一种基于FBG构建非本征F‑P谐振腔和磁流体的磁场传感器的制作方法

本实用新型属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器。

背景技术：

光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型，近年来引起了广泛的关注和研究。

磁流体(Magnetic fluids)是由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成的兼具液体流动性和固体强磁性的新型智能材料。施加磁场的过程中，纳米磁性颗粒团聚形成许多相距一定距离的沿着磁场方向的磁链结构，胶状体系中发生液相-柱相的分离，从而导致磁流体有效介电常数的变化，进而导致光学折射率的变化，因此，磁流体具有可调谐折射率的特性。

光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是在光纤纤芯引入折射率周期性变化的一维空间相位光栅，周期通常小于1μm，能够将前向传输的纤芯模耦合到后向传输的纤芯模中，并能够实现90％以上的反射率，被广泛应用于工程结构安全检测、航天和船舶传感、火灾检测、生物医学和化学检测等实际工程领域。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器，将一段FBG等分切割后在毛细石英玻璃管内重新轴向对准并设置微米量级的间隔，从而形成一种结构新颖的低精细度非本征型法布里-珀罗(Fabry-Pérot，F-P)谐振腔。结合磁流体的可调谐折射率与F-P谐振腔对腔内折射率高度敏感的特性实现高分辨率的磁场强度传感。该新型传感器具有结构紧凑、灵敏度高等优点，可以灵活与光纤传感系统复用。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器，其特征在于由宽带光源(1)，单模光纤(2)，第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)，毛细石英玻璃管(5)，磁流体(6)，环氧树脂(7)，微位移平台(8)，磁场发生器(9)，光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过单模光纤(2)与第一光纤光栅(3)左端相连；第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)，毛细石英玻璃管(5)，磁流体(6)和环氧树脂(7)共同构成了磁敏感探头，其中第一光纤光栅(3)右端与第二光纤光栅(4)左端轴向对准后设置微米量级的间隔置于毛细石英玻璃管(5)内形成非本征F-P谐振腔，毛细石英玻璃管(5)内部填充磁流体(6)两端通过环氧树脂(7)密封；磁敏感探头夹持在微位移平台(8)上，水平置于磁场发生器(9)中部，并通过单模光纤(2)与光谱仪(10)相连。

所述的第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)由栅区长度10mm～12mm，中心波长为1548nm～1552nm，光栅反射率大于85％，3dB带宽小于0.25nm，边模抑制比大于12dB的光纤光栅等分切割形成。

所述的第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)端面之间的间距为10μm～30μm。

所述的磁流体(6)的基液为H₂O，纳米Fe₃O₄颗粒的平均半径为10nm，浓度为1％。

所述的毛细石英玻璃管(5)的内径为127μm～150μm。

本实用新型的工作原理是：在没有施加磁场的情况下，磁流体(6)中的纳米磁性粒子随机分布在基液中，无磁化强度；当施加外部磁场时，纳米磁性粒子团聚形成许多相距一定距离的沿着磁场方向的磁链结构，磁化强度增大，发生液相-柱相的相分离，导致了磁流体(6)有效介电常数的变化，进而折射率发生变化。大量研究表明，磁流体(6)的折射率随着磁化强度的增大而增大。此外，由于磁流体(6)的折射率还与入射光-磁场方向的夹角有关，微位移平台(8)与磁场发生器(9)共同维持磁敏感探头附近的磁场方向与光纤方向保持垂直。

光纤端面之间的间隙会在FBG的透射光谱中产生一个相移峰，在毛细石英玻璃管(5)内填充磁流体(6)从而该相移峰波长随着磁流体(6)折射率的变化发生漂移。进一步地，从F-P干涉的角度分析透射光谱对磁流体(6)折射率变化的响应。

自由光谱范围(FSR)定义为F-P干涉最大可测量的波长范围，决定了F-P谐振腔的分辨率。该新型非本征F-P谐振腔的FSR表示为

式中，λ为工作波长，n_MF为磁流体(6)的有效折射率，L₀为端面间隔距离，L_eff1，2分别为第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)中的F-P有效腔长。

在FBG的中心波长λ_Bragg处，第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)内部的F-P有效腔长进一步表示为

式中，n_eff为单模光纤的有效折射率，L为栅区长度。

当该新型非本征F-P谐振腔两光纤端面之间的磁流体(6)的折射率跟随磁场强度发生改变时，同时改变了FSR，表现为透射光谱中相移峰波长发生漂移，可表示为

当2Δn_MF(L₀+L_eff1+L_eff2)＜λ时，相移峰的漂移小于一个FSR的长度，可通过监测峰值波长相对于FSR的漂移而解调出外部磁场强度信息。

由于磁流体(6)的折射率对磁场强度变化非常敏感，F-P谐振腔对腔内折射率的分辨率极高，故可实现高精度的磁场强度传感。

本实用新型的有益效果是：创新地通过将FBG等分切割重新轴向对准并设置微米量级间隔的方法，制作出了对腔内折射率变化高度敏感非本征F-P谐振腔，大幅提升了该新型光纤磁场传感器的灵敏度和稳定性。同时，F-P谐振腔填充磁流体的方式简单易行，磁流体的用量小，成本降低易于规模化生产。因此，本实用新型具有结构紧凑、灵敏度高等优点，可以灵活与光纤传感系统复用。

附图说明

图1是一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器的特征装置示意图。

图2是一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器中磁敏感探头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

参见附图1，一种基于FBG构建非本征F-P谐振腔和磁流体的磁场传感器，其特征在于由宽带光源(1)，单模光纤(2)，第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)，毛细石英玻璃管(5)，磁流体(6)，环氧树脂(7)，微位移平台(8)，磁场发生器(9)，光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过单模光纤(2)与第一光纤光栅(3)左端相连；参见附图2，第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)，毛细石英玻璃管(5)，磁流体(6)和环氧树脂(7)共同构成了磁敏感探头，其中第一光纤光栅(3)右端与第二光纤光栅(4)左端轴向对准后设置微米量级的间隔置于毛细石英玻璃管(5)内形成非本征F-P谐振腔，毛细石英玻璃管(5)内部填充磁流体(6)两端通过环氧树脂(7)密封；磁敏感探头夹持在微位移平台(8)上，水平置于磁场发生器(9)中部，并通过单模光纤(2)与光谱仪(10)相连。进一步地，第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)由栅区长度10mm～12mm，中心波长为1548nm～1552nm，光栅反射率大于85％，3dB带宽小于0.25nm，边模抑制比大于12dB的光纤光栅等分切割形成，第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)端面之间的间距为10μm～30μm；磁流体(6)的基液为H₂O，纳米Fe₃O₄颗粒的平均半径为10nm，浓度为1％，毛细石英玻璃管(5)的内径为127μm～150μm。

FBG构建非本征F-P谐振腔的过程是，用切割刀将FBG等分切割得到第一光纤光栅(3)和第二光纤光栅(4)，保证端面平整，用酒精清洁端面和毛细石英玻璃管(5)。在毛细石英玻璃管(5)一端滴上磁流体(6)，在毛细作用下磁流体(6)充满整个管腔。将第一光纤光栅(3)，第二光纤光栅(4)夹持在微位移平台(8)上，缓慢地将光纤分别插入到管口，并将光纤往毛细石英玻璃管(5)内推进。将装置放置在显微镜下，调整焦距使光纤端面在图像上能清晰分辨。用环氧树脂(7)固定第一光纤光栅(3)，此时调节微位移平台(8)缓慢移动第二光纤光栅(4)，利用光谱仪观察透射光谱直至得到光纤F-P谐振腔输出的类正弦干涉光谱。用环氧树脂(7)固定第二光纤光栅(4)，完成非本征F-P谐振腔的制作。

本实用新型的工作原理是：在没有施加磁场的情况下，磁流体(6)中的纳米磁性粒子随机分布在基液中，无磁化强度；当施加外部磁场时，纳米磁性粒子团聚形成许多相距一定距离的沿着磁场方向的磁链结构，磁化强度增大，发生液相-柱相的相分离，导致了磁流体(6)有效介电常数的变化，进而折射率发生变化。因此，当施加磁场的强度变化时，磁流体(6)折射率的变化导致该非本征F-P谐振腔自由光谱范围的改变，表现为透射光谱中相移峰波长发生漂移，当波长漂移小于一个FSR的长度时可通过监测峰值波长相对于FSR的漂移而解调出外部磁场强度信息。由于磁流体(6)的折射率对磁场强度变化非常敏感，F-P谐振腔对腔内折射率的分辨率极高，故可实现高精度的磁场强度传感。综上，本实用新型具有结构紧凑、灵敏度高等优点，可以灵活与光纤传感系统复用。