基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置制造方法
【專利摘要】一種基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置，包括光源、2×2光纖耦合器、磁場傳感探頭、光譜分析儀及單模光纖。所述的磁場傳感探頭的一端通過單模光纖與2×2光纖耦合器的一個端口相連，另一端通過單模光纖與2×2光纖耦合器同一側的另一個端口相連，形成Sagnac環結構，2×2光纖耦合器另一側的兩個端口分別與光源和光譜分析儀連接。光纖耦合器將光源發出的光分成相向傳輸的兩束光，兩束光的相位差對外界磁場變化敏感，在經過Sagnac輸出端的干涉作用下，外界磁場的變化引起光纖Sagnac輸出譜的變化，通過輸出譜變化測量，即可實現磁場強度的傳感測量。本發明提供的磁場傳感探頭利用錐形無芯光纖和薄膜，在范圍區間具備良好的線性度、高靈敏度、簡單小巧等優點。
【專利說明】基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖通信和光纖傳感領域，具體涉及一種基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置，主要應用于光纖通信與光纖傳感領域。
【背景技術】
[0002]人類社會生活和自然界的許多領域都存在磁場或與磁場相關的信息。現在有許多利用人工設置的永久磁體產生的磁場作為信息載體的裝置。因此，對于探測、采集、存儲、轉換、復現和監控磁場和磁場中承載的各種信息，磁場測量是電磁測量技術中非常重要的部分。早先的磁場傳感器，大都將磁場信息變成電訊號進行測量。但是隨著信息產業、工業自動化、交通運輸、電力電子技術、辦公自動化、家用電器、醫療儀器等等的飛速發展，傳統的磁場傳感器存在容易受電磁干擾、受環境腐蝕等缺點，在實際應用中受到限制。
[0003]光纖傳感技術以光波為載體,光纖為介質,感知和傳輸外界信號(被測量)的新型傳感技術。作為被測量信號載體的光波和作為光波傳播媒質的光纖，具有一系列獨特的其他載體和媒質難以相比的優點。光波不怕電磁干擾，易為各種光探測器件接收，可方便的進行光電或電光轉換，光纖易與高度發展的現代電子裝置和計算機相匹配。作為傳感器，與傳統的傳感器相比，光纖傳感器具有一系列獨特的優點，如靈敏度高、光纖很好的柔性和韌性、動態響應范圍大、頻帶寬、抗電磁干擾、耐腐蝕、防爆、防燃、傳輸損耗低、易于實現遠距離測量等優點。現已有基于利用磁流體包覆光纖光柵形成磁場傳感器等光纖技術的磁場傳感器被報道，這種傳感器利用磁流體的磁致可變折射率現象，通過改變傳輸光的相位實現磁場傳感。但是這些光纖光柵的寫制過程比較麻煩，需要特殊而且昂貴的設備，靈敏度不是很高，并且這些光纖光柵容易受到環境中的溫度等參數的影響。所以需要將材料和結構改進，以提高靈敏度和去除環境溫度參數的干擾。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決現有光纖光柵傳感器制作麻煩成本高而靈敏度低且易受溫度干擾等問題，提供一種結構簡單、靈敏度高、成本低，能夠去除溫度干擾等特點的基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置。
[0005]本發明提供的基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置包括光源、2X 2光纖耦合器、磁場傳感探頭、光譜分析儀、單模光纖。所述的磁場傳感探頭的一端通過單模光纖與2X2光纖耦合器的一個端口相連，磁場傳感探頭的另一端通過單模光纖與2X2光纖耦合器同一側的另一個端口相連，形成Sagnac環結構，2X2光纖耦合器另一側的兩個端口分別與光源和光譜分析儀連接。其特征在于:
[0006] 所述的磁場傳感探頭部分包括錐形無芯光纖和電弧放電形成的薄膜，錐形無芯光纖的左端與連接磁場傳感探頭一端有薄膜的單模光纖熔接，錐形無芯光纖的右端直接與單模光纖連接，利用熔接機先將切割好的單模光纖端面電弧放電形成薄膜，然后將一端有薄膜的單模光纖和錐形無芯光纖熔接，這樣在錐形無芯光纖與單模光纖之間嵌入了薄膜。所述的錐形無芯光纖及兩端的部分單模光纖放置毛細玻璃管中，毛細玻璃管內灌入磁流體，并用光學固化膠封住毛細玻璃管兩端的端口，形成磁場傳感探頭。
[0007]所述的錐形無芯光纖也是在熔接機上放電而成，無芯光纖長度為1.5-2.5cm，錐區的腰直徑為40-80 μ m。
[0008]所述的毛細玻璃管直徑為300 μ m。
[0009]本發明制作的基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置的工作原理:
[0010]2X2光纖耦合器將由光源發出的光分為相向傳輸的兩束光，分別沿著順時針和逆時針方向在光纖Sagnac環中傳輸,在光纖環中傳播一周后在光纖I禹合器輸出端口出射。由于薄膜的作用，一部分光會發生反射，另一部分光繼續傳播，因此兩束相反方向傳播的光會發生相位差，其值為:
[0011 ] φ = 2 Δ nL/ λ
[0012]其中Λ η為兩部分光的有效折射率差，L為兩部分光的路程差，λ為入射光波的波長。兩束光在2X2光纖耦合器的耦合再次合并時會產生干涉，形成強度隨波長呈周期性分布的干涉譜，干涉譜的強度與相位差的關系如下:
[0013]I Oc 1+cos Φ
[0014]當磁場傳感探頭處于不同的磁場強度時，由于磁流體的折射率對所處的磁場敏感，所以磁場通過磁流體可以改變兩部分光的光程差，根據上述公式可知，干涉譜的波峰或波谷位置會發生變化，通過監測某個波峰或波谷隨磁場變化產生的變化量，即可以解調出磁場強度的變化信息，因為本發明應用的是無芯光纖，其對溫度敏感性不高，所以本結構對溫度也不敏感。
[0015]本發明的優點和有益效果:
[0016]本發明通過利用錐形無芯光纖和熔接放電形成的薄膜，實現了對磁場的測量，本發明提供的磁場傳感探頭在范圍區間具備良好的線性度、高靈敏度、簡單小巧等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明中基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置的結構示意圖；
[0018]圖2是本發明中磁場傳感探頭的結構示意圖；
[0019]圖中:1.光源,2.2X2光纖f禹合器,3.磁場傳感探頭,4.光譜分析儀,5.單模光纖，6.錐形無芯光纖，7.薄膜，8.磁流體，9.光學固化膠，10.毛細玻璃管。
【具體實施方式】
[0020]為了更好地說明本發明的目的和優點，下面結合附圖和實例對本發明作進一步說明。
[0021]實施例1
[0022]如圖1所示，本發明提供的基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置，包括光源1、2X2光纖耦合器2、磁場傳感探頭3、光譜分析儀4、單模光纖5。磁場傳感探頭3的一端通過單模光纖5與2X2光纖耦合器2的一個端口相連，磁場傳感探頭3的另一端通過單模光纖5與2X2光纖稱合器2同一側的另一個端口相連,形成Sagnac環結構,2X2光纖稱合器2另一側的兩個端口分別與光源I和光譜分析儀4連接。[0023]圖2中，所述的磁場傳感探頭3包括錐形無芯光纖6和電弧放電形成的薄膜7，錐形無芯光纖的左端與連接磁場傳感探頭3 —端有薄膜7的單模光纖5熔接，錐形無芯光纖的右端直接與單模光纖5連接；利用熔接機先將切割好的單模光纖端面電弧放電形成薄膜7，然后將一端有薄膜7的單模光纖5和錐形無芯光纖6熔接，這樣在錐形無芯光纖6與單模光纖5之間嵌入了薄膜7。薄膜7的作用是將一部分的光反射回去，另一部分的光透射繼續傳播。所述的錐形無芯光纖6也是在熔接機上放電而成，所述的錐形無芯光纖及兩端的部分單模光纖放置在直徑為300 μ m毛細玻璃管10中，毛細玻璃管內灌入磁流體8，并用光學固化膠9封住毛細玻璃管10兩端的端口，形成磁場傳感探頭3。
[0024]當磁場傳感探頭處于不同的磁場強度時，由于磁流體8的折射率對所處的磁場敏感，所以磁場通過磁流體8可以改變兩部分光的光程差，干涉譜的波峰或波谷位置會發生變化，通過監測某個波峰或波谷隨磁場變化產生的變化量，即可以解調出磁場強度的變化信息。
[0025]本實例中的無芯光纖是為純石英制成，長度為2cm。直徑為125 μ m，錐區的腰直徑為55 μ m,磁流體為Ferrotec公司生產的水基磁流體(EMG605)，毛細玻璃管的內徑為300 μ Hi0錐形無芯光纖及兩端的部分單模光纖放置在直徑為300μπι毛細玻璃管10中，將磁流體8注入毛細管10中并將其兩端用光學固化膠9密封后，將毛細玻璃管8置于磁場之中。當外界磁場變大的時候，發現透射峰波長出現藍移，在50-1750e范圍內，透射峰波長位置與磁場的大小呈線性關系。得到靈敏度為30pm/0e。并且當外界的磁場達到大于2250e時，透射峰波長的位置幾乎不再發生變化。
[0026]通過適當的校準后，就可以對未知環境中的磁場進行測量，本發明提供的磁場測量裝置在范圍區間具備良好的線性度、高靈敏度、簡單小巧等優點。
【權利要求】
1.一種基于Sagnac干涉儀的磁場測量裝置，其特征在于該裝置包括光源、2X2光纖耦合器、磁場傳感探頭、光譜分析儀及單模光纖；所述的磁場傳感探頭的一端通過單模光纖與2X2光纖耦合器的一個端口相連，磁場傳感探頭的另一端通過單模光纖與2X2光纖耦合器同一側的另一個端口相連，形成Sagnac環結構，2 X 2光纖耦合器另一側的兩個端口分別與光源和光譜分析儀連接。
2.根據權利要求1所述的磁場測量裝置，其特征在于:所述的磁場傳感探頭部分包括錐形無芯光纖和薄膜，錐形無芯光纖的左端與連接磁場傳感探頭一端有薄膜的單模光纖熔接，錐形無芯光纖的右端直接與單模光纖連接；利用熔接機先將切割好的單模光纖端面電弧放電形成薄膜，然后將一端有薄膜的單模光纖和錐形無芯光纖熔接，這樣在錐形無芯光纖與單模光纖之間嵌入了薄膜；所述的錐形無芯光纖及兩端的部分單模光纖放置在毛細玻璃管中，毛細玻璃管內灌入磁流體，并用光學固化膠封住毛細玻璃管兩端的端口，形成磁場傳感探頭。
3.根據權利要求1或2所述的磁場測量裝置，其特征在于:所述的錐形無芯光纖也是在熔接機上放電而成，無芯光纖長度為1.5-2.5cm，錐區的腰直徑為40-80 μ m。
4.根據權利要求1或2所述的磁場測量裝置，其特征在于:所述的毛細玻璃管直徑為.300 μ m0
【文檔編號】G01R33/032GK103926541SQ201410188531
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】苗銀萍, 藺際超, 林煒, 張楷亮, 袁育杰, 張昊, 劉波 申請人:天津理工大學
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