基于磁流体和FBG的光纤磁场传感研究

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磁场传感方法发展至今,传统磁场传感方法由于受到电磁干扰等问题受到许多限制,光纤作为一种本质绝缘的材料在磁场传感方面有着独有的优点,除了不受电磁干扰,还有体积轻、重量小、精度高,易于形成分布式测量等优点。光纤布喇格光栅(FBG)在应变和温度传感方面早已发挥巨大作用,但其本身是不对折射率敏感的,而光纤包层变薄到一定程度的FBG由于纤芯导模可以与环境介质相互作用,因而环境折射率的变化会影响纤芯导模的有效折射率,即实现了FBG对环境折射率的传感。磁流体作为一种新型功能材料,其既具有固体才有的磁性,又具有液体的流动性,特别是其折射率与外加磁场紧密相关。基于以上两点,本文提出了一种基于磁流体和光纤布喇格光栅的磁场传感方法,将磁流体与薄包层光纤布喇格光栅结合起来,把磁流体作为薄包层光纤布喇格光栅的外包层,通过磁流体的磁场可控折射率的性质再外加可变的磁场改变磁流体的折射率以实现所加磁场的传感。本文从理论上分析并计算了不同包层厚度的光纤对环境折射率的敏感度,结果指出包层厚度越小的光纤对折射率越敏感,同时指出环境折射率在大于包层折射率的某些情况下也能够形成传导模式。本文使用化学腐蚀的办法来得到薄包层的光纤光栅,用氢氟酸腐蚀光纤的包层,22%的氢氟酸的腐蚀速率约为0.548μm/min。传感器探头的设计上本文使用有机玻璃制作了便于进行腐蚀实验及后续磁场传感实验的盒子,有效保护了腐蚀后的光纤,使其不易损坏。腐蚀完成后本文使用葡萄糖和氯化钠溶液对薄包层光纤布喇格光栅的折射率传感能力进行了验证,结果与理论计算相符合。封装后进行的磁场传感实验结果显示磁场增大时,薄包层光纤布喇格光栅的谐振波长变大,且基本呈线性,传感器的灵敏度达到了接近4pm/mT,同时在磁场增大时,观察到透射光功率减小。实验结果表明,用此方法进行磁场传感是可行的。
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