CN109991562B - 一种双芯光纤磁场传感探头 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种双芯光纤磁场传感探头。它包括激光光源(1)、耦合模块(2)、双芯光纤传感探头(3)、探测器(4)，所述的耦合模块(2)包括第一光波导(2‑1)、第二光波导(2‑2)，所述的双芯光纤包括第一纤芯(3‑1)、第二纤芯(3‑2)、包层(3‑3)、注有磁流体的刻槽(3‑4)、反射膜(3‑5)，注有磁流体的刻槽(3‑4)位于双芯光纤的上端面，反射膜(3‑5)粘接在双芯光纤的上端面，和注有磁流体的刻槽(3‑4)的下表面形成F‑P腔结构，当存在磁场时，磁流体的折射率发生改变，从而改变F‑P腔的等效腔长，通过输出光的变化就可以实现磁场的测量。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种双芯光纤磁场传感探头，其结构由激光光源、耦合模块、双芯光纤传感探头、探测器组成，以实现磁场的测量。
背景技术
磁传感器是把磁场、电流、应力应变、温度、光等外界因素引起敏感元件磁性能变化转换成电信号，以这种方式来检测相应物理量的器件。传统的磁场传感器，如霍尔传感器、磁阻传感器、磁通门传感器和磁感应线圈传感器等易于受电磁干扰，而光纤磁场传感器具有体积小、重量轻、精度高、抗电磁干扰能力强并且可以远程测量等优点。基于不同的光学原理，可制成不同类型的光纤传感器，如基于干涉型原理的光纤传感器、基于FBG原理光纤传感器等等。根据应用场合的不同，有应用于不同场合的光纤传感器，如温度型光纤传感器、折射率传感器、应力应变测量传感器以及磁场传感器等等。对于光纤传感器，目前的报道中，普通单芯光纤，即一个包层，一个纤芯，对于单芯光纤的应用比较多，尽管单芯光纤可以实现双向传输，但是由于其存在信号串扰，这使得的传感器精度不高。双芯光纤是同一个包层内包含两个纤芯的光纤，每个纤芯都是一条光波导，即一根双芯光纤中集成了两根单芯光纤，不存在信号串扰的问题，大大提高了传感器的精度。
磁流体是一种新型的纳米功能材料，既具有液体的流动性和固体物质的磁性，又具有丰富的光学性质，如磁光效应和热透镜效应。磁流体处于静态时，不表现出任何磁性；当外加磁场时，随着磁场强度的增加，磁流体的折射率也随之发生变化。所以，可以利用磁流体的磁光效应测量磁场。将双芯光纤和磁流体相结合，利用磁流体的磁光效应可以测量磁场。
双芯光纤磁场传感探头由双芯光纤和磁流体组成，这种双芯光纤比普通的单芯光纤光路简单。本发明采用双芯光纤和磁流体相结合的一种光纤磁场传感探头，来实现磁场的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双芯光纤磁场传感探头的设计方案，能实现对磁场的测量。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明包括激光光源(1)、耦合模块(2)、双芯光纤传感探头(3)、探测器(4)，其特征是：所述的耦合模块(2)包括第一光波导(2-1)、第二光波导(2-2)，所述的双芯光纤包括第一纤芯(3-1)、第二纤芯(3-2)、包层(3-3)、注有磁流体的刻槽(3-4)、反射膜(3-5)，所述的激光光源(1)与第一光波导(2-1)的下端耦合，第一光波导(2-1)的上端与第一纤芯(3-1)耦合，第二纤芯(3-2)与第二光波导(2-2)的上端耦合，第二光波导(2-2)的下端与所述的探测器(4)耦合，如图1所示。
所述的耦合模块(2)，长3mm，宽3mm，高2mm。
所述的第一光波导(2-1)的直径为4um，所述的第二光波导(2-2)的直径为4um，第一光波导(2-1)和第二光波导(2-2)的上端相距62.5um，下端相距1mm。
所述的双芯光纤包层(3-3)直径为125um，第一纤芯(3-1)直径为4um，第二纤芯(3-2)直径为4um，两纤芯间距62.5um，数值孔径为0.25。
所述的注有磁流体的刻槽(3-4)是利用飞秒激光在双芯光纤的上端面刻蚀而得，长80um，宽80um，深0.3um。
所述的反射膜(3-5)膜厚0.2um，粘接在注有磁流体的刻槽(3-4)上端面，和注有磁流体的刻槽(3-4)构成一个整体，作为刻槽的上反射面和下表面形成F-P腔结构，起到密封磁流体的作用。
本发明是一种双芯光纤磁场传感探头。本发明具有测量精度高、制作简单、体积小等优点。
附图说明
图1为本发明所述的一种双芯光纤磁场传感探头的结构示意图；
图2为本发明所述的一种双芯光纤磁场传感探头的俯视图。
具体实施方式
下面将结合图1，对本发明的具体实施方式作进一步说明。
本发明是可以对磁场进行测量的一种双芯光纤磁场传感探头，具体实施步骤如下：
步骤一：光纤端面预处理
用光纤切割机将双芯光纤的上下两个端面切平，然后利用超声波清洗机对光纤端面进行清洁。
步骤二：制备耦合模块利用半导体微加工工艺制备耦合模块，它是由两个光波导构成，两个光波导直径相同，为4um，上端相距62.5um，下端相距1mm。耦合模块长3mm，宽3mm，高2mm。
步骤三：将耦合模块与双芯光纤的下端面进行熔接。
步骤四：在双芯光纤的上端面刻槽
将处理好的双芯光纤固定在夹具上，然后放置在三维平台上保持水平方向不动，调节三维平台使飞秒激光经过光学透镜聚焦在双芯光纤中心轴线上方，从焦点接触到光纤开始逐步调节三维平台，逐渐向上移动控制刻槽的深度，调节光学透镜光阑控制飞秒激光聚焦后焦点的大小，控制刻槽的宽度。
步骤五：将磁流体注入刻槽中。
步骤六：在双芯光纤的上端面粘接一层0.2um厚的反射膜。
本发明测量磁场的基本原理为：刻槽的上下表面作为两个反射面，形成F-P腔原理，槽深即为F-P腔的腔长。当存在磁场时，磁流体的折射率将发生改变，从而改变F-P腔的等效腔长，通过输出光的变化就可以实现磁场的测量。
Claims (1)
1.一种双芯光纤磁场传感探头，包括激光光源(1)、耦合模块(2)、双芯光纤传感探头(3)、探测器(4)，其特征是：所述的耦合模块(2)包括第一光波导(2-1)、第二光波导(2-2)，所述的耦合模块(2)长3mm，宽3mm，高2mm，所述的双芯光纤包括第一纤芯(3-1)、第二纤芯(3-2)、包层(3-3)、注有磁流体的刻槽(3-4)、反射膜(3-5)，所述的激光光源(1)与第一光波导(2-1)的下端耦合，第一光波导(2-1)的上端与第一纤芯(3-1)耦合，第二纤芯(3-2)与第二光波导(2-2)的上端耦合，第二光波导(2-2)的下端与所述的探测器(4)耦合，所述的注有磁流体的刻槽(3-4)是利用飞秒激光在双芯光纤的上端面刻蚀而得，长80um，宽80um，深0.3um，所述的反射膜(3-5)粘接在磁流体的刻槽(3-4)的上端面，厚0.2um；所述的第一光波导(2-1)的直径为4um，所述的第二光波导(2-2)的直径为4um，第一光波导(2-1)和第二光波导(2-2)的上端相距62.5um，下端相距1mm；所述的双芯光纤包层(3-3)直径为125um，第一纤芯(3-1)直径为4um，第二纤芯(3-2)直径为4um，两纤芯间距62.5um，数值孔径为0.25。
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