基于磁流體的干涉型光纖磁場(chǎng)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(qiáng)且易于多點(diǎn)分布遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被迅速應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、速度、加速度等七十多個(gè)物理量的測(cè)量，已逐漸顯示出取代傳統(tǒng)磁場(chǎng)傳感器的趨勢(shì)，并朝著結(jié)構(gòu)微型化、全光纖化的方向發(fā)展?；诖艌?chǎng)傳感器被廣泛應(yīng)用于國(guó)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(guó)科學(xué)家首次提出了利用光纖來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的思想。然而通常情況下，磁場(chǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)光纖磁場(chǎng)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(méi)有磁滯現(xiàn)象。因而近些年受到越來(lái)越多國(guó)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，本文對(duì)磁流體填充的幾種干涉型光纖磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)存在的問(wèn)題及其研

3、究趨勢(shì)。基于磁流體的光學(xué)特性和光纖干涉儀的特點(diǎn)，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(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景。
　　其次，基于光直接通過(guò)黑褐色磁流體溶液時(shí)存在吸收損耗的問(wèn)題，本文重點(diǎn)描述了兩種磁流體填充的光纖Mach-Zehnder磁場(chǎng)傳感器的簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了全光纖磁場(chǎng)傳感器的制作。測(cè)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(kāi)腔式F-P干涉儀由于光直接穿過(guò)磁流體而產(chǎn)生的吸收損耗問(wèn)題及嵌入封閉腔無(wú)法實(shí)現(xiàn)折射率傳感的困擾，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、穩(wěn)定性好、靈敏度高等特點(diǎn)，簡(jiǎn)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(jì)的

5、光纖磁場(chǎng)傳感器還鮮有報(bào)道的原因以及目前文獻(xiàn)報(bào)道中存在的問(wèn)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(shí)現(xiàn)光纖in-line結(jié)構(gòu)，突破了以往因?yàn)榇帕黧w的折射率變化范圍小而限制其磁場(chǎng)檢測(cè)范圍和靈敏度的局限性。該方案不僅能提高檢測(cè)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(chǎng)增大而逐漸減小的問(wèn)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