本發(fā)明涉及光纖磁場傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于納米磁流體材料與光纖干涉儀相結(jié)合的光纖矢量磁場傳感器及其制作方法。

背景技術(shù)：

磁場是自然界中最常見的物理矢量之一，在現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展的今天，磁現(xiàn)象已經(jīng)滲透到人們生產(chǎn)和生活的各個方面。磁場傳感器作為現(xiàn)代傳感器家族的重要組成部分，既可直接測量磁場，也可間接測量可轉(zhuǎn)化為磁場的其他物理量，例如電流、位移、折射率等，目前已廣泛應用于電力電網(wǎng)、導航定位、生物醫(yī)學、航海航天、地質(zhì)探礦、地球物理、軍事工程等領(lǐng)域。

隨著光纖傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，光纖磁場傳感器以光為載體，光纖為媒介，利用磁敏材料磁光特性調(diào)制光信號的強度、相位、波長、偏振態(tài)等特征參量實現(xiàn)磁場的高精度傳感，現(xiàn)已成為光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。納米磁流體作為一種新型的磁性功能材料，既具有固體磁性材料的磁性，又具有液體的流動性。將納米磁流體材料與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，為光纖磁場傳感器的研究注入了強大的新鮮活力。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.)利用磁流體包裹在單多單光纖結(jié)構(gòu)外壁形成包層，實現(xiàn)高靈敏度磁場強度傳感。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.)采用拉錐實心光子晶體光纖與磁流體涂覆方法，構(gòu)成低溫度交叉敏感的磁場強度傳感器。相比于傳統(tǒng)電子式磁場傳感器，避免了龐大的電磁感應線圈等復雜結(jié)構(gòu)，降低了復雜電磁環(huán)境對輸出電信號干擾等不利因素，提高了對高溫高濕等惡劣環(huán)境的適用性，有助于實現(xiàn)傳感器的微型化、集成化、智能化和多功能化，可滿足科學研究和工程應用對精確磁場強度探測的迫切需求。但是，目前國內(nèi)外研究人員的研究焦點在于實現(xiàn)磁場強度的高靈敏度測量，而很少討論磁場方向探測的問題。磁場作為常見的物理矢量，同時實現(xiàn)對磁場大小和方向的探測是磁場傳感器技術(shù)未來的發(fā)展方向之一。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器及其制作方法，采用納米磁流體材料與光纖干涉儀相結(jié)合的方式，將磁場強度和方向?qū)Υ帕黧w有效折射率的調(diào)制作用，通過倏逝場耦合轉(zhuǎn)化為對光纖干涉儀輸出光譜的調(diào)制，從而實現(xiàn)具有磁場強度和方向同時探測功能的光纖矢量磁場傳感器的設(shè)計與制作。

本發(fā)明提出了一種基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器，該傳感器包括光纖干涉儀和納米磁流體材料4；所述光纖干涉儀由導入單模光纖1和導出單模光纖3以及兩者之間偏心熔接的一段細芯光纖2構(gòu)成；入射光7進入細芯光纖2之后分裂成偏心包層光模式8和芯層光模式9，并在導出單模光纖3的芯層相遇形成導出光10，產(chǎn)生馬赫澤德干涉光譜信號；所述納米磁流體材料4通過玻璃毛細管5和光學紫外膠6密封包裹在光纖干涉儀周圍形成包層結(jié)構(gòu)；在磁場作用下，與磁場方向相切的細芯光纖表面附近，鐵磁性納米粒子12匯集成高密度納米粒子群14；與磁場方向垂直的細芯光纖表面附近，鐵磁性納米粒子12分散成低密度納米粒子群13，形成所述鐵磁性納米粒子12在光纖干涉儀附近隨磁場方向匯聚或分散；即細芯光纖端面11周圍的鐵磁性納米粒子12沿磁場方向形成鏈狀團簇結(jié)構(gòu)，光纖干涉儀附近的鐵磁性納米粒子12呈現(xiàn)出非均勻分布特征，

使得在細芯光纖2中偏心包層光模式8附近，所述納米磁流體材料4的有效折射率同時受到磁場強度和方向的調(diào)制；通過納米磁流體材料4和偏心包層光模式8之間的倏逝場耦合作用，實現(xiàn)磁場強度和方向?qū)ζ陌鼘庸饽Ｊ?有效折射率的調(diào)制作用，從而使光纖干涉儀輸出光譜信號受磁場矢量調(diào)制，構(gòu)成光纖矢量磁場傳感器。

所述鐵磁性納米粒子群的密度與磁場強度成正比，鐵磁性納米粒子群聚集或分散位置隨磁場方向的變化而變化。

本發(fā)明的一種基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器的制作方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、制作光纖干涉儀：將導入單模光纖1與細芯光纖2偏心熔接；切割后細芯光纖2的長度保留20～40mm，兩段光纖軸心偏移量為10～12μm，熔接機放電強度為-50bit，放電時間為1000ms；將導入單模光纖1另一端接入寬帶光源20，并將細芯光纖2與導出單模光纖3在熔接機中對準，調(diào)整兩者軸心偏移量，同時通過光譜儀21實時觀察，直至導出單模光纖3輸出的馬赫澤德干涉光譜對比度達到20dB以上時，停止偏移的調(diào)整；將細芯光纖2與導出單模光纖3熔接；至此，光纖干涉儀制作完成；

步驟2、納米磁流體材料包覆：將兩端張緊的光纖干涉儀外部套入一個長度為30～50mm，外徑為600～1000μm，內(nèi)徑為250～500μm的玻璃毛細管5；然后，利用毛細現(xiàn)象，將納米磁流體材料4填充到玻璃毛細管5之中；最后，采用光學紫外膠6將玻璃毛細管5兩端密封，防止納米磁流體材料4溢出或者蒸發(fā)；至此，光纖矢量磁場傳感器制作完成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下的積極效果：

1、本發(fā)明提出的傳感器結(jié)構(gòu)將光纖馬赫澤德干涉儀與納米磁流體材料相結(jié)合，利用納米磁流體材料的磁光效應，通過磁流體與光信號的倏逝場耦合作用，達到磁場對干涉光譜信號的高靈敏度調(diào)制目的，實現(xiàn)高靈敏度磁場傳感測量；

2、本發(fā)明提出了的傳感器傳感過程中，光纖干涉儀周圍所包覆磁流體受磁場調(diào)制而呈現(xiàn)非均勻團簇分布的特點，引起光信號周圍非均勻分布的磁流體有效折射率同時受磁場強度和方向調(diào)制，從而實現(xiàn)傳感器對磁場強度和方向同時探測的矢量傳感功能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明中光纖干涉儀周圍磁致非均勻團簇納米磁流體的顯微照片，其中：(2a)、磁場沿水平方向，(2b)、磁場沿垂直方向；

圖3是本發(fā)明中不同方向非均勻團簇納米磁流體對光纖內(nèi)部同心光波場與偏心光波場有效折射率影響的對比示意圖，其中：(3a)和(3d)分別為水平磁場下的同心光波場和偏心光波場；(3b)和(3e)分別為傾斜磁場下的同心光波場和偏心光波場；(3c)和(3f)分別為垂直磁場下的同心光波場和偏心光波場；

圖4是本發(fā)明的基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器的磁場矢量測試裝置示意圖；

圖5是本發(fā)明中不同磁場強度和方向下的干涉光譜曲線；

圖6是本發(fā)明中干涉光譜曲線隨磁場方向漂移，(6a)磁場方向0°到90°的光譜漂移；(6b)磁場方向90°到180°的光譜漂移；

圖7是本發(fā)明中0°到360°范圍內(nèi)光譜峰值漂移軌跡曲線；

附圖標記為：1、導入單模光纖，2、細芯光纖，3、導出單模光纖，4、納米磁流體材料，5、玻璃毛細管，6、光學紫外膠，7、入射光，8、偏心包層光波模式，9、芯層光波模式，10、導出光，11、光纖端面，12、鐵磁性納米粒子(組成納米磁流體材料的物質(zhì))，13、低密度納米粒子群，14、高密度納米粒子群，15、水平磁場，16、垂直磁場，17、傾斜磁場，18、同心光波場，19、偏心光波場，20、寬帶光源，21、光譜儀，22、高斯計，23、磁場矢量調(diào)節(jié)支架，24、永磁鐵，25、光纖矢量磁場傳感器，26、電子式磁頭，27、磁場線示意圖，28、零磁場下干涉光譜，29、90°磁場方向30mT磁場強度下干涉光譜，30、0°磁場方向30mT磁場強度下干涉光譜，31、傳感器干涉光譜曲線，32、傳感器干涉光譜峰值，33、20mT磁場下光譜峰值漂移軌跡，34、14mT磁場下光譜峰值漂移軌跡，35、10mT磁場下光譜峰值漂移軌跡。

具體實施方式

本發(fā)明的光纖矢量磁場傳感器具有集磁場強度和方向同時測量于一體的優(yōu)點。將光纖干涉儀與納米磁流體材料相結(jié)合，利用光纖干涉儀周圍磁流體有效折射率受磁場強度和方向同時調(diào)制的特點，通過磁流體與光纖干涉臂光信號倏逝場耦合作用，使干涉光譜對磁場強度和方向同時具有敏感性，實現(xiàn)磁場矢量傳感。

以下結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明的具體實施例。

基于磁流體非均勻團簇的光纖傳感器的磁場矢量傳感原理：

如圖1所示，本發(fā)明的基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器結(jié)構(gòu)由光纖干涉儀和納米磁流體材料4兩個核心部件構(gòu)成，玻璃毛細管5與光學紫外膠6將納米磁流體材料4密封在光纖干涉儀周圍防止其泄露與蒸發(fā)。光纖干涉儀由三段光纖偏心熔接而成，細芯光纖2與導入單模光纖1和導出單模光纖3手動設(shè)置10～12μm的軸心偏移量。入射光7達到細芯光纖2之后分裂成兩束光，即偏心包層光波模式8和芯層光波模式9，兩者相遇后形成導出光10，且因兩者存在一定的相位差而產(chǎn)生馬赫澤德干涉條紋。由于偏心包層光波模式8與周圍納米磁流體材料4直接接觸，那么通過倏逝場耦合作用，使光波場的有效折射率受到其周圍納米磁流體材料有效折射率的調(diào)制，從而影響干涉光譜信號，實現(xiàn)磁場的傳感。因此，傳感器性能依賴于光波模場附近的磁流體磁光特性。如圖(2a)所示，在磁場作用下，磁流體中的鐵磁性納米粒子12形成鏈狀團簇結(jié)構(gòu)，且在光纖表面附近呈現(xiàn)非均勻團簇分布特征。在與磁場方向相切的光纖表面附近，鐵磁性納米粒子12匯集成高密度納米粒子群14；與磁場方向垂直的光纖表面附近，鐵磁性納米粒子12分散成低密度納米粒子群13。納米粒子群密度與磁場強度成具有對應關(guān)系，且隨著磁場方向的變化，鐵磁性納米粒子群聚集或分散的位置也隨之發(fā)生相應的變化，如圖(2b)所示。

光纖內(nèi)部光波場的有效折射率受到光纖表面附近磁流體分布密度的影響。如圖3所示，當光纖內(nèi)部光波場是一種同心光波場18時，雖然其附近鐵磁性納米粒子12密度分布位置隨磁場方向而變化，但其有效折射率保持不變，因此，該類型結(jié)構(gòu)對磁場方向不敏感，如圖(3a)、(3b)和(3c)所示。相比較而言，當光纖內(nèi)部光波場是一種偏心光波場19時，其附近鐵磁性納米粒子12的密度明顯隨磁場方向的變化而變化，如圖(3d)、(3e)和(3f)所示。那么偏心光波場19的有效折射率將受到磁場方向的調(diào)制。同時，磁場強度又直接影響著鐵磁性納米粒子12的密度大小。綜上所述，本發(fā)明中通過在光纖干涉儀中構(gòu)造偏心包層光波模式8，利用偏心包層光波模式8附近非均勻團簇的磁流體有效折射率同時受磁場強度和方向調(diào)制的特點，通過倏逝場耦合作用，使干涉光譜對矢量磁場具有敏感性，實現(xiàn)對磁場強度和方向的同時探測。

基于磁流體非均勻團簇的光纖矢量磁場傳感器的磁場矢量測試：

如圖4所示，為光纖磁場傳感器的磁場矢量測試系統(tǒng)裝置示意圖，寬帶光源20發(fā)出的光經(jīng)過光纖矢量磁場傳感器25產(chǎn)生干涉光譜，再由光譜儀21接收。光纖矢量磁場傳感器25固定在磁場矢量調(diào)節(jié)支架23上，由一對永磁鐵24產(chǎn)生一個勻強磁場，光纖矢量磁場傳感器25置于磁感線27中心位置附近，并利用電子式磁頭26實時監(jiān)測磁場強度，并通過高斯計22讀取磁場強度大小。分別通過調(diào)節(jié)一對永磁鐵24之間的距離和旋轉(zhuǎn)磁場矢量調(diào)節(jié)支架23，實現(xiàn)對光纖矢量磁場傳感器25附近磁場強度和方向的精確控制。在不同磁場強度和磁場方向下，光譜儀21接收的光纖矢量磁場傳感器25輸出干涉光譜如圖5所示，看到干涉光譜曲線對磁場強度和方向具有明顯的響應，表明本發(fā)明傳感器對磁場矢量傳感是完全可行的。

當保持磁場強度20mT不變，旋轉(zhuǎn)永磁鐵24的方向，傳感器干涉光譜曲線31隨著磁場方向的變化而變化。在磁場方向從0°旋轉(zhuǎn)到90°的過程中，傳感器干涉光譜峰值32逐步往長波長方向漂移，如圖(6a)所示；繼續(xù)保持磁場方向旋轉(zhuǎn)，從90°到180°的過程中，傳感器干涉光譜峰值32逐步往短波長方向漂移，當磁場方向達到180°時，傳感器干涉光譜曲線31回到0°所在的起點位置，如圖(6b)所示。因為磁場方向為0°和180°為相同的方向，所以干涉光譜曲線會重合。當磁場方向繼續(xù)從180°旋轉(zhuǎn)到360°，同時記錄傳感器干涉光譜峰值32的漂移軌跡，得到一個具有極性的“8”字形曲線，如圖7所示。分別改變磁場強度為14mT和10mT后，再次旋轉(zhuǎn)磁場方向從0°到360°，并記錄傳感器干涉光譜峰值32的漂移軌跡，得到相似的“8”字形軌跡曲線，不過，曲線漂移幅值發(fā)生了與磁場強度相應的變化。因此，通過探測峰值漂移軌跡的極性方向和波長漂移幅值，即實現(xiàn)對磁場方向和強度的傳感測量。