[发明专利]一种基于细芯光纤和磁流体的电场传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤技术领域，特别是涉及一种利用磁流体的可调谐折射率特性作为电场感应物质的基于细芯光纤MZ干涉仪的电场传感器。

背景技术

电场是表征自然界电磁现象的基本物理量,电场测量是众多科学研究和工程技术领域重要的基础研究手段。随着电力工业的发展,电场的测量正在引起研究人员越来越多的关注。例如在电力工业，电场测量可用于电力系统状态监测、电气设备内外电场分布情况的测量及电晕放电现象的研究等；在电磁兼容方面研究中,电场测量可用于检测电子仪器的对外电磁辐射与干扰,以及研究环境电场对电子仪器运行状况的影响等。此外在石油化工行业以及涉及可燃性气体、蒸汽和粉尘生成的行业中，安全性监测也需要电场测量。在实际应用中，存在外界环境对电场传感器的干扰非常严重的问题,尤其对信号的传输结果影响很大，因此有必要采用适当的方法去减弱对测量的干扰。

目前传统的电场传感器一般都存在体积大、影响待测电场分布、抗干扰能力差等缺陷问题。而与传统的电场传感器相比，光纤电场传感器作为一种新型的传感器，具有无可比拟的优越性，非常适合应用于复杂环境，同时能够减弱复杂环境中其它因素对测量的干扰。它具有体积小、质量轻、抗干扰强、灵敏度高、耐腐蚀、响应速度快、可用于高频电场的测量等优点。而非光栅型的光纤干涉仪电场传感器，由于制作工艺简单，低成本以及较高的温度稳定性，更是已经吸引越来越多的学者，成为当前学术界研究的热点。这类电场传感器设计思想是构造一个光纤模式干涉传感器，由此激发传输光的高阶包层模式，这些高阶包层模式受到外界电场的影响，使得高阶包层模和纤芯模之间具有稳定的光程差并最后进行干涉，从而形成对外界电场敏感的传感器。但现有的光纤型模式干涉仪都存在制作工艺复杂、原材料特殊、机械强度较低等缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出工艺简单、低成本、接入损耗小且灵敏度高的基于细芯光纤和磁流体的电场传感器,其能够实现对周围中环境电场的大小检测。

本发明的技术方案：

一种基于细芯光纤和磁流体的电场传感器，包括超连续光源、输入单模光纤、输出单模光纤、细芯光纤、磁流体、石英毛细管、光谱分析仪。所述的超连续光源通过输入单模光纤与细芯光纤连接，细芯光纤的另一端通过输出单模光纤连接到光谱分析仪上；细芯光纤被置于石英毛细管中并浸入磁流体，使细芯光纤完全浸没在磁流体中，石英毛细管的两端用光学固化胶密封。

所述的细芯光纤的两端都是与单模光纤无偏心熔接，并且所述的石英毛细管直径为300μm。

所述的细芯光纤纤芯直径为3μm，包层直径为125μm，长度为1-2cm；

所述的浸没在磁流体的细芯光纤放入被测的电场环境中。

本发明制作的基于细芯光纤和磁流体的电场传感器的工作原理：

入射光在单模光纤中以基模形式传输，光能量集中在纤芯中。当到达输入单模光纤与细芯光纤的熔接点，由于纤芯大小不同，一部分基模会被激发到细芯光纤的包层中，作为包层模，与细芯纤芯中基模一起向前传输。当到达细芯光纤与输出单模光纤的熔接点时，由于不同的高阶包层模式在光纤内传输时有效折射率不一样，一部分被激发的光将会重新耦合到纤芯中，并与纤芯中的基模发生干涉。磁场由电场提供，即磁流体的折射率可以通过环境中的电场来调节。当细芯光纤周围环境电场发生改变时，磁流体的折射率就相应发生变化，即细芯光纤结构包层有效折射率发生变化，从而引起细芯光纤包层模和纤芯模之间相位差改变，导致输出干涉光谱波长漂移。输出干涉光谱会随着电场的变化而发生漂移，通过解调干涉光谱漂移就可以实现电场测量。

本发明的优点和有益效果：

本发明提供的电场测量传感器具有制作工艺简单，不像光纤光栅传感器那样需要光栅写制系统，其仅仅需要熔接机，普通单模光纤和细芯光纤。另外本发明作为全光纤结构，具有对插入损耗低、成本低、高灵敏度等优点。

附图说明

图1是本发明中基于细芯光纤和磁流体的电场传感器结构示意图；

图中：1.超连续光源，2.输入单模光纤，3.细芯光纤，4.输出单模光纤，5.光谱分析仪，6.磁流体，7.光学固化胶，8.石英毛细管。

为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

实施例1