一种光纤电磁传感器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种光纤电磁传感器及其制备方法。本发明的一种光纤电磁传感器，包括光纤、光纤器件、套筒、弹性悬膜，其特征在于：光纤连接在光纤器件上，光纤器件设置在套筒上，弹性悬膜设置在套筒的端面上，弹性悬膜上附有电磁颗粒，电磁场对电磁颗粒产生作用力以引发所述弹性悬膜发生形变，光纤器件射出的出射光束经发生形变之后的弹性悬膜反射回光纤器件上。其有益效果是：本发明在弹性悬膜表面附着电磁颗粒，解决了电磁薄膜的柔韧性、弹性和稳定性不佳的问题；电磁颗粒之间存在间隙，在弹性悬膜形变时，电磁颗粒之间不会相互挤压，从而不会影响弹性悬膜的形变，因而不会降低传感器的灵敏度与稳定性，而且还具有良好的电磁敏感特性。

权利要求

1.一种光纤电磁传感器，包括光纤、光纤器件、套筒和弹性悬膜，其特征在于：所述光纤连接在所述光纤器件上，所述光纤器件设置在所述套筒上，所述弹性悬膜设置在所述套筒的端面上，所述弹性悬膜上附有电磁颗粒，电磁场对所述电磁颗粒产生作用力以引发所述弹性悬膜发生形变，所述光纤器件射出的出射光束经发生形变之后的弹性悬膜反射回所述光纤器件上；其中，所述电磁颗粒设置在所述弹性悬膜的外表面或内表面。

2.根据权利要求1所述的一种光纤电磁传感器，其特征在于：所述电磁颗粒的尺寸在

10nm至10mm之间，所述电磁颗粒之间的间距在10nm至10mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤电磁传感器，其特征在于：所述电磁颗粒的形状是球形、柱形、椭球形或锥形。

4.根据权利要求1所述的一种光纤电磁传感器，其特征在于：所述光纤器件为微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器或光学透镜。

5.根据权利要求1所述的一种光纤电磁传感器，其特征在于：所述弹性悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形；所述弹性悬膜的材质为金属、玻璃、半导体或石英。

6.根据权利要求5所述的一种光纤电磁传感器，其特征在于：所述弹性悬膜上镀有金属薄膜或光学介质膜。

7.一种光纤电磁传感器的制备方法，其特征在于：包括如下几个步骤：(1)制作弹性悬膜，并在弹性悬膜上附有电磁颗粒；

(2)将带有电磁颗粒的弹性悬膜粘贴在套筒的端面上；

(3)将光纤器件固定在套筒的内壁上，并使得光纤器件射出的出射光束入射到所述弹性悬膜上，所述弹性悬膜将光纤器件射出的出射光束反射回所述光纤器件；

其中，所述电磁颗粒设置在所述弹性悬膜的外表面或内表面。

8.根据权利要求7所述的一种光纤电磁传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，在弹性悬膜的外表面粘贴一层磁性小柱体，所述磁性小柱体作为所述电磁颗粒。

9.根据权利要求7所述的一种光纤电磁传感器的制备方法，其特征在于：在步骤(1)中，在弹性悬膜的内表面粘贴一层带电小球，所述带电小球作为所述电磁颗粒。

说明书

一种光纤电磁传感器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种光纤电磁传感器及其制备方法，可用于检测环境中的磁场与电场。

背景技术

[0002] 光纤传感器是以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界信号，适用于易燃、易爆、及电磁干扰等苛刻环境中(参见IEEE Sensors Journal，vol.8，pp.1184-1193，2008)。

[0003] 光纤传感器通常分为光纤光栅结构和弹性悬膜结构：(1)光纤光栅传感器，需要配置可调谐激光器或光谱分析仪等来监控反射波长，因此系统价格昂贵；(2)基于弹性悬膜的光纤传感器，则是通过监测悬膜反射回的光强变化，而非波长变化，从而获知悬膜的形变，因此检测系统具有简单和低成本的优势(参见Applied Optics，vol.52，no.18，4223-4227，2013)。

[0004] 由于电场或磁场可以对带电薄膜或磁性薄膜产生作用力。因此，可以采用电磁膜作为弹性悬膜，用于检测电磁场。但是，电磁膜只能由某些特定材料构成，其弹性、柔韧性和稳定性通常不满足弹性悬膜的要求。

[0005] 因此，研发基于弹性悬膜结构的光纤电磁传感器，是本发明的创研动机。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种光纤电磁传感器及其制备方法。

[0007] 本发明的一种光纤电磁传感器，其技术方案为：

[0008] 一种光纤电磁传感器，包括光纤、光纤器件、套筒和弹性悬膜，其特征在于：所述光纤连接在所述光纤器件上，所述光纤器件设置在所述套筒上，所述弹性悬膜设置在所述套筒的端面上，所述弹性悬膜上附有电磁颗粒，电磁场对所述电磁颗粒产生作用力以引发所述弹性悬膜发生形变，所述光纤器件射出的出射光束经发生形变之后的弹性悬膜反射回所述光纤器件上。

[0009] 其中，所述电磁颗粒的尺寸在10nm至10mm之间，所述电磁颗粒之间的间距在10nm至10mm之间。其中，所述电磁颗粒的形状是球形、柱形、椭球形或锥形。

[0010] 其中，所述电磁颗粒设置在所述弹性悬膜的外表面。

[0011] 其中，所述电磁颗粒设置在所述弹性悬膜的内表面。

[0012] 其中，所述光纤器件为微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器或光学透镜。

[0013] 其中，所述弹性悬膜的形状为圆形、三角形、矩形或多边形；所述弹性悬膜的材质为金属、玻璃、半导体或石英。

[0014] 其中，所述弹性悬膜上镀有金属薄膜或光学介质膜。

[0015] 本发明还提供了一种光纤电磁传感器的制备方法，包括如下几个步骤：

[0016] (1)制作弹性悬膜，并在弹性悬膜上附有电磁颗粒；

[0017] (2)将带有电磁颗粒的弹性悬膜粘贴在套筒的端面上；

[0018] (3)将光纤器件固定在套筒的内壁上，并使得光纤器件射出的出射光束入射到所述弹性悬膜上，所述弹性悬膜将光纤器件射出的出射光束反射回所述光纤器件。

[0019] 其中，在步骤(1)中，在弹性悬膜的外表面粘贴一层磁性小柱体，所述磁性小柱体作为所述电磁颗粒。

[0020] 其中，在步骤(1)中，在弹性悬膜的内表面粘贴一层带电小球，所述带电小球作为所述电磁颗粒。

[0021] 本发明的实施包括以下技术效果：

[0022] 本发明公开的一种光纤电磁传感器：(1)通过采用弹性悬膜表面附着电磁颗粒的结构，解决了“电磁薄膜的柔韧性、弹性和稳定性不佳”的问题；(2)由于电磁颗粒之间存在间隙，因此，弹性悬膜形变时，电磁颗粒之间不会相互挤压，从而不会影响弹性悬膜的形变，因此，本发明的光纤电磁传感器不会降低传感器的灵敏度与稳定性，而且还具有良好的电磁敏感特性。

附图说明

[0023] 图1为本发明的一个实施中的光纤电磁传感器的结构示意图。

[0024] 图2为本发明的另一个实施中的光纤电磁传感器的结构示意图。

[0025] 图中，1-光纤，2-光纤器件，3-套筒，4-出射光束，5-反射光束，6-悬膜，7-电磁颗粒。

具体实施方式

[0026] 下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

[0027] 本发明提供的一种光纤电磁传感器，如图1-2所示，包括光纤1、光纤器件2、套筒3和弹性悬膜6，所述光纤1连接在所述光纤器件2上，所述光纤器件2设置在所述套筒3上，所述弹性悬膜6设置在所述套筒3的端面上，所述弹性悬膜6上附有电磁颗粒7，电磁场对所述电磁颗粒7产生作用力以引发所述弹性悬膜6发生形变，所述光纤器件2射出的出射光束4经发生形变之后的弹性悬膜6反射回所述光纤器件2上。

[0028] 本发明提供的一种悬膜光纤声波传感器，如图1-2所示，其工作原理是：在光纤器件2的端面固定弹性悬膜6，光纤器件2射出的出射光束4经弹性悬膜6反射后的反射光束5返回到光纤器件2中，并被光电探测器所探测；当外界电磁场作用在电磁颗粒7上，使弹性悬膜6发生形变时，光纤器件2与弹性悬膜6的间距、以及光束反射角都会发生改变，导致返回光纤器件2的光束强度发生改变，从而根据光强变化探测外界电磁场。

[0029] 本实施例提供的悬膜，可以采用弹性、柔韧性和稳定性优良的薄膜，其中光纤器件固定在套筒内壁上，光纤器件的轴向沿着套筒侧壁，弹性悬膜固定在套筒端面。弹性悬膜的一侧或两侧表面附着电磁颗粒，外部电磁场作用在电磁颗粒上。弹性悬膜本身可不具备压电性、带电荷特性或磁性，因此可以采用石英或塑料等柔韧性、弹性和稳定性优良的薄膜作为弹性悬膜，从而解决了目前电磁性薄膜的柔韧性、弹性和稳定性不佳的问题。

[0030] 优选地，所述电磁颗粒7的形状是球形、柱形、椭球形或锥形等，其尺寸在10nm至10mm之间。电磁颗粒的尺寸越小，对弹性悬膜6形变的影响就越小。颗粒间距在10nm至10mm之间。本实施例通过在弹性悬膜6的表面附着存在间隙的电磁颗粒7，当弹性悬膜发生形变时，电磁颗粒之间不会相互挤压，从而不影响弹性悬膜的形变。与此相比，如果在悬膜表面附着电磁薄膜，而非电磁颗粒，电磁薄膜则会阻碍悬膜的形变，从而降低传感器的灵敏度与稳定性。

[0031] 优选地，所述电磁颗粒7的材质选自压电材料、电荷材料或磁性材料。更优选地，所述电磁颗粒的材质为聚偏氟乙烯(PVDF)、锆钛酸铅(PZT)、ZnO、GaN等压电材料；或携带正电荷(或负电荷)的材料；或铁系、钴系、Ni系、Mg系、Li系、YlG系和BiCaV系等铁氧体磁性材料；或电流导通产生的磁性线圈等。

[0032] 优选地，本实施例中的光纤器件2可将光纤射出的光束转换成平行光束，其包括微结构光纤、拉锥光纤、光纤准直器或光学透镜等。更优选地，所述光纤器件为光纤准直器，所述光纤准直器包括双光纤准直器、三光纤准直器、或四光纤准直器等多光纤准直器，这种光纤器件接收光功率对光束入射角敏感，其理由是：经悬膜反射的光束，其传播方向的稍微改变，可以引起接收功率的大幅变化。

[0033] 优选地，所述弹性悬膜6的形状为圆形、三角形、矩形或多边形；所述弹性悬膜的材质为金属、玻璃、半导体或石英。更优选地，所述弹性悬膜上镀金属薄膜或光学介质膜，以提高光学反射率。

[0034] 本实施例提供的光纤电磁传感器通过采用悬膜表面附着电磁颗粒的结构，解决了“电磁薄膜的柔韧性、弹性和稳定性不佳”的问题；由于电磁颗粒之间存在间隙，因此，弹性悬膜形变时，电磁颗粒之间不会相互挤压，从而不会影响弹性悬膜的形变，因此，本发明的光纤电磁传感器不会降低传感器的灵敏度与稳定性，而且还具有良好的电磁敏感特性。

[0035] 下面以两个具体的实施例对本发明提供的悬膜光纤声波传感器的制备方法进行阐述。

[0036] 实施例1

[0037] 首先，如图1所示，利用30微米厚的石英薄片作为弹性悬膜6，接着在石英薄片外表面粘贴一层磁性小柱体7，磁性小柱体7的直径为0.1mm，高度为0.05mm，磁性小柱体的间距为0.1mm。该磁性小柱体具有磁性，用作电磁颗粒7。

[0038] 接着，将带有电磁颗粒7的弹性悬膜6粘贴在套筒3的端面上，随后将光纤准直器2固定在套筒3的内壁上，并使得准直器2射出的平行光束4垂直入射到弹性悬膜6上。弹性悬膜6将光束4反射回光纤准直器2。

[0039] 当施加交变磁场时，电磁颗粒7受到磁场作用力，使得弹性悬膜6发生形变，使得反射光束5的入射角发生改变，从而改变光纤准直器2接收到的反射功率值。因此，根据反射功率的变化，可以探测外界磁场信号。

[0040] 实施例2

[0041] 首先，如图2所示，利用20微米厚的硅片作为弹性悬膜6，接着在硅片内表面粘贴一层带电小球7，所述带电小球的直径为0.01mm，带电小球之间的间距为0.01mm。该带电小球用作电磁颗粒7。

[0042] 接着，将带有电磁颗粒7的悬膜6粘贴在套筒3的端面上，随后将光纤准直器2固定在套筒3的内壁上，并使得准直器2射出的平行光束4垂直入射到悬膜6上。悬膜6将光束4反射回光纤准直器2。

[0043] 当施加电场时，电磁颗粒7受到电场作用力，使得弹性悬膜6发生形变，使得反射光束5的入射角发生改变，从而改变光纤准直器2接收到的反射功率值。因此，根据反射功率的变化，可以探测外界电场信号。

[0044] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。