[发明专利]一种基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置，它是一种基于光纤模式干涉的装置，特别是涉及一种无芯光纤浸没于磁流体作为传感器件对外界环境进行磁场测量的装置。

背景技术

磁场测量在日常工业生产和科学研究的许多领域有很大的应用，磁场的测量技术也与人们的生活密切相关。近几年来，该研究方向得到越来越多的关注。相对一些传统的磁场测量装置（如：基于霍尔效应和电磁感应原理磁场测量装置），基于光纤的磁场测量装置具有体积小、灵敏度高、成本低、结构紧凑、耐高温、耐腐蚀等优点，得到广泛的重视和研究。

磁流体（magnetic liquid），是一种利用表面活性剂将10nm左右大小的磁性颗粒均匀分散在基液中所形成的稳定磁性胶体。其具有明显的磁光效应，在外磁场的作用下，磁流体中的磁性颗粒在一定程度上沿着外磁场的方向作定向的排列，使得磁流体的电介质常数发生改变，进而其折射率会发生变化，且变化的大小与外加磁场的大小有关。磁流体作为磁敏感性材料，其可调谐折射率的特性可用来制作可调谐光子器件，在传感领域具有很好的应用价值。

无芯光纤（NCF，no-core fiber），是一类均匀材质的石英纤维。与普通的光纤相比，其没有光纤包层。而无芯光纤构成的干涉仪是以所处外部介质作为无芯光纤段的包层，对外界折射率变化极为敏感。当光在无芯光纤中传播，其能够使光在无芯光纤中激发多个模式并引发模式干涉，并且这些模式干涉会随外界介质的折射率变化而变化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、灵敏度高的基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置，其能够实现对周围环境磁场的大小检测。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置，包括超连续光源、两块电磁铁、光谱仪、可调节电压装置、单模光纤、浸没于磁流体的无芯光纤结构。所述的超连续光源通过用单模光纤与浸没于磁流体的无芯光纤结构连接，浸没于磁流体的无芯光纤结构的另一端通过单模光纤连接到光谱仪上，其中浸没于磁流体的无芯光纤结构放置在由可调节电压装置调节电压大小的两块电磁铁间构成的磁场中。

所述的浸没于磁流体的无芯光纤结构是,无芯光纤的两端与单模光纤连接后，置于石英毛细管中，并在石英毛细管中注入磁流体，使无芯光纤部分置于磁流体环境中，石英毛细管的两端用石蜡封装；

所述的浸没于磁流体的无芯光纤结构放入到两块电磁体的中央处；

所述的光源为超连续光源。

本发明制作的基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置的工作原理：

本发明制作的基于无芯光纤和磁流体的磁场测量装置的工作原理为：当光由单模光纤进入无芯光纤，会在无芯光纤内部激发出一系列高阶本征模，当外界的磁场发生变化，磁流体的折射率就相应发生变化，即无芯光纤结构所处的环境折射率发生变化，这样无芯光纤内部的传输光场会受到调制，干涉谱会随着磁场的变化而发生漂移，通过检测到的干涉谱变化可以获得所加磁场的大小。

磁场的变化是由改变可调节电压装置的电压来改变，磁场作用在磁流体上，调制了磁流体的折射率，这样干涉谱会随着磁场的变化而变化。

当光进入无芯光纤，会有一系列的高阶模式{LP_0m}被激发，LP_0m的输入光场为：

E(r,0)=Σm=1Mbmψm(r)---(1)]]>

其中ψ_m（r）为LP_0m的光场分布，b_m是各种模式的激发系数。可由下式表示：