CN114137450A - 磁流体填充的光纤磁场和位移传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明专利提供了磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、信号分析模块(5)、计算机(6)。本发明专利结合法布里‑珀罗腔和FBG传感原理，通过法布里‑珀罗腔级联FBG进行传感，使ASE光源产生的光束在FBG产生干涉光谱，通过反射光谱波长的检测，实现位移的测量，并通过FBG产生的反射尖峰，检测磁场的变化，并且通过信号分析模块进行信号处理，实现了在计算机上处理，达到了数字化、智能化的目的。本发明实现了双参量检测、交叉敏感小、传感器体积小，且可在计算机上输出，实现了对磁场和位移同时且实时监测的目的。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及磁流体填充的光纤磁场和位移传感器。
背景技术
光纤传感器是一种新型传感器，具有灵敏度高、长期可靠性高、信噪比高、体积小等特点。现如今，光纤传感器发展速度极为迅速，并且随着石油化工和航空等领域对传感器要求的提升，常见的布拉格光栅传感器已不满足需求，而光纤法布里-珀罗腔传感器耐受恶劣环境等优越特点，就为这些领域提供了有效手段。因此，设计一种基于法布里-珀罗腔与FBG的光纤复合结构，可监测位移和磁场的多参量测量传感器，具有以下优点：体积小、寿命长、制造成本低、可高精度测量、可靠性高、测量范围宽、操作难度小、稳定性高、耐受恶劣环境、以及实现多参量测量。
磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，传感单元是由法布里-珀罗腔和FBG级联构成的光纤复合结构，其中，法布里-珀罗腔是由膜片和FBG的一光滑端面与空芯光纤围成的，且法布里-珀罗腔内部填充着磁流体；位移变化使FBG栅距和法布里-珀罗腔腔体长度发生变化，干涉波波长发生偏移，实现位移测量；而磁场变化影响磁流体折射率，导致干涉光光谱发生漂移，实现磁场测量。目前采用FBG、磁流体填充法布里-珀罗腔或法布里-珀罗腔和FBG级联结构进行双参量测量的传感器可以实现磁场、应变、温度、位移、压力、位移等多参量监测，另外，CoFe2O4水基磁流体因其优良的磁控折射率和光透射性，也受到很多研究者关注。例如：2018年张等人(张晶,苏玉长,谭江,王瑾,喻秋山,热比古丽·图尔荪,赵乐.共沉淀制备CoFe_2O_4纳米晶及其表征[J].中南大学学报(自然科学版),2018,49(08):1900-1906.)提出了一种化学共沉淀方法制备纳米CoFe2O4粉末，该粉末在常温条件外加磁场下表现出很强的磁滞现象；2019年，Wu H等人(Wu H,Lin Q,Jiang Z,et al.A temperature andstrain sensor based on a cascade of double fiber Bragg grating[J].MeasurementScience and Technology,2019,30(6):065104.)提出了一种两个FBG级联实现温度和位移同时测量的光纤传感器，通过测量波长的漂移实现温度的监测，测量波长的相对偏移量实现位移监测；2020年，赵等人(赵玉欣.基于磁流体填充光纤微腔的磁场传感器研究[D].哈尔滨理工大学,2020.)将单模光纤错位熔接制成的法珀腔，并填充磁流体，磁流体的折射率随磁场变化而变化，影响反射光谱，实现对磁场的监测，但该传感单元错位熔接结构不易操作，且虽然实现了磁场的宽探测范围，但是结构复杂，且只实现了单参量测量；2021年，陈等人(陈珊,李政颖,孙景国,温志勋.EFPI-FBG复合光纤传感器高温大应变试验研究[J/OL].热能动力工程,2021(10):179-186[2021-11-13].)提出一种基于非本征型法布里-珀罗腔与光线布拉格光栅的传感器，实现在高温下对大应变的监测，但此结构FP腔腔长难以控制，且结构易脆裂；2021年，魏等人(魏翔宇.法布里-珀罗干涉型光纤微腔压强传感器[D].黑龙江大学,2021.)采用毛细现象在HCF内部制备了PDMS薄膜，再将SMF与HCF熔接，利用PDMS的高弹性，实现温度和压强传感，但其反向蘸取多余PDMS液体步骤不易操作，且厚度难以控制，并且材料寿命短，无法实现反复长期使用。
发明内容
目前研究者采用法布里-珀罗腔或法布里-珀罗腔级联结构已经实现了位移、磁性、应变等参数的测量，但是多存在级联结构测量单一参量结构复杂，不能同时实现双参量测量、或者测量结构实现复杂等原因；结合目前现有技术的优势，以及现有技术的缺点，本发明提出一种可高精度测量、可检测微小位移、可靠性高、灵敏度高、可实现双参量测量、制作方法简单、低制作成本、高利用率的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案如下：
技术方案：磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、环形器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、信号分析模块(5)、计算机(6)；
传感单元(3)中法布里-珀罗腔(3-3)、与FBG(3-4)级联构成光纤复合结构，其中，法布里-珀罗腔(3-3)是由膜片(3-1)和FBG(3-4)的一光滑端面与空芯光纤(3-2)围成的，且法布里-珀罗腔(3-3)内部填充着磁流体(3-5)；
传感单元(3)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作和磁流体(3-5)的填充，其中：
光纤复合结构的制作包括法布里-珀罗腔(3-3)的制作，以及法布里-珀罗腔(3-3)和FBG(3-4)级联结构的制作；首先，法布里-珀罗腔(3-3)腔长为150μm；膜片(3-1)是10μm厚的PDMS膜；其次，法布里-珀罗腔(3-3)与FBG(3-4)级联结构的制作包括：FBG(3-4)栅区长为20mm且中心波长为1550nm；膜片(3-1)采取蘸取固化方式贴合在空芯光纤(3-2)一平整端面；空芯光纤(3-2)另一平整端面和FBG(3-4)之间采取光纤熔接机熔接方式，最后形成光纤复合结构；
磁流体(3-5)的填充，包括磁流体(3-5)的制备；磁流体(3-5)选取浓度为1emu/g的CoFe2O4水基磁流体，厚度与法布里-珀罗腔(3-3)腔长一致，为150μm；其中，CoFe2O4的制备过程为分别称量5mol的CoCl2·6H2O和10mol的FeCl3·6H2O，与去离子水混合搅拌成溶液后快速倒入95℃的NaOH溶液中，放置在可加热的搅拌机上，进行95℃水浴加热，搅拌2小时，待其完全反应并产生沉淀CoFe2O4，用去离子水和浓度为95％乙醇反复交替对其进行浸泡洗涤，利用离心机分离，将沉淀物铺在培养皿中放入干燥箱，100℃干燥两小时后取出进行研磨，得CoFe2O4粉末；
进一步地，所述的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征还在于：
ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至传感单元(3)中的传感单元(3)，光束在传感单元(3)中产生干涉，当被测物位移发生变化时，传感单元(3)发生形变，FBG(3-4)栅距发生变化，光栅布拉格信号波长发生位移，再传输至法布里-珀罗腔(3-3)，由于法布里-珀罗腔(3-3)腔体长度也随位移发生变化，光谱发生漂移，经其全反射后，光波流经FBG(3-4)传输至环形器(2)；而当磁场发生变化时，由于磁场影响磁流体(3-5)的排布，磁流体(3-5)折射率发生变化，导致干涉光光谱发生漂移，反射光束流经FBG(3-4)，又传输至环形器(2)，干涉光通过将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，信号分析模块(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
进一步地，所述ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm用于产生光信号。
所述的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征在于：
所述传感单元(3)测量位移时，被粘连在被测基体上，当被测基体产生位移时传感单元(3)产生形变，FBG(3-4)栅距和法布里-珀罗腔(3-3)腔体长度发生变化，实现位移的测量；而测量磁场时，传感单元(3)中磁流体(3-5)折射率随磁场发生变化，实现磁场的测量。
结构发明：磁流体填充的光纤磁场和位移传感器。
与现有结构相比，本发明专利的有益效果是：
本发明实现位移和磁场的同时测量，可以在监测环境磁场时监测被测基体位移大小，结构制作方法简单，体积小、耐恶劣环境，满足小型化、智能化的监测设备需求。
本发明中采用10μm的PDMS膜片与单模光纤一端形成法布里-珀罗腔联合FBG，实现位移和磁场的双参量测量，与传统膜片式法布里-珀罗腔传感器相比，此膜片厚度使法布里-珀罗腔几乎可以避免温度干扰，又由于法布里-珀罗腔内填充了磁流体，有效提高了测量磁场的灵敏度。
本发明中位移、磁场的交叉影响较小，测量的精度增加，准确性增强。
本发明可实现解调并可将结果输出至计算机，实现实时监测和测量。
附图说明
图1为磁流体填充的光纤磁场和位移传感器的结构图。
图2为磁流体填充的光纤磁场和位移传感器的传感单元结构图。
具体实施方式
以下实施例将结合附图对本发明提出的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器的具体实现方式加以说明。
如图1所示，为本发明提供磁流体填充的光纤磁场和位移传感器的结构图，ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至传感单元(3)中的FBG(3-4)侧，光束在FBG(3-4)处发生反射和透射，透射光传输至法布里-珀罗腔(3-3)，在其中发生全反射，又经膜片(3-1)反射至FBG(3-4)，反射光束通过环形器(2)输出至光谱分析仪(4)，当位移发生变化时，传感单元(3)发生形变，FBG(3-4)栅距发生变化，光栅布拉格信号波长发生位移，通过监测光谱分析仪(4)中干涉光的波长位移情况来测量被测物位移情况；而当磁场发生变化时，由于磁场影响磁流体(3-5)的排布，导致磁流体(3-5)折射率发生变化，导致干涉光光谱发生漂移，反射光束流经FBG(3-4)，又传输至环形器(2)，干涉光通过将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，通过监测光谱分析仪(4)漂移量实现磁场的监测；将光谱分析仪(4)的数据输出至信号分析模块(5)，信号分析模块(5)通过矩阵分析方法，消除位移、磁场的交叉影响，并将结果输出至计算机(6)，得出位移和磁场的测量数据，进一步分析传感单元(3)的测量灵敏度。
如图2所示，为本发明提供磁流体填充的光纤磁场和位移传感器的传感单元(3)结构图，由膜片(3-1)和FBG(3-4)的一光滑端面与空芯光纤(3-2)围成法布里-珀罗腔(3-3)；法布里-珀罗腔(3-3)和FBG(3-4)级联构成的光纤复合结构；FBG(3-4)和法布里-珀罗腔(3-3)监测位移变化；磁流体(3-5)填充的法布里-珀罗腔(3-3)监测磁场变化；其检测原理为：传感单元(3)连接环形器(2)的一端固定住，当被测物位移发生变化时，传感单元(3)中反射波波长发生变化，透射光被传输至法布里-珀罗腔(3-3)，由于法布里-珀罗腔(3-3)腔体长度也随位移发生变化，光谱发生漂移，通过监测反射波波长变化，实现位移监测；当磁场发生变化时，由于磁场影响磁流体(3-5)的排布，导致磁流体(3-5)折射率改变，进而导致法布里-珀罗腔(3-3)反射光谱发生漂移，通过监测波长移动情况，实现磁场监测。
Claims (3)
1.磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征在于：它包括ASE光源(1)、环形器(2)、传感单元(3)、光谱分析仪(4)、信号分析模块(5)、计算机(6)；
所述传感单元(3)是由法布里-珀罗腔(3-3)和FBG(3-4)级联构成的光纤复合结构，其中，法布里-珀罗腔(3-3)是由膜片(3-1)和FBG(3-4)的一光滑端面与空芯光纤(3-2)围成的，且法布里-珀罗腔(3-3)内部填充着磁流体(3-5)；
传感单元(3)的具体制备过程包括光纤复合结构的制作和磁流体(3-5)的填充，其中：
光纤复合结构的制作包括法布里-珀罗腔(3-3)的制作，以及法布里-珀罗腔(3-3)和FBG(3-4)级联结构的制作；首先，法布里-珀罗腔(3-3)腔长为150μm；膜片(3-1)是10μm厚的PDMS膜；其次，法布里-珀罗腔(3-3)与FBG(3-4)级联结构的制作包括：FBG(3-4)栅区长为20mm且中心波长为1550nm；膜片(3-1)采取蘸取固化方式贴合在空芯光纤(3-2)一平整端面；空芯光纤(3-2)另一平整端面和FBG(3-4)之间采取光纤熔接机熔接方式，最后形成光纤复合结构；
磁流体(3-5)的填充，包括磁流体(3-5)的制备；磁流体(3-5)选取浓度为1emu/g的CoFe2O4水基磁流体，厚度与法布里-珀罗腔(3-3)腔长一致，为150μm；其中，CoFe2O4的制备过程为分别称量5mol的CoCl2·6H2O和10mol的FeCl3·6H2O，与去离子水混合搅拌成溶液后快速倒入95℃的氢氧化钠溶液中，放置在可加热的搅拌机上，进行95℃水浴加热，搅拌2小时，待其完全反应并产生沉淀CoFe2O4，用去离子水和浓度为95％乙醇反复交替对其进行浸泡洗涤，利用离心机分离，将沉淀物铺在培养皿中放入干燥箱，100℃干燥两小时后取出进行研磨，得CoFe2O4粉末；
所述的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征还在于：
ASE光源(1)发出光束传输至环形器(2)，环形器(2)输出光束传输至传感单元(3)，光束在传感单元(3)中产生干涉，当被测基体位移发生变化时，传感单元(3)中发生形变，FBG(3-4)栅距发生变化，光栅布拉格信号波长发生位移，再传输至法布里-珀罗腔(3-3)，由于法布里-珀罗腔(3-3)腔体长度也随位移发生变化，光谱发生漂移，经其全反射后，光波流经FBG(3-4)传输至环形器(2)；而当磁场发生变化时，由于磁场影响磁流体(3-5)的排布，磁流体(3-5)折射率发生变化，导致干涉光光谱发生漂移，反射光束流经FBG(3-4)，又传输至环形器(2)，干涉光通过将反射光谱传输至光谱分析仪(4)显示干涉光谱，信号分析模块(5)将光谱分析仪(4)中的解调并传输至计算机(6)进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征在于：
所述的ASE光源(1)为宽带光源，中心波长为1550nm，用于产生光信号。
3.根据权利要求1所述的磁流体填充的光纤磁场和位移传感器，其特征在于：
所述传感单元(3)在测量位移时，被粘连在被测基体上，当被测基体产生位移时传感单元(3)产生形变，FBG(3-4)栅距和法布里-珀罗腔(3-3)腔体长度发生变化，实现位移的测量；而测量磁场时，传感单元(3)中磁流体(3-5)折射率随磁场发生变化，实现磁场的测量。
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2021
- 2021-11-30 CN CN202111442836.3A patent/CN114137450A/zh active Pending
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