[实用新型]一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统

说明书

技术领域

本实用新型属于光纤磁场传感技术领域，具体涉及一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统。

背景技术

光纤磁场传感技术主要致力于弱磁性目标探测，服务于实际的工程和军事应用。按照感应机理的不同，光纤磁场传感器可分为悬臂梁-光纤光栅结构的磁场传感器，基于磁致伸缩材料的光纤磁场传感器和基于磁流体的光纤磁场传感器等不同类型。

磁流体(Magnetic fluids，MF)主要由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成，是一种兼具流动性和强磁性的新型智能材料。其具有丰富的光学特性，如可调谐折射率，可调谐透射率，双折射效应和热透镜效应等。目前，在实验基础上已研究了诸多基于磁流体的光学器件，基于磁流体的光学传感原理及应用在国内外都是一个热门的研究课题。

倾斜光纤光栅(Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG)是栅平面与光轴成一定夹角的特殊短周期光纤光栅，该特殊结构能够有效地在包层内激励对折射率高度敏感的各阶包层模，兼具FBG与LPG的优点，同时具有低热敏交叉性和强烈的偏振依赖特性，是光纤传感技术和解决光纤光栅温度交叉敏感问题上重要的研究方向。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统。在倾斜光纤光栅前熔接上一段经过腐蚀的光子晶体光纤，并在其内部填充磁流体，该光子晶体光纤一方面作为磁流体的载体，使得光波与磁流体近距离发生作用，另一方面提高了包层模反射回纤芯的耦合效率。在此基础上，构成一种结构新颖的高灵敏度光纤磁场传感系统，具备有结构紧凑、灵敏度高，温度特性优良等优点，减少磁流体水分蒸发以延长系统工作寿命。

本实用新型通过以下技术方案实现：一种基于磁流体和倾斜光纤光栅的磁场强度传感系统，其特征在于：由宽带光源(1)，偏振控制器(2)，光纤环行器(3)，单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)，磁流体(7)，磁场发生器(8)，高斯计(9)，光纤光谱仪(10)组成；宽带光源(1)通过偏振控制器(2)与光纤环行器(3)的a端口相连，光纤环行器(3)的b端口与单模光纤(4)的左端相连；单模光纤(4)，光子晶体光纤(5)，倾斜光纤光栅(6)依次连接，光子晶体光纤(5)经过腐蚀至管壁完全消失后内部填充磁流体(7)，以此构成磁场强度探头并与高斯计(9)一起置于磁场发生器(8)中；光纤环行器(3)的c端口与光纤光谱仪(10)相连。

所述的光子晶体光纤(5)的长度为1.5mm～2.5mm，包层直径为125μm。

所述的倾斜光纤光栅(6)的有效倾斜角度为6°～8°，栅区长度为10mm～12mm，Bragg波长为1575nm，包层模波长范围为1500nm～1573nm。

所述的磁流体(7)的密度为1.8g/cc，饱和磁化强度为220Gauss，纳米磁性颗粒的平均直径为10nm。

本实用新型的工作原理是：宽带光源(1)经过偏振控制器(2)产生一束偏振光从光纤环行器(3)的a端口入射，沿b端口出射，经单模光纤(4)和光子晶体光纤(5)进入倾斜光纤光栅(6)。倾斜光纤光栅(6)改变光场耦合条件，激励出两种不同的反向传输模式，一种是满足Bragg匹配条件的Bragg模，另一种是满足包层匹配条件的包层模。包层模反射回光子晶体光纤(5)时，由于纤芯直径失配耦合进入磁流体(7)，并再次发生耦合进入单模光纤(4)的纤芯，因此与磁流体(7)直接发生了作用。包含磁场强度信息的光信号返回光纤环行器(3)的b端口，从c端口出射被光纤光谱仪(10)接收和解调。磁场发生器(8)用于产生恒定的均匀磁场，高斯计(9)用于实时读取磁场强度探头附近的磁场强度以进行标定。

相位匹配条件取决于倾斜光纤光栅(6)的倾斜角度和有效光栅周期，Bragg模和各阶包层模满足的相位匹配条件表示为

λ_Bragg＝2n_eff，core*Λ/cos(θ)(1)

Λ＝Λ_T*cos(θ)(3)

式中，θ为栅平面的倾斜角度，λ_Bragg为Bragg波长，为第i阶包层模波长，和分别表示纤芯和包层在波长为时的有效折射率，Λ为θ＝0°时的光栅周期，Λ_T为倾斜光纤光栅(6)的有效光栅周期。

本实用新型基于磁流体(7)可调谐折射率的光学特性。朗之万函数描述其折射率与外磁场和温度的关系为