[實(shí)用新型]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

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201621488040.6
• 申請日: 2016-12-27
• 公開（公告）號: CN206362915U
• 公開（公告）日: 2017-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 包立峰;楊晶;劉昭鑫;董新永
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計量大學(xué)
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 暫無信息
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技術(shù)領(lǐng)域

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。

發(fā)明內(nèi)容

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