一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器以及制备方法与流程

本发明属于信息技术中的光纤传感领域，具体涉及一种基于锥形光纤光栅（tfbg：taperfiberbragggrating）的大带宽磁场传感器，可以有效增加光信号额带宽，以及其制备方法。

背景技术：

自然界和人类社会生活的许多地方都存在磁场或与磁场相关的信息。在当今的信息社会中，磁场传感器已成为信息技术和信息产业中不可缺少的基础元件。目前，人们已研制出利用各种物理、化学和生物效应的磁场传感器，并已在科研、生产和社会生活的各个方面得到广泛应用，承担起探究种种信息的任务。

早先的磁场传感器，是伴随测磁仪器的进步而逐步发展的。在众多的测磁方法中，大都将磁场信息变成电讯号进行测量。在测磁仪器中“探头”或“取样装置”就是磁场传感器。传统的磁场传感器有磁力法、电磁感应法、电磁效应法，磁共振法等，这些大多基于通电线圈或者金属和半导体结构等。随着信息产业、工业自动化、交通运输、电力电子技术、办公自动化、家用电器、医疗仪器等等的飞速发展和电子计算机应用的普及，需用大量的传感器将需进行测量和控制的非电参量。正是基于上述需求，光纤式磁场传感器得到了重点关注和研究开发。

而且，与传统的电学式磁场传感器相比，光纤传感器具有体积小、功耗低、易于组网传输等优点。

目前，光纤式的磁场传感器已经开始逐渐实用化，利用磁流体调制光信号是主要的方法之一。磁流体是一种新型的功能材料，其蒸发速率与载液有关，同时当存在外磁场的时候，磁流体的内部的固体颗粒会发生聚集并沿着外磁场方向作用定向排列，从而引起磁流体的折射率发生变化。

具体的方式如：一种基于双芯光纤微通道和磁流体的光纤磁场传感器（cn207352076u），利用双芯光纤形成干涉，并用磁流体调控一路干涉臂进行探测；磁流体包覆微纳光纤光栅传感头的磁场传感器（cn207281263u），利用磁流体对hf酸腐蚀的光纤光栅进行包覆，根据磁流体折射率的变化探测磁场。

还有，如一种基于光子晶体光纤和光栅的磁场传感器及测量方法（cn201711260749.x），用刻蚀方法在光子晶体光纤的侧面加工纳米金光栅，然后用磁流体涂覆金属光栅，根据表面等离激元的激发情况来探测磁场。

以及，一种基于柚子型光纤和布拉格光纤光栅的磁场传感器（cn107064827a），填充磁流体至柚子型光纤中，利用光纤光栅的反射特征波长来反射信号，从而获得磁场信号。

在上述专利中，受限于光纤布拉格光栅的特性，这些磁场传感器获得的光信号的带宽都相对较窄，光被磁场调制后能量只在较小的波长范围中存在；且普通光纤光栅的消逝场很小，与磁流体的相互作用能量小。

技术实现要素：

针对现有技术中的磁场传感器获得的光信号的带宽都相对较窄的问题，本发明提出了一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器以及制备方法，能有效的增加带宽，并能增强与磁流体的相互作用，形成一种结构更为紧凑的光纤式磁场传感器。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器，包括毛细玻璃管、同轴密封设置在毛细玻璃管内的锥形光纤光栅以及设置在毛细玻璃管内充满的磁流体；其特征在于：锥形光纤光栅包括依次连接的用于接收入射光波的进光段、拉伸段、用于导出光波的出光段以及若干光纤光栅；

其中，拉伸段设置在毛细玻璃管内，进光段与出光段延伸到毛细玻璃管的外部；

其中，拉伸段包括依次连接的第一圆台段、圆柱段以及第二圆台段；且，圆台段的大直径端与进光段对应并相连；第一圆台段的小直径端与圆柱段的一端对应并相连；第二圆台段的小直径端与圆柱段的另一端对应并相连；第二圆台段的大直径端与出光段对应并相连；

其中，光纤光栅均匀设置在毛细玻璃管内的中部且光纤光栅刻写在第二圆台段的变径段。

所述的毛细玻璃管的外侧同轴设置有用于防止磁流体挥发的铝管；该铝管与进光段、出光段密闭设置。

所述的铝管的内径为0.7-1.0mm，外径为0.9-1.2mm,长度为5-6cm。

所述的第一圆台段与第二圆台段具有相同的锥度比，该锥度比为0.24-0.4；光纤光栅长度为2-3mm。

5.根据权利要求1所述的一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器，其特征在于：毛细玻璃管的内径为0.3-0.5mm,外径为0.5-0.7mm,长度为3-4cm。

一种如上述基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将单模光纤通过相位掩膜板法进行熔融拉伸，然后在锥形光纤光栅第二圆台段的变径段通过相位掩膜板法刻写光纤光栅，最终得到锥形光纤光栅；

b.将毛细玻璃管水平放置，将a步骤得到的锥形光纤光栅同轴放置在毛细玻璃管的中部，形成毛细玻璃管与锥形光纤光栅的组合体；

c.将b步骤得到的毛细玻璃管与锥形光纤光栅的组合体通过毛细作用，吸取磁流体，得到两端开口的充液玻璃管；

d.将c步骤中得到的两端开口的充液玻璃管水平静置15-20min，排除毛细玻璃管内的空气，然后，在毛细玻璃管的两端通过第一紫外固化胶封将第一圆台段、圆柱段以及第二圆台段密封在毛细玻璃管内，得到用于检测磁场强度的检测头；

其中，紫外固化胶固化的方法是通过紫外灯照射100-150s；

e.将d步骤中得到的检测头外侧同轴设置防止磁流体挥发的外壳且该外壳通过第二紫外固化胶封密封。

本发明的工作原理是：本发明为使得可以在较大带宽范围中检测到磁场强度的变化，选择将光纤光栅刻写在了第二圆台段的变径段，既拉伸段的腰区位置，同时，哑铃状的拉伸段使反射光谱中包含有模间干涉峰。可以根据模间干涉信号获得磁流体变化的磁场强度的方向。同时可以进一步提升本发明的灵敏度。

拉伸段由于在拉制过程中，包层以及纤芯折射率会随着光纤直径的减小而降低，同时形成两个渐变的腰区以及一个平缓的过渡区。当光波从拉伸段的一端入射时，由于波导结构的变化会导致光波有一部分传至光纤周围结构，此时拉伸段成为新的纤芯，外界环境则成为包层。当磁场改变了外部环境，使磁流体的折射率发生变化，从而获得反射光信号的损失，实现磁场强度的测量。

本发明的有益效果是：本发明通过拉伸段传输光波，在第二圆台段的变径段设置光纤光栅。当磁流体在磁场作用下发生折射率的变化，配合磁流体与锥形光纤光栅的消逝场进行作用和耦合，从而导致光纤光栅的输出信号发生变化，信号带宽可以达到2nm以上，模间干涉的信号对比度随磁场强度的增强而增加。本发明结构简单，通过将光纤光栅设置在第二圆台段的变径段使本发明获得了较大的光信号的带宽。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为使用本发明的一种磁场监测系统。

图3为本发明反射谱与一般均匀光纤光栅反射带宽对比图。

图4为改变外界磁场的情况下，通过光谱分析仪记录下的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步的说明。

本发明所采用的技术方案是：如图1，一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器，包括内径为0.3-0.5mm,外径为0.5-0.7mm,长度为3-4cm的毛细玻璃管4、同轴密封设置在毛细玻璃管4内的锥形光纤光栅3以及设置在毛细玻璃管4内充满的磁流体5；其特征在于：锥形光纤光栅3包括依次连接的用于接收入射光波的进光段301、拉伸段302、用于导出光波的出光段303以及若干个光纤光栅304；

其中，拉伸段302设置在毛细玻璃管4内，进光段301与出光段303延伸到毛细玻璃管4的外部；

其中，拉伸段302包括依次连接的第一圆台段3021、圆柱段3022以及第二圆台段3023；且，圆台段3021的大直径端与进光段301对应并相连；第一圆台段3021的小直径端与圆柱段3022的一端对应并相连；第二圆台段3023的小直径端与圆柱段3022的另一端对应并相连；第二圆台段3023的大直径端与出光段303对应并相连；优选的，第一圆台段3021与第二圆台段3023具有相同的锥度比，该锥度比为该锥度比为0.24-0.4，使拉伸段302呈哑铃状。

其中，光纤光栅304均匀设置在毛细玻璃管4内的中部且光纤光栅304刻写在第二圆台段3023的变径段；光纤光栅304长度为2-3mm。

为了防止磁流体5挥发，在毛细玻璃管4的外侧同轴设置有用于防止磁流体5挥发的铝管8；该铝管8与进光段301、出光段303密闭设置；在密闭时，可以采用紫外固化胶将铝管8与进光段301、出光段303进行胶封，并利用紫外灯照射固胶。

一种如上述基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.将单模光纤通过相位掩膜板法进行熔融拉伸，然后在锥形光纤光栅3第二圆台段3023的变径段通过相位掩膜板法刻写光纤光栅304，最终得到锥形光纤光栅3；

b.将毛细玻璃管4水平放置，将a步骤得到的锥形光纤光栅3同轴放置在毛细玻璃管4的中部，形成毛细玻璃管4与锥形光纤光栅3的组合体；

c.将b步骤得到的毛细玻璃管4与锥形光纤光栅3的组合体通过毛细作用，吸取磁流体5，得到两端开口的充液玻璃管；

d.将c步骤中得到的两端开口的充液玻璃管水平静置15-20min，排除毛细玻璃管4内的空气，然后，在毛细玻璃管4的两端通过第一紫外固化胶封6，7将第一圆台段3021、圆柱段3022以及第二圆台段3023密封在毛细玻璃管4内，得到用于检测磁场强度的检测头；

其中，紫外固化胶6，7固化的方法是通过紫外灯照射100-150s；

e.将d步骤中得到的检测头外侧同轴设置防止磁流体5挥发的外壳且该外壳通过第二紫外固化胶封9，10密封。

需要明确的是：e步骤中的第二紫外固化胶封9，10的密封方法与d步骤相同。

需要明确的是：本文中关于方向性的描述请参考图1。

具体实施例i：如图1，一种基于锥形光纤光栅的大带宽磁场传感器，由内径为0.4mm,外径为0.6mm,长度为3.5cm的毛细玻璃管4、同轴密封设置在毛细玻璃管4内的锥形光纤光栅3以及设置在毛细玻璃管4内充满的磁流体5组成；其中，锥形光纤光栅3由依次连接的用于接收入射光波的进光段301、拉伸段302、用于导出光波的出光段303以及五个光纤光栅304组成；其中，磁流体5为水溶性fe4o3，型号emg605；

其中，拉伸段302设置在毛细玻璃管4内，进光段301与出光段303延伸到毛细玻璃管4的外部；

其中，拉伸段302由依次连接的第一圆台段3021、圆柱段3022以及第二圆台段3023组成；且，圆台段3021的大直径端与进光段301对应并相连；第一圆台段3021的小直径端与圆柱段3022的一端对应并相连；第二圆台段3023的小直径端与圆柱段3022的另一端对应并相连；第二圆台段3023的大直径端与出光段303对应并相连；优选的，第一圆台段3021与第二圆台段3023具有相同的锥度比，该锥度比为该锥度比为0.24-0.4，使拉伸段302呈哑铃状。

其中，光纤光栅304均匀设置在毛细玻璃管4内的中部且光纤光栅304刻写在第二圆台段3023的变径段；光纤光栅304长度为2.5mm。

同时，在毛细玻璃管4的外侧同轴设置铝管8；该铝管8与进光段301、出光段303密闭设置；在密闭时，采用紫外固化胶将铝管8与进光段301、出光段303进行胶封，并利用紫外灯照射150s固胶。

如图2，本发明在使用中，如一种磁场监测系统，除了本发明所述的大带宽磁场传感器，还包括宽带光源模块11、三端环形器14、光谱分析仪12以及磁场发生器13；其中，光纤光栅304位于磁场发生器13的磁场内；三端环形器14的输入端连接宽带光源模块11；该三端环形器14的一个输出端与锥形光纤光栅3的进光段301相连；该三端环形器14的另一个输出端连接光谱分析仪12。

需要明确的是：上述磁场监测系统的原理是：宽带光源模块11的光波经由锥形光纤光栅3的进光段301传输至出光段303，光波经由磁流体5和光纤光栅304反射再次经过出光段303传输至出光段303，从三端环形器14传输至光谱分析仪12，从而探测光信号。

如图3，本发明的反射谱相比于一般均匀光纤光栅具有较大的反射带宽。

如图4，改变外界磁场的情况下，通过光谱分析仪记录下的本发明的反射光谱。

结合上述内容，本发明还具有以下优点：本发明采用哑铃状的拉伸段302的结构，使得本发明的传感部分更加集成，体积更小。

本发明克服了现有技术中大多光纤光栅磁场传感器，测量带宽窄的问题，可以在较大带宽范围中测量磁场的响应。

本发明利用锥形光纤光栅3与磁流体5作用形成的模间干涉信号，随磁场强度的变化，干涉条纹的对比度增加。

本发明在毛细玻璃管4外二次封装了铝管8，在对磁场不产生影响的前提下，不仅对光纤传感单元进行了有效的保护，并且有效防止了磁流体5的挥发，提高了本发明的稳定性。

以上所述仅为发明的较佳实施例而己，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。