基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器，包括微光纤耦合器和金属线。微光纤耦合器由两根单模光纤利用火焰扫火方法制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端和输出端；微光纤耦合器的两个输入端共同与金属线的一端连接，两个输出端共同与金属线的另一端连接。由于电流或者磁场的作用牵引金属线微弯曲，使得微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，微光纤耦合器均匀腰区的直径较小，耦合区的长度和折射率对力的作用十分敏感，因而耦合器两个输出端的功率大小会随着外加电流或者磁场的变化发生明显的变化，从而利用双路检测方法实现对电流或者磁场的传感检测。本发明专利技术能提高光能利用率，消除入射光功率扰动的影响。

【技术实现步骤摘要】
基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器
本专利技术涉及光纤的应用领域，具体涉及光纤传感器的研究及其制备，尤其是提供一种基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器。
技术介绍
光纤传感技术是于大概30多年以前兴起的新型研究领域，它主要利用光纤和以之为传输载体的光来感知外界信号变化的新型技术。随着时代的发展，光纤传感技术进一步跟上潮流，大量的基于微光纤制作的传感器件应运而生，很多已被运用于商业化。微光纤传感器件具有很多其他普通器件所没有的优势，例如小型化，低成本，重量轻，抗电磁干扰，以及易于在光纤网络中和其他器件进行连接等等。微光纤电流和磁场传感器是集多个学科于一体的、涉及多方面知识的高新产品。由于小型化、高精度、易制作的需求，对其理论的深层次、多方面研究以及实际产品商业化一直是努力的方向之一。总的来说，微光纤电流和磁场传感器在以后会遇到更多的挑战和发展。传统的电流磁场传感器重量大成本较高，一些含磁性材料的器件存在磁滞和磁饱和现象，以及一些基于谐振腔的传感器件难于制作与封装。因此，制作出一个小型低成本、抗电磁干扰、灵敏度高、易于在光纤网络中连接的电流和磁场传感器，依然是个很大的挑战。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于微光纤耦合器的电流磁场传感器，利用电流产生的热膨胀和安培力牵引金属线微弯曲，使得微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，从而实现对电流和磁场的精确测量。本专利技术采用的技术方案是：基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器，包括微光纤耦合器和金属线，微光纤耦合器由两根单模光纤利用火焰扫火方法制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端和两个输出端；所述微光纤耦合器的两个输入端共同与金属线的一端连接，两个输出端共同与金属线的另一端连接。所述均匀腰区的长度为6毫米到15毫米，均匀腰区处单根光纤的直径为1微米到5微米。进一步地，所述金属线采用铜线或铝线。利用上述双路检测式电流磁场传感器的测量方法，采用双路检测方法，其具体步骤包括：(1)将金属线与直流电源串联，将可调激光光源与所述微光纤耦合器的其中一个输入端连接；所述微光纤耦合器的两个输出端分别与功率测量装置连接，(2)开启直流电源，电流产生热膨胀效应，牵引金属线微弯曲，使得所述微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，从而所述微光纤耦合器两个输出端的功率分配会随着外加电流的变化发生明显的变化；对测量的功率值采用差分法进行数据处理：将两个输出端测量的功率之差值与二者之和的比值记为Γ，Γ会随着电流同步变化，通过线性拟合，将单位电流引起的Γ值的变化，定义为电流灵敏度，由此利用双路检测方法通过观察Γ的变化获得电流的大小，实现对电流的传感检测；(3)将金属线与直流电源串联并置于磁场发生器产生的磁场中，固定直流电大小，利用磁场发生器在金属线垂直方向加上磁场，此时产生安培力，同样牵引金属线微弯曲，使得所述微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，然后按照步骤(2)中的方法，通过线性拟合，将单位磁场引起的Γ值的变化，定义为磁场灵敏度，由此利用双路检测方法通过观察Γ的变化可以得到磁场的大小，实现对磁场的传感检测。以上的测量方法，即为双路检测法，利用双路检测方法提高光能的利用率，而且消除了光源功率扰动对于系统的不利影响。本专利技术的基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器传感原理为：由于电流产生的热膨胀的作用或者安培力的作用牵引金属线微弯曲，使得微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，由于微光纤耦合器均匀腰区的直径较小，耦合区的长度和折射率对力的作用十分敏感，因而耦合器两个输出端的功率计检测到功率大小会随着外加电流或者磁场的变化发生明显的变化，从而利用双路检测方法实现对电流或者磁场的传感检测。本专利技术的有益效果是：(1)该基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器利用耦合器的一端具有两个输出口，且两个输出功率均与入射光功率成比例关系，所以入射光功率的稳定性直接影响到整个器件的灵敏度，故对两个输出功率进行二者之差除以二者之和的差分法数据处理，可以消除系统对输入光功率的依赖性，增强对光源扰动免疫力，提高了稳定性与可靠性，并且提高了光能的利用率。(2)本专利技术首次利用微光纤耦合器制备出高灵敏度的电流和磁场传感器，成本低廉，安全性高、易于应用在光纤网络中。附图说明图1基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器的检测示意图；图2微光纤耦合器的模拟示意图；图3微光纤耦合器的(a)过渡区和(b)腰区的显微镜照片；图4本专利技术传感器Port3在两个不同电流下的透射光谱图；图5本专利技术传感器差分法处理后，随电流变化的拟合图；图6本专利技术传感器Port3在两个不同磁场下的透射光谱图；图7本专利技术传感器差分法处理后，随磁场变化的拟合图，电流固定0.08A。具体实施方式下面结合附图和具体实施方法对本专利技术做了进一步的说明，以清楚展现本专利技术的特点。图1是基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器的检测示意图，包括：直流电源1、金属线2、可调激光光源3、功率计4、磁场发生器和微光纤耦合器5；直流电源1与金属线2连接，可调激光光源3连接微光纤耦合器5一端的一根单模光纤，微光纤耦合器5另一端的两根单模光纤，即两个输出端分别与功率计4连接。实验中首先用光纤剥线钳将单模光纤的涂覆层去掉，两根光纤并排紧靠在一起，然后采用火焰扫火方法将两个单模光纤拉细并且熔在一起，一直拉到特定的长度和特定的直径，制成微光纤耦合器5，最后将微光纤耦合器5和金属线2伸直，将耦合器5两端的单模光纤尾纤通过粘结剂6粘在金属线2上，金属线2固定在夹具7上。本实施例的微光纤耦合器5腰区的长度约10毫米。因为微光纤耦合器5的腰区部分存在两根单模光纤之间的耦合，所以从一根光纤通入的光会在耦合区分为两路，从两个输出端输出，从而在两个功率计4上都能够读取读数。图2显示了微光纤耦合器的模拟示意图。其中光从单模光纤中的Port1输入，在耦合区发生耦合，光从Port3和Port4以一定的分配同时输出。图3展示了本专利技术微光纤耦合器的过渡区和腰区的显微镜照片。测量时，打开直流电源1，将金属线2上通入直流电，改变直流电的大小，电流产生的热膨胀的作用牵引金属线2微弯曲，使得微光纤耦合器5在长度方向受到力的作用，由于微光纤耦合器5均匀腰区的直径较小，耦合区的长度和折射率对力的作用十分敏感，因而耦合器两个输出端的功率计4检测到功率大小会随着外加电流的变化发生明显的变化，从而利用双路检测方法实现对电流的传感检测。其次，固定直流电大小，利用磁场发生器在金属线2垂直方向加上磁场，此时安培力的作用牵引金属线2微弯曲，耦合器5长度方向受到力的作用，检测两个功率计4上的功率大小的改变，利用双路检测方法实现对磁场的传感检测。图4是该传感器Port3在两个不同电流下的透射光谱图。图中显示对于更大的电流，透射光谱左移。对于可调激光光源3的单波长1543nm而言，Port3的输出功率降低。图5是该传感器差分法处理后，随电流变化的拟合图。通入波长1543nm，从图中可以看出较好的线性关系，通过线性拟合可以得到电流传感的灵敏度为-1.0867A-1。图6是该传感器Port3在两个不同磁场下的透射光谱图，电流固定0.08A。图中显示对于更大的磁场，透射光谱左移。对于单波长1543nm而言，Port3的本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器，包括微光纤耦合器和金属线，其特征在于，微光纤耦合器由两根单模光纤利用火焰扫火方法制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端和两个输出端；所述微光纤耦合器的两个输入端共同与金属线的一端连接，两个输出端共同与金属线的另一端连接。

【技术特征摘要】
1.基于微光纤耦合器的双路检测式电流磁场传感器的测量方法，电流磁场传感器包括微光纤耦合器和金属线，微光纤耦合器由两根单模光纤利用火焰扫火方法制成，包括一个均匀腰区、两个锥形过渡区、两个输入端和两个输出端；所述微光纤耦合器的两个输入端共同与金属线的一端连接，两个输出端共同与金属线的另一端连接，其特征在于，采用双路检测方法，具体步骤包括：(1)将金属线与直流电源串联，将可调激光光源与所述微光纤耦合器的其中一个输入端连接；所述微光纤耦合器的两个输出端分别与功率测量装置连接，(2)开启直流电源，电流产生热膨胀效应，牵引金属线微弯曲，使得所述微光纤耦合器在长度方向受到力的作用，从而所述微光纤耦合器两个输出端的功率分配会随着外加电流的变化发生明显的变化；对测量的功率值采用差分法进行数据处理：将两个输出端测量的功率之差值与二者之和的比值记为Γ，Γ会随着电流同步变化，通过线性拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐飞，严少诚，陈烨，陆延青，胡伟，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32