一種基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器的制造方法
【專利摘要】一種基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器，包括超連續(xù)光源、輸入單模光纖、輸出單模光纖、細(xì)芯光纖、磁流體、石英毛細(xì)管、光譜分析儀。所述的超連續(xù)光源通過(guò)輸入單模光纖與細(xì)芯光纖連接，細(xì)芯光纖的另一端通過(guò)輸出單模光纖連接到光譜分析儀上，其中浸沒(méi)在磁流體的細(xì)芯光纖放入被測(cè)的電場(chǎng)環(huán)境中。磁流體的折射率會(huì)隨著電場(chǎng)發(fā)生相應(yīng)的變化，即包層有效折射率發(fā)生變化，從而引起細(xì)芯光纖包層模和芯模之間相位差改變，輸出干涉光譜波長(zhǎng)漂移。輸出干涉光譜會(huì)隨著電場(chǎng)的變化而發(fā)生漂移，通過(guò)解調(diào)干涉光譜漂移就可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)測(cè)量。本發(fā)明提供的電場(chǎng)傳感器具有制作工藝簡(jiǎn)單，另外本發(fā)明作為全光纖結(jié)構(gòu)，具有對(duì)插入損耗低、成本低、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】 一種基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光纖【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種利用磁流體的可調(diào)諧折射率特性作為電場(chǎng)感應(yīng)物質(zhì)的基于細(xì)芯光纖MZ干涉儀的電場(chǎng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]電場(chǎng)是表征自然界電磁現(xiàn)象的基本物理量，電場(chǎng)測(cè)量是眾多科學(xué)研究和工程【技術(shù)領(lǐng)域】重要的基礎(chǔ)研究手段。隨著電力工業(yè)的發(fā)展，電場(chǎng)的測(cè)量正在引起研究人員越來(lái)越多的關(guān)注。例如在電力工業(yè)，電場(chǎng)測(cè)量可用于電力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電氣設(shè)備內(nèi)外電場(chǎng)分布情況的測(cè)量及電暈放電現(xiàn)象的研究等；在電磁兼容方面研究中，電場(chǎng)測(cè)量可用于檢測(cè)電子儀器的對(duì)外電磁輻射與干擾，以及研究環(huán)境電場(chǎng)對(duì)電子儀器運(yùn)行狀況的影響等。此外在石油化工行業(yè)以及涉及可燃性氣體、蒸汽和粉塵生成的行業(yè)中，安全性監(jiān)測(cè)也需要電場(chǎng)測(cè)量。在實(shí)際應(yīng)用中，存在外界環(huán)境對(duì)電場(chǎng)傳感器的干擾非常嚴(yán)重的問(wèn)題，尤其對(duì)信號(hào)的傳輸結(jié)果影響很大，因此有必要采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄈp弱對(duì)測(cè)量的干擾。
[0003]目前傳統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器一般都存在體積大、影響待測(cè)電場(chǎng)分布、抗干擾能力差等缺陷問(wèn)題。而與傳統(tǒng)的電場(chǎng)傳感器相比，光纖電場(chǎng)傳感器作為一種新型的傳感器，具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性，非常適合應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)能夠減弱復(fù)雜環(huán)境中其它因素對(duì)測(cè)量的干擾。它具有體積小、質(zhì)量輕、抗干擾強(qiáng)、靈敏度高、耐腐蝕、響應(yīng)速度快、可用于高頻電場(chǎng)的測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。而非光柵型的光纖干涉儀電場(chǎng)傳感器，由于制作工藝簡(jiǎn)單，低成本以及較高的溫度穩(wěn)定性，更是已經(jīng)吸引越來(lái)越多的學(xué)者，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。這類電場(chǎng)傳感器設(shè)計(jì)思想是構(gòu)造一個(gè)光纖模式干涉?zhèn)鞲衅?，由此激發(fā)傳輸光的高階包層模式，這些高階包層模式受到外界電場(chǎng)的影響，使得高階包層模和纖芯模之間具有穩(wěn)定的光程差并最后進(jìn)行干涉，從而形成對(duì)外界電場(chǎng)敏感的傳感器。但現(xiàn)有的光纖型模式干涉儀都存在制作工藝復(fù)雜、原材料特殊、機(jī)械強(qiáng)度較低等缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出工藝簡(jiǎn)單、低成本、接入損耗小且靈敏度高的基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器，其能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)周圍中環(huán)境電場(chǎng)的大小檢測(cè)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0006]—種基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器，包括超連續(xù)光源、輸入單模光纖、輸出單模光纖、細(xì)芯光纖、磁流體、石英毛細(xì)管、光譜分析儀。所述的超連續(xù)光源通過(guò)輸入單模光纖與細(xì)芯光纖連接，細(xì)芯光纖的另一端通過(guò)輸出單模光纖連接到光譜分析儀上；細(xì)芯光纖被置于石英毛細(xì)管中并浸入磁流體，使細(xì)芯光纖完全浸沒(méi)在磁流體中，石英毛細(xì)管的兩端用光學(xué)固化膠密封。
[0007]所述的細(xì)芯光纖的兩端都是與單模光纖無(wú)偏心熔接，并且所述的石英毛細(xì)管直徑為 300 μ m。
[0008]所述的細(xì)芯光纖纖芯直徑為3 μ m,包層直徑為125 μ m,長(zhǎng)度為l_2cm ；[0009]所述的浸沒(méi)在磁流體的細(xì)芯光纖放入被測(cè)的電場(chǎng)環(huán)境中。
[0010]本發(fā)明制作的基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器的工作原理:
[0011]入射光在單模光纖中以基模形式傳輸，光能量集中在纖芯中。當(dāng)?shù)竭_(dá)輸入單模光纖與細(xì)芯光纖的熔接點(diǎn)，由于纖芯大小不同，一部分基模會(huì)被激發(fā)到細(xì)芯光纖的包層中，作為包層模，與細(xì)芯纖芯中基模一起向前傳輸。當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)芯光纖與輸出單模光纖的熔接點(diǎn)時(shí)，由于不同的高階包層模式在光纖內(nèi)傳輸時(shí)有效折射率不一樣，一部分被激發(fā)的光將會(huì)重新耦合到纖芯中，并與纖芯中的基模發(fā)生干涉。磁場(chǎng)由電場(chǎng)提供，即磁流體的折射率可以通過(guò)環(huán)境中的電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)芯光纖周圍環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，磁流體的折射率就相應(yīng)發(fā)生變化，即細(xì)芯光纖結(jié)構(gòu)包層有效折射率發(fā)生變化，從而引起細(xì)芯光纖包層模和纖芯模之間相位差改變，導(dǎo)致輸出干涉光譜波長(zhǎng)漂移。輸出干涉光譜會(huì)隨著電場(chǎng)的變化而發(fā)生漂移，通過(guò)解調(diào)干涉光譜漂移就可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)測(cè)量。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0013]本發(fā)明提供的電場(chǎng)測(cè)量傳感器具有制作工藝簡(jiǎn)單，不像光纖光柵傳感器那樣需要光柵寫(xiě)制系統(tǒng)，其僅僅需要熔接機(jī)，普通單模光纖和細(xì)芯光纖。另外本發(fā)明作為全光纖結(jié)構(gòu)，具有對(duì)插入損耗低、成本低、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是本發(fā)明中基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖中:1.超連續(xù)光源,2.輸入單模光纖,3.細(xì)芯光纖,4.輸出單模光纖,5.光譜分析儀，6.磁流體，7.光學(xué)固化膠，8.石英毛細(xì)管。
[0016]為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)，下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
【具體實(shí)施方式】
[0017]實(shí)施例1
[0018]如圖1所示，本發(fā)明提供的基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器，包括超連續(xù)光源1、輸入單模光纖2、細(xì)芯光纖3、輸出單模光纖4、磁流體6、石英毛細(xì)管8、光譜分析儀5。所述的超連續(xù)光源I通過(guò)輸入單模光纖2與細(xì)芯光纖3連接，細(xì)芯光纖3的另一端通過(guò)輸出單模光纖4連接到光譜分析儀5上。所述的細(xì)芯光纖3的兩端都是與單模光纖無(wú)偏心熔接，并且細(xì)芯光纖3被置于直徑為300 μ m的石英毛細(xì)管8中并浸入磁流體6，使細(xì)芯光纖3完全浸沒(méi)在磁流體6中，石英毛細(xì)管8的兩端用光學(xué)固化膠7密封。所述的浸沒(méi)在磁流體6的細(xì)芯光纖3放入被測(cè)的電場(chǎng)環(huán)境中。
[0019]入射光在輸入單模光纖2中以基模形式傳輸，光能量集中在纖芯中。當(dāng)?shù)竭_(dá)輸入單模光纖2與細(xì)芯光纖3的熔接點(diǎn)，由于纖芯大小不同，一部分基模會(huì)被激發(fā)到細(xì)芯光纖3的包層中，作為包層模，與細(xì)芯纖芯3中基模一起向前傳輸。當(dāng)?shù)竭_(dá)細(xì)芯光纖3與輸出單模光纖4的熔接點(diǎn)，由于不同的高階包層模式在光纖內(nèi)傳輸時(shí)有效折射率不一樣，一部分被激發(fā)的光將會(huì)重新耦合到光纖纖芯中，并與纖芯中的基模發(fā)生干涉。磁場(chǎng)由電場(chǎng)提供，即磁流體6的折射率可以通過(guò)環(huán)境中的電場(chǎng)來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)細(xì)芯光纖3周圍環(huán)境電場(chǎng)發(fā)生改變時(shí)，磁流體6的折射率就相應(yīng)發(fā)生變化，即細(xì)芯光纖3結(jié)構(gòu)包層有效折射率發(fā)生變化，從而引起細(xì)芯光纖包層模和纖芯模之間相位差改變，導(dǎo)致輸出干涉光譜波長(zhǎng)漂移。輸出干涉光譜會(huì)隨著電場(chǎng)的變化而發(fā)生漂移，通過(guò)解調(diào)干涉光譜漂可以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)測(cè)量。
【權(quán)利要求】
1.一種基于細(xì)芯光纖和磁流體的電場(chǎng)傳感器，其特征在于:該傳感器包括超連續(xù)光源、輸入單模光纖、輸出單模光纖、細(xì)芯光纖、磁流體、石英毛細(xì)管、光譜分析儀；所述的超連續(xù)光源通過(guò)輸入單模光纖與細(xì)芯光纖連接，細(xì)芯光纖的另一端通過(guò)輸出單模光纖連接到光譜分析儀上；細(xì)芯光纖被置于石英毛細(xì)管中并浸入磁流體，使細(xì)芯光纖完全浸沒(méi)在磁流體中，石英毛細(xì)管的兩端用光學(xué)固化膠密封。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述的細(xì)芯光纖的兩端都是與單模光纖無(wú)偏心熔接，所述的石英毛細(xì)管直徑為300 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述的細(xì)芯光纖的纖芯直徑為3 μ m,包層直徑為125 μ m,長(zhǎng)度為l_2cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)傳感器，其特征在于:所述的浸沒(méi)在磁流體的細(xì)芯光纖放入被測(cè)的電場(chǎng)環(huán)境中。
【文檔編號(hào)】G01R15/24GK103823125SQ201410083909
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月10日
【發(fā)明者】苗銀萍, 吳繼旋, 藺際超, 張楷亮, 宋彬彬, 袁育杰 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)