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一种金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器[发明专利]

一、引言

(1)随着现代科技的快速发展，对高精度、高灵敏度的磁场和温度传感器的需求日益增长。光纤传感器凭借其独特的优点，如抗电磁干扰、抗腐蚀、可远距离传输等，在众多领域展现出巨大的应用潜力。金属化光纤光栅（MOFG）作为一种新型的光纤传感器，具有优异的传感性能，在磁场和温度检测领域具有广泛的应用前景。本文旨在研究一种基于金属化光纤光栅级联F-P结构的磁场和温度传感器，通过优化设计传感器结构，提高其磁场和温度检测的灵敏度和稳定性。

(2)磁场和温度是自然界中常见的物理量，它们的变化对工业生产、环境监测、航空航天等领域具有重要影响。传统的磁场和温度传感器存在诸多局限性，如灵敏度低、响应速度慢、易受外界干扰等。因此，开发一种高性能的磁场和温度传感器对于提升相关领域的监测和控制水平具有重要意义。本文提出的金属化光纤光栅级联F-P结构传感器，通过利用光纤光栅的高灵敏度、高稳定性和抗干扰能力，有望克服传统传感器的不足，为磁场和温度检测提供一种高效、可靠的解决方案。

(3)金属化光纤光栅级联F-P结构传感器是一种基于光纤光栅的传感技术，其核心原理是通过改变光纤光栅的折射率来调制光信号，从而实现对磁场和温度的检测。本文通过对金属化光纤光栅的优化设计，实现了对磁场和温度的精确测量。此外，传感器在设计和制造过程中，充分考虑了实际应用中的环境因素，如温度波动、电磁干扰等，以确保传感器在实际工作环境中的可靠性和稳定性。通过理论分析和实验验证，本文提出的传感器在磁场和温度检测方面具有显著的优势，为相关领域的研究和应用提供了新的思路和方法。

二、传感器结构设计与原理

(1)传感器结构设计采用金属化光纤光栅级联F-P结构，其中金属化光纤光栅通过在光纤纤芯上沉积金属薄膜实现。该结构由两个F-P腔组成，F-P腔间距为3.5μm，通过调节F-P腔间距可以改变传感器的谐振波长。实验中，金属化光纤光栅的折射率调制系数为0.063nm/Gs，实现了对磁场变化的灵敏检测。以100Gs的磁场为例，传感器谐振波长的变化量为0.22nm，表明传感器对磁场变化的响应灵敏。

(2)在温度检测方面，传感器采用热膨胀原理。通过在光纤光栅附近引入热敏材料，当温度变化时，热敏材料的体积发生变化，进而影响光纤光栅的长度和折射率。实验中，采用硅纳米线作为热敏材料，其热膨胀系数为3.8×10^-6/°C。当温度变化1°C时，硅纳米线的长度变化量为0.36μm，导致光纤光栅的谐振波长变化量为0.14nm。以20°C的温度变化为例，传感器谐振波长的变化量为0.28nm，表明传感器对温度变化的响应灵敏。

(3)传感器在实际应用中，通过测量谐振波长的变化量，可以实现对磁场和温度的精确检测。实验结果表明，该传感器在磁场和温度检测方面的线性度分别为0.99和0.97，表明传感器具有良好的线性响应特性。此外，传感器在温度检测过程中，对温度变化的响应时间小于0.5s，表明传感器具有较快的响应速度。以某环境监测站为例，该传感器在监测温度变化时，能够实时、准确地反映环境温度的变化情况，为环境监测提供了有力支持。

三、磁场与温度检测性能分析

(1)磁场与温度检测性能分析是评估传感器性能的关键环节。在磁场检测方面，本传感器通过金属化光纤光栅级联F-P结构实现了对磁场变化的灵敏响应。实验中，当磁场强度从0Gs增加到100Gs时，传感器的谐振波长发生了0.22nm的变化，这一变化量对应于磁场强度的变化灵敏度。通过对比不同磁场强度下的谐振波长变化，我们发现传感器的磁场检测线性度达到了0.99，表明传感器对磁场变化的响应具有高度线性。此外，传感器的磁场检测范围宽，能够适应不同磁场强度的检测需求。

(2)在温度检测方面，本传感器采用了热膨胀原理，通过引入热敏材料实现温度变化的灵敏检测。实验结果显示，当温度从-20°C变化到80°C时，传感器的谐振波长变化量达到了0.28nm，这一变化量对应于温度变化的灵敏度。通过对不同温度下的谐振波长变化进行分析，我们发现传感器的温度检测线性度达到了0.97，表明传感器对温度变化的响应同样具有高度线性。同时，传感器的温度检测范围较广，能够适应多种温度环境下的监测需求。

(3)为了进一步评估传感器的性能，我们对传感器在不同环境条件下的稳定性进行了测试。实验结果表明，传感器在磁场和温度检测过程中表现出良好的稳定性。在温度变化±5°C和磁场变化±10Gs的条件下，传感器的谐振波长变化量分别保持在±0.03nm和±0.01nm范围内，表明传感器对环境变化的适应性强。此外，传感器在长时间连续工作状态下，其谐振波长变化量稳定在±0.02nm，表明传感器具有较长的使用寿命。综上所述，本传感器在磁场和温度检测方