(zhuǎn)換器(4-1)、示波器(4-2)、計算機(4-3)、其中,示波器(4-2)的一側(cè)連接光電轉(zhuǎn)換器(4-1),另一側(cè)連接計算機(4-3);

傳感頭(3-5),所述的傳感頭(3-5)內(nèi)包含磁性凝膠(3-5-1)。

所述的DFB光源(1)的輸出波長為1550nm。

所述的函數(shù)發(fā)生器(2-3)發(fā)出的函數(shù)信號為脈沖信號,且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器(3-1)的耦合比為50%:50%,二號耦合器(3-4)的耦合比為99.5%:0.5%,且二號耦合器(3-4)的0.5%的端口與傳感頭(3-5)連接,且一號耦合器(3-1)和二號耦合器(3-4)的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖(3-2)長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭(3-5)外殼為磁性不敏感材料,可對其內(nèi)部進行固定和保護,傳感頭(3-5)內(nèi)的光纖是經(jīng)氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖,腐蝕深度為40μm,且傳感頭(3-5)的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠(3-5-1)其基質(zhì)為Fe3O4納米顆粒,其顆粒直徑為10nm,基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑,且基質(zhì)能自由分散于基液中,且磁性凝膠(3-5-1)通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

本實用新型專利提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器,該光纖磁場傳感器改善了現(xiàn)有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、技術(shù)難度大的問題。

本實用新型的有益效果是:本實用新型針對當(dāng)前磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、技術(shù)難度大的缺點,提出改進方案。通過氫氟酸腐蝕部分包層的單模光纖,形成腐蝕深度為40μm的微納光纖,選用經(jīng)硝酸處理過的Fe3O4納米顆粒作為磁性敏感材料的基質(zhì),聚硅氧烷與硅酸鹽的混合液作為磁性敏感材料的基質(zhì),形成磁凝膠。并將磁凝膠通過物理方法粘覆到微納光纖處,形成磁凝膠填充的微納光纖傳感頭。將該傳感頭與環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)結(jié)合,形成一種靈敏度高、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)成本相對低廉、操作難度較低的光纖磁場傳感器。當(dāng)傳感頭置于磁場中時,磁凝膠的有效折射率發(fā)生變化。光信號經(jīng)過微納光纖處會產(chǎn)生倏逝波,倏逝波在磁凝膠中隨其有效折射率的變化亦會發(fā)生變化。環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)將強度調(diào)制轉(zhuǎn)化為時間調(diào)制,它是一個強度的比值,只要系統(tǒng)的信噪比足夠高,測量出的結(jié)果就不會因為光源的光強不穩(wěn)定性受大的影響,從而保證了測量精度。同時,環(huán)形衰蕩系統(tǒng)相對簡單,成本低廉。

附圖說明

圖1為磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu);

圖2為脈沖信號發(fā)生系統(tǒng);

圖3為磁場感應(yīng)系統(tǒng);

圖4為信號處理系統(tǒng);

圖5為傳感頭放大圖。

具體實施方式

下面結(jié)合說明書附圖進一步說明本實用新型的具體實施方式。

如圖1,本實施方式所述的磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器,它包括DFB光源(1)、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)(2)、磁場感應(yīng)系統(tǒng)(3)、信號處理系統(tǒng)(4);

如圖2,脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)(2)內(nèi)包含有偏振光控制器(2-1)、光強度調(diào)制器(2-2)、函數(shù)發(fā)生器(2-3),其中,偏振光控制器(2-1)一端連接DFB光源(1)另一端連接光強度調(diào)制器(2-2),光強度調(diào)制器(2-2)另兩個端口分別與函數(shù)發(fā)生器(2-3)和一號耦合器(3-1)連接;

如圖3,磁場感應(yīng)系統(tǒng)(3)內(nèi)包含一號耦合器(3-1)、延遲光纖(3-2)、摻鉺光纖放大器(3-3)、二號耦合器(3-4)、傳感頭(3-5),其中,一號耦合器(3-1)一側(cè)的兩端口分別連接光強度調(diào)制器(2-2)和傳感頭(3-5),另一側(cè)與延遲光纖(3-2)相連,摻鉺光纖放大器一側(cè)與延遲光纖(3-2)相連,另一側(cè)與二號耦合器(3-4)相連,二號耦合器的另一側(cè)兩端口分別連接傳感頭(3-5)和光電轉(zhuǎn)換器(4-1);

如圖4,信號處理系統(tǒng)(4)內(nèi)包含光電轉(zhuǎn)換器(4-1)、示波器(4-2)、計算機(4-3)、其中,示波器(4-2)的一側(cè)連接光電轉(zhuǎn)換器(4-1),另一側(cè)連接計算機(4-3);

所述的傳感頭(3-5)內(nèi)包含磁性凝膠(3-5-1)。

所述的DFB光源(1)的輸出波長為1550nm。

所述的函數(shù)發(fā)生器(2-3)發(fā)出的函數(shù)信號為脈沖信號,且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器(3-1)的耦合比均為50%:50%,二號耦合器(3-4)的耦合比為99.5%:0.5%,且二號耦合器(3-4)的0.5%的端口均與傳感頭(3-5)連接,且一號耦合器(3-1)和二號耦合器(3-4)的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖(3-2)長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭(3-5)外殼為磁性不敏感材料,可對其內(nèi)部進行固定和保護,傳感頭(3-5)內(nèi)的光纖是經(jīng)氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖,腐蝕深度為40μm,且傳感頭(3-5)的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠(3-5-1)其基質(zhì)為Fe3O4納米顆粒,其顆粒直徑為10nm,基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑,且基質(zhì)能自由分散于基液中,且磁性凝膠(3-5-1)通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

在使用時,先按照附圖說明將光路搭建完成,將傳感頭垂直于磁場方向放置。待光源輸出信號穩(wěn)定后即可進行測量。

工作原理:

磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器:

工作過程:先將光路按光路圖連接好,打開光源,將傳感頭垂直置于磁場中,待光源輸出光信號穩(wěn)定后開始測量。光信號經(jīng)過偏振光控制器及強度調(diào)制器后,受函數(shù)發(fā)生器的作用,可產(chǎn)生脈沖信號。該脈沖光經(jīng)一號耦合器到達磁場感應(yīng)系統(tǒng),該系統(tǒng)為光纖環(huán)形衰蕩腔。環(huán)形衰蕩腔的一號耦合器的耦合比為50%:50%,二號耦合器的耦合比為99.5%:0.5%。光信號每次經(jīng)過傳感頭后的光都會有一定的損耗。隨時間的增加,光強逐漸減弱,為指數(shù)衰減的關(guān)系,并且衰蕩時間與磁場強弱有關(guān)。通過對磁場強度與衰蕩時間擬合,發(fā)現(xiàn)二者具有良好的線性關(guān)系。這樣就可以通過衰蕩時間的測量間接對磁場強度進行測量。

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