基于SSS结构仿真的F-P腔磁流体填充光纤传感器研究

王炳森，董津霆，金硕巍

（东北大学信息科学与工程学院，辽宁沈阳，110819）

0 引言

光纤传感技术的研究和发展已有近四十年的历史，目前已经成为传感器技术中的一个重要分支。其采用光作为信息的载体，用光纤作为传递信息的媒介，根据光谱的波长偏移等方法进行计算。既具有光学测量的特点，又具有其他独特的优点。因此，光纤传感器广泛应用于人们的生产生活当中，如电力系统中，温度、电流等的测量，以及日常生活中对压力、流量、温度、磁场等量的测量，对人们的生产测量具有重要的意义。

目前，主要使用的光纤传感器主要分为：干涉型光纤传感器[1]、光纤光栅传感器[2]、光纤SPR传感器[3]。为了提高光纤传感器的测量精度，人们提出了各种方法，改变光纤材质结构，改变制作工艺，提高解耦合技术。其中之一就是对光纤传感器的传感介质进行不同的材质填充研究。磁流体[4]（Magnetic fluids，MF）是一种新型材料，既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性。它具有许多独特的光特性，如双折射效应、场依赖透射特性和磁致折变效应[5]等且没有磁滞现象。正因为磁流体的这些无与伦比的光特性，可以大胆构想将其使用于光纤传感器传感介质的填充这一应用。希望可以通过磁流体的多种特性来改变光线在光纤中的路径，透光率等等效应，从而实现提高磁场测量精度这一功能。

本文首先对传统的SSS结构光纤的性质进行仿真实验验证，然后在实验室内，以F-P腔的光纤结构为基础，进行了磁流体的填充，成功实现了对F-P腔光纤传感器进行磁流体填充的技术实现，进而对磁场的检测有着重要意义。

1 SSS光纤传感器仿真研究

1.1 SSS光纤传感结构特点

光纤传感器可以得到光的相位信号，需要对将相位信号转换为光的强度信号。常用的方法主要就是干涉法，目前用于光相位解调的干涉方法很多：双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、环形干涉法等。本文研究的是常用的双光束干涉仪马赫-增德尔[6]（Mach Zehnder，M-Z）光纤干涉装置。

SSS光纤传感结构属于马赫-增德尔干涉型光纤传感器结构的一种，也是最为基础简单的马赫-增德尔传感器结构。它是通过在引入单模光纤(SMF)之间错位熔接一段长度为L的单模光纤形成的。MZ光纤干涉仪主要有信号臂 （传感臂）光纤和参考臂光纤构成，信号臂光纤作为传感光纤置于被测信号的环境之中,中间使用单模光纤进行错位熔接。光纤错位熔接制作全光纤传感器最早在2008年由Tian Z.B.等人[7]提出。不同情况下，会根据加工技术来设计错位量为D，根据错位量D的大小，分为大错位量熔接和小错位量熔接。引出单模光纤之间的空气区域称为传感区域。这种单模 - 单模 - 单模 (Single mode fiber-Single mode fiber-Single mode fiber，SSS)传感结构简称为SSS传感结构（如图 1）。

图1 SSS光纤模型

一束光通过引入单模光纤传输到SSS结构中，并在第一个错位熔接点处分成两束：其中一束光在单模光纤包层中传播，另一束光在传感区域传播。当两束光通过第二个错位点时耦合在一起并从引出单模光纤传出。然后通过一些不同种类的光解耦器，进行解耦，然后根据不同的方法进行分析，即可得到我们所需要的数据。解耦器的研究发展也在逐渐发展，已经有了很多的高新技术突破。比如：动态解耦，改进粒子群优化的光纤激光器解耦控制等。

本文重点对这种SSS光纤结构进行仿真研究，从而得出光的传感特性等，得到光的干涉光谱，对其原理进行验证。

由干涉理论可以推导出以下公式：

I1和I2分别是参考臂和传感器臂中传播的光强度，Δφ是两束光之间的相位差。

自由光谱范围即为：

1.2 SSS光纤结构仿真

Rsoft光学仿真软件支持在电脑上进行各种光学仿真实验与验证，里面有完整的组件工具，可以进行宽带光与脉冲光源的计算。它的工具箱自带多种的算法，便于仿真计算实验，具有重要使用的意义。可以从Rsoft中得到仿真的光谱图，进而实现SSS结构的性质研究。

我们利用Rsoft软件的BPM模块建立SSS传感结构的仿真模型,仿真参数设置如下:SMF纤芯和包层的直径分别设置为8.2μm和125μm，SMF纤芯和包层的RI分别设置为1.4681和1.4627。黄色部分、红色部分和白色部分分别为纤芯、包层和外界环境。具体情况如图2所示。

图2 SSS 结构仿真

在SSS结构中传播的光束的传播路径和强度如图3所示，显然，光在通过第一个点位之后被分成两束，两束光在第二个点位相遇并传输一段距离后产生干涉，图像中间区域可以看到明显的干涉条纹，即出现了干涉现象，且干涉现象较为明显。通过解耦合可以进而推导出光强，从而达到测量的目的。

图3 SSS 结构光谱

经过仿真，SSS光纤传感器的结构得到良好的验证。

2 磁流体填充构想

2.1 磁流体性质研究

磁流体一般由强性的磁性粒子、表面活性剂和基液等混合成的稳定的胶状液体。磁性粒子使基液具有磁性，磁流体的磁性粒子可以由一些氧化物和特殊材质构成，常用的是四氧化三铁(Fe3O4)。基液以为主，也可以使用其他的有机溶液进行代替。表面活性剂的作用就是防止磁性粒子相互聚集，沉淀。将单个磁性颗粒的表面包裹起来，悬浮于载液中。载液不同，则所需的表面活性剂也不同。磁流体的性能主要取决于磁性粒子和载液的性能，对磁性粒子和载液的选择决定了磁流体的应用领域和范围。磁流体可长时间保持均匀的状态，在没有外部磁场的情况下，磁性纳米颗粒在基液中的分布是无序的，此时可将磁流体视为液相；当施加外部磁场时，纳米颗粒沿着磁场方向成链，链状磁流体可视为固相；因此磁流体包括固体和液体的较多性质，所以其受温度、浓度等因素影响较大。当施加的磁场强度增加时，磁链数量增加，磁流体发生固液相分离，导致磁流体有效介电常数及折射率变化。

明确磁流体与磁场的具有的特性关系是一个好的创新的基础，磁流体能否用于填充光纤的空腔需要先对其性质进行明确。为此，本文搭建了一个磁场发生器去研究磁流体的折射率与磁场大小的关系。磁场发生器包括多种装置，风扇、水泵、冷循环管、铜丝等等。

使用IT6861B高精度可编程直流电源，为系统提供精准稳定电流，通过转换器转成交流电。根据电磁效应原理，使用高精度高斯计进行磁场测量。由铜丝缠绕并通入电流来产生磁场。由水泵将降温水在水箱、风扇、磁场发生器之间循环，并且使用温度控制开关来测量水温并控制电机启动，使磁场发生器温度尽量保持在设定数值，从而尽量降低因温度变化而带来的测量误差。

图4 搭建的磁场发生器

本文将磁流体放在磁场中，这里的磁流体要注意搅拌均匀，防止沉淀造成的部分误差。并通过并调整磁场强度大小，通过光线在其中的传导，以此来判断磁流体折射率的变化，下图是磁流体折射率随磁场强度变化而变化关系，之前磁场发生器配有了降温设施，故此处不考虑温度变化对磁流体折射率的微弱影响。

图5 磁流体与磁场的关系

从这个图中可以看出来，磁流体的折射率在一定范围内随横向磁场的变大逐步增大，然后在磁场强度大于某一数值时，其斜率逐渐平缓。也就是在一定范围内有较强的线性关系。通过对磁流体的折射率特性不断深入的研究，利用磁流体折射率与外磁场对应关系，来进行磁场传感器的设计。本文正是据此而设计的一种F-P腔光纤传感器的制作，将F-P结构光纤的腔内由空气改为磁流体。通过磁流体的性质，造成光谱波长的偏移量进行研究设计。这种测量方法对于微弱磁场变化的检测较为敏感。

2.2 F-P腔磁流体填充的制作

上文研究了SSS结构光纤的特性，但是由于SSS光纤是错位焊接，其光纤结构中间部分的传感区域在封装过程存在着磁流体填充的不便利性。

图6 SSS填充结构简图

所以本文采用F-P结构的光纤进行磁流体填充。F-P光纤传感器即法布里-珀罗 (Fabry-Perot)干涉型光纤[7]，是一种的光纤结构，它一端为入射光纤，另一段为反射光纤，两端用毛细玻璃管进行封装，中间留出一定间隙，这个间隙部分我们称之为空腔。这种结构可以实现创新的方面有很多，比如入射光纤和反射光纤材料和制作工艺的选择、反射光纤层面镀上稀有金属、空腔内填充介质等。本文就是根据F-P腔内可填充这一优势进行磁流体介质的填充。

图7 F-P 结构简图

本文的技术实现方法如下：将玻璃管两端分别接入两段光纤，一段作为导入光纤，另一段作为反射光纤。然后用胶封装住反射光纤部分（此部分均在毛细玻璃管夹上进行），从另一边滴入少量磁流体，磁流体会在大气压强的作用下吸入空腔，这样空腔中就存在了一定浓度，一定量的磁流体。然后将导入光纤封装在另一头（下图同学正在采用紫外线灯对固定在架台上面的已填充好磁流体的F-P结构光纤进行另一侧的封装，屏幕中为放大视图，便于观察）。这样就可以制作出磁流体填充的F-P结构的光纤传感结构用于后续实验使用，可以用于进行磁场的测量等。

图8 封装过程

在进行F-P腔磁流体填充的实现过程中有以下几点注意事项：

（1）磁流体浓度不可以太浓，经过我们实验发现，过浓的磁流体会导致透光性差，造成很大的测量误差，磁流体达到一定的浓度会导致不透光。

（2）一定要注意迅速实验，否则磁流体中的液体会造成挥发，最终导致磁流体失去其功效。

（3）一定要注意磁流体混合均匀，否则会出现磁流体某一部分浓度过高，造成实验偏差。

（4）一定要注意密封性良好，同时要牢固粘住，光纤很脆弱，在使用过程中注意轻拿轻放，以免折断。

（5）一定要注意温度，由于磁流体的自身性质，要注意实验过程中的温度控制，温度不可以过高，不能曝晒。

（6）一定要注意封装用的玻璃管不可以过粗，进来要和光纤进行匹配，否则容易造成实验器材的浪费以及脱落损坏。

3 总结

本文先是进行了较为传统的SSS结构光纤的仿真学习，通过仿真验证了在SSS结构中光在通过第一个焊接错位点之后被分成两束，两束光在第二个焊接错位点相遇并传输一段距离后产生干涉这一基本特性，对其测量原理有了一个粗浅的了解。

接着，从对SSS光纤结构的研究，进而结合磁流体，期望实现对SSS结构光纤进行磁流体的填充。在此基础上进行了F-P腔光纤结构的磁流体填充，实现了一种以磁流体填充的F-P腔光纤的制作。最终做出了将磁流体填充进F-P结构光纤的传感腔的实物。为使用以磁流体为填充的F-P腔传感器对磁场的测量的进一步研究打下了良好的基础。也对其他类似的光纤液体填充性实验有一定的启发性意义。

4 未来展望

随着社会发展，科技进步。新式材料不断出现，光纤传感器的发展也在不断进步。尤其是以光纤材料为主的开发，使得其在一些极端环境下也可以使用。对于其精度，测量原理改进，是否便携等方面仍然有着进一步的研究空间。本文只对SSS光纤结构进行了初步的仿真，没有进行进一步的研究进行实物制作，其传感性能仍存在一些可以提升的地方。关于磁流体填充的F-P腔，本文的技术路线也只多种多样方法中的一种。对于磁流体的更深入的性质也并未进行探讨。关于以磁流体填充的F-P腔光纤传感器对磁场测量的研究发展仍有着很大的研究空间，相信未来会有更多精度更高，制作更简单，工作环境更加广泛的光纤传感器问世！