基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器技术领域
本专利涉及一种光学磁场传感器，具体设计一种磁流体填充光纤微腔的温度不敏
感磁场传感器。
背景技术
光纤磁场传感器具有安全性能好、抗电磁干扰、非接触测量、可现场实时遥测和动
态测量范围广等诸多优点。在磁场测量和分析领域中，光纤磁场传感器吸引众多学者进行
研究，并且将会在电力检测行业得到广泛使用。
磁流体是应现代科学发展而产生的一种超顺磁特性液体功能材料，几乎无固体磁
性物质所具有的磁滞现象，其折射率随外加磁场在一定范围内呈线性变化，且易于与光纤
相结合。将磁流体与F-P腔相结合的磁场传感技术可弥补基于法拉第效应磁场传感器沃尔
德常数较低以及基于超磁致伸缩材料的磁场传感器难以克服磁滞现象的问题。但是，由于
磁流体的热光系数非常大，高出石英2个数量级，因此基于磁流体的磁场传感器必须消除温
度的干扰。目前，通常采用串联光纤光栅的方法实现温度和磁场同时测量，例如文献1（Ri-
Qing Lv, Yong Zhao, Dan Wang, and Qi Wang. Magnetic Fluid-Filled Optical
Fiber Fabry–Pérot Sensor for Magnetic Field Measurement. IEEE Photonics
Technology Letters, 26(3):217-219 (2014) ）。但是，此方法不利于传感器小型化和集
成化，灵敏度受FBG测量灵敏度的限制，而且会缩短干涉型磁场传感器的测量范围。此外，发
明专利（申请号CN 102221679 A）公开了基于磁流体填充光子晶体光纤的磁场传感器，尽管
利用此传感器对温度的敏感度有所降低，但是不能实现温度完全补偿，而且该传感器灵敏
度偏低。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本
理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关
键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，
以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，
以至少解决现有的基于磁流体的磁场传感器对温度交叉敏感以及灵敏度偏低的问题。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场
传感器，该基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光
谱仪以及宽谱光源；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射
的光信号通过光纤耦合器进入光谱仪。
进一步地，传感头包括第一单模光纤部分、第一空芯光纤部分、第二单模光纤部
分、第二空芯光纤部分、熊猫光纤部分以及光纤支架部分；其中，第一单模光纤部分的一端
与第一空芯光纤部分的一端相熔接，第一空芯光纤部分的另一端与第二单模光纤部分的一
端相熔接，第一空芯光纤部分的内部为空气腔；第二单模光纤部分的另一端与第二空芯光
纤部分的一端相熔接，第二空芯光纤部分的另一端与熊猫光纤部分相熔接，第二空芯光纤
部分内部为磁流体腔；熊猫光纤部分的侧面上开有一个侧孔，该侧孔仅与熊猫光纤部分的
两个气孔之一相连通；熊猫光纤部分的暴露端端面上的、与侧孔相连通的气孔被封闭。
进一步地，第一空芯光纤部分的长度为50μm-200μm，第一空芯光纤部分的壁厚为
20μm-50μm；第二空芯光纤部分的长度为50μm-100μm，第二空芯光纤部分的壁厚为1μm-10μ
m；第一单模光纤部分外径、第一空芯光纤部分外径、第二单模光纤部分外径、第二空芯光纤
部分外径以及熊猫光纤部分的外径均为125μm；第一空芯光纤部分的内部为空气腔，第二空
芯光纤部分的内部为磁流体腔，且该空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于
该磁流体腔自由光谱范围的1/10；熊猫光纤部分的包层内两个气孔直径为10μm-20μm，两个
气孔中心间距为25μm-60μm，熊猫光纤部分的长度为10mm-20mm，熊猫光纤的侧孔直径尺寸
为5μm-20μm，侧孔距离熊猫光纤部分与第二空芯光纤部分的熔接点2mm-5mm。
进一步地，光纤支架一端固定在第二单模光纤上，另一端固定在熊猫光纤上，且该
两固定端与第二空芯光纤部分的距离为1mm-10mm，光纤支架的截面尺寸为10mm×10mm。
进一步地，宽谱光源的光谱范围为1300nm-1600nm。
本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器采用了空气腔和磁
流体腔级联的方式，利用级联游标效应使该传感器相对于单个磁流体腔磁场传感器（例如
发明专利CN 102221679 A）磁场测量灵敏度提高了1-2个数量级。此外，本发明的基于磁流
体填充光纤F-P腔的磁场传感器设计了一光纤支架结构，利用光纤支架的热膨胀效应可完
全抵消磁流体的热光效应，解决了基于磁流体填充型磁场传感器对温度交叉敏感的问题。
相对于串联FBG的方法（例如文献1，Ri-Qing Lv, Yong Zhao, Dan Wang, and Qi Wang.
Magnetic Fluid-Filled Optical Fiber Fabry–Pérot Sensor for Magnetic Field
Measurement. IEEE Photonics Technology Letters, 26(3):217-219 (2014) ），此温度
补偿方法结构紧凑、灵敏度高、测量范围大。
通过以下结合附图对本发明的最佳实施例的详细说明，本发明的这些以及其他优
点将更加明显。
附图说明
本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所
有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的
详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本
发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中：
图1是示出本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器的一个示例的
结构示意图；
图2是示出图1所示的传感头的一种可能结构的示意图；
图3是示出用于制作本发明的传感头的制作方法的一种示例性处理的流程图；
图4是示出空气腔与磁流体腔级联四光束干涉模型；
图5是示出空气腔与磁流体腔级联干涉光谱包络变化。
本领域技术人员应当理解，附图中的元件仅仅是为了简单和清楚起见而示出的，
而且不一定是按比例绘制的。例如，附图中某些元件的尺寸可能相对于其他元件放大了，以
便有助于提高对本发明实施例的理解。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，
在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施
例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符
合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有
所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开
内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中
仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明
关系不大的其他细节。
本发明的实施例提供了一种基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器，
该基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器包括传感头、光纤耦合器、光谱仪以
及宽谱光源；宽谱光源发出的宽谱光经过光纤耦合器后进入传感头，经传感头反射的光信
号通过光纤耦合器进入光谱仪。
下面结合图1来描述本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器
100的一个示例。如图1所示，本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器
包括宽谱光源1-1、光纤耦合器1-2、传感头1-3以及光谱仪1-4。宽谱光源1-1通过光纤连接
光纤耦合器1-2，光纤耦合器1-2通过光纤连接传感头1-3，而光谱仪1-4也通过光纤连接光
纤耦合器1-2。这样，宽谱光源1-1发出的宽谱光经过光纤耦合器1-2后进入传感头1-3，经传
感头1-3反射的光信号通过光纤耦合器1-2进入光谱仪1-4。其中，宽谱光源1-1的光谱范围
例如为1300nm-1600nm。
根据一种实现方式，如图2所示，传感头1-3可以包括第一单模光纤部分2-1、第一
空芯光纤部分2-2、第二单模光纤部分2-3、第二空芯光纤部分2-4、熊猫光纤部分2-5以及光
纤支架部分2-6；其中，第一单模光纤部分2-1的一端与第一空芯光纤部分2-2的一端相熔
接，第一空芯光纤部分2-2的另一端与第二单模光纤部分2-3的一端相熔接；第二单模光纤
部分2-3的另一端与第二空芯光纤部分2-4的一端相熔接，第二空芯光纤部分2-4的另一端
与熊猫光纤部分2-5相熔接；熊猫光纤部分2-5的侧面上开有一个孔，作为熊猫光纤部分2-5
的侧孔，该侧孔仅与熊猫光纤部分2-5的两个气孔之一相连通；熊猫光纤部分2-5的暴露端
（即其未与第二空芯光纤部分2-4熔接的那端）端面上的、与侧孔相连通的气孔被封闭（例如
通过树脂胶将该气孔堵死）；第一空芯光纤部分2-2的内部为空气腔，第二空芯光纤部分2-4
的内部为磁流体腔，且该空气腔和磁流体腔的自由光谱范围之差的绝对值小于该磁流体腔
自由光谱范围的1/10；光纤支架部分2-6的一端固定在第二单模光纤部分2-3上，另一端固
定在熊猫光纤部分2-5上，且两固定端与第二空芯光纤部分2-4的距离均为1mm-10mm。
其中，第一空芯光纤部分2-2的长度为50μm-200μm，壁厚为20μm-50μm，第二空芯光
纤部分2-4的长度为50μm-100μm，壁厚为1μm-10μm；第一单模光纤部分2-1外径、第一空芯光
纤部分2-2外径、第二单模光纤部分2-3外径、第二空芯光纤部分2-4外径以及熊猫光纤部分
2-5的外径相同，均为125μm；熊猫光纤部分2-5的包层内两个气孔直径为10μm-20μm，两个气
孔中心间距例如为25μm-60μm，熊猫光纤部分2-5的长度例如为10mm-20mm；熊猫光纤的侧孔
直径为5μm-20μm，熊猫光纤侧孔距离熊猫光纤部分2-5与第二空芯光纤部分2-4的熔接点
2mm-5mm；光纤支架2-6的截面尺寸为10mm×10mm。
本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器采用空气腔和磁流
体腔级联的方式，利用级联游标效应使该传感器相对于单个磁流体腔磁场传感器（例如发
明专利CN 102221679 A）磁场测量灵敏度提高了1-2个数量级。此外，本发明的基于磁流体
填充光纤F-P腔的磁场传感器设计了一光纤微型支架结构，利用光纤支架的热膨胀效应抵
消磁流体的热光效应，解决了基于磁流体填充F-P腔的磁场传感器对温度交叉敏感的问题。
下面结合图3描述用于制作本发明的传感头的制作方法的一个示例的处理流程
300。
如图3所示，处理流程300开始之后，执行步骤S310。
在步骤S310中，将目标第一单模光纤与目标第一空芯光纤熔接，采用与熔接两根
单模光纤时相同的放电强度。然后执行步骤S320。
在步骤S320中，以目标第一单模光纤与目标第一空芯光纤的熔接点为起点，在目
标第一空芯光纤上截取一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与目标第二单模光纤熔
接，采用熔接两根单模光纤时的放电强度的 1 / 3 至 2 /3，以在目标第一单模光纤与目
标第二单模光纤之间形成一个空气腔。接着执行步骤S330。
在步骤S330中，将目标第二单模光纤与目标第二空芯光纤熔接，采用与熔接两根
单模光纤时相同的放电强度。接着执行步骤S340。
在步骤S340中，以目标第二单模光纤与目标第二空芯光纤的熔接点为起点，在目
标第二空芯光纤上截取一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与目标熊猫光纤熔接，采
用的放电强度为熔接两根单模光纤时的1/3至2/3；移动光纤使熔接机的电极对准第二空芯
光纤部分的中心，放电3-5次，采用的放电强度为熔接两根单模光纤时的1/3至2/3，以使第
二空芯光纤的壁厚减小到1μm-10μm。然后执行步骤S350。
在步骤S350中，以目标第二空芯光纤与目标熊猫光纤的熔接点为起点，在目标熊
猫光纤上截取一段熊猫光纤。然后执行步骤S360。
在步骤S360中，在目标熊猫光纤的侧面上开一侧孔，使侧孔仅与目标熊猫光纤的
两个气孔中的一个相连通。然后执行步骤S370。
在步骤S370中，在显微镜下将目标熊猫光纤的自由端端面放大，将与侧孔相连通
的目标熊猫光纤的气孔堵死。然后执行步骤S380。
在步骤S380中，将目标熊猫光纤的自由端插入磁流体中，并使目标熊猫光纤的侧
孔暴露在空气中，利用毛细现象将磁流体填充到第二空芯光纤部分内，使其成为磁流体腔。
然后执行步骤S390。
在步骤S390中，将光纤支架的一端与第二单模光纤固定，而另一端与熊猫光纤固
定。处理流程300结束。
根据一种实现方式，在目标第一空芯光纤上截取的一段空芯光纤的长度为50μm-
200μm，壁厚为20μm-50μm，空气腔的长度为50μm-200μm；在目标第二空芯光纤上截取的一段
空芯光纤的长度为50μm-100μm，壁厚为1μm-10μm，磁流体腔的长度为50μm-100μm；空气腔和
磁流体腔的光程差小于10波长；目标熊猫光纤的外径与目标第一单模光纤的外径、第二单
模光纤的外径、第一空芯光纤的外径以及第二空芯光纤的外径均为125μm；目标熊猫光纤的
长度为10mm-20mm，目标熊猫光纤的包层内两个气孔直径为10μm-20μm，两个气孔中心间距
为25μm-60μm；熊猫光纤侧孔的直径为5μm-20μm，该侧孔距离目标熊猫光纤与目标第二空芯
光纤的熔接点2mm-5mm。
实验数据表明，采用以上方法制作的传感头不但可以提高磁场的测量灵敏度，而
且可以补偿温度对磁场测量的影响。
应用示例1
下面描述本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器100的一个应用
示例。
在磁场的作用下，磁流体会产生磁致折变效应，其折射率随磁场的变化而变化，进
而导致光纤微腔光程的变化，从而使得光纤微腔的干涉谱平移，通过检测干涉谱平移的大
小即可获得被测磁场的大小。
宽谱光源1-1采用ASE光源，其光谱范围为1300nm-1600nm，发出的宽谱光经1×2光
纤耦合器（作为光纤耦合器1-2的示例）后，进入传感头1-3（空气腔和磁流体腔），经传感头
1-3反射的光信号通过上述1×2光纤耦合器进入光谱仪1-4，然后再通过计算机实现对信号
的处理。
本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器100是基于空气腔和
磁流体腔级联的四光束干涉原理实现的，干涉模型如图4所示，因此，光谱仪1-4接收到的干
涉谱信号可以表示为：
公式一：
公式一中，E1、E2、E3和E4分别为入射光在反射面E1、E2、E3和E4上的反射光复振幅，I为四
光束干涉谱光强。空气腔的自由光谱范围ΔλFSR1和磁流体腔的自由光谱范围ΔλFSR2满足Δ
λFSR1≈ΔλFSR2时，四光束干涉光谱呈现如图5所示的峰值包络现象，且峰值包络随磁流体折
射率的变化而移动。峰值包络移动量ΔλBL随磁流体折射率的变化关系为
公式二：
公式二中，λi为磁流体腔的振荡波长，ΔnMF为磁流体折射率的变化量。与单个磁流体腔
相比，空气腔和磁流体腔级联后的灵敏度增大了M倍，M值一般取10≤M≤40。
磁流体具有磁致折变特性，磁场传感器100就是利用磁流体的这种特性实现磁场
传感的。在磁场的作用下，磁流体会产生磁致折变效应，其折射率随磁场的变化而变化，进
而导致磁流体腔光程的变化，从而使得级联空气腔和磁流体腔的干涉谱平移，通过检测干
涉谱平移的大小即可获得被测磁场的大小。采用空气腔和磁流体腔级联的方式大大提高了
磁场测量灵敏度，相对于单个磁流体腔磁场传感器（例如发明专利CN 102221679 A）磁场测
量灵敏度提高了1-2个数量级。
应用示例2
下面描述本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器100的传感头温
度补偿原理。
传感头结构如图2所示。矩形光纤支架两端分别固定在第二单模光纤和熊猫光纤
上，且两固定端距离第二空芯光纤都有一定的距离。
磁流体的热光系数比石英高两个数量级，因此，基于磁流体腔的磁场传感器必须
考虑温度的干扰问题。本专利设计了光纤支架结构，采用光纤支架的热膨胀效应抵消磁流
体的热光效应。下面分析温度补偿原理：
磁流体热光效应引起的磁流体腔光程的变化为
公式三：
公式三中，Δn为温度引起的磁流体折射率的变化，d为磁流体腔的长度，α为磁流体的
热光系数，ΔT为温度的变化量。
选用热膨胀远大于石英的金属作为光纤支架，当温度增加时光纤支架将拉动光纤
使其伸长。由于第二空芯光纤部分的壁厚非常薄（1µm-10µm之间），因此，其弹性模量远小于
熊猫光纤的弹性模量，因此在光纤支架拉力作用下，第二空芯光纤部分的应变远大于第二
单模光纤部分和熊猫光纤部分，导致磁流体腔光程的变化为
公式四：
公式四中，n为磁流体的折射率，Δd为拉力作用下磁流体腔的伸长量，γ为光纤支架材
料的热膨胀系数，a<1为单模光纤与空芯光纤的弹性模量之比，b<1为熊猫光纤与空芯光纤
的弹性模量之比，D为光纤支架的内长度。
热膨胀效应和磁流体的热光效应相互抵消时，磁流体腔光程的变化量为零，即
公式五：
将公式三和公式四代入公式五得：
公式六：
只要公式六得到满足，即可实现温度自动补偿。通过控制第二空芯光纤的壁厚以及光
纤支架的内长度可以保证传感头满足公式六。
本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器利用光纤支架的热
膨胀效应完全抵消了磁流体的热光效应，解决了基于磁流体填充型磁场传感器对温度交叉
敏感的问题。相对于串联FBG的方法（例如文献1，Ri-Qing Lv, Yong Zhao, Dan Wang, and
Qi Wang. Magnetic Fluid-Filled Optical Fiber Fabry–Pérot Sensor for Magnetic
Field Measurement. IEEE Photonics Technology Letters, 26(3):217-219 (2014) ），
该温度补偿方法结构紧凑、灵敏度高、测量范围大。
应用示例3
下面描述用于制作本发明的基于磁流体填充光纤微腔的温度不敏感磁场传感器100的
传感头的一个应用示例。
首先，将普通单模光纤（作为目标第一单模光纤的示例）与空芯光纤（作为目标第
一空芯光纤的示例）熔接，熔接采用的放电强度与正常情况下熔接两根普通单模光纤的强
度相同。
然后，以普通单模光纤与空芯光纤的熔接点为起点，在空芯光纤上截取长度在50μ
m-200μm之间的一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与普通单模光纤（作为目标第二单
模光纤的示例）熔接。以空芯光纤与普通单模光纤的熔接点为起点，在普通单模光纤上截取
长度在1mm-10mm之间的一段普通单模光纤。
然后，将普通单模光纤与空芯光纤（作为目标第二空芯光纤的示例）熔接，熔接采
用的放电强度与正常情况下熔接两根普通单模光纤的强度相同。
然后，移动光纤使熔接机的电极对准第二空芯光纤部分的中心，放电3-5次，采用
的放电强度为熔接两根单模光纤时的 1 / 3 至 2 /3，以使第二空芯光纤的壁厚减小到1
μm-10μm。
然后，以普通单模光纤与第二空芯光纤的熔接点为起点，在空芯光纤上截取长度
在50μm-100μm之间的一段空芯光纤，将此段空芯光纤的自由端与熊猫光纤（作为目标熊猫
光纤的示例）熔接。其中，熊猫光纤、普通单模光纤以及空芯光纤的外径尺寸相同，均为125μ
m，熊猫光纤包层内双孔直径为10μm-20μm，双孔中心间距为25μm-60μm。空芯光纤与熊猫光
纤熔接采用的放电强度是正常情况下熔接两根普通单模光纤的放电强度的 1 / 3 至 2 /
3。这样，在普通单模光纤与熊猫光纤之间就会形成长度在50μm-100μm的光纤微腔（作为目
标磁流体腔的示例）。
然后，以普通单模光纤与熊猫光纤的熔接点为起点，在熊猫光纤上截取一段长度
在10mm-20mm之间的熊猫光纤，然后在距离普通单模光纤与熊猫光纤的熔接点2mm-5mm处的
熊猫光纤的侧面上开一小孔（可飞秒激光打此孔），使其仅与熊猫光纤两个气孔中的一个相
连通。
然后，在显微镜下将熊猫光纤的端面放大，用树脂胶将与侧孔相连通的熊猫光纤
的气孔堵死。
然后，将熊猫光纤的自由端插入磁流体中，保证熊猫光纤的侧孔暴露在空气中，利
用毛细现象将磁流体填充到光纤微腔内。
最后，将光纤支架（作为目标光纤支架的示例）的一端固定在第二单模光纤上，另
一端固定在熊猫光纤上，并且保证两固定端之间的距离为L且两固定点到第二空芯光纤部
分的距离相同。
由此而制得的传感头具有如图2所示的结构，如图2所示，在制成的传感头中，目标
第一单模光纤的部分对应于图2所示的第一单模光纤部分2-1，目标第一空芯光纤的部分对
应于图2所示的第一空芯光纤部分2-2，目标第二单模光纤的部分对应于图2所示的第二单
模光纤部分2-3，目标第二空芯光纤的部分对应于图2所示的第二空芯光纤部分2-4，目标熊
猫光纤的部分对应于图2所示的熊猫光纤部分2-5，而目标光纤支架的部分对应于图2所示
的光纤支架部分2-6。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域
内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，
本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限
定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本
技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本
发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。