[發明專利]一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910018720.3
• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109709498B
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 喬學光;張軍英;王若暉
• 申請（專利權）人: 西北大學
• 主分類號: G01R33/032
• 分類號: G01R33/032
• 代理公司: 西安西達專利代理有限責任公司 61202
• 代理人: 劉華

一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器及其制備方法，光纖干涉儀由導入和導出單模光纖以及兩者之間錐形兩模光纖構成，為了增強兩模光纖中LP₀₁和LP₁₁模式的干涉強度，利用飛秒激光聚焦在錐形兩模光纖腰徑處的包層形成折射率調制區。由于傳感器相對于光纖軸的位置不對稱性，折射率調制區同時提供了明顯的方向性依賴。對于納米磁性材料，利用了磁場對其折射率的可調諧性。通過磁性材料和不對稱錐形兩模光纖之間倏逝場的耦合作用，實現磁場對LP₀₁和LP₁₁模式的有效折射率的調制作用，從而使光纖干涉儀輸出的光譜信號受磁場矢量調制，構成光纖矢量磁場傳感器。本發明為全光纖磁場傳感器，傳輸損耗低，穩定性較高，可實現高靈敏度磁場矢量傳感測量。

技術領域

本發明涉及光纖磁場傳感器技術領域，具體涉及一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器及其制備方法。

背景技術

磁場是一種看不見、摸不到的特殊物質，廣泛存在于大自然中。在現代科學技術和人類生活中，磁場的測量具有重要意義，特別是在電力電網、導航定位、生物醫學、航海航天、地質探礦、地球物理、軍事工程等領域。磁場傳感器是獲取磁場信息的核心器件。既可直接測量磁場，也可間接測量可轉化為磁場的其他物理量，例如電流、位移、折射率等。傳統的電類磁場測量系統通常使用有源金屬探頭，主要缺點：結構復雜、體積相對較大、易受電磁信號的干擾、無法適用于高溫高壓等惡劣環境。因此傳統電類磁場傳感器不能滿足磁場探測中的精確度以及泛用的需求。

針對電類傳感器的缺點所在，光纖磁場傳感器其突出的優勢，在磁場檢測方面給出了較好的解決方案。隨著光纖傳感技術的迅速發展，光纖磁場傳感器以光纖為媒介，利用磁敏材料磁光特性調制光信號的強度、相位、波長等特征參量實現磁場的高精度傳感。磁流體是一種新型的磁敏功能材料，將其與光纖傳感技術相結合，實現了磁場強度的高靈敏度測量。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明的目的是提供一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器及其制備方法，結合飛秒激光微加工技術，采用拉錐兩模光纖與磁流體涂覆方法，構成高靈敏的矢量磁場強度傳感器。此結構既具有常規光纖磁場傳感器易復用、穩定性高、耐腐蝕等特性，又具有干涉結構高靈敏度的優勢。同時利用傳感器相對于光纖軸的位置不對稱性，折射率調制區提供的明顯的方向性依賴，實現了對磁場方向的測量。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：

一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器，包括玻璃毛細管，玻璃毛細管套入光纖干涉儀，光纖干涉儀中段為錐狀型區，錐狀型區中線對應玻璃毛細管中線，玻璃毛細管內填充納米磁流體材料，玻璃毛細管兩端由光學紫外膠密封。

所述的光纖干涉儀兩模光纖兩端分別與輸入單模光纖、輸出單模光纖無偏芯熔接，并通過火焰拉錐。

所述的納米磁流體材料為水基磁流體。

所述的光學紫外膠為UV-6183。

一種磁流體包覆的全光纖矢量磁場傳感器制作方法，包括以下步驟：

1）制作光纖干涉儀：

使用FSP-80s熔接機將兩模光纖兩端分別與輸入單模光纖、輸出單模光纖無偏芯熔接，并通過火焰拉錐對兩模光纖段進行拉錐形成錐區長度為16mm、腰徑為14μm的微納光纖；將光纖臨時固定在載玻片上移到飛秒微加工平臺，將激光聚焦在錐形兩模光纖腰徑處的包層處刻出長度為100μm的折射率調制區，至此，光纖干涉儀制作完成；

3）納米磁流體材料包覆：

將兩端拉緊的光纖干涉儀外部套入一個長度為80mm，內徑為500μm的玻璃毛細管；利用毛細現象，將納米磁流體材料填充到玻璃毛細管之中；最后，采用光學紫外膠將玻璃毛細管兩端密封，防止納米磁流體材料溢出或者蒸發；至此，光纖矢量磁場傳感器制作完成。

本發明的有益效果是：