基于MZI的温度自补偿光纤磁场传感器及其制备方法

本发明涉及光纤磁场传感，特别是涉及一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器及其制备方法。

背景技术：

1、磁流体作为一种新型的功能材料，既有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，其在外加磁场中表现出优异的磁光特性，包括可调透射损耗、二向色性效应、双折射效应和可调折射率。这些特性使基于磁流体的光纤磁场传感器成为电磁测量领域的研究热点。

2、近年来，研究人员提出了多种基于磁流体的光纤磁场传感器。例如，基于马赫-曾德尔干涉仪和磁流体的高灵敏度磁场传感器，其通过将氢氟酸腐蚀的细芯光纤浸没于磁流体中实现磁场强度测量，实验结果表明，刻蚀器件的磁场强度灵敏度是未刻蚀器件的5.3倍。一种基于光纤光栅和微纳光纤级联结构的磁场/温度传感器，其通过磁流体包裹拉锥光纤的方式实现磁场强度测量，并通过检测fbg和mzi的透射光谱的方式，实现了磁场和温度的同时测量。然而上述结构中由于存在温度串扰，传感器的检测灵敏度较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器及其制备方法，可在提高测量灵敏度的同时消除温度串扰。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、第一方面，本发明提供了一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，包括：第一单模光纤、第一多模光纤、双侧孔光纤、第二多模光纤和第二单模光纤。

4、所述第一单模光纤用于将入射的光束导入所述第一多模光纤。

5、所述第一多模光纤用于将所述光束进行扩束后导入所述双侧孔光纤。

6、所述双侧孔光纤包括纤芯、磁流体腔和pdms腔；所述磁流体腔与所述纤芯构成第一mzi，所述pdms腔和所述纤芯构成第二mzi；所述磁流体腔内填充有磁流体；所述pdms腔内填充有pdms。

7、所述扩束后的光束分别通过第一mzi和所述第二mzi导入所述第二多模光纤；所述第二多模光纤用于将第一目标光束和第二目标光束进行耦合后导入所述第二单模光纤；所述第一目标光束为扩束后的光束通过第一mzi后得到的光束；所述第二目标光束为扩束后的光束通过第二mzi后得到的光束。

8、可选的，所述磁流体腔和所述pdms腔以所述纤芯为轴心，在所述双侧孔光纤中对称分布。

9、可选的，所述双侧孔光纤还包括多个开孔；

10、位于所述磁流体腔一侧的开孔，与所述磁流体腔相通，用于在所述磁流体腔内注入磁流体以及使所述磁流体腔与外部环境联通；

11、位于所述pdms腔一侧的开孔，与所述pdms腔相通，用于在所述pdms腔内注入pdms以及使所述pdms腔与外部环境联通。

12、可选的，还包括：石英管；所述石英管用于封装温度自补偿光纤磁场传感器。

13、可选的，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯直径均为8-9微米，包层直径均为125微米。

14、可选的，所述第一多模光纤和所述第二多模光纤的纤芯直径均为100-105微米，包层直径均为125微米。

15、可选的，所述双侧孔光纤中的磁流体腔和pdms腔的直径均为40微米，所述双侧孔光纤中的纤芯直径为8-9微米，包层直径为125微米。

16、可选的，所述双侧孔光纤上开孔的开孔直径为15-25微米，开孔间隔为1500-1800微米。

17、可选的，所述双侧孔光纤的长度为2000-4000微米。

18、第二方面，本发明提供了一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器的制备方法，包括：

19、依次熔接第一单模光纤、第一多模光纤、双侧孔光纤、第二多模光纤和第二单模光纤，得到熔接后的传感器；所述双侧孔光纤包括纤芯、磁流体腔和pdms腔。

20、将磁流体注入所述磁流体腔，并对注入口进行封装固化。

21、将pdms注入所述pdms腔，并放入温度控制箱中固化，得到固化后的传感器。

22、将固化后的传感器封装在石英管中，得到温度自补偿光纤磁场传感器。

23、根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

24、本发明提供了一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器及其制备方法，包括：第一单模光纤、第一多模光纤、双侧孔光纤、第二多模光纤和第二单模光纤；双侧孔光纤包括纤芯、磁流体腔和pdms腔；磁流体腔与纤芯构成第一mzi，pdms腔和纤芯构成第二mzi；扩束后的光束分别通过第一mzi和第二mzi导入第二多模光纤。本发明提供的传感器在双侧孔光纤内部实现并联mzi，利用磁流体的有效折射率随外界磁场线性变化特性进行传感；第一mzi作为传感干涉仪，第二mzi作为参考干涉仪，两个mzi由第二多模光纤耦合形成游标效应，提高传感器磁场强度检测的灵敏度。同时，由于磁流体和pdms的热光系数相近，温度变化对磁流体和pdms的有效折射率具有相同的影响，第一mzi和第二mzi对外界温度变化表现出相同响应，因此外界温度变化将不引起传感器包络光谱的漂移。从而消除传感器测量磁场强度过程中温度的串扰，实现温度自补偿，提高了所述传感器磁场强度检测的准确度。

技术特征：

1.一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，包括：第一单模光纤、第一多模光纤、双侧孔光纤、第二多模光纤和第二单模光纤；

2.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述磁流体腔和所述pdms腔以所述纤芯为轴心，在所述双侧孔光纤中对称分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述双侧孔光纤还包括多个开孔；

4.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，还包括：石英管；所述石英管用于封装温度自补偿光纤磁场传感器。

5.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的纤芯直径均为8-9微米，包层直径均为125微米。

6.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述第一多模光纤和所述第二多模光纤的纤芯直径均为100-105微米，包层直径均为125微米。

7.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述双侧孔光纤中的磁流体腔和pdms腔的直径均为40微米，所述双侧孔光纤中的纤芯直径为8-9微米，包层直径为125微米。

8.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述双侧孔光纤上开孔的开孔直径为15-25微米，开孔间隔为1500-1800微米。

9.根据权利要求1所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器，其特征在于，所述双侧孔光纤的长度为2000-4000微米。

10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种基于mzi的温度自补偿光纤磁场传感器的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开一种基于MZI的温度自补偿光纤磁场传感器及其制备方法，涉及光纤磁场传感技术领域，该传感器包括第一单模光纤、第一多模光纤、双侧孔光纤、第二多模光纤和第二单模光纤；双侧孔光纤包括纤芯、磁流体腔和PDMS腔；磁流体腔与纤芯构成第一MZI，PDMS腔和纤芯构成第二MZI；扩束后的光束分别通过第一MZI和第二MZI导入第二多模光纤。本发明通过在双侧孔光纤内部构成两个并联的MZI，再由第二多模光纤耦合形成游标效应，提高了磁场强度检测的灵敏度；并且利用磁流体和PDMS热光系数相近的特性，消除了传感器在测量磁场强度时受到温度的串扰，提高了磁场强度检测的准确性。

技术研发人员：杨文龙,王超鹏,潘锐,于双
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24