本實(shí)用新型屬于光纖磁場傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器。

背景技術(shù)：

光纖磁場傳感技術(shù)主要致力于弱磁性目標(biāo)探測，服務(wù)于實(shí)際的工程和軍事應(yīng)用。按照感應(yīng)機(jī)理的不同，光纖磁場傳感器可分為懸臂梁-光纖光柵結(jié)構(gòu)的磁場傳感器，基于磁致伸縮材料的光纖磁場傳感器和基于磁流體的光纖磁場傳感器等不同類型，近年來引起了廣泛的關(guān)注和研究。

磁流體(Magnetic fluids)是由納米磁性顆粒、基液和表面活性劑組成的兼具液體流動性和固體強(qiáng)磁性的新型智能材料。施加磁場的過程中，納米磁性顆粒團(tuán)聚形成許多相距一定距離的沿著磁場方向的磁鏈結(jié)構(gòu)，膠狀體系中發(fā)生液相-柱相的分離，從而導(dǎo)致磁流體有效介電常數(shù)的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)折射率的變化，因此，磁流體具有可調(diào)諧折射率的特性。

光纖光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是在光纖纖芯引入折射率周期性變化的一維空間相位光柵，周期通常小于1μm，能夠?qū)⑶跋騻鬏數(shù)睦w芯模耦合到后向傳輸?shù)睦w芯模中，并能夠?qū)崿F(xiàn)90％以上的反射率，被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)安全檢測、航天和船舶傳感、火災(zāi)檢測、生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)檢測等實(shí)際工程領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器，將一段FBG等分切割后在毛細(xì)石英玻璃管內(nèi)重新軸向?qū)?zhǔn)并設(shè)置微米量級的間隔，從而形成一種結(jié)構(gòu)新穎的低精細(xì)度非本征型法布里-珀羅(Fabry-Pérot，F(xiàn)-P)諧振腔。結(jié)合磁流體的可調(diào)諧折射率與F-P諧振腔對腔內(nèi)折射率高度敏感的特性實(shí)現(xiàn)高分辨率的磁場強(qiáng)度傳感。該新型傳感器具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以靈活與光纖傳感系統(tǒng)復(fù)用。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器，其特征在于由寬帶光源(1)，單模光纖(2)，第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)，毛細(xì)石英玻璃管(5)，磁流體(6)，環(huán)氧樹脂(7)，微位移平臺(8)，磁場發(fā)生器(9)，光譜儀(10)組成；寬帶光源(1)通過單模光纖(2)與第一光纖光柵(3)左端相連；第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)，毛細(xì)石英玻璃管(5)，磁流體(6)和環(huán)氧樹脂(7)共同構(gòu)成了磁敏感探頭，其中第一光纖光柵(3)右端與第二光纖光柵(4)左端軸向?qū)?zhǔn)后設(shè)置微米量級的間隔置于毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)形成非本征F-P諧振腔，毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)部填充磁流體(6)兩端通過環(huán)氧樹脂(7)密封；磁敏感探頭夾持在微位移平臺(8)上，水平置于磁場發(fā)生器(9)中部，并通過單模光纖(2)與光譜儀(10)相連。

所述的第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)由柵區(qū)長度10mm～12mm，中心波長為1548nm～1552nm，光柵反射率大于85％，3dB帶寬小于0.25nm，邊模抑制比大于12dB的光纖光柵等分切割形成。

所述的第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)端面之間的間距為10μm～30μm。

所述的磁流體(6)的基液為H₂O，納米Fe₃O₄顆粒的平均半徑為10nm，濃度為1％。

所述的毛細(xì)石英玻璃管(5)的內(nèi)徑為127μm～150μm。

本實(shí)用新型的工作原理是：在沒有施加磁場的情況下，磁流體(6)中的納米磁性粒子隨機(jī)分布在基液中，無磁化強(qiáng)度；當(dāng)施加外部磁場時，納米磁性粒子團(tuán)聚形成許多相距一定距離的沿著磁場方向的磁鏈結(jié)構(gòu)，磁化強(qiáng)度增大，發(fā)生液相-柱相的相分離，導(dǎo)致了磁流體(6)有效介電常數(shù)的變化，進(jìn)而折射率發(fā)生變化。大量研究表明，磁流體(6)的折射率隨著磁化強(qiáng)度的增大而增大。此外，由于磁流體(6)的折射率還與入射光-磁場方向的夾角有關(guān)，微位移平臺(8)與磁場發(fā)生器(9)共同維持磁敏感探頭附近的磁場方向與光纖方向保持垂直。

光纖端面之間的間隙會在FBG的透射光譜中產(chǎn)生一個相移峰，在毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)填充磁流體(6)從而該相移峰波長隨著磁流體(6)折射率的變化發(fā)生漂移。進(jìn)一步地，從F-P干涉的角度分析透射光譜對磁流體(6)折射率變化的響應(yīng)。

自由光譜范圍(FSR)定義為F-P干涉最大可測量的波長范圍，決定了F-P諧振腔的分辨率。該新型非本征F-P諧振腔的FSR表示為

式中，λ為工作波長，n_MF為磁流體(6)的有效折射率，L₀為端面間隔距離，L_eff1，2分別為第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)中的F-P有效腔長。

在FBG的中心波長λ_Bragg處，第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)內(nèi)部的F-P有效腔長進(jìn)一步表示為

式中，n_eff為單模光纖的有效折射率，L為柵區(qū)長度。

當(dāng)該新型非本征F-P諧振腔兩光纖端面之間的磁流體(6)的折射率跟隨磁場強(qiáng)度發(fā)生改變時，同時改變了FSR，表現(xiàn)為透射光譜中相移峰波長發(fā)生漂移，可表示為

當(dāng)2Δn_MF(L₀+L_eff1+L_eff2)＜λ時，相移峰的漂移小于一個FSR的長度，可通過監(jiān)測峰值波長相對于FSR的漂移而解調(diào)出外部磁場強(qiáng)度信息。

由于磁流體(6)的折射率對磁場強(qiáng)度變化非常敏感，F(xiàn)-P諧振腔對腔內(nèi)折射率的分辨率極高，故可實(shí)現(xiàn)高精度的磁場強(qiáng)度傳感。

本實(shí)用新型的有益效果是：創(chuàng)新地通過將FBG等分切割重新軸向?qū)?zhǔn)并設(shè)置微米量級間隔的方法，制作出了對腔內(nèi)折射率變化高度敏感非本征F-P諧振腔，大幅提升了該新型光纖磁場傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性。同時，F(xiàn)-P諧振腔填充磁流體的方式簡單易行，磁流體的用量小，成本降低易于規(guī)模化生產(chǎn)。因此，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以靈活與光纖傳感系統(tǒng)復(fù)用。

附圖說明

圖1是一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器的特征裝置示意圖。

圖2是一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器中磁敏感探頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

參見附圖1，一種基于FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔和磁流體的磁場傳感器，其特征在于由寬帶光源(1)，單模光纖(2)，第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)，毛細(xì)石英玻璃管(5)，磁流體(6)，環(huán)氧樹脂(7)，微位移平臺(8)，磁場發(fā)生器(9)，光譜儀(10)組成；寬帶光源(1)通過單模光纖(2)與第一光纖光柵(3)左端相連；參見附圖2，第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)，毛細(xì)石英玻璃管(5)，磁流體(6)和環(huán)氧樹脂(7)共同構(gòu)成了磁敏感探頭，其中第一光纖光柵(3)右端與第二光纖光柵(4)左端軸向?qū)?zhǔn)后設(shè)置微米量級的間隔置于毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)形成非本征F-P諧振腔，毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)部填充磁流體(6)兩端通過環(huán)氧樹脂(7)密封；磁敏感探頭夾持在微位移平臺(8)上，水平置于磁場發(fā)生器(9)中部，并通過單模光纖(2)與光譜儀(10)相連。進(jìn)一步地，第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)由柵區(qū)長度10mm～12mm，中心波長為1548nm～1552nm，光柵反射率大于85％，3dB帶寬小于0.25nm，邊模抑制比大于12dB的光纖光柵等分切割形成，第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)端面之間的間距為10μm～30μm；磁流體(6)的基液為H₂O，納米Fe₃O₄顆粒的平均半徑為10nm，濃度為1％，毛細(xì)石英玻璃管(5)的內(nèi)徑為127μm～150μm。

FBG構(gòu)建非本征F-P諧振腔的過程是，用切割刀將FBG等分切割得到第一光纖光柵(3)和第二光纖光柵(4)，保證端面平整，用酒精清潔端面和毛細(xì)石英玻璃管(5)。在毛細(xì)石英玻璃管(5)一端滴上磁流體(6)，在毛細(xì)作用下磁流體(6)充滿整個管腔。將第一光纖光柵(3)，第二光纖光柵(4)夾持在微位移平臺(8)上，緩慢地將光纖分別插入到管口，并將光纖往毛細(xì)石英玻璃管(5)內(nèi)推進(jìn)。將裝置放置在顯微鏡下，調(diào)整焦距使光纖端面在圖像上能清晰分辨。用環(huán)氧樹脂(7)固定第一光纖光柵(3)，此時調(diào)節(jié)微位移平臺(8)緩慢移動第二光纖光柵(4)，利用光譜儀觀察透射光譜直至得到光纖F-P諧振腔輸出的類正弦干涉光譜。用環(huán)氧樹脂(7)固定第二光纖光柵(4)，完成非本征F-P諧振腔的制作。

本實(shí)用新型的工作原理是：在沒有施加磁場的情況下，磁流體(6)中的納米磁性粒子隨機(jī)分布在基液中，無磁化強(qiáng)度；當(dāng)施加外部磁場時，納米磁性粒子團(tuán)聚形成許多相距一定距離的沿著磁場方向的磁鏈結(jié)構(gòu)，磁化強(qiáng)度增大，發(fā)生液相-柱相的相分離，導(dǎo)致了磁流體(6)有效介電常數(shù)的變化，進(jìn)而折射率發(fā)生變化。因此，當(dāng)施加磁場的強(qiáng)度變化時，磁流體(6)折射率的變化導(dǎo)致該非本征F-P諧振腔自由光譜范圍的改變，表現(xiàn)為透射光譜中相移峰波長發(fā)生漂移，當(dāng)波長漂移小于一個FSR的長度時可通過監(jiān)測峰值波長相對于FSR的漂移而解調(diào)出外部磁場強(qiáng)度信息。由于磁流體(6)的折射率對磁場強(qiáng)度變化非常敏感，F(xiàn)-P諧振腔對腔內(nèi)折射率的分辨率極高，故可實(shí)現(xiàn)高精度的磁場強(qiáng)度傳感。綜上，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，可以靈活與光纖傳感系統(tǒng)復(fù)用。