基于磁流體的干涉型光纖磁場傳感器研究.pdf

1、全光纖傳感器憑借低成本、高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊、耐腐蝕、絕緣性好、抗電磁干擾能力強且易于多點分布遠(yuǎn)程監(jiān)測等諸多優(yōu)點，被迅速應(yīng)用到各個領(lǐng)域。目前可實現(xiàn)對溫度、壓力、速度、加速度等七十多個物理量的測量，已逐漸顯示出取代傳統(tǒng)磁場傳感器的趨勢，并朝著結(jié)構(gòu)微型化、全光纖化的方向發(fā)展?；诖艌鰝鞲衅鞅粡V泛應(yīng)用于國防軍事、生物醫(yī)學(xué)、現(xiàn)代工業(yè)以及人們的日常生活當(dāng)中，二十世紀(jì)七十年代美國科學(xué)家首次提出了利用光纖來測量磁場的思想。然而通常情況下，磁場參量不能被

2、光纖直接響應(yīng)，需要磁光材料將磁參量轉(zhuǎn)換成光參量并作用在光纖上，來實現(xiàn)光纖磁場傳感器的制作。磁流體就是這樣一種新型的納米功能材料，它具有豐富的光學(xué)特性，如磁光特性、雙折射效應(yīng)、磁致折變效應(yīng)等，且沒有磁滯現(xiàn)象。因而近些年受到越來越多國內(nèi)外學(xué)者的熱切關(guān)注。結(jié)合磁流體豐富的光學(xué)特性和光纖干涉儀的獨特優(yōu)勢，本文對磁流體填充的幾種干涉型光纖磁場傳感器進(jìn)行了實驗研究。所做主要工作有:
　　首先，本文討論了磁流體與光纖干涉儀結(jié)合時存在的問題及其研

3、究趨勢?；诖帕黧w的光學(xué)特性和光纖干涉儀的特點，分別討論分析了磁流體填充的光纖Fabry-Perot干涉原理、磁流體填充的光纖Mach-Zehnder干涉原理和磁流體填充的光纖Sagnac干涉原理，以及各個方案的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景。
　　其次，基于光直接通過黑褐色磁流體溶液時存在吸收損耗的問題，本文重點描述了兩種磁流體填充的光纖Mach-Zehnder磁場傳感器的簡易制作方法。本文利用倏逝波原理和磁流體的磁致折變效應(yīng)將磁參量加載在光

4、纖傳感器上，實現(xiàn)了全光纖磁場傳感器的制作。測得雙S結(jié)構(gòu)和多模-單模-多模光纖結(jié)構(gòu)的靈敏度分別為0.2904 nm/mT和0.1231nm/mT。上述兩種方案均采用磁流體環(huán)繞的辦法，有效避免了開腔式F-P干涉儀由于光直接穿過磁流體而產(chǎn)生的吸收損耗問題及嵌入封閉腔無法實現(xiàn)折射率傳感的困擾，并具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點，簡單有效地將磁流體的光學(xué)特性和光纖干涉儀結(jié)合在了一起。
　　最后，基于利用磁流體雙折射特性設(shè)計的

5、光纖磁場傳感器還鮮有報道的原因以及目前文獻(xiàn)報道中存在的問題，本文提出利用飛秒激光器制作D型微結(jié)構(gòu)，將磁流體雙折射效應(yīng)引入高雙折射Sagnac環(huán)實現(xiàn)光纖in-line結(jié)構(gòu)，突破了以往因為磁流體的折射率變化范圍小而限制其磁場檢測范圍和靈敏度的局限性。該方案不僅能提高檢測靈敏度，還能有效地避免由于二向色性吸收使得干涉譜的振幅比隨外磁場增大而逐漸減小的問題，即具有相當(dāng)穩(wěn)定的消光比。這克服了以往由于磁流體透光性差而不能使用高濃度磁流體，、也不能將