[发明专利]基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种光纤磁场传感器，尤其涉及一种基于U型弯曲光纤和Sagnac环的特殊结构、并利用磁流体的可调谐折射率特性的磁场传感器。

背景技术

光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等诸多特殊情况下正常工作，还可以与其他敏感材料或者微加工技术结合制造出适合各种不同需求的探测器。光纤传感器广泛应用于磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、应变、光、电压、电流、传像及某些化学量的测量等，应用前景十分广阔。

磁流体是一种利用表面活性剂将10nm左右大小的磁性颗粒均匀分散在基液中所形成的稳定磁性胶体。它既具有固体磁性材料的磁性又具备液体的流动性特点，同时拥有许多优异的磁光特性，包括：法拉第效应，可调折射率，磁控双折射等。这些特性使其很容易和一些光子器件结合，组成新型的光子器件，如：可以和光纤传感器结合，制备出性能优良的光纤磁场传感器。

磁场测量在科学研究、国防建设、工业生产、医疗仪器、日常生活等领域得到了广泛的应用、而且常常起到重要的作用。目前比较成熟的磁场测量方法有电磁感应法，磁力法，电磁效应法，磁共振法，磁光效应法，另外还有磁饱和法，超导效应法等方法。随着技术的发展，人们对磁场测量的精度和准确度等有了更高的要求。而近几年来，基于磁流体和光纤的磁场传感器因其具有体积小、灵敏度高、成本低等优点得到广泛的关注和研究。

经过对现有技术的文献检索发现，2014年，Liu等人提出基于U型弯曲单模光纤和磁流体的磁场传感器（T. Liu, Y. Chen, Q. Han, and X. Lu, Magnetic field sensor based on U-Bent single-mode fiber and magnetic fluid, IEEE Photonics Journal 6: 1-7, 2014），之后，Zhang等人提出了基于U型弯曲单模-多模-单模光纤结构和磁流体的磁场传感器（R. Zhang, T. Liu, Q. Han, Y. Chen, and L. Li, U-bent single-mode–multimode–single-mode fiber optic magnetic field sensor based on magnetic fluid, Applied Physics Express 7: 072501, 2014）。但这些方法均采用透射式结构，其应用范围受限，另外这些方法未充分利用U型弯曲光纤结构具有的双折射增强效应。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感器，该磁场传感器是一种制作工艺简单、成本低廉、灵敏度高的磁场传感装置，其由U型弯曲光纤结构构成Sagnac环并结合磁流体的磁场敏感特性，充分利用U型弯曲光纤的双折射干涉效应实现对磁场大小的检测。

本发明的技术方案为：

一种基于U型光纤和Sagnac环的磁场传感装置，包括超连续光源、2×2熔融型3dB耦合器、电磁铁、载玻片、浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构、光谱仪，所述2×2熔融型3dB耦合器输入端连接超连续光源、输出端连接光谱仪，所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构接入2×2熔融型3dB耦合器剩余的两个端口形成Sagnac环，且浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构放入电磁铁产生的匀强磁场中。

所述浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构由光纤、U型弯曲特氟龙管、磁流体构成，光纤穿入固定在载玻片上的U型弯曲特氟龙管中，U型弯曲特氟龙管中注满磁流体，光纤置于磁流体环境中，U型弯曲特氟龙管的两端用紫外光固化胶密封。

所述U型弯曲特氟龙管的内径为0.6mm，长度为60cm，弯曲半径为9mm。

本发明的有益效果在于：利用U型光纤结构和Sagnac环的双折射干涉增强效应，结合磁流体的可调谐折射率特性实现了一种磁场传感装置，具有结构和制作工艺简单、灵敏度高、体积小、成本低、可操作性强等优点，还可应用于远程和恶劣环境中的磁场传感与监测领域。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明浸没于磁流体中的U型弯曲光纤结构示意图；

图3为本发明实施例的光谱图；

图4为本发明实施例的输出光谱中，1273nm波长处的波谷波长偏移量随磁场强度的变化；