磁流体填充MNF与FBG级联的应力和磁场传感装置的制作方法

sensitive mach-zehnder interferometric temperature fiber-optic sensor based on core-offset splicing technique[j].optical fiber technology,2020,56:102202.)将错位连接两端光纤并且填充折射率匹配液制作而成马赫曾德干涉传感器，虽然比为填充时灵敏度提高了，但是由于两端错位光损耗偏大性能较差；2020年，xia f等人(xia f,zhao y,zheng h,et al.ultra-sensitive seawater temperature sensor using an fbg-cascaded microfiber mzi operating at dispersion turning point[j].optics&laser technology,2020,132:106458.)提出一种海水温度检测的光纤传感器，其采用fbg与微纳光纤级联结构实现温度检测，其中微纳光纤表面包覆pdms温敏材料产生mzi，级联结构增强了灵敏度和探测范围，该传感单元虽然实现了温度的宽探测范围，但是结构复杂，且只能实现单一参量测量；2021年，孙丹丹等人(孙丹丹,杨润.基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器[j].量子光学学报,2021,27(03):227-234.)提出基于纳米材料封装的干涉型微纳光纤温度传感器，但是不能进行多参量测量，不能满足现实环境需求，并且填充液对会降低传感器的灵敏度。


技术实现要素：

[0004]
目前研究者采用fbg或fbg级联结构已经实现了应力、磁性等参数的测量，但是多存在灵敏度低，损耗大不易实现，并且在以往的双参量测量系统中不能同时测量双参量或多参量并且所得结果不易分析；结合目前现有技术的优势，以及现有技术的缺点，本发明提出一种具有高灵敏度、可实现双参量测量、制作方法简单、可重复性强、低制作成本、高利用率的磁流体填充mnf与fbg级联的应力和磁场传感装置。
[0005]
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]
技术方案：磁流体填充mnf与fbg级联的应力和磁场传感装置，其特征在于：它包括ase光源(1)、环形器(2)、双参量测量传感装置(3)、光谱仪(4)、解调器(5)、计算机处理器(6)；
[0007]
所述双参量测量传感装置(3)包括左侧磁力座(3-7)、右侧磁力座(3-9)、右侧直角架(3-4)、左侧直角架(3-8)、左侧位移平台(3-10)、右侧位移平台(3-5)、磁铁a(3-1)、磁铁b(3-3)、传感单元(3-2)、应力发生装置(3-6)，其中：
[0008]
应力发生装置(3-6)的左侧放置固定左侧直角架(3-8)的左侧位移平台(3-10)右侧放置固定右侧直角架(3-4)的右侧位移平台(3-5)，并将右侧位移平台(3-5)固定在右侧磁力座(3-9)上，并且在左侧直角架(3-8)固定带有n极磁场的磁铁a(3-1)，同样地，右侧直角架(3-4)固定带有s极磁场的磁铁b(3-3)，另外，传感单元(3-2)放置在应力发生装置(3-6)上；
[0009]
传感单元(3-2)中单模光纤(3-2-4)与细芯光纤(3-2-5)错位熔接并与mnf(3-2-6)级联构成的马赫曾德干涉结构与fbg(3-2-3)级联构成光纤复合结构，另外，将外部套有sio2纳米管(3-2-2)的马赫曾德干涉结构浸润在磁流体(3-2-1)环境中，并用环氧树脂(3-2-7)密封共同构成传感单元(3-2)；
[0010]
传感单元(3-2)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作、磁流体(3-2-1)材料的制作以及sio2纳米管(3-2-2)的封装；
[0011]
其中：光纤复合结构的制作包括单模光纤(3-2-4)与细芯光纤(3-2-5)错位熔接，
mnf(3-2-6)的制作，以及马赫曾德干涉结构与fbg(3-2-3)级联的制作，首先，选取20cm的单模光纤(3-2-4)与10mm的细芯光纤(3-2-5)错位熔接，错位值为6μm，其次，将错位熔接结构的细芯光纤(3-2-5)一侧的端面切割平整后与长度为25mm的mnf(3-2-6)级联构成马赫曾德干涉部分，最后，将马赫曾德干涉部分与栅区长为20mm且中心波长为1550nm的fbg(3-2-3)采用光纤熔接机进行熔接，形成光纤复合结构；
[0012]
磁流体(3-2-1)材料的制作主要选用fe3o4纳米粒子，磁流体(3-2-1)材料具体制备方法为：用烧杯量取85ml的去离子水，在去离子水中依次加入14.2gfecl3·
6h2o以及6.2g feso4·
7h2o,利用搅拌棒搅拌25分钟使烧杯内液体充分溶解，在氮气环境下加热至75℃并且加热40分钟，待体系ph值达到8.5～10.2时加入3.2g油酸，待体系温度降为20℃时倒出上层透明液体，用去离子水洗涤多次剩余黑色颗粒，将黑色颗粒与2.2g c8h
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充分混合制成磁流体(3-2-1)材料；
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sio2纳米管(3-2-2)的封装包括环氧树脂(3-2-7)密封马赫曾德干涉结构以及磁流体(3-2-1)材料的填充，首先，将马赫曾德干涉结构插入直径为3mm的sio2纳米管(3-2-2)中，用环氧树脂材料将临近fbg(3-2-3)一侧进行密封，静置48小时，将装好sio2纳米管(3-2-2)的光纤复合结构浸润在装有磁流体(3-2-1)的培养皿中待sio2纳米管(3-2-2)中充满磁流体(3-2-1)后用环氧树脂材料左侧
·
将sio2纳米管(3-2-2)的另一端密封，静置48小时；
[0014]
进一步地，所述的磁流体填充mnf与fbg级联的应力和磁场传感装置，其特征还在于：
[0015]
ase光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至双参量测量传感装置(3)中的传感单元(3-2)，光束在传感单元(3-2)中产生干涉，当双参量测量传感装置(3)中磁场发生变化时，磁流体(3-2-1)材料的折射率发生改变，因此光程会发生变化，进而经过mnf(3-2-6)的耦合后产生的马赫曾德干涉的干涉光变化，干涉光通过环形器(2)将反射光谱传输至光谱仪(4)显示干涉光谱，解调器(5)将光谱仪(4)中的解调光传输至计算机处理器(6)进行数据处理，另外，发生马赫曾德干涉时mnf(3-2-6)产生较高的表面场和倏逝场，提高了传感单元(3-2)的灵敏度。
[0016]
进一步地，所述ase光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
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所述的磁流体填充mnf与fbg级联的应力和磁场传感装置，其特征在于：
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所述双参量测量传感装置(3)测量温度时，将应力发生装置(3-6)开启，传感单元(3-2)放置在应力发生装置(3-6)上，实现应力测量，而测量磁场时，将应力发生装置(3-6)关闭，传感单元(3-2)放置在应力发生装置(3-6)上，操作右侧位移平台(3-5)使磁场发生变化，实现磁场的测量。
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结构发明：磁流体填充mnf与fbg级联的应力和磁场传感装置。
[0020]
本发明实现应力和磁场的同时测量，可以在监测环境磁场时监测应力，结构制作方法简单，灵敏度高、体积小、耐极端环境，满足小型化的监测设备需求。
[0021]
本发明采用单模光纤与细芯光纤错位链接后再与微纳光纤熔接构成的马赫曾德干涉仪实现磁场的测量与传统测量系统相比增加了微纳光纤提高了灵敏度，增大了光程的变化量，增强了马赫曾德干涉，提高灵敏度。
[0022]
本发明中使用纳米管封装，与传统封装工艺相比纳米管可以更好的隔绝外界环境
2)放在磁场环境下实现磁场测量；将应力发生装置(3-6)放在右侧位移平台(3-5)和左侧位移平台(3-10)中间，应力发生装置(3-6)上放置传感单元(3-2)，应力发生装置(3-6)开启时，监测应力变化，其中应力发生装置(3-6)的高度与右侧位移平台(3-5)和左侧位移平台(3-10)的高度一致。