磁流体包覆无芯-三芯-无芯光纤结构的磁场传感器

陶 宇， 牛思瑶, 冯文林*

(1. 重庆理工大学 理学院, 重庆 400054;2. 绿色能源材料技术与系统重庆市重点实验室, 重庆 400054)

1 引 言

近年来，基于磁流体(Magnetic Fluid, MF)的光纤磁场传感器的研究受到诸多重视[1]。磁流体具有独特的光学特性，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优异特点，与传统磁场传感器如磁通门磁强计、霍尔传感器、核磁共振测场仪相比，磁流体光纤磁场传感器优势明显。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，均匀地分布在基液中形成一种均匀稳定的胶体溶液[2-3]。当处于磁场环境中，磁流体被磁化，内部的纳米磁性颗粒聚集到一起，从而改变其折射率。Childs等采用磁流体覆盖在光纤表面上的方法来监测磁场，将铁磁流体封装在闪耀光纤光栅环型谐振腔内来制作磁场传感器[4-5]。重庆大学Deng[6]等人提出磁流体与迈克尔逊干涉结构结合的光纤磁场传感器，其磁场灵敏度为64.9 pm/mT。Miao[7]等人研究了一种双向光纤磁场传感器，其结构是偏芯和磁流体结合，探测到的垂直和平行光纤轴的磁场灵敏度分别是-0.025 34 dB/Oe和0.011 11 dB/Oe。Wu[8]等人将单模光纤和细芯光纤进行熔接，并结合磁流体构成细芯光纤模式干涉仪实现对磁场的检测，强度灵敏度可以达到0.058 dB/Oe。Chen[9]等人采用锥形的马赫-曾德干涉(Mach-Zehnder Interferometer, MZI)结构，并结合磁流体实现了对磁场的探测。Jia[10]等人提出基于无芯光纤级联光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的光纤磁场传感结构，在降低温度的交叉灵敏度的同时也提高了磁场灵敏度。哈尔滨工业大学的胡涛[11]等提出基于磁流体的光纤F-P传感器，实现了对电磁场的测量。哈尔滨理工大学的沈涛[12]等设计并制作了MZI集成化的全光纤磁场与温度传感器，实现了对温度和磁场的测量。杨淑连[13]等设计了一种基于FBG啁啾效应的磁场传感器, 导出了FBG的反射谱带宽与磁感应强度的关系。上述文献大多采用特种光纤和磁流体结合、复杂的光纤结构和磁流体结合等方法来实现对磁场的测量。因此，本文研究了结构简单的无芯-三芯-无芯(No-core-Three-core-No-core，NTN)光纤结构与磁流体结合的磁场传感器，实现了对磁场的精确测量。

2 基本原理

2.1 工作原理

在磁流体的众多光学特性中有一个是折射率可调即磁流体的折射率随着外界磁场的变化而变化。当外界加有磁场时，磁流体会出现固相和液相分离的现象[14]，从而导致磁流体的有效介电常数改变，进而改变磁流体的折射率。磁流体的折射率与外加磁场之间的关系为：

(1)

其中：εcol代表固相磁柱的介电常数，这和外界磁场无关；εliq代表液相的介电常数，与磁流体在外磁场作用下产生的实时等效浓度Ms.eff(原始浓度为Ms)有关[11]，f是固相和液相占磁流体总面积A比例的乘积，即：

f=(Acol/A)(1-Acol/A),

(2)

其中：Acol为固相磁柱所占的面积，1-Acol/A是液相所占的面积。随着外加磁场的增大，磁性粒子会发生团聚产生磁柱，所以固相面积增大，液相面积减小[15]。

磁流体的液相介电常数εliq为[16]：

(0.157 3Ms+1.328 3)2,

(3)

其中：Ms.eff表示磁流体的有效浓度，Ms表示磁流体的初始浓度，nMF表示磁流体的折射率。

磁流体的折射率与磁流体的有效介电常数满足关系式[17]：

(4)

由于三芯光纤纤芯的直径远小于无芯光纤(No Core Fiber, NCF)，故当光源发出的光通过传导单模光纤(Single-Mode Fiber, SMF)进入第一个NCF后大部分光进入纤芯模，剩下的光进入到三芯光纤包层模中。随后，这两束光在后一个NCF处实现模间干涉[18-19]。干涉结果由输出SMF传输到光谱分析仪进行监测。因此，透射光谱强度为[20]：

Iout(λ)=

(5)

其中：Ia和Ib分别为芯模和包层模中的光强，2πΔneffL/λ是三芯光纤的纤芯模式和包层模式的相位差，Δneff为芯模和包层模的有效折射率差，L为中间段的三芯光纤长度。当相位差2πΔneffL/λ=(2m+1)π(m是正整数)时发生相消干涉，由公式(5)可得干涉透射光谱中干涉波谷对应的波长为[21]：

λf=2ΔneffL/(2m+1).

(6)

由式(1)～式(4)可以计算出磁流体的折射率。外界环境(磁场) 的变化不会引起三芯光纤芯模的有效折射率变化，但会引起包层模的有效折射率变化。由式(1)～式(4)可知，当磁场强度改变时f会发生变化，f的改变会导致磁流体的折射率发生变化，而磁流体包裹着NTN传感结构，故被磁流体包裹着的三芯光纤的包层模有效折射率会改变，从而造成Δneff的改变，由式(6)可知干涉谷波长会发生偏移。

在磁流体中施加适当的外部磁场时，磁流体的粒子会发生团聚。在这一区域，由于磁流体的吸收，部分光消失，从而减弱了倏逝场的强度；同时，可以通过改变所施加磁场的强度来调节衰减程度，因为当外部磁场施加超过一定的临界值时，磁流体内会形成团聚体[22]。这将增强磁流体的吸收并提高散射系数，减少了倏逝场通过磁流体的透射光[23]。因此，可以通过改变施加的外部磁场的强度来调制总出射光强度。入射光通过传感器的损耗可表示为[24]：

DH=D0exp(-ras),

(7)

其中：DH和D0分别是有磁场和无磁场时的透射光谱强度；r是倏逝场的功率与总传播光场的功率之比；α是磁流体的消光系数；s是沿光轴毛细管中磁流体的长度。由式(7)可知，参数r，α和s可用来调制透射光谱强度，其中磁流体的消光系数α可通过外部施加的磁场改变。因此，通过测量波长位移或功率衰减，可测量出相应的磁场强度。

2.2 传感结构制作

本文提出了一种基于磁流体包覆的无芯-三芯-无芯的磁场传感器，并进行了实验验证。图1(a)为NTN传感结构示意图。一段较长的三芯光纤两端和极短的两段无芯熔接构成无芯-三芯-无芯光纤传感结构。图1(b)是三芯光纤的端面示意图，三芯光纤由三个纤芯构成多芯单模光纤，三个纤芯之间的距离w=41.5 μm。NTN传感结构的中间部分是长为50 mm，纤芯直径d=9 μm的三芯光纤，其包层直径是125 μm，两端是长为2 mm，直径为125 μm的无芯光纤。

图1 磁场传感元件Fig.1 Schematic diagrams of magnetic field sensing element

通过熔接机中的单模-多模熔接程序，按无芯-三芯-无芯的顺序熔接好传感结构，熔接损耗接近于0 dB。然后，将制作好的NTN传感结构一端和传导SMF用熔接机的单模-多模熔接程序熔接好后，插入内径为0.3 mm，长为70 mm的毛细管中，再用熔接机将NTN传感结构另一端和另一条传导SMF用相同的熔接程序熔接好，这个过程中光纤的熔接损耗仍然接近0 dB。

将磁流体吸入注射器中缓慢滴在毛细管口，借助毛细管张力的作用，磁流体逐渐充满毛细管并环绕在传感光纤结构周围，最后用紫外固化胶对传感结构进行封装，将固化胶滴在毛细管的两端口，再用紫外灯进行照射直至紫外胶固化密封住端口，这样保证了磁流体的水流性。实验用的磁流体为水基磁流体(浙江嘉善嘉诚磁性材料厂)，在常温(25 ℃)时的密度为1.27 g/cm3，其纳米磁性颗粒的直径是10 nm，被磁化时达到的最大磁化强度约为20 mT。

3 实验结果与讨论

图2是测试NTN结构的磁场传感器实验装置。实验所用的宽带光源是C+L波段光源(BBS, ASE-C/L-D-17-FA)，其输出波长为1 530～1 630 nm。发出的光经过传导SMF传输进NTN传感结构，透射光谱由分辨率0.1 nm的光谱分析仪(OSA,YOKOGAWAAQ6370D)监测。该传感实验是在常温(25 ℃)下进行的。实验所需磁场是由(100 mm×10 mm×10 mm)永久钕磁铁产生的，将磁铁中心和毛细管对齐平行放置，通过控制与毛细管的距离来改变磁场强度并用精确度为0.1 mT的特斯拉计(TS)实时测量。

图2 磁场传感实验装置Fig.2 Magnetic field experimental setup

图3给出了无芯-三芯-无芯光纤传感结构在不同磁场强度下(0～20 mT)测得的透射光谱，从0 mT开始测量，磁场强度的间隔是2 mT。为了保证光谱的稳定性，每条光波都是在磁场强度变化后1 min再记录的。从图中可以看出，在1 606 nm附近的波谷处，透射谱波长向长波移动即产生红移且随着磁场的增大红移现象更加明显，波长偏移量也更大；此外，在该波长附近的波谷处，光谱强度随着磁场的增大而增加。

图3 NTN传感结构在不同磁场强度下的透射谱Fig.3 Transmission spectra of NTN sensor structures at different magnetic field intensities

图4 NTN结构在1 606 nm附近的波长漂移Fig.4 Wavelength shift of NTN structure near 1 606 nm

图4为波长约为1 606 nm的波谷的放大图，可以看出波谷波长的漂移变化和磁场强度的关系，并在一定的磁场强度范围内对其关系进行线性拟合处理。由图4可知，在8～16 mT的磁场强度内，波长从1 606.3～1 606. 8 nm单调增加，从整体上看波长漂移和磁场强度变化的关系是非线性的，但在磁场强度为8～16 mT内，磁场传感器的波谷波长漂移响应呈现良好的线性关系，对应的波长灵敏度是68.57 pm/mT。

由图3和图4可知，随着磁场的增加，波谷波长向长波方向移动。其原因是，当外界磁场强度增加，在没达到磁流体饱和磁化强度20 mT时，由式(3)～式(6)可知磁流体的折射率也随之增大，但在本实验中的磁流体折射率始终小于三芯光纤的折射率，故在这种情况下，磁流体会吸收更多在三芯光纤包层模中传输的光，因此包层模的模场能量减小，从而造成三芯光纤的包层模的有效折射率减小[25]。而芯模的有效折射率不变，所以Δneff增大，故从式(6)可得，波谷波长将发生红移，和实验结果一致。

图5 NTN结构在1 606 nm附近的功率衰减Fig.5 Power attenuation of NTN structure near 1 606 nm

图5清晰地展示出波长在1 606 nm附近的波谷光谱强度变化与磁场强度的关系。从图5中可以看出，在0～20 mT的磁场强度内光谱强度损耗从13.669变到23.279 dB呈上升趋势。虽然整体上是非线性的，但在磁场强度为8～16 mT内，波谷光谱强度变化与磁场强度的变化几乎是线性的，线性度高达0.993 79。在图5中也可以看出相对强度损耗与磁场强度的关系，相对强度损耗定义为[(D0-DH)/D0]×100%。由图5可知，在磁场强度为8～16 mT内，强度灵敏度为0.828 7 dB/mT或者6.06%/mT。该强度灵敏度高于文献[26]中类似结构的磁场传感器的强度灵敏度(0.193 9 dB/mT),也高于文献[27]中报道的单模-无芯-单模光纤结构的强度灵敏度(0.748 dB/mT)。

4 结 论

本文研究并验证了一种NTN光纤结构和磁流体结合的磁场传感器，用直径为125 μm的无芯光纤代替传统意义上的多模光纤，增强了模间干涉；MF的消光系数可以通过外界磁场的改变而变化，从而导致NCF与MF交界面附近的倏逝场周围的光通过NCF时产生不可忽略的衰减。通过测量波长漂移或功率衰减，可以测量出相应的磁场强度。该磁场传感器在磁场强度是8～16 mT，波长为1 606 nm附近的波长漂移灵敏度是68.57 pm/mT，对应的强度灵敏度是0.828 7 dB/mT，优于现有的磁场传感器。