[實(shí)用新型]一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器

有效

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• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN206584028U
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包立峰;楊晶;劉昭鑫;劉益民;尚詩嫣;董新永
• 申請（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
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• 代理人: 暫無信息

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，具體涉及一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆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。

表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)現(xiàn)象是金屬和電介質(zhì)分界處入射光場在滿足能量與動量匹配的條件下，激發(fā)金屬表面自由電子形成表面等離子體波的一種物理光學(xué)現(xiàn)象。SPR傳感技術(shù)在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測、環(huán)境監(jiān)測以及法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。

傾斜光纖光柵(tilted fiber Bragg grating，TFBG)能夠反射一部分光場進(jìn)入包層，在TFBG表面鍍上活性金屬薄膜(如Au，Ag等)以后，包層模以不同角度入射到包層與金屬膜的分界面，滿足表面等離子共振條件而激勵(lì)表面等離子體波。這種方式不像傳統(tǒng)的衰減全反射(如Kretschrnann棱鏡結(jié)構(gòu))需要改變光場的入射方向，也降低了對包層厚度的控制要求。

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鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器。創(chuàng)新地將蝶形錐與鍍銀傾斜光纖光柵級聯(lián)，外磁場調(diào)諧磁流體的折射率引起表面等離子共振條件改變，反射譜中的共振峰發(fā)生漂移，由此構(gòu)成一種結(jié)構(gòu)新穎的高靈敏度光纖磁場傳感器。該設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，實(shí)時(shí)，快速的突出優(yōu)點(diǎn)，是一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于鍍銀傾斜光纖光柵包覆磁流體的磁場傳感器，其特征在于：由寬帶光源(1)，偏振控制器(2)，光纖環(huán)行器(3)，單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)，銀膜(7)，毛細(xì)管(8)，磁流體(9)，環(huán)氧樹脂(10)，磁場發(fā)生器(11)和光纖光譜儀(12)組成；寬帶光源(1)通過偏振控制器(2)與光纖環(huán)行器(3)的a端口相連，光纖環(huán)行器(3)的b端口與單模光纖(4)的左端相連；單模光纖(4)，蝶形錐(5)，傾斜光纖光柵(6)依次連接，傾斜光纖光柵(6)包層外均勻鍍有銀膜(7)，一起置于毛細(xì)管(8)的軸心處；毛細(xì)管(8)內(nèi)部填充磁流體(9)，兩端用環(huán)氧樹脂(10)密封，置于磁場發(fā)生器(11)的中部；光纖環(huán)行器(3)的c端口與光纖光譜儀(12)相連。

所述的蝶形錐(5)的錐區(qū)直徑為70μm～80μm，錐區(qū)長度為90μm～95μm，球形纖芯半徑為20μm～25μm。

所述的傾斜光纖光柵(6)的有效傾斜角度為10°～12°，柵區(qū)長度為10mm～12mm，柵區(qū)前端與蝶形錐(5)中心的距離為5mm～10mm。

所述的銀膜(7)的膜厚為50nm～60nm，鍍膜長度為30mm～80mm。

所述的磁流體(9)的密度為1.8g/cc，飽和磁化強(qiáng)度為220Gauss，納米磁性顆粒的平均直徑為10nm。

本實(shí)用新型的工作原理是：寬帶光源(1)經(jīng)過偏振控制器(2)產(chǎn)生一束偏振光從光纖環(huán)行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，經(jīng)單模光纖(4)和蝶形錐(5)進(jìn)入傾斜光纖光柵(6)。傾斜光纖光柵(6)中傾斜的柵面改變了光場耦合條件，在包層內(nèi)激勵(lì)出一系列與波長有關(guān)的包層模發(fā)生反向傳輸。在傾斜光纖光柵(6)的表面均勻鍍上一定厚度的銀膜(7)，以不同角度入射到包層-銀膜(7)分界面的包層模滿足耦合表面等離子的能量與動量匹配條件，其倏逝波激發(fā)銀膜(7)表面自由電子產(chǎn)生表面等離子共振。包層模進(jìn)一步被蝶形錐(5)回收，經(jīng)單模光纖(4)返回光纖環(huán)行器(3)的b端口，從c端口被光纖光譜儀(12)接收和解調(diào)。當(dāng)磁流體(9)的折射率跟隨外界磁場強(qiáng)度發(fā)生變化，引起表面等離子共振條件改變，反射譜中的共振峰峰值波長發(fā)生漂移，監(jiān)測波長漂移量解調(diào)出外界磁場強(qiáng)度信息。

利用毛細(xì)管(8)將磁流體(9)包覆在光纖表面，環(huán)氧樹脂(10)起到密封作用。磁場發(fā)生器(11)用于產(chǎn)生恒定的磁場并實(shí)時(shí)讀取強(qiáng)度數(shù)值以進(jìn)行標(biāo)定。

傾斜光纖光柵(6)的傾斜角度和有效光柵周期決定相位匹配條件，Bragg模和各階包層模滿足的相位匹配條件分別為

λ_Bragg＝2n_eff，core*Λ/cos(θ)(1)

Λ＝Λ_T*cos(θ)(3)