基于磁性材料的光纤磁场传感器的设计与应用

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由纳米磁性颗粒、基液和表面活性剂组成的磁流体,是一种独特的功能型材料,表面活性剂包裹着纳米数量级的磁性粒子,均匀的分布在基液中形成一种均匀稳定的胶体溶液。当处于磁场环境中,磁流体会被磁化,内部的纳米磁性颗粒会聚集到一起,从而改变其折射率。由于磁流体的独特光学特性,加之光纤传感器灵敏度高、耐腐蚀、尺寸小、重量轻、结构简单、不易受外界环境影响等特征,上述特征都是以前常用的测量磁场的仪器(如霍尔传感器、磁通门磁强计、核磁共振测场仪等)所缺乏的,因此,近些年来,基于磁流体的光纤磁场传感器的研究受到诸多重视。已被报道的光纤磁场传感器大都采用复杂的结构,光纤光栅实现精确测量磁场,但是这不仅提高了成本还会造成系统的复杂性,所以,本文研究简单结构且不用光纤光栅来制作传感器,并且通过使用双参数矩阵来计算出磁场强度和温度的变化,从而准确的测量磁场强度和温度。本文主要研究工作如下:(1)通过使用古河S178A光纤熔接机,设置拉粗锥的参数,使用FITEL S326光纤切割刀,以及高真空电阻蒸发镀膜机镀银膜,将单模光纤、三芯光纤、四芯光纤、无芯光纤成功制备成马赫-曾德尔传感结构和迈克尔逊传感结构。(2)制作由无芯-三芯-无芯光纤构成的马赫-曾德尔传感结构与磁流体结合的磁场传感器,实现了对磁场的测量,还探究了传感器的温度特性。分析实验结果,发现在0-16m T磁场强度范围内,温度对该传感器干涉波谷的波长几乎没有影响,传感器干涉波谷的波长随着磁场强度呈线性增长,对应的波长灵敏度是68.57pm/m T。但是温度会影响传感器干涉波谷的强度,最大的磁场强度灵敏度是-0.8287d B/m T,最大的温度强度灵敏度是0.33896d B/℃。(3)将一段较长的四芯光纤串接在两段较短的无芯光纤中,并在无芯光纤和四芯光纤熔接处拉制粗锥构成双粗锥马赫-曾德尔传感结构,再与磁流体结合形成光纤磁场传感器。对该传感器的温度、磁场特性进行了实验研究。分析讨论实验结果发现,可以通过获得两个干涉波谷在磁场和温度下的四个波长灵敏度参数来构成双参数矩阵,实现同时测量磁场和温度。实验结果发现磁场下的波长灵敏度最高是264.29pm/m T;温度下的波长灵敏度最高是-112pm/℃。(4)将无芯光纤,四芯光纤,按无芯-四芯-无芯顺序熔接,并在一个无芯光纤端面处镀银制作成迈克尔逊光纤传感结构,再与磁流体结合形成光纤磁场传感器。探究了该传感器的温度、磁场特性。从实验结果可以看出:该传感器测量的范围较广(0-36m T),其中,在低磁场(0-18m T)下受温度影响,通过双参数矩阵可以消除温度对传感器的影响。在高磁场(18-36m T)下几乎不受温度影响,对应的强度灵敏度是-1.20993d B/m T。(5)用简单的熔接方式将无芯光纤和多模光纤进行串接,并在多模端面镀银膜,构成迈克尔逊光纤传感器再与磁流体结合形成光纤磁场传感器。通过强度调制实现对磁场强度、温度的快速监测。实验结果看出:在磁场强度0.4-3.6m T范围内,磁场下的最高强度灵敏度是-1.03329d B/m T;温度下的最高强度灵敏度是0.55179d B/℃。
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