本實(shí)用新型涉及光纖磁場傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器。

背景技術(shù)：

自然界及人類社會很多地方都存在磁場或存在與磁場相關(guān)的信息。磁場作為一種信息載體，人們一直在探索通過更加精確的方法將其中承載的信息采集轉(zhuǎn)換和再現(xiàn)出來。早在東漢時期出現(xiàn)的司南及之后出現(xiàn)的羅盤被認(rèn)為是最原始的一類磁場測量儀器。隨著科技的進(jìn)步，電磁效應(yīng)，電磁感應(yīng)，超導(dǎo)效應(yīng)不斷成熟和被應(yīng)用，磁場傳感技術(shù)也有了很大的發(fā)展。其中，磁場傳感器就成為了信息技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)中不可或缺的基本原件。

目前,相對成熟的磁場測量方法有：電磁感應(yīng)法、電磁效應(yīng)法、磁力法、磁共振法等。已研制出的磁場傳感器種類較多，并且有些已經(jīng)被應(yīng)用到科研、生產(chǎn)和社會生活等方面，但受限于測量精度、操作技術(shù)及設(shè)備成本的原因，很難大規(guī)模推廣應(yīng)用。

隨著光纖傳感技術(shù)的日益成熟，光纖磁場傳感器發(fā)展迅速。這類傳感器以光學(xué)信號作為載體，具有靈敏度高、絕緣性好、相應(yīng)速度快、成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有光纖磁場傳感器多數(shù)以基于磁流體或磁致伸縮材料的直通式結(jié)構(gòu)為主，很少有關(guān)于基于磁性凝膠材料的環(huán)形衰蕩式結(jié)構(gòu)的報道。磁性凝膠的制作成本更低，同時對磁場變化具有很高的靈敏度。環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)相比直通式結(jié)構(gòu)具有更高的靈敏度。因此，有必要將二者結(jié)合，設(shè)計(jì)出靈敏度更高、穩(wěn)定性更好的光纖磁場傳感器。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的實(shí)施實(shí)例提供了磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，是為了解決現(xiàn)有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、成本過高、操作復(fù)雜的問題。

為達(dá)上述目的，本實(shí)用新型實(shí)施實(shí)例采用如下技術(shù)方案：

提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，該磁場傳感器包括DFB光源（1）、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）、磁場感應(yīng)系統(tǒng)（3）、信號處理系統(tǒng)（4）；

脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2），所述的脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）內(nèi)包含有偏振光控制器（2-1）、光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）、函數(shù)發(fā)生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端連接DFB光源（1）另一端連接光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2），光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）另兩個端口分別與函數(shù)發(fā)生器（2-3）和一號耦合器（3-1）連接；

磁場感應(yīng)系統(tǒng)（3），所述的磁場感應(yīng)系統(tǒng)（3）內(nèi)包含一號耦合器（3-1）、延遲光纖（3-2）、摻鉺光纖放大器（3-3）、二號耦合器（3-4）、傳感頭（3-5），其中，一號耦合器（3-1）一側(cè)的兩端口分別連接光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）和傳感頭（3-5），另一側(cè)與延遲光纖（3-2）相連，摻鉺光纖放大器一側(cè)與延遲光纖（3-2）相連，另一側(cè)與二號耦合器（3-4）相連，二號耦合器的另一側(cè)兩端口分別連接傳感頭（3-5）和光電轉(zhuǎn)換器（4-1）；

信號處理系統(tǒng)（4），所述的信號處理系統(tǒng)（4）內(nèi)包含光電轉(zhuǎn)換器（4-1）、示波器（4-2）、計(jì)算機(jī)（4-3）、其中，示波器（4-2）的一側(cè)連接光電轉(zhuǎn)換器（4-1），另一側(cè)連接計(jì)算機(jī)（4-3）；

傳感頭（3-5），所述的傳感頭（3-5）內(nèi)包含磁性凝膠（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的輸出波長為1550nm。

所述的函數(shù)發(fā)生器（2-3）發(fā)出的函數(shù)信號為脈沖信號，且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器（3-1）的耦合比為50%：50%，二號耦合器（3-4）的耦合比為99.5%：0.5%，且二號耦合器（3-4）的0.5%的端口與傳感頭（3-5）連接，且一號耦合器（3-1）和二號耦合器（3-4）的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖（3-2）長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭（3-5）外殼為磁性不敏感材料，可對其內(nèi)部進(jìn)行固定和保護(hù)，傳感頭（3-5）內(nèi)的光纖是經(jīng)氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖，腐蝕深度為40μm，且傳感頭（3-5）的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠（3-5-1）其基質(zhì)為Fe₃O₄納米顆粒，其顆粒直徑為10nm，基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑，且基質(zhì)能自由分散于基液中，且磁性凝膠（3-5-1）通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

本實(shí)用新型專利提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，該光纖磁場傳感器改善了現(xiàn)有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、技術(shù)難度大的問題。

本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型針對當(dāng)前磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)成本高、技術(shù)難度大的缺點(diǎn)，提出改進(jìn)方案。通過氫氟酸腐蝕部分包層的單模光纖，形成腐蝕深度為40μm的微納光纖，選用經(jīng)硝酸處理過的Fe₃O₄納米顆粒作為磁性敏感材料的基質(zhì)，聚硅氧烷與硅酸鹽的混合液作為磁性敏感材料的基質(zhì)，形成磁凝膠。并將磁凝膠通過物理方法粘覆到微納光纖處，形成磁凝膠填充的微納光纖傳感頭。將該傳感頭與環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)結(jié)合，形成一種靈敏度高、穩(wěn)定性好、生產(chǎn)成本相對低廉、操作難度較低的光纖磁場傳感器。當(dāng)傳感頭置于磁場中時，磁凝膠的有效折射率發(fā)生變化。光信號經(jīng)過微納光纖處會產(chǎn)生倏逝波，倏逝波在磁凝膠中隨其有效折射率的變化亦會發(fā)生變化。環(huán)形衰蕩結(jié)構(gòu)將強(qiáng)度調(diào)制轉(zhuǎn)化為時間調(diào)制，它是一個強(qiáng)度的比值，只要系統(tǒng)的信噪比足夠高，測量出的結(jié)果就不會因?yàn)楣庠吹墓鈴?qiáng)不穩(wěn)定性受大的影響，從而保證了測量精度。同時，環(huán)形衰蕩系統(tǒng)相對簡單，成本低廉。

附圖說明

圖1為磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；

圖2為脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)；

圖3為磁場感應(yīng)系統(tǒng)；

圖4為信號處理系統(tǒng)；

圖5為傳感頭放大圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式。

如圖1，本實(shí)施方式所述的磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，它包括DFB光源（1）、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）、磁場感應(yīng)系統(tǒng)（3）、信號處理系統(tǒng)（4）；

如圖2，脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）內(nèi)包含有偏振光控制器（2-1）、光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）、函數(shù)發(fā)生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端連接DFB光源（1）另一端連接光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2），光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）另兩個端口分別與函數(shù)發(fā)生器（2-3）和一號耦合器（3-1）連接；

如圖3，磁場感應(yīng)系統(tǒng)（3）內(nèi)包含一號耦合器（3-1）、延遲光纖（3-2）、摻鉺光纖放大器（3-3）、二號耦合器（3-4）、傳感頭（3-5），其中，一號耦合器（3-1）一側(cè)的兩端口分別連接光強(qiáng)度調(diào)制器（2-2）和傳感頭（3-5），另一側(cè)與延遲光纖（3-2）相連，摻鉺光纖放大器一側(cè)與延遲光纖（3-2）相連，另一側(cè)與二號耦合器（3-4）相連，二號耦合器的另一側(cè)兩端口分別連接傳感頭（3-5）和光電轉(zhuǎn)換器（4-1）；

如圖4，信號處理系統(tǒng)（4）內(nèi)包含光電轉(zhuǎn)換器（4-1）、示波器（4-2）、計(jì)算機(jī)（4-3）、其中，示波器（4-2）的一側(cè)連接光電轉(zhuǎn)換器（4-1），另一側(cè)連接計(jì)算機(jī)（4-3）；

所述的傳感頭（3-5）內(nèi)包含磁性凝膠（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的輸出波長為1550nm。

所述的函數(shù)發(fā)生器（2-3）發(fā)出的函數(shù)信號為脈沖信號，且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器（3-1）的耦合比均為50%：50%，二號耦合器（3-4）的耦合比為99.5%：0.5%，且二號耦合器（3-4）的0.5%的端口均與傳感頭（3-5）連接，且一號耦合器（3-1）和二號耦合器（3-4）的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖（3-2）長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭（3-5）外殼為磁性不敏感材料，可對其內(nèi)部進(jìn)行固定和保護(hù)，傳感頭（3-5）內(nèi)的光纖是經(jīng)氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖，腐蝕深度為40μm，且傳感頭（3-5）的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠（3-5-1）其基質(zhì)為Fe₃O₄納米顆粒，其顆粒直徑為10nm，基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑，且基質(zhì)能自由分散于基液中，且磁性凝膠（3-5-1）通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

在使用時，先按照附圖說明將光路搭建完成，將傳感頭垂直于磁場方向放置。待光源輸出信號穩(wěn)定后即可進(jìn)行測量。

工作原理：

磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器：

工作過程：先將光路按光路圖連接好，打開光源，將傳感頭垂直置于磁場中，待光源輸出光信號穩(wěn)定后開始測量。光信號經(jīng)過偏振光控制器及強(qiáng)度調(diào)制器后，受函數(shù)發(fā)生器的作用，可產(chǎn)生脈沖信號。該脈沖光經(jīng)一號耦合器到達(dá)磁場感應(yīng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)為光纖環(huán)形衰蕩腔。環(huán)形衰蕩腔的一號耦合器的耦合比為50%：50%，二號耦合器的耦合比為99.5%：0.5%。光信號每次經(jīng)過傳感頭后的光都會有一定的損耗。隨時間的增加，光強(qiáng)逐漸減弱，為指數(shù)衰減的關(guān)系，并且衰蕩時間與磁場強(qiáng)弱有關(guān)。通過對磁場強(qiáng)度與衰蕩時間擬合，發(fā)現(xiàn)二者具有良好的線性關(guān)系。這樣就可以通過衰蕩時間的測量間接對磁場強(qiáng)度進(jìn)行測量。