[发明专利]一种金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器

说明书

本发明是一种金属化光纤光栅级联F‑P结构的磁场和温度传感器，包括激光光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一信号处理模块(4)，第二信号处理模块(5)，其中传感探头(3)包括光纤光栅(3‑1)、铝金属膜(3‑2)、磁流体(3‑3)、毛细玻璃管(3‑4)、环氧树脂(3‑5)、单模光纤(3‑6)，光纤光栅与单模光纤轴向对准后设置微米量级的间隔置于毛细玻璃管内形成F‑P腔，填充磁流体的F‑P腔利用磁流体可调折射率特性来改变F‑P腔的等效腔长从而实现磁场的测量，金属化光纤光栅利用光栅热膨胀效应以及金属膜的增敏性改变光栅周期从而实现温度的测量，通过测量反射光谱和透射光谱的漂移量，来实现磁场和温度的双参量测量。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，特别涉及一种金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器。

背景技术

光纤磁场传感器具有体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、便于分布式多点探测、全光传输等突出优点，已成为磁场传感领域的研究热点。基于光纤的磁场传感器有很多种，如基于光纤光栅结构的磁场传感器、基于F-P干涉结构的磁场传感器、基于倏逝波机理的磁场传感器和基于表面等离子体共振的磁场传感器等等，依据不同的传感性能可应用于不同的场合。其中基于F-P干涉结构的磁场传感器是将F-P结构与磁敏材料相结合，通过填充敏感材料、使用敏感材料进行封装来实现对待测参量的测量。所用磁敏材料一般为磁流体，磁流体是由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成的兼具液体流动性和固体强磁性的新型智能材料，当施加磁场时，磁流体的折射率发生变化，从而改变输出光的波长，通过解调输出光的变化，实现磁场的探测。

光纤光栅(FBG)作为一种具有高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀性、不受光强波动影响、绝缘性好等优点的无源器件，在土木工程、水利工程、复合材料、医学、电力及航空航天等领域得到广泛引用，并取得显著的研究成果。由于光纤主要成分为SiO₂，其细小质脆，在实际应用在容易损坏，为了保护FBG免受损坏以及提高光纤光栅温度灵敏度，我们通常采用化学镀、电镀等方法对裸光栅进行表面金属化。

本发明采用金属化光纤光栅与填充磁流体的F-P腔相结合来构成光纤磁场传感器，利用磁流体的磁致折射率可调特性和金属化光纤光栅热膨胀特性实现磁场和温度的双参量同时测量，该传感器又具有温度自补偿能力，提高了磁场测量的精度。

发明内容

针对上述所提及的问题，本发明提出了一种金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器的设计方案，能实现对磁场和温度的双参量测量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器，包括激光光源(1)、光纤环形器(2)、传感探头(3)、第一信号处理模块(4)、第二信号处理模块(5)，其特征在于：所述的传感探头(3)长度为8～10mm，包括光纤光栅(3-1)、铝金属膜(3-2)、磁流体(3-3)、毛细玻璃管(3-4)、环氧树脂(3-5)、单模光纤(3-6)，所述的铝金属膜(3-2)通过磁致溅射法在光纤光栅(3-1)上镀制得到，镀膜厚度为180μm，镀膜长度为4mm，所述的毛细玻璃管(3-4)，内径为195μm，外径为1mm，长度为5mm，所述光纤光栅(3-1)右端与单模光纤(3-6)左端轴向对准后设置微米量级的间隔置于毛细玻璃管(3-4)内，光纤光栅端面和单模光纤端面构成F-P谐振腔，所述的磁流体(3-3)通过毛细作用填充到毛细玻璃管(5)内，毛细玻璃管(3-4)两端用环氧树脂(3-5)密封固定，填充磁流体的F-P腔利用磁流体可调折射率特性来改变F-P腔的等效腔长从而实现磁场的测量，金属化光纤光栅不仅利用光栅热膨胀效应以及金属膜的增敏性改变光栅周期从而实现温度的测量，还可以对磁场测量进行温度补偿。

光纤光栅(3-1)端面和单模光纤(3-6)端面构成F-P谐振腔腔长为45～85μm。

磁流体(3-3)是一种水基磁流体，以Fe₃O₄纳米颗粒为磁性颗粒，采用亚油酸作为表面活性剂。