專利名稱：基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵和新型磁流體材料相結(jié)合的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x，其可以在地質(zhì)勘探、工業(yè)檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)工程、制導(dǎo)、航空航天等領(lǐng)域及時(shí)準(zhǔn)確地對(duì)磁場(chǎng)的大小和方向進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量，相比于電量傳感器，其解決了在石油化工，國(guó)防科研，電力等易燃易爆環(huán)境中監(jiān)測(cè)磁場(chǎng)的難題。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起一種空間周期性的折射率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。傾斜光纖光柵(Tilted Fiber Bragg Grating, TFBG)屬于短周期光纖光柵，利用特殊的寫(xiě)制方法，使光柵柵面與光纖軸向成一定的夾角，在實(shí)現(xiàn)前向傳輸?shù)睦w芯模向反向傳輸?shù)睦w芯模耦合的同時(shí)，亦可實(shí)現(xiàn)前向傳輸?shù)睦w芯模向反向傳輸?shù)陌鼘幽５鸟詈?，因此在光柵的透射譜中，不僅可以觀測(cè)到纖芯模諧振峰，還可以在纖芯模諧振峰的短波方向觀察到一系列分立但密集的包層模諧振峰。利用TFBG透射譜中纖芯模諧振峰和包層模諧振峰對(duì)外界物理參量的變化，可實(shí)現(xiàn)對(duì)該參量的監(jiān)控和測(cè)量，同時(shí)由于TFBG的纖芯模和包層模諧振峰具有相似的溫度特性，用二者的間隔去探測(cè)外界的變化即可實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)補(bǔ)償，這種測(cè)量不受溫度影響的顯著優(yōu)點(diǎn)使得 TFBG在傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。寫(xiě)在包層含有空氣孔的單模光子晶體光纖(Isotonic Crystal Fiber, PCF)上的傾斜光柵與普通單模光纖上的傾斜光柵有著相類似的性質(zhì)，由于包層中空氣孔的存在，利用現(xiàn)有的填充技術(shù)可將一些功能材料集成到光纖包層的空氣孔中，將光柵的特性和功能材料的特性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，大大拓展了 TFBG的應(yīng)用領(lǐng)域。磁流體(Magnetic Fluid,MF)是由表面附著活性材料的納米級(jí)強(qiáng)磁性顆粒高度彌散于某種液體之中所形成的穩(wěn)定的膠體體系，它既具有磁性固體物質(zhì)的磁性，又具有液體的流動(dòng)特性，是一種新型的磁性功能材料，日益受到人們的重視，目前其應(yīng)用已廣泛深入到能源、電子、國(guó)防軍工、航空航天、化工環(huán)保、冶金機(jī)械、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生等方面，效果十分顯著。磁流體的折射率具有磁場(chǎng)可調(diào)諧性，其大小與外加磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)外
加磁場(chǎng)&與光源電場(chǎng)f相垂直時(shí)，磁流體折射率隨的增大而減??；反之，當(dāng)外加磁場(chǎng)&與光源電場(chǎng)g相平行時(shí)，磁流體折射率隨的增大而增大。傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵(PCF-TFBG)本身不具有磁場(chǎng)敏感特性，利用低壓抽入法，將磁性敏感材料磁流體填充進(jìn)寫(xiě)有TFBG的微結(jié)構(gòu)光纖的包層空氣孔中，可以提高其磁場(chǎng)靈敏度，形成高集成化的磁場(chǎng)傳感探頭。在不同的磁場(chǎng)環(huán)境中，磁流體的折射率不同，微結(jié)構(gòu)光纖的包層平均折射率也不一樣，從而影響和纖芯模相耦合的包層模的有效折射率，最終表現(xiàn)為包層模諧振峰波長(zhǎng)的變化。即通過(guò)外加磁場(chǎng)對(duì)磁流體折射率的作用，包層模的諧振波長(zhǎng)發(fā)生漂移，將磁場(chǎng)的測(cè)量轉(zhuǎn)化為光纖某階特定包層模有效折射率的測(cè)量。在現(xiàn)有的光纖傳感技術(shù)中，對(duì)于磁場(chǎng)的監(jiān)控和測(cè)量基本上是采用在光纖表面鍍磁性伸縮材料的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是由于鍍膜方法的不確定性與不穩(wěn)定性給傳感帶來(lái)了極大困難，同時(shí)，這類裝置具有較大的溫度交叉敏感效應(yīng)，在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。而以磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵為傳感探頭的磁場(chǎng)傳感器可以避免這些缺點(diǎn)。目前尚未有采用基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵傳感器對(duì)外加磁場(chǎng)信號(hào)感測(cè)及分析的方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在解決磁場(chǎng)的監(jiān)控和測(cè)量的現(xiàn)有方法中存在的上述問(wèn)題，提供了一種基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x利用在光纖的包層空氣孔中填充新型磁流體材料的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵作為傳感器件，由于不同磁場(chǎng)方向和磁場(chǎng)強(qiáng)度可以改變磁流體的折射率，引起的光纖包層模的有效折射率變化，相應(yīng)地反映在TFBG光譜中包層模諧振波長(zhǎng)的漂移的程度和方向上，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界磁場(chǎng)大小和方向的感測(cè)。此外，通過(guò)同時(shí)追蹤纖芯模諧振峰和包層模諧振峰諧振波長(zhǎng)的變化，可以排除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，實(shí)現(xiàn)溫度不敏感的磁場(chǎng)矢量傳感器。本發(fā)明提供的基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x包括，光源、單模光纖、傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵、磁流體、光譜解調(diào)裝置(光譜儀)；所述的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵是基于纖芯摻鍺、包層含有空氣孔的光子晶體光纖的光柵，且傾斜光柵柵區(qū)位于空氣孔光子晶體光纖部分，該傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的包層空氣孔中通過(guò)低壓抽入的方法填充磁性敏感材料磁流體，形成測(cè)量磁場(chǎng)的傳感探頭，傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的兩端熔接普通單模光纖，一端的單模光纖連接光源，另一端的單模光纖接入光譜解調(diào)裝置，傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵部分置于大小和方向均能夠發(fā)生變化的磁場(chǎng)中，用于對(duì)磁流體的折射率進(jìn)行調(diào)諧， 作用于光譜的變化。所述光源為寬帶光源或可調(diào)諧激光器。所述的磁流體為水基磁流體。所述的變化的磁場(chǎng)由傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵兩側(cè)設(shè)置的電磁鐵提供。所述測(cè)量?jī)x通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳感探頭，可以追蹤某階包層模諧振波長(zhǎng)的漂移程度和方向，對(duì)磁場(chǎng)大小和磁場(chǎng)方向同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，故稱為磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x。通過(guò)改變磁場(chǎng)的大小和方向，對(duì)磁流體的折射率進(jìn)行調(diào)諧，作用于光譜的變化，根據(jù)測(cè)試原理，待測(cè)磁場(chǎng)的大小和方向可以被同時(shí)確定。此外，這樣設(shè)計(jì)的光纖磁場(chǎng)矢量傳感器具有不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點(diǎn)ο測(cè)試原理用低壓抽入法在傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的包層空氣孔中填充磁流體材料，它是一種磁性敏感材料，其折射率具有磁場(chǎng)可調(diào)諧性，大小與外加磁場(chǎng)的方向和強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)外加磁
場(chǎng)#與光源電場(chǎng)g相垂直時(shí)，磁流體折射率隨的增大而減小；反之，當(dāng)外加磁場(chǎng)#與光源
電場(chǎng)g相平行時(shí)，磁流體折射率隨的增大而增大。當(dāng)傳感探頭置于某特定磁場(chǎng)中時(shí)，磁流
體折射率發(fā)生一定的變化，從而影響包層模的有效折射率。TFBG纖芯模諧振峰和包層模諧
振峰相位匹配公式如下 _5] ^gg = 2^ff ^ ⑴
權(quán)利要求
1.一種基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x，其特征在于，該測(cè)量?jī)x包括光源、單模光纖、傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵、磁流體、光譜解調(diào)裝置；所述的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵是基于纖芯摻鍺、包層含有空氣孔的光子晶體光纖的光柵，且傾斜光柵柵區(qū)位于空氣孔光子晶體光纖部分，該傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的包層空氣孔中通過(guò)低壓抽入的方法填充磁性敏感材料磁流體，形成測(cè)量磁場(chǎng)的傳感探頭，傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的兩端熔接普通單模光纖，一端的單模光纖連接光源，另一端的單模光纖接入光譜解調(diào)裝置，傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵部分置于大小和方向均能夠發(fā)生變化的磁場(chǎng)中，用于對(duì)磁流體的折射率進(jìn)行調(diào)諧， 作用于光譜的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x， 其特征在于所述測(cè)量?jī)x通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳感探頭，追蹤包層模諧振波長(zhǎng)的漂移程度和方向，對(duì)磁場(chǎng)大小和磁場(chǎng)方向同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x， 其特征在于所述的磁流體為水基磁流體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x， 其特征在于所述的變化的磁場(chǎng)由傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵兩側(cè)設(shè)置的電磁鐵提供。
全文摘要
一種基于磁流體填充的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵的磁場(chǎng)矢量測(cè)量?jī)x。包括光源、單模光纖、傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵、磁流體、光譜儀；所述的傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵是基于纖芯摻鍺、包層含有空氣孔的光子晶體光纖的光柵，空氣孔中填充磁流體，形成測(cè)量磁場(chǎng)的傳感探頭，光柵的兩端通過(guò)單模光纖分別連接光源和光譜儀，傾斜微結(jié)構(gòu)光纖光柵置于變化的磁場(chǎng)中，用于對(duì)磁流體的折射率進(jìn)行調(diào)諧。通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳感探頭，可追蹤包層模諧振波長(zhǎng)的漂移程度和方向，對(duì)磁場(chǎng)大小和磁場(chǎng)方向同時(shí)進(jìn)行測(cè)量。該測(cè)量?jī)x集成化程度高，傳感探頭體積小，方便攜帶，具有不受環(huán)境溫度影響的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)具有化學(xué)性能穩(wěn)定，靈敏度高，響應(yīng)速度快，易復(fù)用等特點(diǎn)，適合在各種惡劣環(huán)境下工作。
文檔編號(hào)G01R33/032GK102411131SQ20111021128
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月27日
發(fā)明者劉妍, 劉波, 劉艷格, 張昊, 王志, 苗銀萍 申請(qǐng)人:南開(kāi)大學(xué)