矢量磁场传感器、制备方法和检测系统

技术领域

本发明涉及光纤磁场传感技术领域，特别涉及一种矢量磁场传感器、制备方法和检测系统。

背景技术

连续矢量磁场传感技术在航海、太空探索、军事等领域具有极其重要的作用。传统磁场传感器主要采用磁阻式、磁二极管式等，传统磁传感器容易受到电磁等环境因素干扰，且不利于远距离传输。在极端环境下，常规磁场传感器的性能会受到影响，甚至出现故障。

光纤磁场传感器较传统磁场传感器明显优势在于具有紧凑结构、快速响应、高灵敏度等。随着纳米技术的发展，将功能性纳米材料与光纤结合可以有效实现磁场传感，尤其是对微弱磁场测量。磁流体是一种重要的纳米材料，且具有丰富的磁光特性如可调折射率、可调双折射、可调透光率等。随着特种光纤技术的发展，将光纤器件与磁流体结合可以实现光纤磁场传感，但是大多数器件与磁流体结合只能实现磁场强度的测量，而无法实现磁场方向的辨别，这限制了光纤磁场传感器的应用范围。

保偏光纤长周期光栅是在保偏光纤上进行周期性折射率调制，将纤芯基模耦合到正交的偏振包层模式，由于保偏光纤特殊的非对称结构，其包层模式具有非对称环境折射率特性。基于偏振光测量的保偏光纤长周期光栅是光纤矢量传感技术上重要的研究方向。

发明内容

基于此，本发明的目的是提出一种矢量磁场传感器，解决现有磁场传感器无法同时测量磁场强度与磁场方向的问题。

本发明提出一种矢量磁场传感器，所述矢量磁场传感器包括单模光纤、细径保偏光纤、磁流体和石英毛细管，所述细径保偏光纤的两端分别与所述单模光纤连接，所述石英毛细管套设于所述细径保偏光纤上，所述磁流体设于所述石英毛细管内，所述细径保偏光纤上刻写有长周期光栅。

本发明提出的矢量磁场传感器，通过设置磁流体在磁场作用下具有可调折射率特性，纳米颗粒具有链状聚集特性。光纤的存在会打破磁流体纳米粒子链状排列的平衡，导致磁场穿过光纤的平面内纳米粒子分布稀疏，与之垂直的光纤表面纳米粒子丰富，进而在光纤两个正交方向的表面形成高低折射率分布。保偏光纤是一种非对称结构光纤，具有很强的双折射，保偏光纤长周期光栅能将纤芯基模耦合到高阶正交偏振包层模，并且保偏光纤长周期光栅包层模式具有非对称环境折射率特性，通过包层模式倏逝场与磁流体相互作用，可以通过监测包层模式的光谱谐振波长偏移来实现外界磁场强度与方向的同时测量。

进一步的，所述保偏光纤的包层直径为80微米。

进一步的，所述长周期光栅的周期范围为250-400微米。

进一步的，所述石英毛细管的两端注塑有紫外固化胶。

进一步的，所述磁流体为水基磁流体。

本发明还提出一种矢量磁场传感器制备方法，所述方法包括：

刻写细径保偏光纤长周期光栅：将预设长度的细径保偏光纤熔接在单模光纤中间，通过二氧化碳激光在细径保偏光纤上刻写长周期光纤光栅；

将石英毛细管套在保偏光纤长周期光栅外面，保持所述保偏光纤长周期光栅光纤轴向恒定拉力，利用紫外固化胶封装石英毛细管一端，在所述紫外固化胶固化后利用注射器将磁流体导入所述石英毛细管内，将所述石英毛细管另一端通过所述紫外固化胶密封。

本发明提出的矢量磁场传感器制备方法，通过使用二氧化碳激光器在细径保偏光纤上制备长周期光纤光栅，长周期光纤光栅插入损耗小，设计灵活，折射率灵敏度高。

本发明还提出一种矢量磁场传感器检测系统，所述矢量磁场传感器检测系统包括：矢量磁场传感器、宽带光源、光谱仪、起偏器、偏振控制器和磁场发生器；其中，所述宽度光源、所述起偏器、所述偏振控制器、所述矢量磁场传感器和所述光谱仪依序连接，所述矢量磁场传感器设于所述磁场发生器内，所述磁场发生器通过一稳压电源驱动。

进一步的，所述磁场发生器内还设有一特斯拉磁力计。

进一步的，所述磁场发生器为可旋转磁场发生器。

本发明提出的矢量磁场传感器检测系统，通过在外界磁场的作用下利用光谱仪监测封装后保偏光纤长周期光栅透射光谱谐振波长的变化，得到光栅谐振峰波长随磁场强度、磁场方向的变化规律。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。

附图说明

此处所说明的附图用来提出对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明第一实施例提出的矢量磁场传感器结构示意图；

图2为本发明第二实施中提出的矢量磁场传感器检测系统结构示意图；

图3为本发明第一实施例提出矢量磁场传感器在不同磁场方向下的磁场强度响应图；

图4为本发明第一实施例提出矢量磁场传感器透射光谱在恒定磁场强度下随磁场方向变化图；

图5为本发明第一实施例提出矢量磁场传感器在恒定磁场下的磁场方向响应图。

主要元件符号说明

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提出的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本发明第一实施例提出了一种矢量磁场传感器11。该矢量磁场传感器11包括单模光纤1、细径保偏光纤3、磁流体4和石英毛细管5。

具体的，细径保偏光纤3的两端分别与单模光纤1连接，石英毛细管5套设于细径保偏光纤3上，磁流体4设于石英毛细管5内，细径保偏光纤3上刻写有长周期光栅。

本发明第一实施例提出的矢量磁场传感器11，通过设置磁流体4在磁场作用下具有可调折射率特性，纳米颗粒具有链状聚集特性。光纤的存在会打破磁流体纳米粒子链状排列的平衡，导致磁场穿过光纤的平面内纳米粒子分布稀疏，与之垂直的光纤表面纳米粒子丰富，进而在光纤两个正交方向的表面形成高低折射率分布。保偏光纤3是一种非对称结构光纤，具有很强的双折射，保偏光纤3长周期光栅能将纤芯基模耦合到高阶正交偏振包层模，并且保偏光纤3长周期光栅包层模式具有非对称环境折射率特性，通过包层模式倏逝场与磁流体4相互作用，可以通过监测包层模式的光谱谐振波长偏移来实现外界磁场强度与方向的同时测量。

进一步的，为了提升该矢量磁场传感器11的灵敏度，本发明第一实施例中，保偏光纤3的包层直径为80微米。通过设置光纤为细包层光纤，光纤直径越小环境折射率灵敏度越高、

此外，在本发明实施例中，长周期光栅的周期范围为250-400微米。这使得长周期光栅模式为高阶包层模式LP14。长周期光栅模式阶数越高，环境折射率灵敏度度越高。

可以理解的，由于石英毛细管5内设有磁流体4，磁流体4为液体形态，为了达到良好的密封效果，本发明实施例在石英毛细管5的两端注塑有紫外固化胶2。通过在英毛细管5的两端注塑紫外固化胶2使得该矢量磁场传感器11具有良好的密封性，且同时加强了保偏光纤3与单模光纤1的连接强度。

进一步的，在本发明实施例中，磁流体4为水基磁流体(EMG 605)，通过采用该种磁流体4具有磁性效果好、粒径均匀的特点。

本发明还提出了一种矢量磁场传感器11的制备方法，该方法具体包括：

刻写细径保偏光纤3长周期光栅：将长度为5厘米的细径保偏光纤3熔接在单模光纤1中间，通过二氧化碳激光在细径保偏光纤3上刻写长周期光纤光栅；将石英毛细管5套在保偏光纤3长周期光栅外面，保持保偏光纤3长周期光栅光纤轴向恒定拉力，利用紫外固化胶2封装石英毛细管5一端，在紫外固化胶2固化后利用注射器将磁流体4导入石英毛细管5内，将石英毛细管5另一端通过紫外固化胶2密封。

采用上述制备方法，通过使用二氧化碳激光器在细径保偏光纤上制备长周期光纤光栅，长周期光纤光栅插入损耗小，设计灵活，折射率灵敏度高。

请参阅图2，为本发明第二实施例提出的矢量磁场传感器检测系统，用于检测在外界磁场的作用下利用光谱仪监测封装后保偏光纤长周期光栅透射光谱谐振波长的变化，得到光栅谐振峰波长随磁场强度、磁场方向的变化规律。具体的，矢量磁场传感器检测系统包括：矢量磁场传感器11、宽带光源6、光谱仪13、起偏器7、偏振控制器8和磁场发生器10；其中，宽度光源6、起偏器7、偏振控制器8、矢量磁场传感器11和光谱仪13依序连接，矢量磁场传感器11设于磁场发生器10内，磁场发生器10通过一稳压电源9驱动。

此外，本发明第二实施例提出的磁场传感器检测系统，其磁场发生器10内还设有一特斯拉磁力计12，用于检测和记录磁感应强度的变化。

并且，磁场发生器10采用可旋转磁场发生器，可实现不同角度的磁场作用，便于获取不同角度下磁场发生器10作用的参数值。

如图2所示，标定矢量磁场传感器11中保偏光纤3长周期光栅快轴与慢轴方向，将矢量磁场传感器11接入矢量磁场传感器检测系统，合理调整起偏器7与偏振控制器8使得入射线偏振光分别沿保偏光纤3快轴与慢轴进入保偏光纤3长周期光栅，光谱仪上可以分别获得未施加外界磁场状态下矢量磁场传感器11的快轴与慢轴传输光谱。分别研究所述矢量磁场传感器11快轴与慢轴传输光谱在不同磁场方向下，其谐振峰波长随磁场强度变化规律。如图3所示，可以得到快轴与慢轴模式谐振峰的磁场响应。当磁场强度在0～10.5mT的范围变化时，四个不同方向的磁场响应均具有较好的线性度。为了更精确实现磁场强度测量，被检测磁场强度变化范围应该在0～10.5mT之间。当外界磁场方向平行于光纤慢轴时，快轴模式与慢轴模式有最高磁场响应灵敏度，当外界磁场方向垂直于光纤慢轴时，快轴模式于慢轴模式有最低磁场响应灵敏度，其它两个方向的磁场响应灵敏度介于最高灵敏度与最低灵敏度之间，说明该磁场矢量磁场传感器11在多个方向均可以实现磁场强度测量。

上述矢量磁场传感器检测系统在检测磁场强度和磁场方向时，被检测磁场的磁场强度在0～10.5mT之间。检测方式为光谱仪监测保偏光纤长周期光栅包层模式透射谱谐振峰的变化。

此外，利用保偏光纤3长周期光栅包层模式谐振峰作为传感检测峰，快轴与慢轴包层模式谐振峰均可以作为传感检测峰，慢轴模式的谐振峰具有更高的折射率灵敏度。

如图4所示，为了验证矢量磁场传感器11具有测量磁场方向的能力，固定磁场强度为7.0mT，监测快轴包层模式透射谱随磁场方向360°变化情况，其中(a)为磁场方向由0°到90°变化时，透射光谱随磁场变化情况，(b)为磁场方向由90°到180°变化时，透射光谱随磁场变化情况，(c)为磁场方向由180°到270°变化时，透射光谱随磁场变化情况，(d)为磁场方向由270°到0°变化时，透射光谱随磁场变化情况。

当磁场强度从平行于光纤慢轴变化到垂直于光纤慢轴时，光谱发生蓝移。反正，光谱发生红移。为了进一步分析该磁场传感器的矢量磁场传感特性，分别固定磁场强度为7.0mT和11.0mT，其中磁场方向变化范围为0～360°，监测快轴与慢轴包层模式谐振波长随磁场方向变化的变化。如图4所示，在不同的磁场强度下，快轴与慢轴模式谐振波长的偏移量随磁场方向变化的变化明显，在极坐标下呈现8字型，证明所发明的磁场传感器能够实现0～90°范围内磁场方向辨别。

本发明提供技术方案，具有以下优点：通过使用二氧化碳激光对细径保偏光纤3就行周期性折射率调制，制备了具有较高非对称折射率特性的长周期光纤光栅，其在磁流体的折射率调谐范围内具有较高的折射率灵敏度；矢量磁场传感器检测系统通过偏振光作为探测光源，克服光纤传感过程中器件高偏振相关损耗对测量结果的影响；通过对磁流体4包裹后的细径保偏光纤3长周期光栅磁场响应进行测试，得到保偏光纤3长周期光栅快轴与慢轴包层模谐振波长随磁场强度与磁场方向的变化规律，并选定周期范围为250-400微米的光栅周期，恰当的光栅谐振波长，恰当的被检测磁场强度区间以及水基磁流体，使得磁场传感器的磁场强度与磁场方向响应较高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。