基于磁流体的光纤磁场传感技术研究

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磁流体是一种既具有液体流动性也具有固体强磁性的稳定的胶状悬浮液,具有特殊的磁光特性,可用作传感材料。本文采用磁流体作为传感介质,利用其折射率受外加磁场调制的特性,通过将磁流体和光纤干涉仪相结合,将磁场的探测转化为对光纤干涉仪输出干涉波长及强度的测量,制备出性能优良的光纤磁场传感器。首先,本文提出并制作了一种单模-多模-单模-偏芯结构的马赫-增德尔干涉仪传感结构。考虑到基于磁流体的光纤传感器的本质机理是折射率传感,所以在研究磁场传感之前先验证了其对折射率变化的传感能力。实验配置了6种不同浓度的蔗糖溶液,得到相应的不同折射率的溶液。通过对传感结构折射率响应实验结果的分析,证明了该传感结构具有很好的折射率传感特性,为下一步磁场传感特性的研究奠定了理论基础。其次,将磁流体作为上述传感结构的外部包层,制备出基于磁流体的干涉型光纤磁场传感器。利用磁流体磁致折变特性对干涉结构中的干涉模式进行调制,通过光谱中干涉谷波长的漂移及透射强度的变化解调出相应的磁场变化参量,实验得到波长漂移灵敏度为24.4pm/Oe,透射强度灵敏度为0.0407d B/Oe。相比于同类传感器,本文所设计的传感器结构简单,成本低,与其他用特种光纤制作的结构相比,具有明显的优越性。最后,鉴于磁流体磁光系数较高,对温度敏感的特点,本文提出一种磁流体包覆的单模光纤与传统SMS结构偏芯熔接的温度、磁场双参量同时测量的传感器。利用磁流体的磁致折变特性,将磁场参量施加于光纤传感结构。将传统的SMS干涉结构与输入端单模光纤偏芯熔接,使得单模光纤纤芯模与包层模,多模光纤基模和高阶纤芯模分别发生干涉,形成对温度和磁场敏感度不同的干涉谷。实验选取了干涉谱中1537nm和1563nm处的两个不同性质的谷进行观察,测量结果表明,1537nm处的干涉谷波长的磁场灵敏度为6.05pm/Oe,温度灵敏度为35.6pm/℃;1563nm处的干涉谷波长的磁场灵敏度为16.7pm/Oe,温度灵敏度为20.44pm/℃。通过建立敏感矩阵,实现了温度和磁场双参量同时测量,有效消除了温度和磁场交叉敏感的问题。该传感器具有良好的温度、磁场灵敏响应以及较高的测量精度,且结构简单、成本低廉,具有良好的应用前景。
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