一种磁场和温度同测的光纤传感器及检测方法、制作方法与流程

1.本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及了一种磁场和温度同测的光纤传感器及检测方法、制作方法。


背景技术：

2.磁场传感在电力设备监测、军事工程、生物医学工程等领域都非常重要。基于光纤的传感器具有结构小巧、高灵敏度以及响应速度快等特点，所以光纤传感器广泛应用于磁场传感。磁流体作为一种特殊的功能材料，纳米级磁性粒子包裹在表面活性剂中，均匀分散在基液中，形成稳定的胶体溶液；磁流体兼具液体的流动性和磁性材料的磁致折射特性，使其常作为磁敏材料与光纤传感器结合并用于磁场测量。磁场强度改变时，磁流体的折射率会发生变化，从而使得传感器的透射谱发生漂移，可以通过观察透射谱的波长漂移量完成磁场测量。但是磁流体的折射率除了会随着磁场的改变而发生变化外，温度的变化也会导致磁流体的折射率发生变化。所以，为了得到更加准确的测量结果，需要对磁场及温度进行同时测量。
3.基于反谐振反射制导的空芯光纤由于其独特的结构可以将磁流体注入光纤内部，以此达到增加传感灵敏度的目的。空芯布拉格光纤的包层由四对双包层以及一个低折的最外包层组成，多包层结构使在空芯布拉格光纤中传输的光能被更多的束缚在光纤内。


技术实现要素：

4.本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
5.鉴于上述现有基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法存在的问题，提出了本发明。
6.因此，本发明目的是提供一种基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：第一段单模光纤，与空芯布拉格光纤一端相连接；所述空芯布拉格光，其内部设置于磁流体；第二段单模光纤，与所述空芯布拉格光纤的另一端相连接。
8.作为本发明所述基于磁场及温度同测的光纤传感器的一种优选方案，其中：所述第一段单模光纤和所述第二段单模光纤的纤芯直径为9μm，纤芯折射率为1.4681，包层直径为125μm，包层折射率为1.4628。
9.作为本发明所述基于磁场及温度同测的光纤传感器的一种优选方案，其中：所述所述空芯布拉格光纤的纤芯直径为32μm，纤芯折射率为1，包层直径为125μm，包层由四个高低折射率交替分布的双包层与最外低折层组成，单个高折层厚度为1.06μm，高折层折射率为1.454，单个低折层厚度为3.07μm，低折层折射率为1.444，所述空芯布拉格光纤203长设置在3mm～1cm之间。
10.作为本发明所述基于磁场及温度同测的光纤传感器的一种优选方案，其中：宽带光源发出超连续光源进入所述第一段单模光纤，并穿过所述空芯布拉格光纤和所述第二段单模光纤；其中，宽带光源200的波长为470nm～2400nm。
11.作为本发明所述基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法的一种优选方案，其中：穿过所述第二段单模光纤的光被光谱仪检测。
12.为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：获取反谐振模式；光谱检测阶段，光进入第二段单模光纤后，被光谱仪检测。
13.作为本发明所述基于光纤传感器的磁场与温度检测方法的一种优选方案，其中：第一段单模光纤与空芯布拉格光纤模场失配，空芯布拉格光纤被激发出多个反谐振模式，不满足法珀谐振腔的谐振条件的光被约束在空芯布拉格光纤内并向前传输到第二段单模光纤；其中，空芯布拉格光纤中主要被激发的反谐振模式为lp01模和lp02模。
14.作为本发明所述基于光纤传感器的磁场与温度检测方法的一种优选方案，其中：透射谱中有多个由空芯布拉格光纤中的反谐振模式产生的不同周期的dip，当温度和磁场同时作用于传感器时，不同反谐振模式产生的dip会发生不同的漂移，通过交叉矩阵计算出磁场与温度分别对应的漂移量，从而实现磁场与温度的双参量同时传感。
15.为解决上述技术问题，本发明还提供如下技术方案：将空芯布拉格光纤两端切平整，将磁流体注入空芯布拉格光纤内，将第一段单模光纤和第三段单模光纤端口切平，按第一段单模光纤、注有磁流体的空芯布拉格光纤和第二段单模光纤的结构放入熔接机中进行熔接。
16.本发明的有益效果：能够实现磁场和温度的同时传感且传感器的制作简单。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
18.图1为本发明基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法的整体结构示意图。
19.图2为本发明基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法所述的注入磁流体后的空芯布拉格光纤的横向界面图。
20.图3为本发明基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法所述的三段式结构的磁场及温度的双参量传感器的检测原理图。
21.图4为本发明基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法所述的空芯布拉格光纤中的反谐振模式lp01模的透射谱。
22.图5为本发明基于磁场及温度同测的光纤传感器和检测方法所述的空芯布拉格光纤中的反谐振模式lp02模的透射谱。
具体实施方式
23.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
24.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
25.其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
26.再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
27.实施例1
28.参照图1～图4，一种基于磁场和温度同测的光纤传感器100包括第一段单模光纤101，与空芯布拉格光纤102一端相连接；空芯布拉格光纤102，其内部设置于磁流体m；第二段单模光纤103，与空芯布拉格光纤102的另一端相连接。
29.具体的，第一段单模光纤101和第二段单模光纤103的纤芯直径为9μm，纤芯折射率为1.4681，包层直径为125μm，包层折射率为1.4628；空芯布拉格光纤102的纤芯直径为32μm，纤芯折射率为1，包层直径为125μm，包层由四个高低折射率交替分布的双包层与最外低折层组成，单个高折层厚度为1.06μm，高折层折射率为1.454，单个低折层厚度为3.07μm，低折层折射率为1.444，空芯布拉格光纤203设定在3mm～1cm之间。该数据由实验室实验得出，基于该参数，该装置能够实现，反之，不能保证装置有效。
30.进一步的，宽带光源200发出超连续光源进入第一段单模光纤101，并穿过空芯布拉格光纤102和所述第二段单模光纤103，最终被光谱仪300检测。
31.其中，宽带光源200的波长为470nm～2400nm。
32.实施例2
33.参照图1～图5，一种磁场和温度同测的检测方法，其包括光进入阶段和光谱就检测阶段。
34.宽带光源发出光进入第一段单模光纤后，由第一段单模光纤传输进入空芯布拉格光纤，当第一段单模光纤、第二段单模光纤与空芯布拉格光纤进行中心对准熔接且空芯布拉格的纤芯未发生塌陷时，熔接处会激发出许多空芯布拉格光纤中的反谐振模式，最主要的就是lp01模和lp02模，且不同的反谐振模式对外界环境的变化具有不同的灵敏度。
35.其中，空芯布拉格光纤是一种基于反谐振反射机理制导的光纤，其包层相当于一个法珀谐振腔，光纤中满足法珀谐振腔的谐振条件的光大部分会泄露到包层以及外界，不满足法珀谐振腔谐振条件的光将会很好的被约束在纤芯中并向前传输，光经过空芯布拉格光纤并耦合进入第二段单模光纤，被光谱仪检测。
36.具体的，在透射谱中会出现多组具有不同周期的dip，每一组dip都是由空芯布拉格光纤中的反谐振模式导致。其中，透射谱主要由lp01模和lp02模共同作用形成，透射谱中具有不同周期的dip对应一个反谐振模式。外界的磁场或温度发生改变时，注入在空芯布拉格光纤中的磁流体的折射率会随之发生变化，从而使得空芯布拉格光纤的包层折射率发生变化，进而导致透射谱中的谱线发生漂移，不同反谐振模式对应的dip会有不同的波长漂移量。
37.空芯布拉格光纤的谐振波长可以由下式得出：
[0038][0039]
式中，d是空芯布拉格光纤包层的厚度，ne是空芯布拉格光纤包层的归一化有效折射率，n0是空芯布拉格光纤的纤芯折射率，m是谐振阶数。
[0040]
当温度和磁场同时作用于传感器时，不同反谐振模式产生的dip会发生不同的漂移，通过一个交叉矩阵，可以计算出磁场与温度分别对应的变化量，从而实现磁场与温度的双参量同时传感。
[0041]
实施例3
[0042]
一种磁场和温度同测的传感器的制作方法，其包括，切割、注入和熔接。
[0043]
在使用前，先将空芯布拉格光纤用酒精清洗，擦去表面的涂敷残留，并用切割刀将空芯布拉格光纤的两端切平整，确保与第一段单模光纤和第三段单模光纤更好的熔接；接着利用空芯布拉格光纤的毛细效应，将磁流体注入空芯布拉格光纤内，由于未稀释的磁流体具有很强的吸光性，以及对磁场具有较强的灵敏度，所以只需注入少量的磁流体；然后将第一段单模光纤和第三段单模光纤用酒精清洗并用切割刀将端口切平整，确保能更好的熔接，最后将第一段单模光纤、第二段单模光纤与注有磁流体的空芯布拉格光纤放入熔接机中，按第一段单模光纤、空芯布拉格光纤和第二段单模光纤的结构进行手动中心对准熔接。
[0044]
其中，当少量的磁流体被注入空芯布拉格光纤后，在将空芯布拉格光纤与第一段单模光纤和第二段单模光纤熔接时，由于熔接机放电的热效应，空芯布拉格光纤中的磁流体会移动，最终会附着在空芯布拉格光纤的内壁，此时磁流体相当于是空芯布拉格光纤的一个内包层。
[0045]
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本技术的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
[0046]
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
[0047]
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和
生产的常规工作。
[0048]
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。