基于Mach‑Zehnder干涉的磁场与温度传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于Mach-Zehnder干涉的磁场与温度传感器。

背景技术：

自然界和人类生活中，磁场与温度是两个重要的物理参量。对磁场和温度的测量是诸多科学领域的基本工具。尤其在电力系统局部放电的检测中，对电力系统的磁场与温度同时检测可及时准确地发现系统的局部放电情况。

目前,多数传感器很难实现双参量的测量，对两个参量同时测量一般需要两个不同的传感装置，无形中增加了设备的投入成本。此外，现阶段对磁场的测量多采用电测量法，该方法在实际使用中暴露出很多问题：稳定性较低、灵敏度较差、成本相对高昂、使用过程中存在一定的安全隐患。

随着光纤传感技术的日益成熟，光纤磁场传感器和光纤温度传感器发展迅速。光纤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。现有光纤传感器多数只能实现温度或磁场单一参量的测量，少有磁场温度双参量光纤光感器的报道。Mach-Zehnder干涉仪结构相对简单，并且在传感领域具有较高的测量灵敏度。因此，有必要将它们结合，设计出灵敏度更高、稳定性更好的光纤磁场与温度双参量传感器。

技术实现要素：

本实用新型的实施实例提供了基于双Mach-Zehnder干涉的光纤磁场与温度传感器，是为了解决现有光纤传感器无法实现磁场、温度双参量测量，传感器灵敏度较低，稳定性较差，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：

提供了一种基于Mach-Zehnder干涉的磁场与温度传感器，该传感器包括括宽带光源（1）、磁场与温度感应系统（2）、光谱仪（3）；

磁场与温度感应系统（2），所述的磁场与温度感应系统（2）内包含有一号光纤耦合器（2-1）、二号光纤耦合器（2-2）、磁场与温度传感头（2-3）、一号光纤准直透镜（2-4）、二号光纤准直透镜（2-5）、一号光纤跳线（2-6）、二号光纤跳线（2-7）、三号光纤跳线（2-8）、四号光纤跳线（2-9），其中，一号光纤跳线（2-6）一端连接一号光纤耦合器（2-1）另一端连接磁场与温度传感头（2-3），二号光纤跳线（2-7）一端连接磁场与温度传感头（2-3）另一端连接二号光纤耦合器（2-2），三号光纤跳线（2-8）一端连接一号光纤耦合器（2-1）另一端通过固定装置连接一号光纤准直透镜（2-4），四号光纤跳线（2-9）一端连接二号光纤耦合器（2-2）另一端通过固定装置连接二号光纤准直透镜（2-5）；

磁场与温度传感头（2-3），所述的磁场与温度传感头（2-3）内包含磁性敏感材料（2-3-1）。

所述的宽带光源（1）的输出中心波长为1550nm，带宽40nm。

所述的一号光纤耦合器（2-1）与二号光纤耦合器（2-2）均为2*1光纤耦合器，且两端口一侧其耦合比为1:1，且一号光纤耦合器（2-1）与二号光纤耦合器（2-2）的插入损耗均为3dB。

所述的磁场与温度传感头（2-3）外部带有尼龙保护壳，内部为经氢氧焰熔融拉锥的单模光纤，且单模光纤长度为10.4cm，锥腰处直径为28.2μm，且在经氢氧焰熔融拉锥的单模光纤外填充有磁性敏感材料（2-3-1）。

所述的磁性敏感材料（2-3-1）为温度不敏感的磁性凝胶。

所述的一号光纤准直透镜（2-4）和二号光纤准直透镜（2-5）直径均为18mm，焦距均为50.2mm。

所述的一号光纤跳线（2-6）和二号光纤跳线（2-7）总长度与三号光纤跳线（2-8）和四号光纤跳线（2-9）总长度相同。

所述的宽带光源（1），磁场与温度感应系统（2），光谱仪（3）均通过单模光纤连接。

本实用新型专利提供了一种基于双Mach-Zehnder干涉的光纤磁场与温度传感器，该传感器改善了现有光纤磁场与温度传感器灵敏度低、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和温度传感器灵敏度低、稳定性差、生产成本高、技术难度大，并且光纤传感器无法同时进行磁场与温度测量的问题，提出改进方案。通过氢氧焰熔融拉锥的单模光纤，形成长度为10.4cm，锥腰直径为28.2μm的锥形微纳光纤。在锥形微纳光纤外套有尼龙壳对微纳光纤进行固定同时用于放置磁性凝胶，该尼龙壳对温度和磁场均不敏感。形成磁性凝胶填充的微纳光纤Mach-Zehnder磁场传感器与Mach-Zehnder温度传感臂。Mach-Zehnder温度参考臂中插入两个光纤准直透镜，通过调节光纤准直透镜的距离可补偿温度传感臂的光程，依靠微纳锥形光纤的包层模光信号与参考臂光信号实现温度传感。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与温度传感器。当传感头置于变化的磁场中时，磁凝胶的有效折射率发生变化。光信号经过微纳锥形光纤时，纤芯模激发到包层模，由于包层中带有磁性凝胶，包层模中的光信号受磁场变化时其折射率发生变化，二模式光信号再相遇耦合时产生干涉。可通过同一光源与光谱仪测得两待测参量。

附图说明

图1为基于双Mach-Zehnder干涉的光纤磁场与温度传感器结构示意图；

图2为磁场与温度感应系统；

图3为磁场与温度传感头局部放大图。

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，本实施方式所述的基于Mach-Zehnder干涉的磁场与温度传感器，它包括宽带光源（1）、磁场与温度感应系统（2）、光谱仪（3）；

如图2，磁场与温度感应系统（2），所述的磁场与温度感应系统（2）内包含有一号光纤耦合器（2-1）、二号光纤耦合器（2-2）、磁场与温度传感头（2-3）、一号光纤准直透镜（2-4）、二号光纤准直透镜（2-5）、一号光纤跳线（2-6）、二号光纤跳线（2-7）、三号光纤跳线（2-8）、四号光纤跳线（2-9），其中，一号光纤跳线（2-6）一端连接一号光纤耦合器（2-1）另一端连接磁场与温度传感头（2-3），二号光纤跳线（2-7）一端连接磁场与温度传感头（2-3）另一端连接二号光纤耦合器（2-2），三号光纤跳线（2-8）一端连接一号光纤耦合器（2-1）另一端通过固定装置连接一号光纤准直透镜（2-4），四号光纤跳线（2-9）一端连接二号光纤耦合器（2-2）另一端通过固定装置连接二号光纤准直透镜（2-5）；

如图3，磁场与温度传感头（2-3），所述的磁场与温度传感头（2-3）内包含磁性敏感材料（2-3-1）。

所述的宽带光源（1）的输出中心波长为1550nm，带宽40nm。

所述的一号光纤耦合器（2-1）与二号光纤耦合器（2-2）均为2*1光纤耦合器，且两端口一侧其耦合比为1:1，且一号光纤耦合器（2-1）与二号光纤耦合器（2-2）的插入损耗均为3dB。

所述的磁场与温度传感头（2-3）外部带有尼龙保护壳，内部为经氢氧焰熔融拉锥的单模光纤，且单模光纤长度为10.4cm，锥腰处直径为28.2μm，且在经氢氧焰熔融拉锥的单模光纤外填充有磁性敏感材料（2-3-1）。

所述的磁性敏感材料（2-3-1）为温度不敏感的磁性凝胶。

所述的一号光纤准直透镜（2-4）和二号光纤准直透镜（2-5）直径均为18mm，焦距均为50.2mm。

所述的一号光纤跳线（2-6）和二号光纤跳线（2-7）总长度与三号光纤跳线（2-8）和四号光纤跳线（2-9）总长度相同。

所述的宽带光源（1），磁场与温度感应系统（2），光谱仪（3）均通过单模光纤连接；

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：先将光路按说明书附图连接好，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。光信号到达一号光纤耦合器后被分成光强为50%:50%的两束光，其中一束进入光纤Mach-Zehnder干涉仪传感臂，另外一束进入Mach-Zehnder干涉仪参考臂。其中，传感臂中部为经氢氧焰熔融拉锥的单模微纳光纤，其外部填充温度不敏感的磁性凝胶。光信号经过该微纳光纤时，部分纤芯模会激发到包层模，由于包层中填充磁性凝胶，在外加磁场的作用下，磁性凝胶折射率受磁场变化发生改变，从而导致包层模中光信号的光程改变。纤芯模光信号与包层模光信号相遇时发生干涉，在光谱仪中可探测其干涉光谱。此外，包层模光信号与Mach-Zehnder参考臂中受两光纤准直透镜调制的光信号在二号光纤耦合器中相遇时亦产生干涉，在光谱仪中可同时探测其干涉光谱。在外界磁场或温度发生改变时，光谱仪中的二干涉光谱发生横向漂移。可根据其光谱漂移情况探测外界磁场与温度的改变。