专利名称：磁场传感器和磁场测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光纤传感技术，特别涉及一种基于磁性液体的双薄包层长周期光 纤光栅强度型磁场传感器以及基于该传感器的磁场测试仪。
背景技术：
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。在外部磁场的作 用下，磁性液体具有很强的磁光效应，是一种新型的光学材料。长周期光纤光栅是一种很好的传输型带阻滤波器，具有附加损耗小、无后向反射、 不受电磁干扰、全兼容于光纤等优点，使其在光纤通信中得到了广泛应用。长周期光纤光栅 的周期相对长，满足相位匹配条件的是同向传输的纤芯基模和包层模，这一特点导致了长 周期光纤光栅的谐振波长和幅值对外界环境的变化非常敏感，具有比光纤布拉格光栅更好 的温度、弯曲、扭曲、横向负载、浓度和/或折射率灵敏度。因此，长周期光纤光栅在光纤传 感领域具有和光纤布拉格光栅传感器互补的优点。现有技术中，S.Y. Yang 等人在《Applied Physics Letters)) 2004 年第 84 卷第 25 "Origin and applications of magnetically tunable refractive indexof
magnetic fluid films”，该文第一次全面提出了利用磁性液体薄膜折射率差随磁场大小 变化的特性进行光传感研究，但是由于条直线想不明显，传输损耗仅为1. 13%，所以存在精 度不高的不足。2008年10月上海交通大学的狄子昀等人申请了 “基于磁流体折射率改变检测磁 场变化的装置”的发明专利申请，公开号为CN 101281237A，该文献所公开装置的灵敏度达 到了 0. 0025nm/Gs，其工作范围可以从OGs到1500Gs，但是由于需要使用光谱分析仪来检 测，因此价格较高。

发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅 强度型磁场传感的装置，通过双薄包层长周期光纤光栅的透射光谱的卷积来实现通过光强 度变化检测磁场的目的。磁性液体的折射率随着施加的外部磁场变化，其中一个外包层材 料为磁性液体的薄包层长周期光纤光栅的透射光谱发生变化，而另一个外包层材料为基液 的薄包层长周期光纤光栅的光性质不变，两个不同透射光谱进行卷积，导致光强度变化，进 而可实现磁场检测的目的。本发明所采用的技术方案是一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器，在单模光纤上 制作了两个级联的长周期光纤光栅，在把两个长周期光纤光栅的包层腐蚀掉一部分，变成 了薄包层长周期光纤光栅对。用毛细管封装薄包层长周期光纤光栅，毛细管内充填液体，其 中一个充填磁性液体，另一个充填磁性液体的基液，再用内直径更大的细管把两个薄包层长周期光纤光栅封装在一块，构成反射型磁场传感器和透射型磁场传感器。所述的反射型磁场传感器是双薄包层长周期光纤光栅的末端镀有反射膜。所述的透射型磁场传感器是直接光纤输出，没有反射膜。一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型传感器的磁场测试仪，该磁 场测试仪包LED光源、3dB光纤耦合器、采用磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型 磁场传感器、光电探测器、数据接收及信号处理装置。其中LED光源发出的光通过3dB光纤 耦合器将光分成两束，分别传输到磁场传感器和参考光路；磁场传感器的光信号和参考光 路中的光信号分别传送到两个光电探测器转化成电信号，电信号送入数据接收及信号处理
直ο若干个磁场传感器可以通过并联组网形成准分布式传感网络。本发明提供的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器具有 体积小、系统简单、稳定性好、安全可靠、容易组网、传感器性能可根据实际需要来设计等独 特优势。


图1为本发明基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型的透射型磁场传 感器；图2为本发明基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型的反射型磁场传 感器；图3和4为本发明针对两种不同结构的磁场传感器的磁场测试仪的结构示意图。附图中8为LED光源、9为3dB光纤耦合器、1和2分别为基于磁性液体的双薄包 层长周期光纤光栅强度型的透射型磁场传感器和反射型磁场传感器、5为薄包层长周期光 纤光栅、10和11为光电探测器、12和13为数据接收及信号处理装置、3为磁性液体、4为磁 性液体的基液、14为反射膜、6为封装毛细管、7为内直径较大的封装细管。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。附图1和附图2分别是本发明基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型的 透射型磁场传感器和基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型的反射型磁场传感 器的结构示意图；附图3和附图4分别是本发明针对透射型和反射型的磁场传感器的磁场 测试仪的结构示意图。如图1所示，本实施例为一种透射型的基于磁性液体的双长周期光纤光栅强度型 磁场传感器两个薄包层长周期光纤光栅5、磁性液体3、磁性液体的基液4、毛细管6和细 管7。由于薄包层长周期光纤光栅的中心衰减波长和透射光谱对于其周围折射率的变化相 当敏感，而磁性液体3在外磁场发生变化时，磁性液体3的光折射率也随之变化。因此，当 存在外磁场时，磁性液体3的折射率发生变化，使得浸在磁性液体中的薄包层长周期光纤 光栅的中心衰减波长和透射光谱发生相应的变化。而浸在磁性液体的基液4中的薄包层长周期光纤光栅的中心衰减波长和透射光谱不随外磁场的变化而变化。从而，通过两个级联 的长周期光纤光栅的透射光是两个长周期光纤光栅的共同作用的结果。假设浸在磁性液体 中的长周期光纤光栅的透射率为Tl ( λ，H，T)，浸在磁性液体的基液中的长周期光纤光栅的 透射率为Τ2 ( λ，Τ)，则经过磁场传感器1后的总透射率T为 T=^Vx (义,H, TY2 (λ, Γ)]2 λ(1)如图2所示，本实施例为一种反射型的基于磁性液体的双长周期光纤光栅强度型 磁场传感器两个薄包层长周期光纤光栅5、磁性液体3、磁性液体的基液4、毛细管6、细管 7和反射膜14。其工作原理跟透射型的磁场传感器类似，只是通过两个级联的长周期光纤 光栅的透射光经反射膜原路返回，设反射膜的反射率为R，则经过磁场传感器2后的总透射 率T为T{λ, Η,Τ)Γ2 (λ, Γ)]2 RdA(2)如图3所示，本实施例为一种采用透射型的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤 光栅强度型磁场传感器的磁场测试仪LED光源8、3dB光纤耦合器9、透射型的基于磁性液 体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器1、光电探测器10和光电探测器11、数据 接收及信号处理系统13。透射型基于磁性液体的双长周期光纤光栅强度型磁场传感器1置 于磁场中，磁场传感器3的纵轴方向与磁场方向平行。当磁场传感器1受到外磁场作用时， 通过磁场传感器3的光信号强度发生变化，则光电探测器11的电信号也随着外磁场的变化 而变化。再经过与光电探测器10的信号进行比较和数据处理，可以得到外磁场强度的大 小。该磁场测试仪的磁场分辨率可达到0. 1奥斯特，测量范围为0奥斯特到1000奥斯特。如图4所示，本实施例为一种采用反射型的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤 光栅强度型磁场传感器的磁场测试仪，包括LED光源8、3dB光纤耦合器9、反射型的基于磁 性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器2、光电探测器10和光电探测器11、 数据接收及信号处理系统12。反射型磁场测试仪的工作原理与透射型磁场测试仪的类似， 只是反射型磁场测试仪中的光信号要经过双薄包层长周期光纤光栅的两次调制，因此对外 磁场更为灵敏，磁场分辨率达到了 0. 06奥斯特。
权利要求
1.一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器，其特征在于包 括两个级联的相同参数的双薄包层长周期光纤光栅( 组成，其中光纤为单模光纤。
2.根据权利要求1所述的基于磁性液体的双包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器， 其中一个薄包层长周期光纤光栅浸在磁性液体(3)中，另一个薄包层长周期光纤光栅浸在 磁性液体的基液中。
3.根据权利要求1所述的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感 器，所述磁场传感器为透射型磁场传感器(1)和反射型磁场传感器O)。
4.根据权利要求1所述的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型反射型磁 场传感器，在磁场传感器的一端上形成反射膜，构成反射型磁场传感器O)。透射型磁场传 感器(1)没有反射膜。一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器的 磁场测试仪，针对不同类型的磁场传感器分为两种系统结构，但都包括LED光源(8)、3dB光 纤耦合器(9)、光电探测器(10)和(11)、数据接收及信号处理装置(1 或(13)，其中LED 光源(8)发出的光通过3dB光纤耦合器(9)将光分成两束，分别传输到磁场传感器和参考 光路，当传感器为透射型传感器(1)时，传输到透射型传感器(1)的光透射后经光纤直接传 送到其中一个光电探测器(11)转化成电信号，另一束传输到参考光路的光直接传送到另 一个光电探测器(10)转化成电信号，两路电信号送入数据接收及信号处理装置(1 进行 信号处理。当磁场传感器为反射型传感器O)时，传输到反射型传感器O)的光经反射膜 反射，回到3dB光纤耦合器(9)后传送到其中一个光电探测器(10)转化成电信号，另一束 经3dB光纤耦合器(9)传输到参考光路的光直接传送到另一个光电探测器(11)转化成电 信号，两路电信号送入数据接收及信号处理装置(1 进行信号处理；
5.根据权利要求4所述的基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感 器的磁场测试仪，其特征在于数据接收及信号处理装置(1 或(1 的信号处理采用两路 电信号进行比较法处理，根据两路信号的比较值对应出磁感应强度，同时降低了光源强度 对测量的干扰。
全文摘要
本发明公开了一种基于磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器，其特征为由双薄包层长周期光纤光栅和磁性液体组成。本发明还公开了采用磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器的磁场测试仪，它包括LED光源、3dB光纤耦合器、采用磁性液体的双薄包层长周期光纤光栅强度型磁场传感器、光电探测器、数据接收及信号处理装置。本发明的技术特点是体积小、系统简单、稳定性好、安全可靠、容易组网、传感器性能可根据实际需要来设计等独特优势。本发明在0℃到80℃温度范围条件下实现了磁场作用下基于经过传感器的光强度变化从而检测磁场变化的装置，灵敏度极高，测量磁场的分辨率达到了0.1奥斯特，测量范围为0奥斯特到1000奥斯特。
文档编号G01R33/032GK102141602SQ201010112530
公开日2011年8月3日 申请日期2010年2月1日 优先权日2010年2月1日
发明者陆樟献 申请人:陆樟献