本實用新型涉及光纖磁場傳感技術領域，具體涉及一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器。

背景技術：

自然界及人類社會很多地方都存在磁場或存在與磁場相關的信息。磁場作為一種信息載體，人們一直在探索通過更加精確的方法將其中承載的信息采集轉換和再現出來。早在東漢時期出現的司南及之后出現的羅盤被認為是最原始的一類磁場測量儀器。隨著科技的進步，電磁效應，電磁感應，超導效應不斷成熟和被應用，磁場傳感技術也有了很大的發(fā)展。其中，磁場傳感器就成為了信息技術及相關產業(yè)中不可或缺的基本原件。

目前,相對成熟的磁場測量方法有：電磁感應法、電磁效應法、磁力法、磁共振法等。已研制出的磁場傳感器種類較多，并且有些已經被應用到科研、生產和社會生活等方面，但受限于測量精度、操作技術及設備成本的原因，很難大規(guī)模推廣應用。

隨著光纖傳感技術的日益成熟，光纖磁場傳感器發(fā)展迅速。這類傳感器以光學信號作為載體，具有靈敏度高、絕緣性好、相應速度快、成本相對低廉等優(yōu)點?，F有光纖磁場傳感器多數以基于磁流體或磁致伸縮材料的直通式結構為主，很少有關于基于磁性凝膠材料的環(huán)形衰蕩式結構的報道。磁性凝膠的制作成本更低，同時對磁場變化具有很高的靈敏度。環(huán)形衰蕩結構相比直通式結構具有更高的靈敏度。因此，有必要將二者結合，設計出靈敏度更高、穩(wěn)定性更好的光纖磁場傳感器。

技術實現要素：

本實用新型的實施實例提供了磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，是為了解決現有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、成本過高、操作復雜的問題。

為達上述目的，本實用新型實施實例采用如下技術方案：

提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，該磁場傳感器包括DFB光源（1）、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）、磁場感應系統(tǒng)（3）、信號處理系統(tǒng)（4）；

脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2），所述的脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）內包含有偏振光控制器（2-1）、光強度調制器（2-2）、函數發(fā)生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端連接DFB光源（1）另一端連接光強度調制器（2-2），光強度調制器（2-2）另兩個端口分別與函數發(fā)生器（2-3）和一號耦合器（3-1）連接；

磁場感應系統(tǒng)（3），所述的磁場感應系統(tǒng)（3）內包含一號耦合器（3-1）、延遲光纖（3-2）、摻鉺光纖放大器（3-3）、二號耦合器（3-4）、傳感頭（3-5），其中，一號耦合器（3-1）一側的兩端口分別連接光強度調制器（2-2）和傳感頭（3-5），另一側與延遲光纖（3-2）相連，摻鉺光纖放大器一側與延遲光纖（3-2）相連，另一側與二號耦合器（3-4）相連，二號耦合器的另一側兩端口分別連接傳感頭（3-5）和光電轉換器（4-1）；

信號處理系統(tǒng)（4），所述的信號處理系統(tǒng)（4）內包含光電轉換器（4-1）、示波器（4-2）、計算機（4-3）、其中，示波器（4-2）的一側連接光電轉換器（4-1），另一側連接計算機（4-3）；

傳感頭（3-5），所述的傳感頭（3-5）內包含磁性凝膠（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的輸出波長為1550nm。

所述的函數發(fā)生器（2-3）發(fā)出的函數信號為脈沖信號，且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器（3-1）的耦合比為50%：50%，二號耦合器（3-4）的耦合比為99.5%：0.5%，且二號耦合器（3-4）的0.5%的端口與傳感頭（3-5）連接，且一號耦合器（3-1）和二號耦合器（3-4）的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖（3-2）長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭（3-5）外殼為磁性不敏感材料，可對其內部進行固定和保護，傳感頭（3-5）內的光纖是經氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖，腐蝕深度為40μm，且傳感頭（3-5）的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠（3-5-1）其基質為Fe₃O₄納米顆粒，其顆粒直徑為10nm，基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑，且基質能自由分散于基液中，且磁性凝膠（3-5-1）通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

本實用新型專利提供了一種磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，該光纖磁場傳感器改善了現有磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產成本高、技術難度大的問題。

本實用新型的有益效果是：本實用新型針對當前磁場傳感器靈敏度低、穩(wěn)定性差、生產成本高、技術難度大的缺點，提出改進方案。通過氫氟酸腐蝕部分包層的單模光纖，形成腐蝕深度為40μm的微納光纖，選用經硝酸處理過的Fe₃O₄納米顆粒作為磁性敏感材料的基質，聚硅氧烷與硅酸鹽的混合液作為磁性敏感材料的基質，形成磁凝膠。并將磁凝膠通過物理方法粘覆到微納光纖處，形成磁凝膠填充的微納光纖傳感頭。將該傳感頭與環(huán)形衰蕩結構結合，形成一種靈敏度高、穩(wěn)定性好、生產成本相對低廉、操作難度較低的光纖磁場傳感器。當傳感頭置于磁場中時，磁凝膠的有效折射率發(fā)生變化。光信號經過微納光纖處會產生倏逝波，倏逝波在磁凝膠中隨其有效折射率的變化亦會發(fā)生變化。環(huán)形衰蕩結構將強度調制轉化為時間調制，它是一個強度的比值，只要系統(tǒng)的信噪比足夠高，測量出的結果就不會因為光源的光強不穩(wěn)定性受大的影響，從而保證了測量精度。同時，環(huán)形衰蕩系統(tǒng)相對簡單，成本低廉。

附圖說明

圖1為磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器的系統(tǒng)結構；

圖2為脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)；

圖3為磁場感應系統(tǒng)；

圖4為信號處理系統(tǒng)；

圖5為傳感頭放大圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖進一步說明本實用新型的具體實施方式。

如圖1，本實施方式所述的磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器，它包括DFB光源（1）、脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）、磁場感應系統(tǒng)（3）、信號處理系統(tǒng)（4）；

如圖2，脈沖信號發(fā)生系統(tǒng)（2）內包含有偏振光控制器（2-1）、光強度調制器（2-2）、函數發(fā)生器（2-3），其中，偏振光控制器（2-1）一端連接DFB光源（1）另一端連接光強度調制器（2-2），光強度調制器（2-2）另兩個端口分別與函數發(fā)生器（2-3）和一號耦合器（3-1）連接；

如圖3，磁場感應系統(tǒng)（3）內包含一號耦合器（3-1）、延遲光纖（3-2）、摻鉺光纖放大器（3-3）、二號耦合器（3-4）、傳感頭（3-5），其中，一號耦合器（3-1）一側的兩端口分別連接光強度調制器（2-2）和傳感頭（3-5），另一側與延遲光纖（3-2）相連，摻鉺光纖放大器一側與延遲光纖（3-2）相連，另一側與二號耦合器（3-4）相連，二號耦合器的另一側兩端口分別連接傳感頭（3-5）和光電轉換器（4-1）；

如圖4，信號處理系統(tǒng)（4）內包含光電轉換器（4-1）、示波器（4-2）、計算機（4-3）、其中，示波器（4-2）的一側連接光電轉換器（4-1），另一側連接計算機（4-3）；

所述的傳感頭（3-5）內包含磁性凝膠（3-5-1）。

所述的DFB光源（1）的輸出波長為1550nm。

所述的函數發(fā)生器（2-3）發(fā)出的函數信號為脈沖信號，且脈寬為1μs。

所述的一號耦合器（3-1）的耦合比均為50%：50%，二號耦合器（3-4）的耦合比為99.5%：0.5%，且二號耦合器（3-4）的0.5%的端口均與傳感頭（3-5）連接，且一號耦合器（3-1）和二號耦合器（3-4）的插入損耗均為3dB。

所述的延遲光纖（3-2）長度為2km且為普通單模光纖。

所述的傳感頭（3-5）外殼為磁性不敏感材料，可對其內部進行固定和保護，傳感頭（3-5）內的光纖是經氫氟酸腐蝕掉部分包層的單模光纖，腐蝕深度為40μm，且傳感頭（3-5）的方向與磁場方向垂直。

所述的磁性凝膠（3-5-1）其基質為Fe₃O₄納米顆粒，其顆粒直徑為10nm，基液為聚硅氧烷和硅酸鹽穩(wěn)定劑，且基質能自由分散于基液中，且磁性凝膠（3-5-1）通過物理方法粘覆到腐蝕掉部分包層的單模光纖上。

所述的所有器件的鏈接處均采用熔融連接的方法。

在使用時，先按照附圖說明將光路搭建完成，將傳感頭垂直于磁場方向放置。待光源輸出信號穩(wěn)定后即可進行測量。

工作原理：

磁凝膠填充微納光纖傳感頭的環(huán)形衰蕩磁場傳感器：

工作過程：先將光路按光路圖連接好，打開光源，將傳感頭垂直置于磁場中，待光源輸出光信號穩(wěn)定后開始測量。光信號經過偏振光控制器及強度調制器后，受函數發(fā)生器的作用，可產生脈沖信號。該脈沖光經一號耦合器到達磁場感應系統(tǒng)，該系統(tǒng)為光纖環(huán)形衰蕩腔。環(huán)形衰蕩腔的一號耦合器的耦合比為50%：50%，二號耦合器的耦合比為99.5%：0.5%。光信號每次經過傳感頭后的光都會有一定的損耗。隨時間的增加，光強逐漸減弱，為指數衰減的關系，并且衰蕩時間與磁場強弱有關。通過對磁場強度與衰蕩時間擬合，發(fā)現二者具有良好的線性關系。這樣就可以通過衰蕩時間的測量間接對磁場強度進行測量。