磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器。

背景技术：

自然界及人类社会很多地方都存在磁场或存在与磁场相关的信息。磁场作为一种信息载体，人们一直在探索通过更加精确的方法将其中承载的信息采集转换和再现出来。早在东汉时期出现的司南及之后出现的罗盘被认为是最原始的一类磁场测量仪器。随着科技的进步，电磁效应，电磁感应，超导效应不断成熟和被应用，磁场传感技术也有了很大的发展。其中，磁场传感器就成为了信息技术及相关产业中不可或缺的基本原件。

目前,相对成熟的磁场测量方法有：电磁感应法、电磁效应法、磁力法、磁共振法等。已研制出的磁场传感器种类较多，并且有些已经被应用到科研、生产和社会生活等方面，但受限于测量精度、操作技术及设备成本的原因，很难大规模推广应用。

随着光纤传感技术的日益成熟，光纤磁场传感器发展迅速。这类传感器以光学信号作为载体，具有灵敏度高、绝缘性好、相应速度快、成本相对低廉等优点。现有光纤磁场传感器多数以基于磁流体或磁致伸缩材料的直通式结构为主，很少有关于基于磁性凝胶材料的环形衰荡式结构的报道。磁性凝胶的制作成本更低，同时对磁场变化具有很高的灵敏度。环形衰荡结构相比直通式结构具有更高的灵敏度。因此，有必要将二者结合，设计出灵敏度更高、稳定性更好的光纤磁场传感器。

技术实现要素：

本实用新型的实施实例提供了磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，是为了解决现有磁场传感器灵敏度低、稳定性差、成本过高、操作复杂的问题。

为达上述目的，本实用新型实施实例采用如下技术方案：

提供了一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，该磁场传感器包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；

脉冲信号发生系统（2），所述的脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2-1）、光强度调制器（2-2）、函数发生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2-2），光强度调制器（2-2）另两个端口分别与函数发生器（2-3）和一号耦合器（3-1）连接；

磁场感应系统（3），所述的磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3-1）、延迟光纤（3-2）、掺铒光纤放大器（3-3）、二号耦合器（3-4）、传感头（3-5），其中，一号耦合器（3-1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2-2）和传感头（3-5），另一侧与延迟光纤（3-2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3-2）相连，另一侧与二号耦合器（3-4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3-5）和光电转换器（4-1）；

信号处理系统（4），所述的信号处理系统（4）内包含光电转换器（4-1）、示波器（4-2）、计算机（4-3）、其中，示波器（4-2）的一侧连接光电转换器（4-1），另一侧连接计算机（4-3）；

传感头（3-5），所述的传感头（3-5）内包含磁性凝胶（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的输出波长为1550nm。

所述的函数发生器（2-3）发出的函数信号为脉冲信号，且脉宽为1μs。

所述的一号耦合器（3-1）的耦合比为50%：50%，二号耦合器（3-4）的耦合比为99.5%：0.5%，且二号耦合器（3-4）的0.5%的端口与传感头（3-5）连接，且一号耦合器（3-1）和二号耦合器（3-4）的插入损耗均为3dB。

所述的延迟光纤（3-2）长度为2km且为普通单模光纤。

所述的传感头（3-5）外壳为磁性不敏感材料，可对其内部进行固定和保护，传感头（3-5）内的光纤是经氢氟酸腐蚀掉部分包层的单模光纤，腐蚀深度为40μm，且传感头（3-5）的方向与磁场方向垂直。

所述的磁性凝胶（3-5-1）其基质为Fe₃O₄纳米颗粒，其颗粒直径为10nm，基液为聚硅氧烷和硅酸盐稳定剂，且基质能自由分散于基液中，且磁性凝胶（3-5-1）通过物理方法粘覆到腐蚀掉部分包层的单模光纤上。

所述的所有器件的链接处均采用熔融连接的方法。

本实用新型专利提供了一种磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，该光纤磁场传感器改善了现有磁场传感器灵敏度低、稳定性差、生产成本高、技术难度大的问题。

本实用新型的有益效果是：本实用新型针对当前磁场传感器灵敏度低、稳定性差、生产成本高、技术难度大的缺点，提出改进方案。通过氢氟酸腐蚀部分包层的单模光纤，形成腐蚀深度为40μm的微纳光纤，选用经硝酸处理过的Fe₃O₄纳米颗粒作为磁性敏感材料的基质，聚硅氧烷与硅酸盐的混合液作为磁性敏感材料的基质，形成磁凝胶。并将磁凝胶通过物理方法粘覆到微纳光纤处，形成磁凝胶填充的微纳光纤传感头。将该传感头与环形衰荡结构结合，形成一种灵敏度高、稳定性好、生产成本相对低廉、操作难度较低的光纤磁场传感器。当传感头置于磁场中时，磁凝胶的有效折射率发生变化。光信号经过微纳光纤处会产生倏逝波，倏逝波在磁凝胶中随其有效折射率的变化亦会发生变化。环形衰荡结构将强度调制转化为时间调制，它是一个强度的比值，只要系统的信噪比足够高，测量出的结果就不会因为光源的光强不稳定性受大的影响，从而保证了测量精度。同时，环形衰荡系统相对简单，成本低廉。

附图说明

图1为磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器的系统结构；

图2为脉冲信号发生系统；

图3为磁场感应系统；

图4为信号处理系统；

图5为传感头放大图。

具体实施方式

下面结合说明书附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。

如图1，本实施方式所述的磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器，它包括DFB光源（1）、脉冲信号发生系统（2）、磁场感应系统（3）、信号处理系统（4）；

如图2，脉冲信号发生系统（2）内包含有偏振光控制器（2-1）、光强度调制器（2-2）、函数发生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端连接DFB光源（1）另一端连接光强度调制器（2-2），光强度调制器（2-2）另两个端口分别与函数发生器（2-3）和一号耦合器（3-1）连接；

如图3，磁场感应系统（3）内包含一号耦合器（3-1）、延迟光纤（3-2）、掺铒光纤放大器（3-3）、二号耦合器（3-4）、传感头（3-5），其中，一号耦合器（3-1）一侧的两端口分别连接光强度调制器（2-2）和传感头（3-5），另一侧与延迟光纤（3-2）相连，掺铒光纤放大器一侧与延迟光纤（3-2）相连，另一侧与二号耦合器（3-4）相连，二号耦合器的另一侧两端口分别连接传感头（3-5）和光电转换器（4-1）；

如图4，信号处理系统（4）内包含光电转换器（4-1）、示波器（4-2）、计算机（4-3）、其中，示波器（4-2）的一侧连接光电转换器（4-1），另一侧连接计算机（4-3）；

所述的传感头（3-5）内包含磁性凝胶（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的输出波长为1550nm。

所述的函数发生器（2-3）发出的函数信号为脉冲信号，且脉宽为1μs。

所述的一号耦合器（3-1）的耦合比均为50%：50%，二号耦合器（3-4）的耦合比为99.5%：0.5%，且二号耦合器（3-4）的0.5%的端口均与传感头（3-5）连接，且一号耦合器（3-1）和二号耦合器（3-4）的插入损耗均为3dB。

所述的延迟光纤（3-2）长度为2km且为普通单模光纤。

所述的传感头（3-5）外壳为磁性不敏感材料，可对其内部进行固定和保护，传感头（3-5）内的光纤是经氢氟酸腐蚀掉部分包层的单模光纤，腐蚀深度为40μm，且传感头（3-5）的方向与磁场方向垂直。

所述的磁性凝胶（3-5-1）其基质为Fe₃O₄纳米颗粒，其颗粒直径为10nm，基液为聚硅氧烷和硅酸盐稳定剂，且基质能自由分散于基液中，且磁性凝胶（3-5-1）通过物理方法粘覆到腐蚀掉部分包层的单模光纤上。

所述的所有器件的链接处均采用熔融连接的方法。

在使用时，先按照附图说明将光路搭建完成，将传感头垂直于磁场方向放置。待光源输出信号稳定后即可进行测量。

工作原理：

磁凝胶填充微纳光纤传感头的环形衰荡磁场传感器：

工作过程：先将光路按光路图连接好，打开光源，将传感头垂直置于磁场中，待光源输出光信号稳定后开始测量。光信号经过偏振光控制器及强度调制器后，受函数发生器的作用，可产生脉冲信号。该脉冲光经一号耦合器到达磁场感应系统，该系统为光纤环形衰荡腔。环形衰荡腔的一号耦合器的耦合比为50%：50%，二号耦合器的耦合比为99.5%：0.5%。光信号每次经过传感头后的光都会有一定的损耗。随时间的增加，光强逐渐减弱，为指数衰减的关系，并且衰荡时间与磁场强弱有关。通过对磁场强度与衰荡时间拟合，发现二者具有良好的线性关系。这样就可以通过衰荡时间的测量间接对磁场强度进行测量。