[发明专利]一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法

说明书

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法。该传感器包括新型光纤光栅和线型磁性材料。新型光纤光栅是在多包层光纤的光敏性较高的纤芯和最内层上同时刻写光栅。线性磁性材料嵌套在空芯光纤中再与新型光纤光栅相熔接，制作成传感器。由于纤芯内的传输光因波导束缚不会受到弯曲的影响，而包层模式的能量对磁场作用下引起的光纤弯曲应变具有极高的灵敏度，而弯曲的方向和磁场方向一致，从而使光纤传感器输出的光谱信号受磁场矢量调制，构成光纤矢量磁场传感器。又因为只有共振模式的传输波长对温度有良好的响应，可以用纤芯模式测量环境温度。本发明为全光纤探针式磁场传感器，稳定性较高，结构简单，体积小，可实现温度自校准功能。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，涉及光纤磁场传感器，具体涉及一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展和人们生活水平的提高，磁场的应用越来越广泛，特别是在电力电网、导航定位、生物医学、航海航天、地球物理、军事工程等领域。因此对磁场进行精确有效的测量具有重要意义。磁场传感器是获取磁场信息的核心器件。传统的电类磁场测量方法有磁力法、电磁感应法、霍尔效应发和磁阻法等，这些方法的主要缺点：结构复杂、体积相对较大、易受电磁信号的干扰、无法适用于高温高压等恶劣环境。针对磁场传感器的这些缺点，光纤磁场传感器有其突出的优势，在磁场检测方面给出了较好的解决方案。然而，目前使用较多的光纤光栅的磁场传感器是将磁致伸缩材料和光栅直接粘贴在一起，通常存在稳定性差、灵敏度低和不能确定磁场方向等问题。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器及其制作方法，将磁场变化转化为通过包层光纤光栅传感技术测量弯曲应变变化间接测量磁场大小和方向变化，充分发挥光纤光栅传感技术的优势。此结构既具有常规光纤磁场传感器易复用、长期稳定性高、耐腐蚀等特性，又具有结构简单，测量精度高，应用前景好等优势。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器，包括标准单模光纤，标准单模光纤连接四包层光纤，四包层光纤上刻有纤芯光纤光栅和包层光纤光栅, 四包层光纤后套接石英毛细管, 石英毛细管末端内设有线性磁性材，线性磁性材长度是石英毛细管的一半。

一种基于光纤光栅的探针式矢量磁场传感器的制作方法，包括以下步骤：

1）刻写光纤光栅：使用波长为800nm、脉宽为100fs，光斑直径为9mm的飞秒激光经一反射滤光片进行调节，再经过两个全反镜反射聚焦到一柱面透镜，然后透过相位掩模板入射到由高精度三维平移台夹持的四包层光纤，纤芯和四个包层由内至外直径尺寸分别为4μm、9μm、14μm、22μm、120μm，最内部包层折射率最小，第二包层折射率最大上，控制激光输入功率为500mW，曝光时间为5s，5mm长的周期性纤芯和包层栅同时形成。光纤光栅制备时，光谱的动态变化由宽带光源（SLD）和光谱仪（OSA)）进行实时监测；

2）线性磁性材料和光纤光栅的连接：将长度为3l、端面直径为80μm的PW-080线性磁性材料的外部套入一个长度为6l、内径为100μm、外径为164μm的石英毛细管；使用FSP-80s熔接机将光纤光栅两端分别与输入单模光纤和上述石英毛细管无偏芯熔接；最后，再将石英毛细管的另一端在熔接机中直接放电密封，防止线性磁性材料掉出；至此，光纤矢量磁场传感器制作完成。

本发明的有益效果是：

本发明基于包层光纤光栅和线性磁性材料的探针式光纤矢量磁场传感器，弯曲灵敏度较高，能实现传感光路系统的能量自校准和实时温度监测。利用飞秒激光刻成的相对光纤轴的位置不对称性包层光栅，表现了明显的方向相关性，实现了光纤磁场传感器对磁场大小和方向的同时测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。