[发明专利]基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器。

背景技术

磁场测量是电磁测量技术的重要分支之一。如今磁场测量技术已广泛应用于地球物理学、空间科学、生物医学、军事、工业等领域。光纤传感技术与传统传感器相比，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、光路可挠性好、灵敏度高、动态范围大、易于实现远距离测量等优点而引起了广泛的关注。

磁性液体是一种由纳米级的强磁性颗粒弥散在基液中所形成的稳定的胶体体系，它既具有固体物质的磁性，又具有液体的流动性，是一种新型的功能材料。现已有基于磁性液体的磁光效应的光纤磁场传感器，如J.J.Chieh等人2005年，在《Journal ofApplied Physics》上发表的“Dynamic response ofoptical-fiber modulator by using magnetic fluid as cladding layer”一文中提出，光纤腐蚀后，利用磁流体作为光纤的包层，光纤的出射光强随磁场大小变化而变化的特性实现光纤磁场传感，但是光纤的腐蚀不好控制且腐蚀后的光纤脆弱。同时，基于磁性液体的磁致可变折射率现象的光纤磁场传感器，如将磁流体膜片放入光纤法布里-珀罗干涉仪干涉腔里或马赫-曾德干涉仪的传感臂中，通过改变传输光的相位实现磁场传感，还有利用磁流体包覆长周期光纤光栅形成的光纤磁场传感器等，但是其制作难度大、集成度低。本发明利用磁流体的磁致可变折射率性质，将光纤光栅末端的光纤端面切平并浸入磁流体中，由于光纤光栅末端的菲涅尔反射率随外界磁场变化，光纤布拉格光栅的边模抑制比随外界磁场的不同而发生变化，从而获得基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器。本发明制作简单、成本低、可在线应用，可望被应用在化学、生物等传感领域。

发明内容

本发明提供了一种基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器，利用了磁流体的磁致可变折射率的性质，通过光纤布拉格光栅的边模抑制比变化的测量，实现了磁场强度的测量。

本发明的技术方案如下：

本发明的关键部分为传感器的感应部分，即侵入磁流体中的光纤光栅，光纤光栅末端切平。本发明主要由宽带光源、光纤环行器、光纤光栅、磁流体和波长计组成。光纤环行器的1、2、3三个端口分别与宽带光源，光纤光栅，波长计相连。光纤环行器将光纤光栅的反射光和光纤光栅端面反射光耦合到输出端，波长计观测其输出光谱边模抑制比的变化。由于灌入毛细管中磁流体的磁致可变折射率的性质，磁场变化改变了光纤光栅末端的菲涅尔反射率，光纤布拉格光栅的边模抑制比会随外界磁场的不同而发生变化，从而获得基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器。通过光纤布拉格光栅的边模抑制比的测量，即可实现被测磁场强度的传感测量。

本发明的优点为：(1)本发明的传感部分为光纤光栅，其末端光纤端面切平并浸入磁流体中，所需的光纤长度短，灵敏度高；(2)本发明制作简单、成本低、可在线应用。

附图说明

图1为基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器的结构示意图

图2为磁场分别为382Oe、1576Oe、2190Oe时的光谱图

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步描述。

如图1所示，一种基于磁流体和光纤光栅的反射式磁场传感器包括宽带光源1、光纤环行器2、光纤光栅3、磁流体4和波长计5组成。光纤环行器的1、2、3三个端口分别与宽带光源，光纤光栅，波长计相连。

本发明基于以下原理：

光纤环行器将光纤布拉格光栅反射光和光纤光栅末端的菲涅尔反射光耦合到输出端，当光纤光栅和光纤光栅末端的距离长于光源的相干长度，布拉格波长的反射率为

I_out(λ_B)＝R_FBG(λ_B)I_m+[1-R_FBG(λ_B)]²R_FI_in≈R_FBG(λ_B)I_m       (1)

远离布拉格波长的反射率为