基于磁流体与混并式LPFG磁场传感器的研究

吴 磊，葛海波，张 杰，陈 浩（西安邮电大学电子工程学院，西安710061）



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基于磁流体与混并式LPFG磁场传感器的研究

吴 磊，葛海波，张 杰，陈 浩
（西安邮电大学电子工程学院，西安710061）

摘要：针对以往磁场测量方案对温度考虑的不足，提出一种可同时测量磁场和温度的实验方案。首先描述了该方案的实验步骤（包括探头制作和测试系统搭建）及其可行性分析；然后通过实验对本传感器的磁场特性和温度特性进行研究；最后根据实验结果总结出了可以同时测量磁场和温度的矩阵公式，解决温度交叉敏感问题。

关键词：磁场传感；磁场测量；温度测量；交叉敏感

0　引言

磁场传感技术是当前国际研究与应用的一个热点方向，近几十年来已得到了迅速发展［1～3］。对光电子器件灵敏度和测量范围的研究一直是个热点和难点，现已有技术证明采用磁流体渗透进微结构光纤光栅（MOF）空气孔的办法可提高器件的灵敏度［4］和扩大测量范围［5］。因此，本文将采用这种技术以制作磁场传感探头。在磁场传感的过程中，由于外界温度的影响一直存在，我们必须考虑这一因素［6］。在2012年祖朋等人提出了一种基于纳米颗粒的磁流体和微结构光纤温度不敏感的磁场传感器［7］，这种传感器具有很好的温度免疫特性，但选用的磁流体具有很高的浓度。在工业上，把高浓度磁流体渗进MOF的空气孔是很不容易实现的。故本文在选用磁流体时将会考虑浓度等因素。基于上述理论，本文提出了基于酯基磁流体与混并式LPFG（MLPFG）的磁场传感器；选用浓度适中的Fe3O4酯基磁流体，以确保在封装时可以很好地渗透进MOF的空气孔中。

1　系统测试装置及原理

1.1制作传感探头和测试装置的搭建

制作传感探头如图1所示。制作传感探头过程如下：①首先采用光纤熔接机将微结构光纤和单模光纤进行熔接，然后使用CO2［8］在熔接点500μm处进行照射形成栅格，制成MLPFG，使得制成的栅格长度在单模光纤和微结构光纤上分别为10mm和15mm。②使用一根长为100mm的毛细管作为磁流体的封装容器，其外径为500μm，内径为300μm。将上述MLPFG与磁流体一起封装进毛细管，用石蜡对毛细管的两端进行密封。磁流体的液体长度应大于70mm，以确保MLPFG完全浸入磁流体中。

图1　传感器探头示意图

磁流体选的是以Fe3O4为酯基的磁流体。在30℃时，其粘度为79～85cp，纳米颗粒的浓度为33%，磁性粒子的平均直径为10nm，饱和磁化强度为800Oe，载液折射率为1.4503。

系统测试装置搭建如图2所示。系统测试装置光源采用具有较大输出频谱范围（600～1700nm）的超连续光源，利用光谱分析仪对输出光谱进行检测；使用通电的直流线圈产生大小可控的磁场，磁场强度的分辨率应大于0.1Gs；将传感探头放置在所施加磁场的中心，确保变化的磁场能够准确通过；实验温度控制在28℃，上下幅度应小于0.1℃。

图2　系统测试装置

1.2系统原理验证

LPFG的周期通常大于100μm，其原理是将前向传输的基模耦合至前向传输的P阶包层模中，在传输一段距离之后将其衰减掉。其相位匹配条件［9］应满足以下条件：

式（1）中，Λ为光纤光栅的均匀周期，λres为谐振波长，nco和ncl分别是纤芯和包层模的有效折射率。

文献［10，11］已利用有限元法对LPFG在磁场中的响应进行了分析，并考虑SiO2材料波导色散因素，分析了MOF及单模光纤光栅（SMF）在磁流体中的传播模式。因此，通过一定理论计算，我们得到当外界环境折射率从1增加到1.45时，MLPFG的谐振波长偏移曲线分别向长波长方向、短波长方向移动。两个不同方向的移动分别来自MOF和SMF，这是由于它们自身的结构造成的。因此在理论上MLPFG具备两种光纤光栅的共同特点。

图3为传感探头注入磁流体前后MLPFG的谐振波长移动图。从图中我们可以观察到具有4个谐振倾角，可以看出注入磁流体后曲线的位移有了一定的移动，这是因为磁流体的折射率比空气稍大。同时实虚曲线中的前三个谐振倾角来自于MOF的纤芯与包层的模式耦合，而最后一个谐振倾角来自于SMF的纤芯与包层的模式耦合。因此，实验结果与我们的预想基本一致，故该传感器可以用于对磁场进行传感测量。

图3　注入磁流体前后，MLPFG的谐振波长移动曲线

2　传感器对磁场温度特性的实验

2.1传感器的磁场特性实验

图4　磁场强度与谐振波长位移的关系

实验过程中，当接通电源后，传感器会产生变化的磁场，强度从0增大到750Oe。磁场灵敏度分别设定为0.008nm/Oe和-0.052nm/Oe。该磁流体的饱和磁化强度为800Oe。实验结果如图4所示，当外界磁场从0增大到750Oe时，两条谐振曲线呈现一次线性关系。由于光纤光栅的混并式结构，因此传感器具有两组灵敏度，光栅的谐振波长呈现出两种移动方向。随着磁场强度的增强，将会在800Oe附近发生磁化饱和现象。实验结果表明，该传感器对外界磁场的变化很敏感，具有很大的线性调谐范围，测量精度接近1.0。因此，通过测量传感器的谐振谐振波长偏移量即可获得外界磁场强度。

图5　温度变化与谐振波长位移的关系

2.2传感器的温度特性实验

本文选室内作为试验场地，外界温度从15℃增加到45℃，采用两组温度敏感度分别为-0.0449nm/℃和0.0379nm/℃进行实验测量。实验结果如图5所示，当外界温度从15℃增加到45℃时，光栅的谐振波长移动量与温度的变化基本呈现一次线性关系。由于光栅的结构，谐振波长移动也具有两种方向，拟合精度分别达到0.9891和0.9870。两种精度都几乎接近1.0。故该传感器在感温方面具有较宽的线性调谐范围，在15℃～45℃的环境中可具有良好的测量精度。

2.3实验结果总结

通过对传感器与磁场、与温度的变化曲线的分析可以发现，该传感器在测量磁场方面范围广 （0～750Oe），在感温方面也具有很大的线性感温区域（15℃～45℃）。同时在这两种范围内，其谐振波长的移动量与磁场变化、温度变化均呈现一次线性关系。因此，通过上述实验和理论计算，我们得到了可以同时计算温度和磁场变化量的矩阵公式。

式（2）中，Δλ1和Δλ2是（A，B）两组谐振波长偏移量。KB1和KT1分别为A组的磁场敏感强度和温度敏感度，其中，KB1=-0.0052nm/Oe和KT1=-0.0449nm/℃。KB2和KT2分别为B组的磁场敏感强度和温度敏感度，其中，KB2=0.008nm/Oe和KT2=0.0379nm/℃。

3　结束语

本文通过实验对基于磁流体与MLPFG的磁场传感器进行了分析。实验结果表明，该传感器对磁场和温度的变化都很敏感，并且都具有很宽的线性调谐范围。由于该传感器采用了光纤光栅的混并式结构，因此对于磁场强度和环境温度将分别具有了两组不同的灵敏度。根据这两组灵敏度和本文总结的矩阵公式，即可同时获得外界磁场和温度的变化量，实现了温度与磁场的同时测量。

参考文献：

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中图分类号：TN98

文献标识码：A

文章编号：1002-5561（2016）06-0050-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.015

收稿日期：2016-01-18。

基金项目：陕西省自然科学研究基金项目（2011JM8038）资助。

作者简介：吴磊 （1991-），男，硕士研究生，主要从事光纤通信与光纤传感方面的研究。

Research on Mixed LPFG magnetic field sensor based on the magnetic fluid ester

WU Lei，GE Hai-bo，ZHANG Jie，CHEN Hao
（School of Electronic Engineering，Xi'an University of Posts and Telecommunications，Xi'an 710061，China）

Abstract：For lack of temperature field measurement programs considered in the past，the paper proposed an experimental program can simultaneously measure the magnetic field and temperature.First the paper described the experimental procedure of the program（including the production of probes and test system set up）and feasibility analysis，then studied the magnetic field and temperature characteristics of the sensor by experiment.The experimental results showed that can simultaneously measure the magnetic field and temperature matrix formula to achieve cross-sensitivity to temperature solution.

Key words：magnetic field sensing，magnetic field measurement，temperature measurement，cross-sensitive