一种基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统

摘要

本发明公开了一种基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统，所述FP磁场传感器包括陶瓷头、单模光纤、磁流体和反射膜，所述陶瓷头设有凹槽，所述单模光纤的一端固定在所述凹槽内，并与所述凹槽构成一个密闭的腔体，所述磁流体填充在所述腔体内，并与所述单模光纤的端面接触，所述反射膜设置在所述腔体内，并与在所述腔体内所述单模光纤的端面相对设置。本发明提供的基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统测量精度高，且具有抗电磁干扰以及抗化学腐蚀的特点，尺寸较小，应用领域广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场传感器测试领域，特别涉及一种基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统。

背景技术

传统测量磁场的方式一般有感应线圈法、磁通门法、霍尔效应法、磁阻效应法以及磁共振法等。这些方法都存在一些问题，即极易受环境的影响，比如电磁干扰，因此很难做到高精度以及高可靠性的测量。

光纤传感器具有很多电传感器所不具备的优点，包括抗电磁干扰，精度高，耐高温高压以及抗化学腐蚀等，适合恶劣环境中长期使用。FP传感器作为光纤传感器的一种，具备其所有优点，但其磁光系数低，对磁场不敏感，要实现对磁场的测量还需要对其进行增敏处理。

磁流体是一种由磁性纳米颗粒构成的胶体溶液，具有磁致可控折射率效应，即当磁场变化时，磁流体的折射率会发生变化，因此将磁流体与FP传感器进行有机的结合，有机会实现对磁场的高精度测量。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统，所述技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种基于磁流体的FP磁场传感器，包括

陶瓷头，所述陶瓷头设有凹槽；

单模光纤，所述单模光纤的一端固定在所述凹槽内，并与所述凹槽构成一个密闭的腔体；

磁流体，所述磁流体填充在所述腔体内，并与所述单模光纤的端面接触；

反射膜，所述反射膜设置在所述腔体内，并与在所述腔体内所述单模光纤的端面相对设置。

进一步地，所述陶瓷头为圆柱体，其直径范围为2.8-3.2mm，其长度范围为14-16mm。

进一步地，所述凹槽为圆柱体，其直径范围为0.23-0.27mm,其长度范围为9-11mm。

进一步地，所述凹槽设置在所述陶瓷头的端面中央。

进一步地，所述反射膜的反射率不低于99％。

进一步地，所述反射膜镀在所述凹槽的底部。

进一步地，所述单模光纤通过紫外固化胶密封在所述凹槽上。

进一步地，所述单模光纤为商用单模光纤。

进一步地，所述腔体的腔长为0.03-0.05mm。

另一方面，本发明提供了一种磁场测试系统，包括宽带光源、光谱仪以及所述的FP磁场传感器，所述FP磁场传感器的单模光纤通过光纤耦合器与所述宽带光源和所述光谱仪相连。

本发明提供的技术方案带来的有益效果如下：

a.通过采用单模光纤与陶瓷头构成FP干涉结构，使其测量精度高；

b.具有抗电磁干扰以及抗化学腐蚀的特点，可应用于电力领域以及油气探测领域等；

c.该传感器尺寸较小，可以应用于狭小范围，应用领域广泛；

d.结构简单、具有成本低以及制作流程简易的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于磁流体的FP磁场传感器的结构示意图；

其中，附图标记分别为：1-单模光纤，2-固化胶，3-陶瓷头，4-反射膜，5-磁流体。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本发明的一个实施例中，提供了一种基于磁流体的FP磁场传感器，参见图1，包括陶瓷头3、单模光纤1、磁流体5和反射膜4，

所述陶瓷头3设有凹槽，具体地，所述陶瓷头3为传感器陶瓷头，所述陶瓷头3为圆柱体，其直径范围为2.8-3.2mm，优选为3mm，其长度范围为14-16mm优选为15mm，所述凹槽为圆柱体，其直径范围为0.23-0.27mm,优选为0.25mm，其长度范围为9-11mm，优选为10mm，所述凹槽设置在所述陶瓷头3的端面中央，即所述凹槽与所述陶瓷头为同一中心轴；

所述单模光纤1的一端固定在所述凹槽内，并与所述凹槽构成一个密闭的腔体，具体地，所述单模光纤1通过紫外固化胶2密封在所述凹槽上，所述单模光纤1为商用单模光纤1，所述腔体也近似为圆柱体，所述腔体的腔长为0.03-0.05mm；

所述磁流体5填充在所述腔体内，并与所述单模光纤1的端面接触；

所述反射膜4设置在所述腔体内，并与在所述腔体内所述单模光纤1的端面相对设置，具体地，所述反射膜4的反射率不低于99％，所述反射膜4镀在所述凹槽的底部，面向凹槽开口。

在本发明的一个实施例中，所述FP磁场传感器采用单模光纤1与陶瓷头3连接而成，在本实施例中陶瓷头3上的凹槽底部镀上一层高反射膜4，其反射率为99％，单模光纤1的端面与反射膜4之间形成FP腔，即上述的腔体，腔内注有磁流体5。当外界磁场发生变化时，磁流体5的折射率改变，即腔内折射率发生变化，最终影响反射谱谐振峰的漂移量，根据腔内折射率与谐振峰漂移量的关系以及磁场与磁流体5折射率的关系，可以通过漂移量间接测得磁场大小。

具体地，将单模光纤1与陶瓷头3相连接，使单模光纤1的端面与磁流体5液面相接触，同时用紫外固化胶2进行密封，在连接后，单模光纤1端面与反射膜4之间形成FP腔，即上述的腔体，其腔长为0.03-0.05mm。单模光纤1的端面与反射膜4之间形成的FP腔，构成一个FP干涉仪结构，同时内部注有磁流体5，根据磁流体5的磁致可控折射率原理，当传感器所处的外界磁场发生变化时，会改变磁流体5的折射率，即改变FP腔内折射率，而FP腔内折射率会改变反射光谱的谐振峰的位置，因此通过测量谐振峰的漂移量可以测得磁场的大小。

在本发明的一个实施例中，可通过以下步骤制作FP磁场传感器，设计一个圆柱形的空心陶瓷头，其内径为0.25mm，内部深度为10mm，外径为3mm，长度为15mm；在陶瓷头内部的底面镀上一层高反射率的反射膜，其反射率为99％，因此能够将从单模光纤中出射的光反射回去；用注射器往陶瓷头内注入磁流体，使其注入深度为0.03-0.05mm；将单模光纤插入陶瓷头内，使单模光纤端面与磁流体液面接触；使用紫外固化胶进行密封，使得单模光纤固定密封在陶瓷头上。

在本发明的一个实施例中，提供了一种磁场测试系统，其包括宽带光源、光谱仪以及上述的FP磁场传感器，所述FP磁场传感器的单模光纤1通过光纤耦合器与所述宽带光源和所述光谱仪相连。

具体地，使用时，可将单模光纤1的另一端与3dB光纤耦合器相连接，并通过该光纤耦合器连接到宽带光源与光谱仪，光从宽带光源中出射，经过光纤耦合器进入到FP磁场传感器，通过FP磁场传感器反射回到光纤耦合器，最终光信号输入到光谱仪中，通过光谱来分析磁场的变化情况。当磁场发生变化时，会导致磁流体的折射率发生变化，即FP腔内折射率改变，继而导致反射光谱发生漂移，通过建立腔内折射率与反射光谱谐振峰的漂移量的关系以及磁场与磁流体折射率的关系，可以间接测得磁场的大小。

本发明提供的基于磁流体的FP磁场传感器及磁场测试系统，采用单模光纤与陶瓷头构成FP干涉结构，因此测量精度高，陶瓷头结构简单，其内部镀有一层高反射率的反射膜，其次采用的光纤为普通单模光纤，因此该传感器具有成本低以及制作流程简易的特点，另外，该磁场传感器为光纤传感器，具有抗电磁干扰以及抗化学腐蚀的特点，可应用于电力领域以及油气探测领域等，同时传感器尺寸较小，可以应用于狭小范围，因此应用领域广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。