基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器及制作方法与流程

本发明涉及光纤磁场传感器技术领域，特别是涉及一种基于纳米磁流体材料与光纤干涉仪相结合的光纤矢量磁场传感器及其制作方法。

背景技术：

磁场是自然界中最常见的物理矢量之一，在现代信息技术高速发展的今天，磁现象已经渗透到人们生产和生活的各个方面。磁场传感器作为现代传感器家族的重要组成部分，既可直接测量磁场，也可间接测量可转化为磁场的其他物理量，例如电流、位移、折射率等，目前已广泛应用于电力电网、导航定位、生物医学、航海航天、地质探矿、地球物理、军事工程等领域。

随着光纤传感技术的迅速发展，光纤磁场传感器以光为载体，光纤为媒介，利用磁敏材料磁光特性调制光信号的强度、相位、波长、偏振态等特征参量实现磁场的高精度传感，现已成为光纤传感技术领域的研究热点之一。纳米磁流体作为一种新型的磁性功能材料，既具有固体磁性材料的磁性，又具有液体的流动性。将纳米磁流体材料与光纤传感技术相结合，为光纤磁场传感器的研究注入了强大的新鲜活力。如2013年Yaofei Chen等(Optical fiber magnetic field sensor based on single-mode-multimode-single-mode structure and magnetic fluid，Optics Letters,2013,38(20):3999-4001.)利用磁流体包裹在单多单光纤结构外壁形成包层，实现高灵敏度磁场强度传感。Yinping Miao等(Low-temperature cross-talk magnetic-field sensor based on tapered all-solid waveguide-array fiber and magnetic fluids,Optics Letters,2015,40(16):3905-3908.)采用拉锥实心光子晶体光纤与磁流体涂覆方法，构成低温度交叉敏感的磁场强度传感器。相比于传统电子式磁场传感器，避免了庞大的电磁感应线圈等复杂结构，降低了复杂电磁环境对输出电信号干扰等不利因素，提高了对高温高湿等恶劣环境的适用性，有助于实现传感器的微型化、集成化、智能化和多功能化，可满足科学研究和工程应用对精确磁场强度探测的迫切需求。但是，目前国内外研究人员的研究焦点在于实现磁场强度的高灵敏度测量，而很少讨论磁场方向探测的问题。磁场作为常见的物理矢量，同时实现对磁场大小和方向的探测是磁场传感器技术未来的发展方向之一。

技术实现要素：

基于上述技术问题，本发明提出了一种基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器及其制作方法，采用纳米磁流体材料与光纤干涉仪相结合的方式，将磁场强度和方向对磁流体有效折射率的调制作用，通过倏逝场耦合转化为对光纤干涉仪输出光谱的调制，从而实现具有磁场强度和方向同时探测功能的光纤矢量磁场传感器的设计与制作。

本发明提出了一种基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器，该传感器包括光纤干涉仪和纳米磁流体材料4；所述光纤干涉仪由导入单模光纤1和导出单模光纤3以及两者之间偏心熔接的一段细芯光纤2构成；入射光7进入细芯光纤2之后分裂成偏心包层光模式8和芯层光模式9，并在导出单模光纤3的芯层相遇形成导出光10，产生马赫泽德干涉光谱信号；所述纳米磁流体材料4通过玻璃毛细管5和光学紫外胶6密封包裹在光纤干涉仪周围形成包层结构；在磁场作用下，与磁场方向相切的细芯光纤表面附近，铁磁性纳米粒子12汇集成高密度纳米粒子群14；与磁场方向垂直的细芯光纤表面附近，铁磁性纳米粒子12分散成低密度纳米粒子群13，形成所述铁磁性纳米粒子12在光纤干涉仪附近随磁场方向汇聚或分散；即细芯光纤端面11周围的铁磁性纳米粒子12沿磁场方向形成链状团簇结构，光纤干涉仪附近的铁磁性纳米粒子12呈现出非均匀分布特征，

使得在细芯光纤2中偏心包层光模式8附近，所述纳米磁流体材料4的有效折射率同时受到磁场强度和方向的调制；通过纳米磁流体材料4和偏心包层光模式8之间的倏逝场耦合作用，实现磁场强度和方向对偏心包层光模式8有效折射率的调制作用，从而使光纤干涉仪输出光谱信号受磁场矢量调制，构成光纤矢量磁场传感器。

所述铁磁性纳米粒子群的密度与磁场强度成正比，铁磁性纳米粒子群聚集或分散位置随磁场方向的变化而变化。

本发明的一种基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器的制作方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、制作光纤干涉仪：将导入单模光纤1与细芯光纤2偏心熔接；切割后细芯光纤2的长度保留20～40mm，两段光纤轴心偏移量为10～12μm，熔接机放电强度为-50bit，放电时间为1000ms；将导入单模光纤1另一端接入宽带光源20，并将细芯光纤2与导出单模光纤3在熔接机中对准，调整两者轴心偏移量，同时通过光谱仪21实时观察，直至导出单模光纤3输出的马赫泽德干涉光谱对比度达到20dB以上时，停止偏移的调整；将细芯光纤2与导出单模光纤3熔接；至此，光纤干涉仪制作完成；

步骤2、纳米磁流体材料包覆：将两端张紧的光纤干涉仪外部套入一个长度为30～50mm，外径为600～1000μm，内径为250～500μm的玻璃毛细管5；然后，利用毛细现象，将纳米磁流体材料4填充到玻璃毛细管5之中；最后，采用光学紫外胶6将玻璃毛细管5两端密封，防止纳米磁流体材料4溢出或者蒸发；至此，光纤矢量磁场传感器制作完成。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的积极效果：

1、本发明提出的传感器结构将光纤马赫泽德干涉仪与纳米磁流体材料相结合，利用纳米磁流体材料的磁光效应，通过磁流体与光信号的倏逝场耦合作用，达到磁场对干涉光谱信号的高灵敏度调制目的，实现高灵敏度磁场传感测量；

2、本发明提出了的传感器传感过程中，光纤干涉仪周围所包覆磁流体受磁场调制而呈现非均匀团簇分布的特点，引起光信号周围非均匀分布的磁流体有效折射率同时受磁场强度和方向调制，从而实现传感器对磁场强度和方向同时探测的矢量传感功能。

附图说明

图1是本发明的基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器结构示意图；

图2是本发明中光纤干涉仪周围磁致非均匀团簇纳米磁流体的显微照片，其中：(2a)、磁场沿水平方向，(2b)、磁场沿垂直方向；

图3是本发明中不同方向非均匀团簇纳米磁流体对光纤内部同心光波场与偏心光波场有效折射率影响的对比示意图，其中：(3a)和(3d)分别为水平磁场下的同心光波场和偏心光波场；(3b)和(3e)分别为倾斜磁场下的同心光波场和偏心光波场；(3c)和(3f)分别为垂直磁场下的同心光波场和偏心光波场；

图4是本发明的基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器的磁场矢量测试装置示意图；

图5是本发明中不同磁场强度和方向下的干涉光谱曲线；

图6是本发明中干涉光谱曲线随磁场方向漂移，(6a)磁场方向0°到90°的光谱漂移；(6b)磁场方向90°到180°的光谱漂移；

图7是本发明中0°到360°范围内光谱峰值漂移轨迹曲线；

附图标记为：1、导入单模光纤，2、细芯光纤，3、导出单模光纤，4、纳米磁流体材料，5、玻璃毛细管，6、光学紫外胶，7、入射光，8、偏心包层光波模式，9、芯层光波模式，10、导出光，11、光纤端面，12、铁磁性纳米粒子(组成纳米磁流体材料的物质)，13、低密度纳米粒子群，14、高密度纳米粒子群，15、水平磁场，16、垂直磁场，17、倾斜磁场，18、同心光波场，19、偏心光波场，20、宽带光源，21、光谱仪，22、高斯计，23、磁场矢量调节支架，24、永磁铁，25、光纤矢量磁场传感器，26、电子式磁头，27、磁场线示意图，28、零磁场下干涉光谱，29、90°磁场方向30mT磁场强度下干涉光谱，30、0°磁场方向30mT磁场强度下干涉光谱，31、传感器干涉光谱曲线，32、传感器干涉光谱峰值，33、20mT磁场下光谱峰值漂移轨迹，34、14mT磁场下光谱峰值漂移轨迹，35、10mT磁场下光谱峰值漂移轨迹。

具体实施方式

本发明的光纤矢量磁场传感器具有集磁场强度和方向同时测量于一体的优点。将光纤干涉仪与纳米磁流体材料相结合，利用光纤干涉仪周围磁流体有效折射率受磁场强度和方向同时调制的特点，通过磁流体与光纤干涉臂光信号倏逝场耦合作用，使干涉光谱对磁场强度和方向同时具有敏感性，实现磁场矢量传感。

以下结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。

基于磁流体非均匀团簇的光纤传感器的磁场矢量传感原理：

如图1所示，本发明的基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器结构由光纤干涉仪和纳米磁流体材料4两个核心部件构成，玻璃毛细管5与光学紫外胶6将纳米磁流体材料4密封在光纤干涉仪周围防止其泄露与蒸发。光纤干涉仪由三段光纤偏心熔接而成，细芯光纤2与导入单模光纤1和导出单模光纤3手动设置10～12μm的轴心偏移量。入射光7达到细芯光纤2之后分裂成两束光，即偏心包层光波模式8和芯层光波模式9，两者相遇后形成导出光10，且因两者存在一定的相位差而产生马赫泽德干涉条纹。由于偏心包层光波模式8与周围纳米磁流体材料4直接接触，那么通过倏逝场耦合作用，使光波场的有效折射率受到其周围纳米磁流体材料有效折射率的调制，从而影响干涉光谱信号，实现磁场的传感。因此，传感器性能依赖于光波模场附近的磁流体磁光特性。如图(2a)所示，在磁场作用下，磁流体中的铁磁性纳米粒子12形成链状团簇结构，且在光纤表面附近呈现非均匀团簇分布特征。在与磁场方向相切的光纤表面附近，铁磁性纳米粒子12汇集成高密度纳米粒子群14；与磁场方向垂直的光纤表面附近，铁磁性纳米粒子12分散成低密度纳米粒子群13。纳米粒子群密度与磁场强度成具有对应关系，且随着磁场方向的变化，铁磁性纳米粒子群聚集或分散的位置也随之发生相应的变化，如图(2b)所示。

光纤内部光波场的有效折射率受到光纤表面附近磁流体分布密度的影响。如图3所示，当光纤内部光波场是一种同心光波场18时，虽然其附近铁磁性纳米粒子12密度分布位置随磁场方向而变化，但其有效折射率保持不变，因此，该类型结构对磁场方向不敏感，如图(3a)、(3b)和(3c)所示。相比较而言，当光纤内部光波场是一种偏心光波场19时，其附近铁磁性纳米粒子12的密度明显随磁场方向的变化而变化，如图(3d)、(3e)和(3f)所示。那么偏心光波场19的有效折射率将受到磁场方向的调制。同时，磁场强度又直接影响着铁磁性纳米粒子12的密度大小。综上所述，本发明中通过在光纤干涉仪中构造偏心包层光波模式8，利用偏心包层光波模式8附近非均匀团簇的磁流体有效折射率同时受磁场强度和方向调制的特点，通过倏逝场耦合作用，使干涉光谱对矢量磁场具有敏感性，实现对磁场强度和方向的同时探测。

基于磁流体非均匀团簇的光纤矢量磁场传感器的磁场矢量测试：

如图4所示，为光纤磁场传感器的磁场矢量测试系统装置示意图，宽带光源20发出的光经过光纤矢量磁场传感器25产生干涉光谱，再由光谱仪21接收。光纤矢量磁场传感器25固定在磁场矢量调节支架23上，由一对永磁铁24产生一个匀强磁场，光纤矢量磁场传感器25置于磁感线27中心位置附近，并利用电子式磁头26实时监测磁场强度，并通过高斯计22读取磁场强度大小。分别通过调节一对永磁铁24之间的距离和旋转磁场矢量调节支架23，实现对光纤矢量磁场传感器25附近磁场强度和方向的精确控制。在不同磁场强度和磁场方向下，光谱仪21接收的光纤矢量磁场传感器25输出干涉光谱如图5所示，看到干涉光谱曲线对磁场强度和方向具有明显的响应，表明本发明传感器对磁场矢量传感是完全可行的。

当保持磁场强度20mT不变，旋转永磁铁24的方向，传感器干涉光谱曲线31随着磁场方向的变化而变化。在磁场方向从0°旋转到90°的过程中，传感器干涉光谱峰值32逐步往长波长方向漂移，如图(6a)所示；继续保持磁场方向旋转，从90°到180°的过程中，传感器干涉光谱峰值32逐步往短波长方向漂移，当磁场方向达到180°时，传感器干涉光谱曲线31回到0°所在的起点位置，如图(6b)所示。因为磁场方向为0°和180°为相同的方向，所以干涉光谱曲线会重合。当磁场方向继续从180°旋转到360°，同时记录传感器干涉光谱峰值32的漂移轨迹，得到一个具有极性的“8”字形曲线，如图7所示。分别改变磁场强度为14mT和10mT后，再次旋转磁场方向从0°到360°，并记录传感器干涉光谱峰值32的漂移轨迹，得到相似的“8”字形轨迹曲线，不过，曲线漂移幅值发生了与磁场强度相应的变化。因此，通过探测峰值漂移轨迹的极性方向和波长漂移幅值，即实现对磁场方向和强度的传感测量。