本發(fā)明屬于光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭。

背景技術(shù)：

目前的磁場傳感器主要基于霍爾效應(yīng)、磁阻效應(yīng)、磁通門效應(yīng)等機(jī)理。霍爾效應(yīng)是利用自由電子在外磁場作用下會向兩邊聚集，并形成與磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的電勢差；磁阻傳感器是繼霍爾傳感器后派生的另一種磁敏傳感器，采用的半導(dǎo)體材料與霍爾傳感器大體相同，但兩者對磁場的作用機(jī)理不同；磁通門檢測儀器是利用磁芯在交變磁場激勵(lì)下發(fā)生導(dǎo)磁特性變化從而調(diào)制被測磁場，通過檢測調(diào)制信號實(shí)現(xiàn)對外磁場的測量。

這些傳統(tǒng)的磁場傳感器均需要電信號激勵(lì)，電信號激勵(lì)產(chǎn)生的磁場通常會對被測磁場產(chǎn)生附加干擾，從而限制了該類傳感器檢測精度的進(jìn)一步提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明在光纖端面加工基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋，實(shí)現(xiàn)光纖一體化結(jié)構(gòu)，中間反射體增加法布里-珀羅諧振腔極板的面積，有效保持兩極板平行，在光纖微懸橋外表面鍍有超磁致伸縮薄膜(gmf：giantmagnetostrictivethinfilm)，構(gòu)成一種基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭，該磁場傳感探頭不需要電信號激勵(lì)，因而沒有激勵(lì)電信號對待測電磁場的干擾的問題，可以實(shí)現(xiàn)微型化，并且有效地提高了檢測精度和量程。

采用的技術(shù)方案為：本發(fā)明包括激光光源、探測器、光纖定向耦合器、匹配液和傳感探頭。激光光源與光纖定向耦合器一側(cè)的一個(gè)光纖端口光連接，探測器與光纖定向耦合器一側(cè)的另一個(gè)光纖端口光連接，光纖定向耦合器另一側(cè)的一個(gè)光纖端口與光纖微懸梁諧振子光連接，光纖定向耦合器另一側(cè)的另一個(gè)端口通過光纖浸入匹配液。

所述的基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭，包括四個(gè)對稱的固支端和十字微懸橋。形成光纖一體化結(jié)構(gòu)。

所述的十字微懸橋外側(cè)面緩沖膜材料選用鉻金屬，厚度為30nm-50nm，磁致伸縮薄膜鍍在鉻金屬外表面，為tbdyfe材料，厚度為1μm-1.5μm。

所述的基于中間反射體的光纖微懸橋長度為95μm-105μm，其中中間反射體長為30μm-40μm，寬為30μm-40μm，微懸橋厚度為3μm-5μm。

所述的固支端長度為10-15μm，固支端寬度為15μm-25μm，十字微懸橋與光纖端面通過固支端連接，十字微懸橋與光纖端面構(gòu)成f-p腔。

本發(fā)明檢測磁場的基本原理為：在磁場中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，使基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋發(fā)生撓曲，法布里-珀羅腔的腔長發(fā)生相應(yīng)改變，中間反射體部分增加了f-p腔的面積，四個(gè)對稱固支端使f-p腔在腔長變化時(shí)仍較大程度保持端面平行，從而增加了對待測磁場的測量范圍。由激光光源發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)過耦合進(jìn)入光纖，入射到法布里-珀羅腔中，在法布里-珀羅腔中反射后沿原路返回、相遇而產(chǎn)生干涉，最后由光電探測器接收，如圖3所示。磁場強(qiáng)度越大，超磁致伸縮材料的收縮程度越大，光纖微懸橋的撓曲程度越大，法布里-珀羅腔的腔長變化越大，因此光電探測器接收到的干涉輸出信號也發(fā)生相應(yīng)變化。通過對光電探測器接收到的干涉輸出信號進(jìn)行信號調(diào)解可得外界磁場的大小。

本發(fā)明的有益效果是：

1、器件結(jié)構(gòu)簡單，無需外加電信號激勵(lì)，不會對待測磁場產(chǎn)生干擾。光纖傳感探頭體積小，滿足傳感器微型化要求，適用于狹小空間檢測。

2、基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋與光纖端面形成法布里-珀羅諧振腔，腔內(nèi)空氣折射率約為1，其檢測精度可達(dá)亞納米精度，可有效提高傳感探頭的檢測精度。

3、四個(gè)對稱固支端使f-p腔在腔長變化時(shí)仍保持兩端面平行，從而增加了測量待測磁場的量程。

4、在光纖懸臂橋外表面鍍有鉻金屬膜，作為緩沖層，在鉻金屬膜上鍍一層具有較大磁致伸縮系數(shù)的超磁致伸縮薄膜，能夠產(chǎn)生較大的磁致伸縮，提高了對磁場的檢測精度。

附圖說明

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1為本發(fā)明基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭的正視圖。圖2為本發(fā)明基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭的俯視圖。

圖2中：1為光纖，2為四個(gè)對稱的固支端，5為超磁致伸縮薄膜；

圖3為基于超磁致伸縮的光纖端面十字微懸橋光纖磁場傳感探頭的檢測原理圖。

具體實(shí)施方式

結(jié)合圖1、2所示，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案：基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋光纖磁場傳感探頭，包括：光纖1，對稱固支端2，基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋3，鉻金屬膜4，超磁致伸縮薄膜5。

所述的具有中間反射體的光纖端面十字微懸橋3位于光纖1的端面，長度為95μm-105μm，其中中間反射體長為30μm-40μm，寬為30μm-40μm，微懸橋厚度為3μm-5μm，形成光纖一體化結(jié)構(gòu)。

所述的固支端2長度為10μm-15μm，固支端寬度與光纖微懸橋3的寬度相同為15μm-25μm，高為5μm-10μm。光纖懸微橋與光纖端面通過固支端連接，基于中間反射體的光纖微懸橋與光纖端面構(gòu)成法布里-珀羅諧振腔。

所述的鉻金屬膜4鍍在光纖微懸橋3的外表面，其厚度為30nm-50nm，作為超磁致伸縮薄膜的緩沖層，可提高光的反射率。

所述的超磁致伸縮薄膜材料為tbdyfe材料，厚度為1μm-1.5μm。在磁場的作用下會產(chǎn)生伸縮，其在常溫下各向異性常數(shù)幾乎為零，顯示出巨大的磁致伸縮效應(yīng)，磁致伸縮系數(shù)高達(dá)1500-2000ppm，能夠在磁場中實(shí)現(xiàn)敏感檢測。

本發(fā)明中光纖微懸橋制作工藝采用聚焦等離子束加工方法(fib)，工藝流程如下：(a)光纖端面進(jìn)行拋光和清潔，采用磁控濺射法在光纖端面上鍍鉻金屬膜和超磁致伸縮薄膜；(b)在光纖端面一側(cè)平行于光纖端面方向進(jìn)行聚焦等離子束磨銑加工，直到達(dá)到光纖微懸橋及中間反射體所需沿直徑方向的寬度和高度；(c)將光纖沿軸向轉(zhuǎn)過90°角，再進(jìn)行沿光纖端面平行方向的聚焦離子束掏蝕加工，并且保留光纖微懸橋兩端對稱的固支端部分，則基于中間反射體的光纖微懸橋與光纖端面形成法布里-珀羅諧振腔；(d)沿光纖端面平行方向用飛秒激光加工出固支端與中間硬塊的連接部分；(e)對光纖微懸橋進(jìn)行聚焦等離子束磨銑減薄至所需厚度。

圖3所示，激光光源與光纖耦合器一側(cè)的一個(gè)光纖端口連接，光電探測器與光纖耦合器一側(cè)的另一個(gè)光纖端口連接，光纖耦合器另一側(cè)的一個(gè)光纖端口與光纖傳感探頭連接，另一個(gè)端口通過光纖浸入匹配液。

本發(fā)明檢測磁場的基本原理為：在磁場中，超磁致伸縮薄膜發(fā)生伸縮，使基于超磁致伸縮效應(yīng)的十字微懸橋發(fā)生撓曲，法布里-珀羅腔的腔長發(fā)生相應(yīng)改變，中間反射體部分增加了f-p腔的面積，十字微懸橋使f-p腔在腔長變化時(shí)仍較大程度保持兩端面平行，從而增加了對待測磁場的測量范圍。由激光光源發(fā)出的調(diào)制光經(jīng)過耦合進(jìn)入光纖，入射到法布里-珀羅腔中，在法布里-珀羅腔中反射后沿原路返回、相遇而產(chǎn)生干涉，最后由光電探測器接收，如圖3所示。磁場強(qiáng)度越大，超磁致伸縮材料的收縮程度越大，十字微懸橋的撓曲程度越大，法布里-珀羅腔的腔長變化越大，因此光電探測器接收到的干涉輸出信號也發(fā)生相應(yīng)變化。通過對光電探測器接收到的干涉輸出信號進(jìn)行信號調(diào)解可得外界磁場的大小。