一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制作方法

本实用新型涉及光纤磁场传感器技术领域，具体涉及一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器及其制备与检测方法。

背景技术：

传感技术、通信技术和计算机技术一同构成了现代信息产业的三大支柱，分别在信息系统中扮演着“感官”、“神经”和“大脑”的角色。其中，传感技术作为信息获取的关键部件，是后续信息传输、处理的基础，其重要性不言而喻。

光纤传感器作为现代传感器领域的一个重要分支，具有体积小、重量轻、灵敏度高、动态范围大、功耗低、便于复用、便于远程监测、鲁棒性强、抗腐蚀、抗电磁干扰等独特优点，在易燃易爆、强腐蚀、强电磁场等恶劣环境下具备传统传感器无法比肩的优势。侧边抛磨光纤方法已经成为构造新型全光纤器件和多功能光纤传感器已成为研究开发的有效途径之一。该方法原理如下，足够厚度的光纤包层保证了在纤芯中传播的光场，在光纤包层中倏逝波场的能量不会泄漏到光纤外面。当用抛磨或化学腐蚀的方法使光纤的包层厚度减小到倏逝波场存在的区域，也就是距纤芯仅几个微米的区域时，就形成了一个纤芯中传输光的倏逝波场的“泄漏窗口”。在此“窗口”处，人们就有可能利用倏逝场来激发、控制、探测光纤纤芯中的传输光波的无损传播或泄漏。

而近些年，利用磁流体对磁场敏感以及易于集成的特性，光纤磁场传感器有了新的具备良好发展前景的实现方式，基于磁流体的光纤传感器也成了光纤传感领域一个重要的研究热点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器，能灵敏地检测到磁场强度与方向的变化。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器，包括侧边抛磨光纤、披覆在抛磨区周围的磁流体、光源以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述抛磨光纤是通过抛磨掉光纤的部分包层制作而成；所述抛磨光纤上设有玻璃毛细管以及光学紫外胶，所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围。

具体的，本实用新型通过抛磨使得抛磨光纤中的光以倏逝场的方式泄漏出来，抛磨光纤从而能与抛磨区周围介质通过倏逝场发生相互作用，改变抛磨区周围介质的折射率，从而改变抛磨光纤的透射光谱信号。在磁场作用下，当磁场方向与光纤侧抛面平行时，磁流体中的纳米粒子在光纤的侧抛表面汇集高密度纳米群；当磁场方向与光纤侧抛面垂直时，磁流体中的纳米粒子在光纤的侧抛表面汇集成低密度纳米群。这种纳米粒子随磁场方向汇集或分散的行为，使得纳米粒子的折射率受到磁场强度与方向的控制，进而影响到纳米粒子与抛磨光纤之间的倏逝场相互作用，使得抛磨光纤的透射光谱信号受磁场强度与方向的控制，构成磁场传感器。

本实用新型利用磁流体中的纳米粒子在磁场作用下会发生汇聚或分散从而引起折射率发生变化的特性，再利用纳米粒子与抛磨光纤的倏逝场相互作用，通过抛磨光纤的透射光谱反映出披覆在抛磨光纤上的磁流体的折射率变化，从而实现磁场传感。

优选地，抛磨区的抛磨面到纤芯的距离d为0～2um。

当d小于0时，说明纤芯将被部分抛除，此时光在光纤传输时的损耗越大，透射光谱中的光强度也会相应减少(总的数值范围下降)，光强度的变化幅度也相应减少，使得传感器的灵敏度下降。而剩余厚度过大，光纤包层会阻碍光以倏逝波的方式泄漏出来。

优选地，所述抛磨区长度为9～15mm。

一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制备方法：包括以下步骤：

s1、制备侧边抛磨光纤：通过抛磨，把光纤的一部分包层去掉，在光纤表面形成一定长度的平坦区域，即抛磨区；

s2、将毛细管套在侧抛光纤的抛磨区外面，利用毛细作用将磁流体充入毛细管中，从而使磁流体包覆于光纤周围，在毛细管两端滴紫光胶，用紫外灯照射直至紫光胶完全凝固，将毛细管两端密封。

优选的，在步骤s1中采用磨轮对光纤进行抛磨，磨轮上的研磨颗粒的颗粒度小于1μm。

优选地，一种采用上述磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的检测方法，检测磁场方向变化时，被检测磁场的磁场强度在0～300oe之间。本检测方法是检测透射光谱的光强度变化来判定磁场强度或方向的变化。

优选地，光谱仪的透射光谱的检测范围在400～1100nm。

优选地，光谱仪每隔1nm即采集在相对应波长上的光强度，最后将所有波长上的光强度进行求和得到最终的光强度。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过将抛磨光纤与磁流体相结合，利用磁流体中纳米粒子的磁光效应、磁流体在光纤周围的非均匀聚集特性、侧抛光纤本身的非中心对称结构，在磁流体与抛磨光纤的倏逝场相互作用下，实现磁场对透射光谱信号的高灵敏度控制，能通过透射光谱信号反应出磁场强度和方向的变化。

(2)本实用新型中根据多次实验寻找到优良的实验数据，能有效避免由于制备工艺的失误所带来的光功率损耗，导致传感器的灵敏度下降。

(3)选定适合的被检测磁场的磁场强度区间，使得传感器的磁场角度响应特性的灵敏度高，容易测量出磁场方向的变化。

附图说明

图1为实施例1中，固定磁场强度为300oe，抛磨区与磁场所呈角度从0°到90°的光响应特性图。

图2为实施例1中，固定磁场强度为300oe，抛磨区与磁场所呈角度从90°到180°的光响应特性图。

图3为实施例1中，固定磁场强度为300oe，抛磨区与磁场所呈角度从180°到270°的光响应特性图。

图4为实施例1中，固定磁场强度为300oe，抛磨区与磁场所呈角度从270°到360°的光响应特性图。

图5为本实用新型中的传感装置和测量方法示意图。

图6为实施例1中，固定磁场强度分别为60oe和300oe时，测量得到的输出光功率随磁场角度的响应结果。

图7为实施例2中，固定磁场角度分别为0°和90°时，测量得到的输出光功率随磁场强度的响应结果。

具体实施方式

本实用新型附图仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器，包括侧边抛磨光纤、披覆在抛磨区周围的磁流体、光源以及用于检测透射光谱的光谱仪，所述抛磨光纤是通过抛磨掉光纤的部分包层制作而成，通过抛磨使得抛磨光纤中的光以能倏逝波的方式泄漏出来，抛磨光纤从而能与抛磨区上的介质以倏逝场的形式发生相互作用，通过改变抛磨区上物质的折射率，从而改变抛磨光纤的透射光谱信号。

所述磁流体通过玻璃毛细管以及光学紫外胶密封包裹在侧边抛磨光纤周围；在磁场作用下，当磁场方向与光纤侧抛面平行时，磁流体中的纳米粒子在光纤侧抛面上方汇集成高密度纳米群，当磁场方向与光纤侧抛面垂直时，磁流体中的纳米粒子在光纤侧抛面上方区域内汇集成低密度纳米群，纳米粒子随磁场方向汇集或分散，使得纳米粒子的折射率受到磁场强度与方向的控制，从而在纳米粒子与抛磨光纤之间的倏逝场相互作用下，使得抛磨光纤的透射光谱信号受磁场强度与方向的控制，构成磁场传感器。

优选地，抛磨区的抛磨面到纤芯的剩余厚度d为0μm。

优选地，所述抛磨区长度为10mm。

一种磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的制备方法：包括以下步骤：

s1、制备侧边抛磨光纤：通过抛磨，把光纤的一部分包层去掉，在光纤表面形成一定长度的平坦区域，即抛磨区；

s2、将毛细管套在侧抛光纤的抛磨区域外面，利用毛细作用将磁流体充入毛细管中，从而使磁流体包覆于光纤周围，在毛细管两端滴紫光胶，用紫外灯照射直至紫光胶完全凝固，将毛细管两端密封。

优选地，一种采用上述磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器的检测方法，检测磁场方向变化时，被检测磁场的磁场强度在0～300oe之间。

优选地，光谱仪的透射光谱的检测范围在400～1100nm。

优选地，光谱仪每隔1nm即采集在相对应波长上的光强度，最后将所有波长上的光强度进行求和得到最终的光强度。

针对所述磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器对磁场方向响应的特性，申请人进行了以下实验：

本文采用控制变量的实验方法，将电磁铁两端电压调节至一定值，保证磁场强度稳定且不变，然后通过旋转磁场传感器来测试磁场传感器磁场角度响应特性。每旋转一定角度，就观察并记录下当前角度下的光谱。图1至图4(在图1中最底下的曲线为0°时的响应特性曲线，4°次之，随着角度的增加相对应的曲线的高度依次增大)为控制磁场强度为300oe不变，每旋转4°记录下当前的光谱图，从0°一直记录至360°(如图5所示，0°时，磁场与抛磨区相切，90°时磁场正对抛磨区)。从图1～4中不难看出，从0°到90°，随着角度逐渐增加，各波长的光的光强度总体呈现上升的趋势；从90°到180°，随着角度逐渐增加，各波长的光的光强度总体呈现下降的趋势；从180°到270°，随着角度逐渐增加，各波长的光的光强度总体呈现上升的趋势；而从270°到360°，随着角度逐渐增加，各波长的光的光强度总体呈现的又是下降的趋势。而且从图1～4中可以明显看出，当角度从0°或180°发生变化时，相应的光强度变化相对较大，证明传感器对0°和180°的方向灵敏度最大。

为了探究磁场强度对于传感器的方向灵敏度的影响，申请人测试了磁场强度60oe时磁场传感器的磁场角度表现，并将60oe和300oe下的磁场角度响应实验数据整理在一起进行比较，如图6所示。在图6中可以看出，当磁场强度在300oe时，透射光谱的光强度变化随角度变化更为明显，呈8字型，而磁场强度在60oe时，透射光谱的光强度变化随角度变化相对细微，这证明磁场强度越高，磁场角度响应特性最灵敏，能更好地分析出磁场角度的变化。

实施例2

本实施例针对所述磁流体披覆侧抛光纤的磁场传感器对磁场强度响应的特性，申请人进行了以下实验：

将传感器固定在指定的磁场角度后，通过改变电源电压来改变磁场的强度，每改变一次电压记录一次当前磁场强度下的光谱图，本次实验的磁场强度改变范围为0oe到400oe，抛磨区与磁场所呈角度为0°和90°，得到图7。如图7所示，角度为0°时，随着磁场强度的增大，各波长的光的光强度呈现整体下降趋势，而角度为90°时，随着磁场强度的增大，各波长的光的光强度呈现整体上升趋势，说明当入射光的电场平行于外加磁场方向时，磁流体的折射率随磁场强度增大而增大；当入射光的电场垂直于外加磁场方向时，磁流体的折射率随磁场强度增大而减小，因此，随着磁场强度的增大，抛磨区与磁场所呈角度的变化而引起的光强度的变化幅度更大，有利于提高传感器的磁场角度响应特性的灵敏度，更准确的测量出磁场的变化。而从图7可以发现，当随着磁场强度的增加，透射光谱的光强度随之增加或减少，当磁场强度达到300oe时，磁场强度的继续增加，透射光谱的光强度的变化也趋于平缓。为此，本实用新型为了提高磁场角度响应特性的灵敏度的同时避免磁场强度过高所带来的能耗以及其它问题，订立了在磁场方向测量时，被检测磁场的磁场强度范围应该在0～300oe之间。

具体的，在对磁场的方向或强度进行检测时，首先记录在不同磁场强度下，抛磨区与磁场之间角度从0°至360°的磁场角度相应曲线，然后当外界磁场发生变化时，根据光强度增加或减少以及变化的幅度找到相应的曲线，实现对磁场方向与强度的测量。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型技术方案所作的举例，而并非是对本实用新型的具体实施方式的限定。凡在本实用新型权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。