磁流体包覆薄包层光纤光栅磁场传感研究

梁 星,杨武海,刘 鑫,张 伟,刘颖刚

(1.西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室, 陕西 西安 710065;2.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)

0 引言

伴随光纤通信与传感技术的快速发展，基于光纤的新型功能器件研究成为了光电子器件研究与应用领域的一个重要发展方向，而光纤光栅这种新型的具有窄带滤波功能的光纤器件由于自身的独特优点，得到了人们的广泛关注[1-3]。在光通信领域，由光纤光栅制成的各种全光器件，使集成型光纤通信系统成为现实。在光纤传感领域，依据调谐因素与波长变化关系，将其作为多参量多功能传感器件，同时借助波分、时分以及空分复用技术，形成了从单参量到多参量、从单点到网络化的光传感检测技术[4-7]，也成为了发展智能化、网络化及多功能化传感系统的关键器件之一。特别是近年来，光纤光栅在温度、应力传感检测方面的应用已基本实用化，光纤光栅的传感技术已在桥梁建筑、矿产开发及油气井与管线检测等多领域得到应用。然而，随着新型光纤传感技术的发展，实现多物理量的在线检测成为光纤光栅传感技术新的研究发展方向。

有关光纤光栅在磁场测量方面的应用[8-10]，主要是利用装置或结构的磁致伸缩效应给光纤布喇格光栅(FBG)施加一定应变实现磁场的传感测量的，这种方法结构复杂,难以实现传感器的小型化，且易出现FBG的啁啾化。虽有磁流体包覆光纤或长周期光纤光栅用于磁场传感的报道[11-13]，但多属于功率型或宽带光谱检测，不仅会降低测量准确度，且影响传感器的复用数量，难以实现多点网络化的测量。所以我们通过化学腐蚀法去掉FBG的部分甚至全部二氧化硅(SiO2)包层，用磁流体充当新的包层，让纤芯内的光以倏逝场的形式与磁流体发生作用，结合磁流体的磁致折射率可调特性，改变FBG纤芯传输光的有效折射率，进而实现对传输光谱的调制，通过测量光谱波长和功率的变化实现磁场的传感检测。此方法不仅改进了传统调谐法的不足，且有利于FBG磁场传感器的网络化复用和降低信号解调的难度。这种控制环境包层材料折射率以实现对光纤光栅谐振波长与传输功率调谐的方法，能够通过换用功能材料而实现磁、电、声、热等相关物理量的传感检测，也必将拓展可调谐FBG器件的更多功能化应用。

1 基本原理与实验装置

1.1 测量原理

对于普通的FBG，其反射波长λ满足[14]:

λ=2neffΛ

(1)

式中Λ和neff分别为光栅的周期和纤芯导模有效折射率。当忽略环境温度的影响且FBG本身无形变(即Λ保持恒定)时，由于较厚SiO2包层的影响，传输光场被约束在纤芯内部无法与外界环境物质发生作用，neff也不发生改变，则其传输光谱的峰值波长保持恒定。但若将FBG的包层通过化学腐蚀法去掉一部分,即成为薄包层光纤光栅，即使温度保持恒定，neff也会随环境物质不同而变化。已有研究表明[15-16]，当FBG的SiO2包层厚度减小到20 μm以下时，纤芯内的传输光场会与环境物质的相互作用增强，导致纤芯传输光的有效折射率发生改变，且这种变化会随着环境物质折射率的增大和SiO2包层厚度的减小而变得更明显，这也是光纤光栅应用于液体折射率传感的基本原理。

由于磁流体是一种吸附有表面活性剂的纳米磁性粒子弥散在非磁性溶剂中的稳定胶体，是一种具有随外加磁场的强度变化而可控制流变特性的特殊纳米智能材料[17-18]。在外磁场的作用下, 由于纳米磁性粒子的磁矩会沿外磁场取向，且彼此相吸而排列成链状，会产生多变的微结构，使磁流体的电介质常数发生改变，进而致使其折射率也发生改变，即产生明显的磁光效应。随着外加磁场强度的增大，磁流体的磁光效应会进一步增强，磁场越强磁流体的折射率会越大，只不过随着外加磁场强度的进一步增大，折射率的增加会趋于稳定[13,19]。因此，可用磁流体替代FBG的SiO2包层，利用磁流体的磁致折射率可调效应，结合薄包层FBG的倏逝场效应，通过外界磁场调制环境液体包层折射率，进而改变FBG传输光谱特性，通过对光谱功率和反射波长的测量，可实现对环境磁场和温度的测量。

1.2 磁场测量基本原理

图1为进行磁场传感测量的实验系统原理图。其中插图部分是磁流体包覆的薄包层FBG磁场传感器，不过FBG在腐蚀前，要先用长50 mm、外径∅3 mm、壁厚0.5 mm的有机玻璃管进行封装。腐蚀、清洗及测量过程中，液体均是利用医用注射器注入或吸出，每次完成操作后用热熔胶进行密封。系统工作时，放大自发辐射(ASE)光纤光源发出的光经光纤环形器(OFC)进入传感器后，满足布喇格反射波长条件的光将被反射回OFC，而其余波长的光将通过光纤被折射率匹配液(IMC)吸收，有效避免了光纤端面反射对信号光的干扰。由于OFC对传输光方向的限制，信号光将从OFC的另一端口进入光谱分析仪(OSA)，从而实现对反射光谱的监控。实验中磁场的加载是通过两块板状磁铁产生的，通过控制两板间距来改变磁场，其值可通过高斯计来测定。

图1 FBG磁场传感系统原理图

2 实验结果与分析

2.1 磁场测量与分析

实验所用传感器是在室温条件下，用20%的HF溶液腐蚀普通商用光纤光栅，并根据剩余直径随时间线性变化关系[20]，控制腐蚀时间,从而获得直径约∅9.0 μm、具有一定厚度SiO2包层的FBG。

图2为FBG 腐蚀前、后的反射光谱图。图中光谱1是所用FBG的原始光谱，其对应峰值波长λp和3 dB带宽Δλ分别为1 550.608 nm和0.257 nm。光谱2是腐蚀后的FBG用水基Fe3O4磁流体封装但未加载磁场时的反射光谱，相对于光谱1，封装后的光谱2明显紫移、带宽增大，功率降低，峰值波长减小到1 547.470 nm，而3 dB带宽增加到了0.857 nm，光谱同时变得有些不平滑。主要原因是FBG光谱的中心波长会随光纤包层厚度和周围物质折射率的减小而减小，在发生紫移的同时伴随光谱带宽展宽[20-21]。同时，由于光纤包层变薄后，纤芯内的传输光会以倏逝场的形式泄露到包层外，且环境折射率越大时，纤芯传输光的功率占比降低。光谱多毛刺不平滑现象是光纤表面腐蚀不均匀造成的，可通过降低腐蚀液浓度，控制腐蚀温度，提高光纤表面光洁度得到降低。

图2 FBG 腐蚀前后的反射光谱图

实验发现，当改变传感器周围的磁场强度时，反射波长随环境磁场的增大发生规律的变化，其光谱向长波方向移动，带宽变窄，功率降低，图3为不同磁场时的反射光谱形状。由图可知，在不同的磁场区间内光谱变化不均匀。图4为传感器反射光谱波长随磁场感应强度变化的关系曲线。由图可知，在0～30 mT内，反射波长呈现出分段变化特性，即当磁感应强度小于5 mT或大于20 mT时，光谱中心波长随磁场的强度增加变化缓慢，只有在5～20 mT时才变化明显，而且中心波长随磁场的强度增加几乎是线性增加，直至磁场达到20 mT附近。对此磁场范围内的实验数据进行线性拟合，其拟合度达到了99.2%，对应的波长随磁场变化的灵敏度达到了34.9 pm/mT。而在0～5 mT和20～30 mT内，拟合的波长灵敏度则仅为2.6 pm/mT和2.3 pm/mT，线性拟合度也均小于90%。

图3 传感器在不同磁场时的反射光谱

图4 反射波长随磁场的强度变化关系曲线

传感器所呈现出的这种特性与磁流体的折射率随磁场变化特性相关。当有磁场作用时，纳米磁性粒子的磁矩会沿磁场取向且彼此相吸而排列成链状[17]，排列程度会随磁场增大而增强，因而使磁流体的介电常数增大，致使折射率发生相应改变，即外加磁场越大折射率也越大，反之则会减小，只不过磁流体折射率随磁场变化并不成线性关系[13]，即外磁场较小时，磁流体折射率无明显变化，当外磁场增加到一定值时，折射率增加快速，若磁场进一步增加，折射率变化则趋于饱和。所以，由于磁场太小时对应折射率也较小，加上薄包层FBG对小折射率不敏感，所以直到磁场增加到一定程度后，传感器的波长才开始随磁场增加而移动。但当磁场增加到一定程度时，由于磁性粒子磁矩沿磁场取向排列趋于饱和，致使磁流体的折射率变化趋于稳定，虽然此时的折射率较大，但变化率非常小，即使薄包层FBG在高折射率区有较大的灵敏度，但因磁场变化引起折射率变化非常小，导致了传感器在磁场增加到20 mT后，反射波长随磁场变化缓慢。因此，传感器的磁场传感特性与磁流体的磁光效应有密切的关系，可以通过功能材料的合理选择或改性处理，实现此种传感器特性的改善和改变。

2.2 温度测量与分析

对于FBG而言，温度也是影响波长漂移的主要因素，温度引起的热膨胀作用会直接导致FBG的光栅周期发生改变[22]。因此，在利用磁流体的磁光效应结合FBG的反射波长随折射率变化漂移特性进行磁场传感测量时，就必须注意磁流体温度的影响。测量过程中，要么保证测量过程中温度不变，要么对测量结果进行温度修正，但如果要进行修正，就需获得传感器对温度的响应关系。为此，实验研究了用磁流体封装后的薄包层FBG的温度特性。

图5为FBG反射光谱波长与温度的关系曲线，其中图5(a)对应的温度灵敏度为10.4 pm/℃，图5(b)对应的温度灵敏度为9.2 pm/℃。图5中两条实验拟合曲线的线性拟合度R2均达99%，说明腐蚀和封装处理并未改变普通FBG对温度的线性响应特性，图5(b)中曲线的灵敏度比图5(a)的小1.2 pm/℃，其主要原因是磁流体的热光效应[23]，即温度升高磁流体的折射率会减小，而减小的折射率又会致使薄包层FBG的波长向短波方向移动，即发生紫移。

图5 封装后的FBG与普通FBG反射波长随温度变化关系

对于被磁流体包围的薄包层FBG而言，若保持周围液体折射率恒定，温度升高所引起的波长漂移是红移，若保持温度不变，折射率减小所引起的波长漂移是紫移。由于两种效应同时作用于光栅，故当温度升高，薄包层FBG波长随温度升高而红移被部分抵消，结果使用磁流体封装后的FBG对温度的波长灵敏度减小。按照已有研究结论[21]，若进一步减小FBG的包层尺寸甚至部分纤芯，可进一步提高此种FBG对折射率的响应灵敏度，磁流体热光效应对波长的影响将进一步加强，温度变化过程中FBG的热膨胀效应也将进一步被抵消，若再换用具有较高热光系数的液体，可明显减小传感器对温度的敏感, 即可实现对FBG的温度减敏甚至是温度补偿。

图6 光谱峰值功率随磁场和温度变化曲线

研究还发现，随着磁场和温度的增加，光谱的功率呈现出不同的变化特性。图6为反射光谱功率随磁场和温度的变化关系。当磁场强度小于5.0 mT时，光谱功率变化不明显；当磁场强度大于5 mT时，光谱功率明显随磁场减小而减小，且趋于线性变化。由图6(a)的插图可知，灵敏度达到了-1.063 dBm/mT，线性拟合系数为0.953；当磁场强度大于20 mT时，功率变化趋于平缓。传感器对温度的这种响应特性，与图4所示波长随磁场变化的特性相似，说明传感器反射光谱功率和波长均在5.0～20.0 mT内具有良好的响应特性。而光谱功率在20～60 ℃内变化很小(见图6(b))，实验数据拟合的灵敏度仅为-0.003 5 dBm/℃，线性度仅为0.977。因此，利用光谱波长和功率对磁场和温度的这种不同响应特性，可以实现磁场和温度的传感测量。

3 结束语

本文提出了一种基于功能材料磁致折射率调谐原理的FBG磁场传感方法，通过腐蚀普通光纤光栅的部分二氧化硅包层使传输光场能与周围环境发生作用，并用磁流体对薄包层FBG进行封装，实现外界磁场调制磁流体的折射率，从而引起光纤传输光场的变化，利用光谱波长随环境磁场变化关系实现了对磁场的传感检测。在5.0～20.0 mT内，获得了34.9 pm/mT的磁场传感灵敏度，对应的线性拟合度达到了99.2%。封装后的FBG传感器保持了普通裸FBG反射波长随温度增加而线性红移的特性，对应的波长温度灵敏度也小于普通裸FBG，可用于对传感器进行温度修正。同时发现传感器光谱功率随磁场强度和温度变化呈现一定的线性变化关系，这种光谱波长和功率随磁场和温度线性变化特性能够用于磁场和温度的传感测量。此种基于FBG的磁场传感方法，有效避免了复杂的应力或应变施加装置，实施起来较方便，再加上传感器一定程度上还保持了FBG窄带滤波的特性，易实现多传感器的网络化复用与信号解调，具有广泛的应用前景。