基于FP级联FBG结构的电流和温度传感器

基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器
技术领域
1.本发明属于光纤传感器的技术领域，具体涉及基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器。


背景技术：

2.相比与传统的电子传感器相比，光纤传感器具有小体积、良好的绝缘性、信噪比较高、可以远距离监测、受电磁干扰较小、较为灵敏并且具有使用起来比较灵活，现如今，随着社会的发展，已经研制出非常多的可测量温度、压力、浓度等光纤传感器。近年来，社会的发展使传感器同时具备智能化、多功能化、小型化的需求逐渐扩大。所以，可多参量测量传感器的发展成为未来趋势。设计一种基于基于fp级联fbg结构，可监测磁场和温度的双参量测量传感器同时具有以下优点：复用能力强、可远程监测、安全性高、电磁干扰小、高测量精度和灵敏度、耐极端环境、探测范围更宽、制作难度不高、强抗干扰能力以及实现多参量测量。
3.基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器，传感器采用fp腔和fbg级联的光纤复合结构，其中fp腔内填充磁流体，并在fp腔右侧熔接fbg，磁场通过电流在螺线管上大小变化而变化引起磁流体的反射率变化，从而反射光的光程变化，得到的光谱曲线的谐振峰会随之移动，根据光谱峰值的移动来实现磁场测量；此外，fbg由于热膨胀和热光效应，中心反射波长会发生移动，即光谱曲线整体发生移动但形状不发生改变，根据光谱曲线移动量的改变来实现温度的测量，目前采用基于fp级联fbg结构的传感器可以实现温度、应力、压力、浓度、磁场、电流等多参量监测。
4.例如：2013年，吕日清等人(吕日清.磁流体的光学特性及其光纤fp传感关键技术研究[d].东北大学,2013.)提出为了解决磁流体的温度和磁场交叉敏感的问题，采用了将光纤布拉格光栅和fp传感器相结合的方法，科学合理的设计出基于磁流体填充的fbg-fp传感器，将fbg和fp同时放置于毛细石英玻璃管内，保证了fbg尽可能的免受应力的影响，借助fbg温度敏感特性，实现温度测量，补偿温度对磁流体特性的影响，通过对传感原理的推导，该结构不仅能够实现温度补偿，同时还能够实现双参数测量；2010年，李星等人(李星.磁流体填充空芯光子晶体光纤f-p传感器的设计[d].东北大学,2010.)提出通过对磁流体填充空芯光子晶体光纤f-p传感器的研究，完成了磁流体的选择、传感系统的设计，以及对整个系统进行了理论仿真；2018年，谷瑾瑜等人(谷瑾瑜,全磊,刘晋荣,王冠军.基于油封方法的光纤fp温度传感器增敏技术研究[j].中北大学学报(自然科学版),2018,39(03):362-366.)提出在光纤fp温度传感器灵敏度受到二氧化硅材料和填充温度敏感材料热膨胀系数小的制约、灵敏度有限的情况下，制备了一种微泡壁厚约为2pm的微泡结构fp传感器；2012年，徐永华等人(徐永华.基于fbg-fp腔的温度与液体浓度测量方法研究[d].东北大学,2012.)提出利用光纤端面的菲涅尔反射设计一种基于fbg-fp腔的传感器对温度和液体浓度进行测量，分析其对温度的传感特性，结果显示fbg-fp腔在温度作用下反射光谱的形状没有变化，只是位置发生整体平移；2021年，张树斌等人(张树斌.基于光纤上微纳空心fp腔的压强传感技术研究[d].海南大学,2021.)提出基于压强辅助放电法制备微气泡的改进方
法，通过控制电弧放电强度、时间和光纤位置，减小微气泡膜的厚度，制备了微米级全硅薄膜，通过控制电弧放电和张力，将气泡微腔的端部膜转移到单模光纤和玻璃管的熔接结构中，可在光纤末端形成fp干涉腔。


技术实现要素：

[0005]
目前研究者采用fbg或fbg级联结构已经实现了温度、折射率、应力、磁性等参数的测量，但是多存在级联结构测量的参量单一和测量结构复杂且大型，不能同时实现双参量测量、或者多参量测量结构实现复杂等原因；依据原先已有的技术，再结合之前的结构缺点，本发明提出一种具有高灵敏度、可实现双参量测量、制作方法简单、可重复性强、低制作成本、高利用率的基于fp级联fbg结构的磁场和温度传感器。
[0006]
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
[0007]
技术方案：基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器，其特征在于：它包括宽带光源(1)、耦合器(2)、双参量传感体系(3)、img(4)、osa(5)、解调模块(6)、pc机(7)；
[0008]
所述双参量传感体系(3)包括包括加热平台(3-1)、传感器(3-2)、螺线管(3-3)、电流源(3-4)，其中：
[0009]
加热平台(3-1)的上方固定螺线管(3-3)，在螺线管(3-3)的里面放置传感器(3-2)，加热平台(3-1)的右侧放置电流源(3-4)；
[0010]
传感器(3-2)是由fp腔(3-2-1)和fbg(3-2-2)级联的光纤复合结构，fp腔(3-2-1)内填充磁流体(3-2-3)，fp腔(3-2-1)右侧熔接fbg(3-2-2)构成传感器(3-2)；
[0011]
传感器(3-2)的制作过程包括fp腔(3-2-1)的气泡微腔的制作、磁流体(3-2-3)的制作及填充、光纤复合结构的制作：
[0012]
其中：fp腔(3-2-1)的气泡微腔的制作首先准备了外径为145微米、内径为125微米的空心石英玻璃管，以及一段包层为120微米、纤芯为12微米的单模光纤，将单模光纤的尾端切平后与两端面切割平整的空心石英玻璃管的一端用光纤熔接机熔接，空心石英玻璃管的另外一端接上压强泵，单模光纤和空心石英玻璃管两部分各接上马达，输入130kpa的压强，熔接的端面处用电极对于其多次放电，同时用马达将其中间位置向两边拉，熔接处均匀地拉伸成薄薄的锥形，将空心石英玻璃管的锥形端面进行缓慢的旋转，同时用红宝石单晶光纤激光器对其进行照射，并加入适当的压强，则在空心石英玻璃管的一端制作出均匀的气泡微腔；
[0013]
磁流体(3-2-3)的制备是将柠檬酸溶于去离子水中，静置5min后，将溶液移入装有冷凝管、搅拌器、n2入口的四颈瓶中，按顺序依次加入35ml的0.046mol/l的fe(no3)3水溶液、15ml的0.160mol/l的cd(no3)2水溶液，保持搅拌的速度在50r/min，再滴加浓度为3.0mol/l的naoh溶液将混合液的ph调整为12，同时在n2的保护下，在55℃的条件下让其反应5h，最终得到磁流体(3-2-3)；
[0014]
磁流体(3-2-3)的填充是对准空心石英玻璃管无气泡微腔的一端，填充时要保证腔内无空气残留，由于磁流体(3-2-3)填充后期的部分液体会残留在空心石英玻璃管的端面边缘处并自动晾干，要使用酒精进行擦拭干净，以便后续的熔接；
[0015]
光纤复合结构的制作是使用上述填充磁流体(3-2-3)的空心石英玻璃管，以及一段栅区长为35mm、中心波长为1550nm的fbg(3-2-2)，将填充磁流体(3-2-3)的空心石英玻璃
管的平整的那一端朝上与fbg(3-2-2)用光纤熔接机进行熔接，完成光纤复合结构的制作；
[0016]
进一步地，所述的基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器，其特征还在于：
[0017]
宽带光源(1)发出光束，经过耦合器(2)输出两光束，一束光入射到img(4)，另外一束光入射到双参量传感体系(3)的传感器(3-2)，当输入螺线管(3-3)的电流大小发生变化进而改变磁场，从而改变fp腔(3-2-1)墙内的磁流体(3-2-3)反射率，而当加热平台(3-1)让温度发生改变时，fbg(3-2-2)的栅格周期和有效折射率随之变化，反射光束经过耦合器(2)后经过osa(5)记录了反射光谱信息再进入解调模块(6)，解调后进入pc机(7)进行数据处理；
[0018]
进一步地，所述img(4)是用来消除光束的返回，防止影响osa(5)分析光纤光栅的反射光谱；
[0019]
所述的基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器，其特征在于：
[0020]
所述双参量传感体系(3)中加热平台(3-1)的上方固定螺线管(3-3)，在螺线管(3-3)的里面放置传感器(3-2)，当测量电流时，电流源(3-4)用导线连接螺线管(3-3)，通过改变电流源(3-4)输出的电流的大小使螺线管(3-3)的磁场变化，实现对电流的测量；当测量温度时，关闭电流源(3-4)并且打开加热平台(3-1)，调节温度加热平台(3-1)来实现对温度的测量。
[0021]
结构发明：基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器。
[0022]
与现有结构相比，本发明专利的有益效果是：
[0023]
本发明实现磁场和温度的双参量测量，可以在检测环境磁场的实时变化的同时又检测环境的温度变化，结构制作方法精巧，体积较小、可以满足极端环境下的检测，满足多环境的检测设备需要。
[0024]
本发明中fp腔填充磁流体实现电流测量，与粘贴磁致伸缩材料相比该结构测量精度更高。
[0025]
本发明可实现解调并可将结果输出至pc机，实现实时监测和测量。
附图说明
[0026]
图1为基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器的系统图。
[0027]
图2为基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器的传感器结构图。
[0028]
图3为基于fp级联fbg结构的电流和温度传感器的双参量传感体系图。
具体实施方式
[0029]
以下实施例将结合附图对本发明提出的fp级联fbg结构的电流和温度传感器的具体实现方式加以说明。
[0030]
如图1所示，为本发明提供基于fp级联fbg结构的磁场和温度传感器的系统图，宽带光源(1)发出光束，经过耦合器(2)输出两光束，一束光入射到img(4)，img(4)是消除光束的返回，另一束光入射到双参量传感体系(3)的传感器(3-2)，光束通过fp腔(3-2-1)和fbg(3-2-2)级联的光纤复合结构后反射出来，反射光束通过耦合器(2)后进入osa(5)，双参量传感体系(3)的电流源(3-4)给螺线管(3-3)接上电源后，改变电流源(3-4)输出的电流大小使螺线管(3-3)产生的磁场发生变化，传感器(3-2)的fp腔(3-2-1)内的磁流体(3-2-3)的反
射率发生改变，从而反射光的光程变化，通过在osa(5)上观察光谱曲线的峰值的移动量来实现磁场的检测；当双参量传感体系(3)的加热平台(3-1)的温度变化时，热膨胀使fbg(3-2-2)的栅格周期改变，并且热光效应会使fbg(3-2-2)有效折射率变化，中心反射波长发生移动，即光谱曲线整体发生移动但形状不发生改变，根据光谱曲线移动量的改变来实现温度的检测；将osa(5)中的数据输出至解调模块(6)，通过解调模块(6)的矩阵分析方法，消除温度、电流的交叉影响，并将结果输出至pc机(7)，得出温度和电流的测量数据，进一步分析传感器(3-2)的测量灵敏度。
[0031]
如图2所示，为本发明提供fp级联fbg结构的电流和温度传感器的传感器结构图，传感器(3-2)中的fp腔(3-2-1)内填充磁流体(3-2-3)与fbg(3-2-2)级联后形成传感器(3-2)，填充磁流体(3-2-3)的fp腔(3-2-1)检测电流的变化，其检测原理为：当电流发生变化，螺线管(3-3)的产生的磁场会发生变化，从而磁流体(3-2-3)的反射率发生改变，使反射光的光程发生变化，从而得到的光谱曲线的谐振峰会随之移动，根据光谱峰值的移动来实现电流测量；fbg(3-2-2)测量稳定的变化，其检测原理为：当温度发生变化，热膨胀使fbg(3-2-2)的栅格周期改变，并且热光效应会使fbg(3-2-2)有效折射率变化，中心反射波长发生移动，即光谱曲线整体发生移动但形状不发生改变，根据光谱曲线移动量的改变来实现温度的检测。
[0032]
如图3所示，为本发明提供fp级联fbg结构的电流和温度传感器的双参量传感体系图，加热平台(3-1)上固定螺线管(3-3)，螺线管(3-3)内放置传感器(3-2)，加热平台(3-1)右侧放置电流源(3-4)，通过电流源(3-4)给螺线管(3-3)输出不同大小的电流改变磁场，用传感器(3-2)实现电流的检测；加热平台(3-1)开启，fbg(3-2-2)通过温度的变化带来的热膨胀和热光效应效应来实现温度的检测。