[實(shí)用新型]一種基于高摻鍺光纖探頭的磁場(chǎng)和溫度同時(shí)測(cè)量裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201721263281.5
• 申請(qǐng)日: 2017-09-29
• 公開（公告）號(hào): CN207180765U
• 公開（公告）日: 2018-04-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 包立峰;董新永
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): G01D21/02
• 分類號(hào): G01D21/02;G01D5/353
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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(chǎng)傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于高摻鍺光纖探頭的磁場(chǎng)和溫度同時(shí)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)

光纖磁場(chǎng)傳感技術(shù)主要致力于弱磁性目標(biāo)探測(cè)，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(chǎng)傳感器可分為懸臂梁-光纖光柵結(jié)構(gòu)的磁場(chǎng)傳感器，基于磁致伸縮材料的光纖磁場(chǎng)傳感器和基于磁流體的光纖磁場(chǎng)傳感器等不同類型。

磁流體(Magnetic Fluids)是納米磁性微粒在表面活性劑包裹下均勻彌散在載液中所形成的一種穩(wěn)定的膠體溶液。當(dāng)光入射到在外磁場(chǎng)作用下的磁流體薄膜上，磁流體的光學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而引起出射光波傳輸特性的變化，產(chǎn)生磁場(chǎng)調(diào)制的雙折射效應(yīng)、折射率可控性和熱透鏡效應(yīng)等。

由于外界磁場(chǎng)可以引發(fā)磁流體折射率的變化，同時(shí)該變化也受到磁性顆粒、濃度和厚度的影響，因此，適當(dāng)?shù)剡x擇這些參數(shù)，就可以達(dá)到滿足不同測(cè)量條件的高精度、高靈敏的測(cè)量結(jié)果。目前，基于磁流體折射率可控特性的光學(xué)傳感原理及應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外都是一個(gè)熱門的研究課題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)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高摻鍺光纖探頭的磁場(chǎng)和溫度同時(shí)測(cè)量裝置。創(chuàng)新地將極短長(zhǎng)度的高摻鍺光纖熔接在單模光纖之間，并在高摻鍺光纖上直接刻寫光纖光柵，進(jìn)一步對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行化學(xué)腐蝕增敏，利用M-Z干涉光譜與光纖光柵對(duì)磁場(chǎng)和溫度不同的響應(yīng)直接實(shí)現(xiàn)了雙參數(shù)的同時(shí)測(cè)量。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，探頭體積小巧，靈敏度高，是一種較優(yōu)的實(shí)現(xiàn)分布式磁場(chǎng)“點(diǎn)”測(cè)量的設(shè)計(jì)方案。

本實(shí)用新型通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于高摻鍺光纖探頭的磁場(chǎng)和溫度同時(shí)測(cè)量裝置由寬帶光源（1），入射光纖（2），高摻鍺光纖（3），出射光纖（4），光纖光譜儀（5），高摻鍺光纖光柵（6），錐區(qū)（7），磁流體（8），石英毛細(xì)管（9），UV膠（10），磁場(chǎng)發(fā)生器（11）和溫度控制箱（12）組成；寬帶光源（1）與入射光纖（2）的左端連接；入射光纖（2），高摻鍺光纖（3）和出射光纖（4）依次熔接，出射光纖（4）的右端與光纖光譜儀（5）連接；高摻鍺光纖（3）經(jīng)倍頻氬離子激光刻寫形成高摻鍺光纖光柵（6），再經(jīng)化學(xué)腐蝕形成錐區(qū)（7），水平置于填充磁流體（8）的石英毛細(xì)管（9）的軸心處；石英毛細(xì)管（9）的兩端用UV膠（10）密封，水平置于磁場(chǎng)發(fā)生器（11）的中部和溫度控制箱（12）內(nèi)。

所述的高摻鍺光纖（3）的長(zhǎng)度為1.5mm~4mm，纖芯直徑為3μm，纖芯內(nèi)GeO₂的摻雜濃度為98%，入射光纖（2）和出射光纖（4）的纖芯直徑為9μm。

所述的高摻鍺光纖光柵（6）的Bragg波長(zhǎng)為1548nm~1552nm，透射峰強(qiáng)度為10dB~15dB。

所述的錐區(qū)（7）的直徑為30μm~60μm。

所述的磁流體（8）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：入射光在經(jīng)過入射光纖（2）和高摻鍺光纖（3）的熔接點(diǎn)時(shí)，由于纖芯失配改變了光場(chǎng)耦合條件，部分光會(huì)被耦合到高摻鍺光纖（3）的包層中，激發(fā)出在包層中傳播的包層模，另一部分光作為纖芯模繼續(xù)沿纖芯向前傳播；在高摻鍺光纖（3）和出射光纖（4）的熔接點(diǎn)再次發(fā)生模式耦合，部分包層模會(huì)被重新耦合到出射光纖（4）的纖芯中，從而與纖芯模形成M-Z干涉。包層模和纖芯模的相位差如下式所示：

（1）

其中，n_eff^m為纖芯模和第m階包層模的有效折射率之差，λ為入射光波長(zhǎng)，L為高摻鍺光纖（3）的長(zhǎng)度。

M-Z干涉光譜的強(qiáng)度可表示為：

（2）

其中，I_co和I_cl分別表示纖芯模和包層模的光強(qiáng)度。

可見，當(dāng)光纖表面磁流體（8）的折射率跟隨外界磁場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而影響包層模的有效折射率和兩個(gè)模式之間的相位差，產(chǎn)生了干涉光譜強(qiáng)度和波長(zhǎng)的漂移，該信息被光纖光譜儀（12）接收和解調(diào)。由于磁流體（8）微量的折射率變化，就能引起較大的相位差改變，因此能夠獲得較高的靈敏度。

包層的厚度越小磁流體（8）與包層模之間的相互作用就越強(qiáng)烈，因此將高摻鍺光纖（3）進(jìn)行腐蝕獲得直徑更小的錐區(qū)（7），能夠提升該結(jié)構(gòu)對(duì)磁流體（8）折射率變化的響應(yīng)，由此實(shí)現(xiàn)了光纖磁場(chǎng)傳感。