CN212483826U - 包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头 - Google Patents

包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头 Download PDF

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刘月明
涂帆
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Abstract

本实用新型是属于光纤光栅传感技术领域,具体涉及包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头,其包括宽带光源、连接光纤、光纤环形器、传感探头、匹配液、1×2光纤耦合器1、滤波器LPG1、波分复用器、1×2光纤耦合器2、滤波器LPG2、光电探测器和信号处理器;所述的传感探头的左端光纤包层是利用真空溅射镀膜技术在光纤包层表面镀银金属膜,形成传感FBG1;所述的传感探头的右端光纤包层利用飞秒激光微加工技术加工出矩形槽,并填充磁流体,形成传感FBG2。本实用新型的优点是结构、制作工艺和工作原理简单,磁流体随磁场强度变化而改变自身折射率,使布拉格光纤光栅谐振波长发生变化,通过解调谐振波长的变化情况,实现对磁场强度的测量。

Description

包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头
技术领域
本实用新型属于光纤光栅传感技术领域,具体涉及了包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头。
背景技术
光纤光栅是一种经典的光纤无源器件,其实质是将光纤纤芯折射率进行周期性调制,从而形成一种透射或者反射的窄带滤波器。根据折射率调制的周期大小来分,把光栅周期小于1μm的光纤光栅,称为短周期光纤光栅(FBG);把光栅周期为几十或者几百微米以上的光纤光栅,称为长周期光纤光栅(LPFG)。随着对光纤光栅认识的不断提高,光纤光栅不仅具有造价低、抗电磁干扰能力强、稳定性好和体积小等优点,还可以根据相关的物理基础来设计成测量不同物理量的传感器,比如磁场、温度、液面和应变等。
传统的磁场传感器,比如霍尔传感器、磁通门传感器和感应线圈传感器等,大部分都具有体积大、结构复杂和容易受到复杂的环境影响等的缺点,在特殊的领域中难以应用。而光纤光栅磁场传感器不仅具有上述光纤光栅的优点,可以在复杂环境应用,而且可以根据不同的传感机理设计不同的磁场传感器满足需求。比如,可以把布拉格光纤光栅与磁流体相结合,在光纤包层刻槽并填充磁流体,利用磁流体的折射率在外加磁场下发生改变,磁场方向垂直于传输光的方向时,折射率随外加磁场的增加而减小,从而引起输出光的波长变化,通过边沿滤波解调技术解调信号,实现对磁场强度的测量。
本实用新型利用短周期布拉格光纤光栅,再利用飞秒激光微加工技术去除部分光纤包层,在未去除光纤包层区域的表面镀银金属膜,再用石英玻璃毛细管进行封装,使用注射器向包层中填充磁流体,制成传感探头,最后通过边沿滤波解调技术,解调出输出光波强度与波长大小变化情况,实现对磁场强度的测量。
实用新型内容
本实用新型旨在实现对磁场强度的测量,设计了包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头。
包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头,它的结构包括宽带光源 (1)、连接光纤(2)、光纤环形器(3)、传感探头(4)、匹配液(5)、1×2光纤耦合器1(6)、滤波器LPG1(7)、波分复用器(8)、1×2光纤耦合器2(9)、滤波器LPG2(10)、光电探测器(11)和信号处理器(12),其特征在于:宽带光源(1)发出的光,经过连接光纤(2),从端口1进入光纤环形器(3),再从光纤环形器端口2进入传感探头(4),一部分光波从端口2反射回光纤环形器 (3),另一部分光波进入匹配液(5)中被吸收,反射回的光波从端口3进入波分复用器(8),随后分为两束光分别通过1×2光纤耦合器1(6)和1×2光纤耦合器2(9),再分别经过滤波器LPG1(7)和滤波器LPG2(10),光信号被光电探测器(11)探测到,最后由信号处理器(12)进行信号分析;所述的传感探头(4)结构包括光纤纤芯(4-1)、光纤包层(4-2)、填充液体的包层区(4-3)、石英玻璃毛细管(4-4)、填充液体通道(4-5)、传感FBG1(4-6)、银金属膜(4-7) 和传感FBG2(4-8)。光纤纤芯(4-1)的直径为8μm,纤芯刻写有布拉格光栅,光纤包层(4-2)的直径为125μm,填充液体的包层区(4-3)深度为40μm,长度为5mm,宽度为60μm,所述的石英玻璃毛细管(4-4)是用来封装传感探头 (4),内径为135μm,外径为1000μm,所述的填充液体通道(4-5)是通过飞秒激光加工技术加工形成的,所述的银金属膜(4-7)是通过真空溅射法镀制,厚度为200nm。
传感探头(4)的总长度为1cm,其结构包括光纤包层镀有银金属膜(4-7) 的传感FBG1(4-6)和去除了光纤包层并填充磁敏液体的传感FBG2(4-8),长度各为5mm,光纤纤芯布拉格光栅周期为520nm,纤芯折射率为1.465,中心波长为1523nm。
填充液体的包层区(4-3)中的液体为磁流体,表面有两个通过飞秒激光微加工技术加工出的填充液体通道(4-5),利用注射器通过一个填充液体通道(4-5) 把磁流体填充进包层区,待另一个填充液体通道(4-5)有液体溢出时表示填满,最后用UV胶涂抹在填充液体通道(4-5)端口处,再用紫外光照射进行封装。
附图说明
图1为本实用新型所述的包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头的工作结构示意图;
图2为本实用新型所述的传感探头的具体结构示意图。
具体实施方式
以下是结合附图和具体实施步骤来对本实用新型的进一步详细说明。
如图1所示,宽带光源(1)、连接光纤(2)、光纤环形器(3)、传感探头 (4)、匹配液(5)、1×2光纤耦合器1(6)、滤波器LPG1(7)、波分复用器(8)、 1×2光纤耦合器2(9)、滤波器LPG2(10)、光电探测器(11)和信号处理器(12),连接方式如图1。
如图2所示,光纤纤芯(4-1)、光纤包层(4-2)、填充液体的包层区(4-3)、石英玻璃毛细管(4-4)、填充液体通道(4-5)、传感FBG1(4-6)、银金属膜(4-7) 和传感FBG2(4-8)。
本实用新型所述的传感探头(4)结合图2所示结构,具体制作过程如下,
步骤一:光纤端面预处理
本实用新型选用普通布拉格光纤光栅,纤芯直径为8μm、包层直径为125μm、布拉格光栅周期为520nm、中心波长为1523nm和总长度为1cm。去除布拉格光纤光栅表面的涂覆层,然后用超声波清洗机对单模光纤的进行清洁。
步骤二:飞秒激光去除部分光纤包层
将步骤一的布拉格光纤光栅固定到四维精密移动平台上,确保相对于平台平行放置;设置飞秒激光器相关参数;然后利用计算机控制移动平台移动,使传感探头光纤包层表面相对于平台平行移动,达到去除光纤右端5mm长的光纤包层的目的,在光纤包层中形成深度为40μm,长度为5mm,宽度为60μm的矩形槽,如图2结构所示。
步骤三:光纤包层表面镀金属膜
将步骤二的布拉格光纤光栅通过真空溅射镀膜技术在传感探头的光纤左端表面镀银金属膜,并用耐高温胶带掩盖传感探头的光纤包层右端部分,分四次真空溅射镀膜,每次镀膜完成后使传感探头旋转90°,再重新镀膜,最终达到均匀镀膜的目的。银金属膜的厚度为200nm,长度为5mm。
步骤四:封装光纤与包层填充液体
首先,将石英玻璃毛细管和传感探头平行于平台表面固定在四维精密移动平台上,利用计算机控制平台缓慢的将步骤三处理的布拉格光纤光栅***石英玻璃毛细管内。***完成后,用UV胶在左右两端进行涂抹,然后用紫外光照射进行封装。利用飞秒激光器微加工技术,在矩形槽区正上方的石英玻璃毛细管表面靠近右端边缘1mm处加工一个填充液体通道,再相对于这个填充液体通道平行向左移动3mm再加工出第二个填充液体通道,加工出的两个填充液体通道作为填充磁流体的通道。最后利用注射器从任意一个填充液体通道将磁流体注入矩形槽中,待另一个填充液体通道有磁流体溢出时,表明填充完毕。最后用UV胶涂抹两个缺口再用紫外光照射,进行封装。石英玻璃毛细管的内径是 135μm,外径1000μm。上述制作工艺步骤顺利完成后,传感探头制备完毕,根据图1结构,进行器件连接。
布拉格光纤光栅的谐振波长公式:
λ0=2neffΛ
其中neff为布拉格光纤光栅有效折射率,Λ为布拉格光纤光栅的周期,λ0为中心谐振波长。传感FBG1的光纤包层表面镀有银金属膜,当外界温度变化时,银金属膜发生热胀冷缩,使传感FBG1的布拉格光纤光栅周期发生改变,谐振波长也会随之发生变化,分析谐振波长的变化情况来反映出外界温度的大小。
填充液是磁流体,磁流体对外加磁场变化敏感,其折射率会随着磁场强度的变化而变化,光纤包层填充有磁流体的传感FBG2,其谐振波长会根据磁场强度变化而变化。
波分复用器是特殊设计的,根据传感FBG1与传感FBG2的谐振波长设计两个不同透射窗口,让谐振波长λ1和谐振波长λ2分别进入不同的解调***中。
谐振波长λ1通过1×2光纤耦合器1,再分为两束光,一束光直接进入光电探测器作为参考光路;另一束光经过滤波器LPG1,使得谐振波长λ1落在滤波器 LPG1的透射谱右侧线性部分,进行线性滤波处理。谐振波长λ2的处理过程与谐振波长λ1类似。
本实用新型包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头的基本工作原理为:宽带光源发出的光,从端口1进入光纤环形器,然后从光纤环形器端口2 进入传感探头,传感FBG1对外界温度敏感和传感FBG2对外加磁场敏感分别反射特定的波长,反射光再从端口2返回光纤环形器,再从光纤环形器端口3进入波分复用器,分成两束光进入不同解调***中,分别对谐振波长λ1和谐振波长λ2进行线性滤波处理,最后通过光电探测器,再由信号处理器进行信号处理与分析,达到测量磁场强度的目的。

Claims (3)

1.包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头,它的结构包括宽带光源(1)、连接光纤(2)、光纤环形器(3)、传感探头(4)、匹配液(5)、1×2光纤耦合器1(6)、滤波器LPG1(7)、波分复用器(8)、1×2光纤耦合器2(9)、滤波器LPG2(10)、光电探测器(11)和信号处理器(12),其特征在于:宽带光源(1)发出的光,经过连接光纤(2),从端口1进入光纤环形器(3),再从光纤环形器端口2进入传感探头(4),一部分光波从端口2反射回光纤环形器(3),另一部分光波进入匹配液(5)中被吸收,反射回的光波从端口3进入波分复用器(8),随后分为两束光分别通过1×2光纤耦合器1(6)和1×2光纤耦合器2(9),再分别经过滤波器LPG1(7)和滤波器LPG2(10),光信号被光电探测器(11)探测到,最后由信号处理器(12)进行信号分析,所述的传感探头(4)结构包括光纤纤芯(4-1)、光纤包层(4-2)、填充液体的包层区(4-3)、石英玻璃毛细管(4-4)、填充液体通道(4-5)、传感FBG1(4-6)、银金属膜(4-7)和传感FBG2(4-8),光纤纤芯(4-1)的直径为8μm,纤芯刻写有布拉格光栅,光纤包层(4-2)的直径为125μm,填充液体的包层区(4-3)深度为40μm,长度为5mm,宽度为60μm,所述的石英玻璃毛细管(4-4)是用来封装传感探头(4),内径为135μm,外径为1000μm,所述的填充液体通道(4-5)是通过飞秒激光加工技术加工形成的,所述的银金属膜(4-7)是通过真空溅射法镀制,厚度为200nm,所述的传感FBG1(4-6)既可以测量外界温度的大小,又可对传感FBG2(4-8)测量的磁场强度的参数进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头,其特征是:其传感探头(4)的总长度为1cm,其结构包括5mm传感FBG1(4-6)和5mm传感FBG2(4-8),传感FBG1(4-6)光纤包层镀有银金属膜(4-7),传感FBG2(4-8)去除了光纤包层并填充磁敏液体,布拉格光栅周期为520nm,纤芯折射率为1.465,中心波长为1523nm。
3.根据权利要求1所述的包层刻矩形槽填充液体布拉格光纤光栅磁场探头,其特征是:其传感探头(4)中的填充液体的包层区(4-3)中的液体为磁流体,表面有两个通过飞秒激光微加工技术加工出的填充液体通道(4-5),利用注射器通过填充液体通道(4-5)把磁流体填充进包层区。
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CN114552342A (zh) * 2022-01-13 2022-05-27 北京交通大学 基于腐蚀型保偏光纤光栅的光电振荡器磁场传感装置

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