[发明专利]温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元及其制作方法和应用

说明书

本发明公开一种温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元及其制作方法和应用。包括毛细管、铁磁流体、mFBG、聚四氟乙烯(Teflon),表面涂覆聚四氟乙烯(Teflon)的mFBG平行放置在毛细管中，在毛细管中充满铁磁流体。磁场传感器装置的BBS连接光耦合器，光耦合器的光纤接头与光谱分析仪的光学通道相连，光谱分析仪的通信接口端与信号处理模块相连，所述信号处理模块与计算机连接；所述光耦合器另一头与温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元连接，温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元与光衰减器连接。此发明实现了传感器整体结构对温度不敏感，在达到磁场强度测量目的同时排除了温度的交叉干扰，而且的灵敏度高、制备简单。

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元及其制作方法和应用。

背景技术

微纳光纤传感器是一种新型传感器，具有灵敏度高，对环境折射率敏感，长期可靠性高，体积小的优越特点，为磁场传感领域提供了有效手段。微纳光纤是一种直径尺度在亚波长量级的圆柱光波导，它的直径小于入射光波长,将其置于介质中时,可将微纳光纤本身视为纤芯,可以与外界环境构成折射率凸型分布的光波导结构。微纳光纤还具有大比例倏逝场传输的光学特性,光纤的直径越小,倏逝场的比例越大,在入射波长为633 nm的氧化硅光纤中,当光纤的直径降到200 nm 时,超过90%的能量移到了光纤外部以倏逝场的形式在光纤外部介质中传输。大比例倏逝场的特性使得其与周围介质的接触十分紧密,可用于探测周围环境的变化,当周围介质折射率改变时,导模的有效折射率随之改变，从而影响微纳光纤的模场分布。

磁流体，又称为铁磁流体，是由裹覆表面活性剂的磁性纳米颗粒均匀分散在基液中所形成的稳定的胶体溶液，在外磁场的作用下其折射率会发生改变，即产生明显的磁光效应。随着外加磁场强度的增大，磁流体的磁光效应会进一步增强，磁场越强磁流体的折射率会越大，但随着外加磁场强度的进一步增大，折射率的增加会趋于饱和。当mFBG浸入磁流体中时，mFBG的光倏逝波可能会渗透到铁磁流体中。在外加磁场作用下，铁磁流体的折射率变化会引起沿mFBG传输的传播模式的有效折射率的变化，从而导致反射光谱的中心波长改变，即反射光谱的中心波长会随检测磁场的变化而变化。

但是使用光纤传感器进行磁场传感时存在温度交叉干扰，在温度改变时，同样会引起磁流体折射率的变化，对磁场传感造成干扰。所以为了避免温度，磁场交叉影响，应要解决温度对磁场传感造成的干扰，再对其磁场传感进行分析。2022年，王等人（王希鑫, 赵勇, 吕日清,等. 具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器[J]. 仪器仪表学报,2022, 43(4):7.）提出了一种由光纤布拉格光栅(FBG),拱形微纳光纤和铽镝铁（TbDyFe）组合成的具有温度补偿的拱形增敏微纳光纤磁场传感器,拱形微纳光纤通过紫外胶(UVglue)粘接在TbDyFe上，利用升温时拱形微纳光纤的波长蓝移与FBG的波长红移相互作用，实现了对整体结构的温度补偿，但是结构复杂，制作步骤不易操作。

发明内容

本发明提出一种温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元及其制作方法，目的解决现有技术中光纤磁场传感单元整体结构对温度敏感、灵敏度不高、可靠性较低、精度不高；制作工艺复杂，制作成本高的问题；以及，所制备的温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元在磁场传感装置中的应用。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下:

温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元，包括毛细管(3)、铁磁流体(4)、mFBG(5)、聚四氟乙烯(Teflon)(6),表面涂覆聚四氟乙烯(Teflon)(6)的mFBG(5)平行放置在毛细管(3)中，在所述毛细管(3)中充满铁磁流体(4)，所述mFBG(5)为微纳光纤，所述mFBG(5)表面蚀刻布拉格光栅。

制作温度不敏感的微纳光纤磁场传感单元的方法，包括如下步骤：

步骤1：将单模光纤去掉包层后热熔拉伸，然后将周期0.535μm的掩模板覆盖在拉伸后的单模光纤上，使用KrF紫外光源照射时长9-10分钟，形成有布拉格光栅的mFBG(5)。