1、基于磁流体包覆光纤光栅的磁场传感器 摘 要 光纤光栅是二十一世纪以来光纤传感的重要发展领域。由于具有一些独特的特性，光纤光栅在各种科研领域应用广泛，在光纤通讯、光纤传感等领域具有很高的应用价值。磁流体磁化强度较大，由于其形态优势易于与光纤集成，通过外界环境的磁场的变化对折射率进行影响，实现新型光纤光子器件的设计。 本文根据光纤光栅的优良性能与磁流体独有的光学特性相结合，设计了一种基于光纤光栅的新型磁场传感器。经由特殊溶液将实验所用布拉格光栅进行腐蚀，使其包层直径发生改变，使其对外界灵敏。实验中测试了外界 磁场变化时布拉格光栅的传输图谱，并对其谐振峰进行实验分析，得出的结论是谐振峰的漂移随着磁场
2、变化而变化。 关键词： 光纤光栅 磁流体 磁场传感 Fiber Grating Magnetic Field Sensor Based On Magnetic Fluid ABSTRACT Fiber Bragg Grating is an important development field of optical fiber sensing since the 21st century. Because it has the characteristics which general optical fiber doesnt have, the research of fiber grat
3、ing in various research fields has been gradually expanded, such as optical fiber communication and optical fiber sensing. Magnetic Fluid has a great magnetization, it is easy to combined with optical fiber. The environment of the magnetic field intensity can tune its refractive index, it has a impo
4、rtant value in the field of new type fiber photonic devices. In this paper, we design a new type of magnetic field sensor based on Fiber Bragg Grating by combining with the excellent properties of Fiber Bragg Grating and unique optical properties of Magnetic Fluid. Through etching the Fiber Bragg Gr
5、ating with a special solution, the cladding diameter change and it is sensitive to the environment. In the experiment, the transmission spectrum and resonance peak of the Bragg Grating have been analyzed when magnetic change . In conclusion, the drift amount of the resonance peaks change with the ma
6、gnetic field. Key Words: Fiber Grating Magnetic Fluid Magnetic Field Sensor 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 传感器的概述 . 1 1.2 光纤磁场传感器的发展历程 . 2 1.3 磁流体的概述 . 4 1.3.1 磁流体的发展史 . 5 1.3.2 磁流体的特性 . 6 1.3.3 磁流体的分类 . 9 1.4 本毕业设计的主要内容 . 10 第二章 光纤光栅理论及其研究特性 . 10 2.1 光纤光栅的理论 . 11 2.2 光纤光栅的特性 . 13 2.2.1 光纤光栅的分类及制备方法 . 13 2.2.2
7、光纤光栅的光敏性 . 18 2.3 本章小结 . 19 第三章 基于磁流体和光纤光栅的 磁场传感器的设计 . 20 3.1 基于磁流体和光纤光栅的磁场传感器 . 20 3.2 实验系统的构建及理论 . 21 3.2.1 制备传感器件的流程 . 21 3.2.2 光纤倏逝场的理论基础 . 23 3.3 磁场测量结果与分析 . 24 第四章 总结与展望 . 26 4.1 总结 . 26 4.2 展望 . 26 参考文献 . 27 致 谢 . 29 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 1 第一章 绪论 1.1 传感器的概述 我们通常所说的传感 器 (Sensor)， 是一种用于检测的装置，
8、 其实就等于我们的五感。例如检测光的传感器代表明亮的双眼，对气体进行测量的传感器则是代表 着对于嗅觉十分灵敏的鼻部，监测声音的传感器代表耳听八方的耳朵，触探味觉的传感器代表尝尽天下味道的舌头，而检测压强和湿度等外界因素的传感器代表着敏锐感知力 的 皮肤部分。正是由于这种原因 ,人们操纵传感器来代替我们的五感 ,使得人们的工作压力得以减轻 ,提升感应与测量精度，同时还能够更进一步的超越我们的感应与测量的本领 ,从事人体不能够完成或者会受到危险伤害工作 1。 一般地， 传感器大致会由转换元件、敏感元件、变换电路、辅助电源这四大部分构成 。如下图 1.1 所展示，能够最为直接的去感受被测量的部分元件
9、就叫做敏感元件，也就 是说，敏感元件可以将传感器中需要被测量的部分转换成与被测量的部分存在某种关系的 物理量信号 。紧接着转换元件将要发挥它的功能，它会将上面说提到的 物理量信号 成为电信号。最后要来说明的是变换电路的功能，它会在转换元件完成工作之后在进行加工，会将电信号经由某些特殊的处理将 信号进行放大调制 ， 转换元件和变换电路都需要辅助电源为它们供电。 图 1.1 传感器的组成 若是要按照用途和其所采用的材料可以将传感器分成许多种类，例如，采用磁性体材料所制作出来的传感器、采用绝缘体材料所制作出来的传感器、采用半导体材料所制作出来 的传感器以及采用金属材料所制作出来的的传感器等等。但就目
10、前来说应用最多以及应用最为广泛的当属采用半导体材料所制作出来的传感器，因为这种材料的传感器能够满足各领域、各层次的使用与需求。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 2 1.2 光纤磁场传感器的发展历程 光纤磁场传感的技术在近几十年的研究里，许多的军事科研机构主要致力于弱磁性目标探测领域，这里面研究最深的当属美国海军实验室 2。自 20 世纪的 60 年代以来，针对光纤磁场传感器国外已经做了大量的科学研究，在 70 年代，通过利用法拉第旋转制作出了光纤磁场传感器 3-6。 80 年代美国的海军实验室开 始对光纤磁场传感器进行研究。并于 1995 年成功的在挪威的海域布置了三 维 光纤传
11、感阵列。其灵敏度之高可用来探索深海中移动的核潜艇。 自上个世纪 80 年代以来。就已经有许多的科学研究机构对光纤磁场传感技术进行了大量的开发与研究。华中科技大学研究人员设计的的光纤磁场传感器探测能力已经达到 nT 的数量级。 Ammon Yariv7等人 在 1980 年 设计了一种光纤磁场传感器，如图 1.2 所示。随后电子科技大学对磁致伸缩材料进行研究，与磁场传感器相结合，灵敏度达到 0.57nT。 Stockholm 皇家技术学院 8将 YIG 晶体 于 光纤磁场传感器结合 ， 具有精度高，响应快的特点 。 后来 ， 发达国家进行了更加深入的研究并制作出 新型的光纤磁场传感器 9-11。
12、而国内在此方面发展时间较短，但也取得了不错的研究成果。但大体上来说，大多都只是限于在科学上研究，在实验室进行试验，对于实际的应用其技术还远远不能实现。 图 1.2 基于 磁效应 的 光纤磁 场 传感器 20 世纪 70 年代， A. J. Rogers 与 A. M. Smith 等 人对光纤电流传感器的原理进行了分析。1980 年 科研人员在 1200KV 的电网上 对全光纤电流传感器进行 试用， 这是 最早的磁光 形式 的光纤电流传感器 11-12。在这之后，德国的一些科研人员从多方面、多角度，较为全面的对光纤传感器进行了十分深入科学研究。例如，传感特性、机械构造、传感基理以及信号检测。正
13、是因为这些伟大的科研人员所付出的努力以及做出的巨大贡献，才有后来的更加深入和完善的理论与技术。 1993 年，美国的一些科研人员将 YIG 晶体与光纤传感器结合，获得了很好的结果，等噪声电流达到了 10nA/(HZ)1/2，而其频率的响应亦是达到了 700 多兆赫，而且其宽度很大。 1994年 ABB 跨国公司研制并发明生产出光电式光纤电流传感器。到了 1996 年美国的 3M 公司更是研制并发明生产出全光纤型电流传感器 2。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 3 自 90 年代开始，我国各高校的研究成果也是 层见迭出 。例如，中国人民解放军理工大学的科研人员 13使用磁致伸缩材料
14、进行传感器测量，这正是 1980 年国外的研究人员首次提出的。而他们是在此基础上加以修改，将光纤布拉格光栅粘附在这种材料上所研制出的新型传感器。李智忠 14基于马赫增德干涉仪的原理设计磁场传感器， 下图 1.3 为 马赫增德干涉仪 ，其分辨率为 210-8T，有效的降低了许多外界的因素所造成的影响。 图 1.3 马赫增德干涉仪 实物图 目前，因为我国光纤传感器的工业化以及各方面各范畴的应用还不能够达到经济发展与需求，所以尽快使光纤传感器走向工业化、商业化至关重要。光纤磁场传感器固然有着非常明显的优点，然则其要去处理的问题也有许多。例如，光纤传输过程中的损失与消耗的变化、光源波动的变化将会对光纤
15、传感器的信号输出产生一定的影响以及探测中的器件老化 问题而产生的测量不准确的问题。怎样克服光源波动、减少光纤传输过程中的损失与消耗，如何改善敏感元件的制造工艺、研究新的敏感原理，提高光纤传感器的各种性能指标，发展适用于各领域格范畴的新型新材料的光纤传感器，研制用于某些特殊方面的专项检测的特殊光纤传感器必将是此后的研究和制造热门行业。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 4 1.3 磁流体的概述 现如今 磁流体 (Magnetic Fluid， MF)已经 成为 各个 高 等院 校 以及 科学研究机构的 重点探索与研究的 对象，一种 兼备 固体的强磁性 与 液体的流动性的 高级材料。
16、同时它还具有一般固体材料和液体材料 所不具备的其它特殊性质，其在 光学、浮选、计量、阻尼以及传感技术等热门的领域内 具有十分广的研究与发展的意义， MF 在不少文献中也被称为磁性液体或者磁性流体 15。 MF 大多由直径为 10nm以下的固体磁性颗粒 (Solid Magnetic Particles)、界面活性剂(Surfactant)、基载液 (Base Fluid)相互融合而形成的结构相对稳定的胶质液体，其结构如图 1.4所示。 图 1.4 MF结构示意图 1、 固体磁性颗粒 (Solid Magnetic Particles) 传统的 MF 一般采用颗粒 度大小不超过 20nm 的 M
17、n、 Fe、 Ni等金属的氧化物， Co、 Ni、稀有金属及其合金颗粒，氮化铁颗粒等物质作为其磁性颗粒。其中当属氮化铁颗粒的磁化饱和的程度是最高的，这是因为它的颗粒的磁性相对于其它几种物质来说是最强的。而现如今正在进行研究以及用于实践中的大多数是使用的以铁氧化物为主要物质的磁流体，称之为铁磁流体，一般地，可以分为 Fe2O3 和 Fe3O4 两大类。只有将磁性颗粒的粒子浓度控制的足够小，使其处于永不停止的布朗运动中，只有这样才能使得整个体系处于的稳定的状态，这样就会阻止固体磁性颗粒产生团结与集聚、沉 降与积淀。 2、 基载液 (Base Fluid) 基载液是 MF 的主要组成部分。因为其性质
18、在很大程度上决定了 MF 的基本物理化学性质，因此一般选用水、有机溶剂、油等作为基载液，因为这些基载液具备粘附性十分低、化学性能结构十分稳定不易改变性质、抗辐射与照度能力十分强以及挥发率低。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 5 3、 界面活性剂 (Surfactant) 界面活性剂可以说是一种能够有效减弱水溶液张力的有机分子 ，由 亲水基团和憎水基团构成。此特性 使得磁性固体颗粒透过其憎水基团形成非常牢固的一体，亲水集团则可以使活性剂和基载液相互溶解，从而使磁性固体 颗粒悬浮在基载液中。 1.3.1 磁流体的发展史 著名科学家 Faraday 于 1830 年 针对磁流体力学指出
19、了许多的问题 。 但随后他进行的实验由于技术无法达到要求，所以不得放弃，但留下了宝贵的资料。几年之后 ， 著名科学家 Hartman针对 Faraday 的失败实验 ， 总结分析了原因再次进行实验。他通过测量处于 磁场中 的汞的流动速度 ， 展开了大量细致的的定量分析实验 。 经由对实验结果进行的理性分析之后 ， 得出了举世瞩目的计算方式，即 Hartman 理论。 而在大约 1940年时 ，物理学家 Alvin相继 将 带电 的 单粒子 如何 在磁场轨道 中运 动的 “引导中心”理论、磁冻结定理和太阳黑子理论 进行了 展示 15。 于 1949年 ，在书中 Alvin将其进行的实验以及所进行
20、的相应的研究进行了公布 ， 这本书就是闻名于世的 宇宙动力学。为今后在磁流体力学方面进行研究和探索提供了理论指导。 在 1950 年， 著名科学家 Lundquist 则是 针对磁约束提出了一些相关问题 。 磁约束即磁流体静止力学。如下图 1.5 为我国首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置。 图 1.5 我国首台大型反场箍缩磁约束聚变实验装置 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 6 1.3.2 磁流体的特性 因为 MF 具备磁体以及液体的 一些特性 并由特殊成分组成，所以其特性十分之多。但本文 着重 研究 MF 如何与光纤光栅进行组合 ， 所以我们主要研究磁流体在光学上的一些特殊性质。
21、 1、 MF的热透镜效应 热透镜效应 是指 当 MF 被一束 激光 照射后， MF 的温度会相应的有所上升 ， 而它的 温度 会进行某种形式的排布 ， 其 磁性颗粒 与之相随的发 生再次排布。造成 MF 的折射率变的不 匀称 ，其结构构造大致与 凹透镜 相似 16。 由此 ， 我们发现当一束激光对 MF 进行照射时，会被凹透镜将其进行发散处理。在某些特殊条件下 ，干涉环 将会在远场被我们所发现。这些干涉环的排布方式为同心圆 ， 其数量由入射光的能量大小所决定，能量越大，数量也就越多 ， 其半径也会变大，见 图 1.6。 图 1.6 不同 光功率下 产生 的干涉环： (a)0.9毫瓦 (b)2.
22、8毫瓦 (c)5.2毫瓦 (d)10.2毫瓦 2、 MF的光透射特性 MF 一般来说是 不透明的。 但一层 MF 膜其厚度会很小，仅为 微米量级， 其 透 光性 相对 较好 17。 当没有外界磁场影响时 ， MF 是 同性 向 的。 当受到外界磁场影响之后 ， 其内部固体颗粒物形成链状排布 ， 从而 MF 改变成异性向 。 当 MF 的 浓度 变大后 ， 其透光性将会减弱 ； 同样当磁场变大后 ， 其透光性亦会减弱。 3、 MF的磁光效应 MF的磁光效应通常包含有以下几种效应，在这里我们 对 这几种效应详细的进行说明 17。 MF的双折射效应指的是，因为外加磁场的影响，当一束光波垂直于 MF入
23、射的时候，根据它的震动方向不同，可以将它分为两种方向上的光，即 o光和 e光。 o光是垂直磁场方向的光，而 e光则是平行 于磁场上的光。两种光的折射率 no和 ne也不同。 MF的线性二色性指的是，由于外界磁场的影响， MF会表现出单轴晶体的各向异性。当一束光波垂直于磁场方向射入时，对于 o光和 e光来说，他们所表现出来的吸收效果有着明显的不同。 天津理工大学 2016 届本科毕业设计说明书 7 当一束光波于磁场方向平行入射时，将会产生法拉第旋转和椭圆率的现象。法拉第回旋的所表征出的具体形式为：当平面的偏振光经由磁性液体的时候，会在振动面产生十分明显的回旋转动。 光的圆二色性指的是，在外加磁场的作用下， MF对右侧旋的圆偏振光和左侧旋的圆偏振光有着不同的吸收效果。 4、 MF薄膜 折射率和可控性 图 1.7为不同温度、浓度、厚度下 MF的折射率与外界磁场的关系 18。 (a)、 (c)、 (d) 均为Fe3O4的 MF， (b)为 Fe3O4和 MnFe2O4按一定比例混合的 MF。从数据曲线中可知： MF的折射率随外磁场强度、薄膜厚度、 MF浓度这三个因素的增加而增加；与温度增加而减小；与外界磁场的查看速率没有关系。只有外加磁场足够大时，才能使 MF的折射率发生明显改变；当 H增加到一定数值后，达到饱和，折射率将不再改变。变化呈一条型 S型曲线分布。
