磁流体光透射特性的影响因素及在光传感的应用

苑宝义 陶丹 薛海龙 苑永生 张浩 苑泽 高爱荣

摘 要：本文详细综述了不同因素对磁流体光透射特性的影响，以及基于磁流体光透射特性的光传感器研究进展。最后，对磁流体的光透射特性的应用前景进行了介绍。

关键词：磁流體；光透射特性；磁场；传感器

本文对磁流体在外磁场作用下的光透射特性进行了详细论述，包含对研究方法的概括和不同影响因素下磁流体表现出的丰富的光透射特性的分析总结。磁流体的光透射率受很多方面因素的影响，如纳米磁性颗粒的粒径、磁流体粒子浓度、磁流体薄膜厚度以及环境温度等。

1 磁流体光透射的影响因素研究

影响磁流体的光透射特性的因素有很多方面，比如：粒子直径、粒子体积浓度、磁流体薄膜厚度以及环境温度等。

1.1 粒子直径与光透射率

Narsinga Rao G[1]等人通过共沉淀法制备了颗粒尺寸为7nm、9nm和12nm的磁流体样品，对不同颗粒尺寸下磁流体薄膜的光透射特性进行了研究。

对于一个给定的磁流体薄膜厚度，磁性颗粒直径为7nm和9nm时，透射率随外磁场的增加而增加，而磁性颗粒直径为12nm，透射率会随之下降。在不同磁场作用下，这种不同微观结构是平衡范德华作用力和磁偶极子—磁偶极子之间的作用力而产生的。当磁性颗粒直径大于10nm，磁偶极子间的磁引力占主导地位，而对于更小的尺寸，范德华作用就会相对更重要一些。

1.2 粒子浓度与光透射率

Rousan[2]和Horng H E[3]等人分别研究了磁流体浓度对其光透射特性的影响，实验都发现，随着磁流体浓度的升高，磁流体的透射功率逐渐减小。

Horng H E指出磁场强度由0增加至20Oe，对应磁流体薄膜内部结构由一种单分散状态发展到有序的链状结构，最后达到一种稳定结构。绘制出了磁链之间的间距随着外加磁场的变化而变化的曲线。磁场由0增加至200Oe，对应相邻磁链之间的间距由2.41um减少到1.83um。

1.3 薄膜厚度与透射率

Horng H E[4]等人研究了在垂直磁场作用下，磁流体薄膜的光学透射特性。在给定磁场H作用下，透射率I/I0随薄膜厚度L增加而呈指数趋势下降，大致关系就是I/I0=exp（L/δ）。其中，δ表示衰减距离，L为薄膜厚度。磁场增加会导致δ减小，透射率I/I0会随之减小。L增加，I/I0H曲线移动到透射率较低的区域，因为光通过薄膜所走的路径相对加长了。

2009年赵韦人[5]等人解释了磁场作用下薄膜厚度的影响机理，发现不同薄膜厚度，其透射特性有所不同。随着磁场强度的增加，薄膜厚度较小的薄层透射特性先略微减小，后迅速减小，然后缓慢变化趋于稳定；而薄膜厚度较大的薄层则快速减小，后缓慢减小，然后缓慢增加并趋于稳定。

1.4 环境温度与透射率

上海交通大学Zhang Dongchen[6]等人解释了磁流体光透射特性对温度依赖性的物理机制，实验测量了光透射率随环境温度变化而引起的变化，未加磁场时磁流体的光透射率随温度的升高呈指数增长趋势。在磁场强度不变时，随温度的升高，热扰动效应会放大，这就抑制了磁链的形成，因此透射率就会增加。

2 磁流体光透射特性在光传感器方面的应用

磁流体呈现出的光透射率可调谐特性在光调制、光开关和传感器等领域都有着重要的应用前景，文中就综述了基于磁流体光透射特性的传感器研究进展。

2.1 电流和磁场传感器

2007年陆樟献[7]等人设计了一种用磁流体薄膜对高压电流进行光学测量的电流和磁场传感器，如图1所示。实验系统中采用双光路测量系统，一条光路通过调节螺旋线圈上的电流来调节所施加磁场的大小，另一条光路不受磁场影响，双光路的光强度之比反映了所施加磁场的变化，从而反映出电流强度的变化。利用双光路的设计能有效消除光功率波动以及环境温度变化对测量的影响，提高了系统的稳定性和灵敏度。

图1 双光路磁场和电流测量系统

图2 磁场和电流检测系统原理图

2010年庞冲[8]通过分析磁流体的光透射特性，设计了磁场和电流检测系统，图2所示。磁流体薄片上所施加磁场的改变引起透射光强度的变化，磁场强度与电流强度的关系又满足毕奥萨伐尔定律，实验得出透射光强度比值与电流强度的关系为P/P0=-0.5212I+1.0842，可以通过测量磁流体薄膜的光透射强度，得到被测电流强度的大小。

2015年陶丹[9]搭建了基于磁流体的双光路实验系统结构，对磁流体的光学透射特性进行了实验研究。双光路系统抵消了光源的功率波动及环境的温度变化对光透射特性的影响。这对磁流体在电流及磁场方面的应用研究具有重要价值。

2.2 温度传感器

在外加磁场不发生变化的情况下，磁流体薄膜所处的环境温度变化，透射率也会随之产生变化。基于这一点，Zhang Dongchen[10]等人提出了一种温度传感器的全新设计，系统原理图如图3。外部环境温度高于60℃时，此传感器具有良好的灵敏度，能达到4.0%/℃，此时热运动相对于磁相互吸引占主导地位。

图3 温度传感系统原理图

3 结语

通过对磁流体薄膜的光透射特性介绍，以及对光透射特性研究方法的分析，表明磁流体的光透射特性具有较大的研究价值。对于磁流体光透射特性的研究以及光学应用已经取得了很多成果，但是大部分都只停留在实验室阶段，对于磁流体应用细节的进一步研究还有很多空间。特别是在不同的粒子直径、不同的粒子浓度、薄膜厚度、以及不同的磁场方向、温度变化等方面可以展开进一步的传感应用研究。

参考文献：

[1] Narsinga Rao G，Yao Y D，Chen Y L，et al. Particle size and magnetic fieldinduced optical properties of magnetic fluid nanoparticles[J]. Physical Review. E，2005，72：031408（14）.

[2] Rousan A A，Yusuf N A. On the concentration dependence of light transmission in magnetic fluids[J]. IEEE Transactions on Magnetics，1988，24（2）：16531655.

[3] Horng H E，Yang S Y，Lee S L. Magnetochromatics of the magnetic fluid film under a dynamic magnetic field[J]. Applied Physics Letters，2001，79（3）：350352.

[4] Horng H E，Yang S Y，Tse W S，et al. Magnetically modulated optical transmission of magnetic fluid films[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Material，2002，252：104106.

[5] 趙韦人，孙长军，张伟，等. 磁场调制的水基四氧化三铁磁流体的光学透射率[J]. 广东工业大学学报，2009，26（4）：00300033.

[6] Zhang Dongchen，DiZiyun，Zou Yun，et al. Temperature Dependence of the Optical Transmission of aMagnetic Fluid with an Applied Magnetic Field[J]. Journal of the Korean Physical Society，2009，55（32）：12591262.

[7] 陆樟献，陈善飞，陈建萍. 磁性流体薄片高电压电流光学测量的研究[J].光学学报，27（6）：10491051.

[8] 庞冲.基于磁流体光透射性的电流检测技术研究[D].东北：东北大学，2011：4356.

[9] 陶丹，杨志，张浩，等.基于双光路的磁流体光透射特性研究[J].光通信技术，2015.

[10] Zhang Dongchen，Di Ziyun，Zou Yun，et al. Temperature sensor using ferrofluid thin film[J].Microfluid and nanofluid，2009，7（1）：141144.

资助项目：河北省科技计划项目15212103D

作者简介：苑宝义，高级工程师，主要从事光电缆光电网领域的研究工作。