基于磁流体的干涉型光纤磁场传感器研究

摘要

全光纤传感器凭借低成本、高灵敏度、结构紧凑、耐腐蚀、绝缘性好、抗电磁干扰能力强且易于多点分布远程监测等诸多优点，被迅速应用到各个领域。目前可实现对温度、压力、速度、加速度等七十多个物理量的测量，已逐渐显示出取代传统磁场传感器的趋势，并朝着结构微型化、全光纤化的方向发展。基于磁场传感器被广泛应用于国防军事、生物医学、现代工业以及人们的日常生活当中，二十世纪七十年代美国科学家首次提出了利用光纤来测量磁场的思想。然而通常情况下，磁场参量不能被光纤直接响应，需要磁光材料将磁参量转换成光参量并作用在光纤上，来实现光纤磁场传感器的制作。磁流体就是这样一种新型的纳米功能材料，它具有丰富的光学特性，如磁光特性、双折射效应、磁致折变效应等，且没有磁滞现象。因而近些年受到越来越多国内外学者的热切关注。结合磁流体丰富的光学特性和光纤干涉仪的独特优势，本文对磁流体填充的几种干涉型光纤磁场传感器进行了实验研究。所做主要工作有:
　　首先，本文讨论了磁流体与光纤干涉仪结合时存在的问题及其研究趋势。基于磁流体的光学特性和光纤干涉仪的特点，分别讨论分析了磁流体填充的光纤Fabry-Perot干涉原理、磁流体填充的光纤Mach-Zehnder干涉原理和磁流体填充的光纤Sagnac干涉原理，以及各个方案的优缺点和应用前景。
　　其次，基于光直接通过黑褐色磁流体溶液时存在吸收损耗的问题，本文重点描述了两种磁流体填充的光纤Mach-Zehnder磁场传感器的简易制作方法。本文利用倏逝波原理和磁流体的磁致折变效应将磁参量加载在光纤传感器上，实现了全光纤磁场传感器的制作。测得双S结构和多模-单模-多模光纤结构的灵敏度分别为0.2904 nm/mT和0.1231nm/mT。上述两种方案均采用磁流体环绕的办法，有效避免了开腔式F-P干涉仪由于光直接穿过磁流体而产生的吸收损耗问题及嵌入封闭腔无法实现折射率传感的困扰，并具有结构简单、操作方便、稳定性好、灵敏度高等特点，简单有效地将磁流体的光学特性和光纤干涉仪结合在了一起。
　　最后，基于利用磁流体双折射特性设计的光纤磁场传感器还鲜有报道的原因以及目前文献报道中存在的问题，本文提出利用飞秒激光器制作D型微结构，将磁流体双折射效应引入高双折射Sagnac环实现光纤in-line结构，突破了以往因为磁流体的折射率变化范围小而限制其磁场检测范围和灵敏度的局限性。该方案不仅能提高检测灵敏度，还能有效地避免由于二向色性吸收使得干涉谱的振幅比随外磁场增大而逐渐减小的问题，即具有相当稳定的消光比。这克服了以往由于磁流体透光性差而不能使用高浓度磁流体，、也不能将磁流体敏感区做长的缺点。实验结果证明文中提出的传感器具有良好的性能表现，初步得到检测灵敏度为0.08264nm/mT。该方案还可以通过增加D型刻槽的深度和长度进一步提高磁场检测灵敏度。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 磁流体

1．2．1 磁流体的组成

1．2．2 磁流体的光学性质

1．3 光纤磁场传感器研究现状及存在的问题

1．3．1 基于磁流体磁致折变效应的光纤磁场传感器

1．3．2 基于磁流体磁致双折射效应的光纤磁场传感器

1．4 论文主要工作与章节安排

2 基于磁流体的光纤干涉型磁场传感器原理

2．1 磁流体填充的光纤Fabry-Perot干涉原理

2．2 磁流体填充的光纤Mach-Zehnder干涉原理

2．3 磁流体填充的光纤Sagnac干涉原理

3 基于磁流体的光纤Mach-Zehnder干涉型磁场传感器

3．1 基于磁流体填充的双S结构光纤磁场传感器

3．1．1 传感原理

3．1．2 制作方法

3．1．3 实验结果与分析

3．1．4 检测系统搭建

3．2 基于磁流体填充的MM-SM-MM结构光纤磁场传感器

3．2．1 传感原理与制作方法

3．2．2 实验结果与分析

3．2．3 检测系统搭建

3．3 本章小结

4 基于磁流体双折射效应的光纤Sagnac磁场传感器

4．1 传感原理

4．2 制作方法

4．3 实验结果与分析

4．4 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得的研究成果

致谢

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