基于磁性液体的微纳光纤磁场传感器设计

摘要

集成化、微型化、高性能是新时代传感器的发展方向及发展要求，基于光学技术的光纤传感器相比于传统传感器，具有抗电磁干扰、灵敏度高、体积小等诸多优势，是取代传统传感器的最佳方案。光纤磁场传感突破了传统磁场传感方法电磁干扰等问题的限制，在磁场探测领域展现出了非常大的发展潜力。随着光纤工艺的迅速发展，微纳光纤凭借其特殊的微纳结构，拥有比传统光纤更优越的光学传感特性，因而得到了研究人员的广泛青睐。本论文在对常规光纤磁场传感器改进的基础上，结合磁流体及微纳光纤技术，设计了一种光纤磁场传感系统，具体工作内容包括:
　　1.详细研究了磁流体的光学特性，理论分析了微纳光纤的基本特性及传感原理。通过数学建模及理论推导分析了圆柱形和锥形微纳光纤的模场特性，得到了微纳光纤的倏逝场强度分布规律。为微纳光纤基于倏逝场理论的传感提供了理论依据。
　　2.在理论研究的基础上，论文设计了一种结合微纳光纤技术及磁流体的磁场传感结构，采用化学腐蚀法制作了微纳光纤倏逝场传感元件，利用磁流体作为倏逝场介质，采用了直通式光路对该传感结构性能进行了实验验证，得到了0.02μW/mT的磁场探测灵敏度。
　　3.针对光纤磁场传感器高灵敏度高稳定性的发展要求，论文结合光纤环形腔衰荡技术，采用磁流体-微纳光纤倏逝场磁场传感结构，设计完成了一种高灵敏度、抗光源波动影响的光纤磁场传感系统。在实验过程中，通过理论分析，对实验光路进行了优化，最终实现了灵敏度95.Sns/mT的稳定传感系统。
　　论文从理论研究出发，通过实验验证，提供了一种高灵敏度、高稳定性的光纤磁场传感方案，为光纤磁场传感器实用化研究中灵敏度及稳定性的提高提供了一种新的途径。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 光纤磁场传感器分类研究

1．2．1 磁致伸缩原理光纤磁场传感器

1．2．2 基于Faraday旋光效应光纤磁场传感器

1．2．3 基于磁流体光纤磁场传感器

1．3 磁性液体及其应用

1．3．1 磁流体的光学特性

1．3．2 磁流体的发展及应用

1．4 本文研究主要内容

第2章 微纳光纤传感技术原理研究

2．1 微纳光纤工艺

2．1．1 熔融拉锥微纳光纤

2．1．2 表面加工微纳光纤传感

2．1．3 飞秒加工微纳光纤传感

2．1．4 材料填充微纳光纤传感

2．2 微纳光纤的基本特性

2．2．1 机械特性

2．2．2 光学损耗特性

2．2．3 模场特性

2．3 锥形微纳光纤传感理论

2．3．1 锥形微纳光纤结构

2．3．2 锥形微纳光纤模场特性

2．4 本章小结

第3章 直通式微纳光纤磁场传感器研究

3．1 光纤倏逝场理论研究

3．1．1 倏逝场的产生

3．1．2 光纤的倏逝场

3．1．3 光纤倏逝场传感器

3．1．4 微纳光纤磁场传感单元设计

3．2 微纳光纤传感结构的制备

3．2．1 传感结构腐蚀加工系统设计

3．2．2 基于磁性液体的微纳光纤磁场传感结构制备

3．3 直通式微纳光纤磁场传感器实验

3．3．1 直通式磁场传感实验原理

3．3．2 直通式磁场传感实验系统搭建

3．3．3 结果分析

3．4 本章小结

第4章 腔衰荡型微纳光纤磁场传感器研究

4．1 腔衰荡技术的原理及发展

4．1．1 腔衰荡技术原理

4．1．2 光纤环型腔衰荡技术原理

4．1．3 腔衰荡技术的发展

4．2 腔衰荡型微纳光纤磁场传感器实验

4．2．1 腔衰荡型光纤磁场传感系统设计

4．2．2 腔衰荡型光纤磁场传感实验搭建

4．2．3 实验系统优化

4．3 实验数据处理及结果分析

4．3．1 寻峰拟合

4．3．2 实验结果

4．3．3 实验结论

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢