阅读说明：本技术 一种复合涂层测磁光纤及其制备方法 (Composite coating magnetic measurement optical fiber and preparation method thereof ) 是由 戴少涛 方埼磊 张腾 莫思铭 蔡渊 袁文 马韬 王邦柱 胡磊 于 2020-03-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种复合涂层测磁光纤,包括裸光纤和涂覆层,所述涂覆层为丙烯酸树酯、铁镓合金和铟铋合金组成的复合涂覆层。本发明的复合涂层测磁光纤的制备方法,包括：1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面,在裸光纤表面形成丙烯酸树脂涂层；2、将气体雾化法制备的铁镓合金粉末和铟铋合金混合均匀,在80℃熔融后放入涂敷杯中；3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过步骤2制备的涂敷杯,在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属合金熔体,然后进行冷却,制备成复合涂层测磁光纤。本发明解决了低温下传统材料应变较低、光纤磁场传感器灵敏度低的问题,显著提高了测磁光纤在低温下的测量精度和灵敏度。(The invention relates to a composite coating magneto-optical fiber, which comprises a bare fiber and a coating layer, wherein the coating layer is a composite coating layer consisting of acrylic resin, iron-gallium alloy and indium-bismuth alloy. The preparation method of the composite coating magnetic measurement optical fiber comprises the following steps: 1. coating acrylic resin on the surface of the bare fiber by adopting a dip coating-ultraviolet light curing process to form an acrylic resin coating on the surface of the bare fiber; 2. uniformly mixing iron-gallium alloy powder prepared by a gas atomization method and an indium-bismuth alloy, melting at 80 ℃, and putting into a coating cup; 3. and (3) passing the optical fiber coated with the acrylic resin coating through the coating cup prepared in the step (2), coating the metal alloy melt on the surface of the acrylic resin coating, and then cooling to prepare the composite coating magnetic measuring optical fiber. The invention solves the problems of lower strain of the traditional material and low sensitivity of the optical fiber magnetic field sensor at low temperature, and obviously improves the measurement precision and sensitivity of the magnetic measurement optical fiber at low temperature.)

一种复合涂层测磁光纤及其制备方法

技术领域

本发明属于超导磁体用光纤磁场传感器技术领域，具体涉及一种用于低温下测量超导磁体磁场变化的测磁光纤及其制备方法。

背景技术

磁场是超导装备运行中反映超导磁体运行状态的一个重要参数，通过对磁场的实时监测可以及时发现超导磁体的失超故障，有助于超导磁体的正常运行。然而，超导磁体处在强磁场、大电流的复杂电磁环境下，传统的电学类磁场传感器(磁通门磁强计、霍尔传感器、感应线圈磁强计、巨磁阻抗磁传感器等)虽然在许多场合有成熟的应用方式，但是由于受到磁阻效应的影响，很难应用到具有复杂电磁环境的超导磁体中，难以满足低温环境下对超导磁体整体磁场进行监测的测量要求。

光纤传感技术以光纤为传感介质、以光波为载体，可通过解调光纤内部光波的波长、相位、幅值等的变化，进而检测外界环境的变化(磁场、电场、温度、湿度等)；磁致伸缩材料在外加磁场作用下，其长度和体积会沿着磁场方向发生变化。将磁致伸缩材料作为包覆层附着于光纤上，当外磁场发生变化时，会引起分布式光纤在轴向上产生拉力应变，使光纤中心波长发生偏移，通过构建光纤中心波长与磁场强度的函数关系即可实现磁场强度的监测。这类光纤磁场传感器具有较强的抗电磁干扰能力，非常适合超导磁体等精密仪器的监测，还可实现分布式多路复用，能有效克服传统电学类磁场传感系统在长期稳定性、耐久性和分布范围方面存在的不足，实现高精度、远距离、分布式和长期性的磁场环境监测。

将光纤磁场传感器应用于低温下超导磁体的监测，必须要在磁体磁场发生异常时及时做出响应，才能最大程度地避免失超故障对超导装备带来的不可逆的损伤，但目前仍未实现低温条件下磁场的精确测量及超导磁体中的监测应用。

发明内容

本发明克服目前光纤磁场传感器只能进行点式测量的缺点，采用基于磁致伸缩材料的分布式光纤传感器，实现对整个光纤链路进行磁场传感解调。同时，将光频域反射方法与低温敏感型磁致伸缩铁镓合金(Fe-Ga)涂敷光纤相结合，实现低温下对弱磁场的高空间分辨率、高灵敏度监测。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种复合涂层测磁光纤，包括裸光纤和涂覆层，所述涂覆层为：内层为丙烯酸树脂涂层、外层为金属合金涂层的复合涂覆层；所述金属合金涂层为铁镓合金和铟铋合金涂层。

所述裸光纤为仅含纤芯的石英芯单模光纤。

所述铁镓合金和铟铋合金的质量比为85～95：15～5。

铁镓合金中铁、镓的质量比为5：1。

铟铋合金中铟、铋质量比为2：1。

上述复合涂层测磁光纤的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面，在裸光纤表面形成丙烯酸树脂涂层；

步骤2、将气体雾化法制备的铁镓合金粉末和铟铋合金粉末按质量比85～95：15～5混合均匀，在80℃熔融后放入涂敷杯中；

步骤3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过步骤2制备的涂敷杯，在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属合金熔体，然后进行冷却。

步骤4、最终，制备成一种内层为丙烯酸树脂涂层、外层为金属合金涂层的复合涂层测磁光纤。

步骤1中，所述丙烯酸树脂涂层的厚度为10μm～200μm。

步骤2中，所述铁镓合金和铟铋合金的粒径为5～80μm。

步骤2中，所述铁镓合金中铁、镓的质量比为5：1，铟铋合金中铟、铋质量比为2：1。

步骤3中，冷却后金属合金涂层的厚度为10μm～200μm。

本发明的有益效果：

1.本发明所采用的磁致伸缩材料为铁镓合金，在低磁场下具有应变高、滞后小和应力灵敏度高等优点，解决了低温下传统材料应变较低、光纤磁场传感器灵敏度低的问题。

2.本发明采用内层为丙烯酸树脂涂层、外层为磁致伸缩金属涂层的复合涂层测磁光纤。在外磁场变化时，外层磁致伸缩金属涂层发生形变，通过内层高弹性丙烯酸树脂涂层放大应变；进而显著提高了测磁光纤在低温下的测量精度和灵敏度。

3.本发明所采用的光纤为全分布式光纤，不再局限于传统的点式测量，通过瑞利散射可以实现对光纤全线的监控，实现对超导磁体的整体磁场检测，能及时反馈超导磁体的磁场突变。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明的复合涂层测磁光纤；

其中，1为裸光纤，2为含丙烯酸树酯、铁镓合金和铟铋合金的涂覆层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的复合涂层测磁光纤，包括裸光纤1和涂覆层2，所述涂覆层2为：内层为丙烯酸树酯涂层、外层为金属合金涂层的复合涂覆层；所述金属合金涂层为铁镓合金和铟铋合金涂层。

所述裸光纤为仅含纤芯的石英芯单模光纤。

所述铁镓合金和铟铋合金的质量比为85～95：15～5。

铁镓合金中铁、镓的质量比为5：1。

铟铋合金中铟、铋质量比为2：1。

上述复合涂层测磁光纤的制备方法，包括以下步骤：

1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面，在裸光纤表面形成层厚为10μm～200μm的丙烯酸树脂涂层；

2、将气体雾化法制备的粒径为5～80μm铁镓合金粉末(Fe-Ga，Fe、Ga质量比为5：1)和铟铋合金粉末(In、Bi质量比为2：1)按质量比85～95：15～5混合均匀，在80℃熔融后放入涂敷杯中；

3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过步骤2制备的盛有熔融金属合金(Fe-Ga和InBi)的涂敷杯，在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属合金熔体，冷却后金属合金涂层的厚度为10μm～200μm。

4、最终，制备成一种内层为丙烯酸树脂涂层、外层为磁致伸缩金属合金涂层的复合涂层测磁光纤。

实施例1

1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面，在裸光纤表面形成层厚为100μm的聚合物涂层；

2、将气体雾化法制备的粒径为25μm的铁镓合金粉末(Fe-Ga)和铟铋合金粉末按质量比95：5混合均匀，在80℃熔融后放入涂敷杯中；

3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过盛有熔融金属合金(Fe-Ga和InBi)的涂敷杯，在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属熔体，冷却后金属合金涂层的厚度为100μm。

实施例2

1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面，在裸光纤表面形成层厚为200μm的聚合物涂层；

2、将气体雾化法制备的粒径为80μm的铁镓合金粉末(Fe-Ga)和铟铋合金粉末按质量比90：10混合均匀，在80℃熔融后放入涂敷杯中；

3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过盛有熔融金属合金(Fe-Ga和InBi)的涂敷杯，在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属熔体，冷却后金属合金涂层的厚度为200μm。

实施例3

1、采用浸渍涂敷-紫外光固化工艺将丙烯酸树脂涂敷于裸光纤表面，在裸光纤表面形成层厚为10μm的聚合物涂层；

2、将气体雾化法制备的粒径为5μm的铁镓合金粉末(Fe-Ga)和铟铋合金粉末按质量比85：15混合均匀，在80℃熔融后放入涂敷杯中；

3、将涂敷了丙烯酸树脂涂层的光纤经过盛有熔融金属合金(Fe-Ga和InBi)的涂敷杯，在丙烯酸树脂涂层表面涂敷金属熔体，冷却后金属合金涂层的厚度为10μm。

将本发明制备的复合涂层测磁光纤放置在液氮环境中(77K)，采用OFDR中的瑞利散射光谱漂移测量外磁场的变化，当被测的磁感应强度变化量为ΔM＝12mT时，检测到的瑞利散射光谱漂移大小为2.5GHz。被测磁感应强度变化从0mT提高到200mT的过程中，瑞利散射的光谱漂移程度逐渐增大，瑞利散射光谱漂移量和磁感应强度具有较好的线性相关性，本发明可以实现在低温下对磁场变化的测量。另外，沿光纤长度方向在多点位置设置多个可变磁场，不同位置的光谱漂移量不同，因此，测磁光纤可实现全分布式监测。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。