基于磁流體與混并式LPFG磁場傳感器的研究

吳 磊，葛海波，張 杰，陳 浩（西安郵電大學電子工程學院，西安710061）

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基于磁流體與混并式LPFG磁場傳感器的研究

吳 磊，葛海波，張 杰，陳 浩
（西安郵電大學電子工程學院，西安710061）

摘要：針對以往磁場測量方案對溫度考慮的不足，提出一種可同時測量磁場和溫度的實驗方案。首先描述了該方案的實驗步驟（包括探頭制作和測試系統搭建）及其可行性分析；然后通過實驗對本傳感器的磁場特性和溫度特性進行研究；最后根據實驗結果總結出了可以同時測量磁場和溫度的矩陣公式，解決溫度交叉敏感問題。

關鍵詞：磁場傳感；磁場測量；溫度測量；交叉敏感

0　引言

磁場傳感技術是當前國際研究與應用的一個熱點方向，近幾十年來已得到了迅速發展［1～3］。對光電子器件靈敏度和測量范圍的研究一直是個熱點和難點，現已有技術證明采用磁流體滲透進微結構光纖光柵（MOF）空氣孔的辦法可提高器件的靈敏度［4］和擴大測量范圍［5］。因此，本文將采用這種技術以制作磁場傳感探頭。在磁場傳感的過程中，由于外界溫度的影響一直存在，我們必須考慮這一因素［6］。在2012年祖朋等人提出了一種基于納米顆粒的磁流體和微結構光纖溫度不敏感的磁場傳感器［7］，這種傳感器具有很好的溫度免疫特性，但選用的磁流體具有很高的濃度。在工業上，把高濃度磁流體滲進MOF的空氣孔是很不容易實現的。故本文在選用磁流體時將會考慮濃度等因素?；谏鲜隼碚?，本文提出了基于酯基磁流體與混并式LPFG（MLPFG）的磁場傳感器；選用濃度適中的Fe3O4酯基磁流體，以確保在封裝時可以很好地滲透進MOF的空氣孔中。

1　系統測試裝置及原理

1.1制作傳感探頭和測試裝置的搭建

制作傳感探頭如圖1所示。制作傳感探頭過程如下：①首先采用光纖熔接機將微結構光纖和單模光纖進行熔接，然后使用CO2［8］在熔接點500μm處進行照射形成柵格，制成MLPFG，使得制成的柵格長度在單模光纖和微結構光纖上分別為10mm和15mm。②使用一根長為100mm的毛細管作為磁流體的封裝容器，其外徑為500μm，內徑為300μm。將上述MLPFG與磁流體一起封裝進毛細管，用石蠟對毛細管的兩端進行密封。磁流體的液體長度應大于70mm，以確保MLPFG完全浸入磁流體中。

圖1　傳感器探頭示意圖

磁流體選的是以Fe3O4為酯基的磁流體。在30℃時，其粘度為79～85cp，納米顆粒的濃度為33%，磁性粒子的平均直徑為10nm，飽和磁化強度為800Oe，載液折射率為1.4503。

系統測試裝置搭建如圖2所示。系統測試裝置光源采用具有較大輸出頻譜范圍（600～1700nm）的超連續光源，利用光譜分析儀對輸出光譜進行檢測；使用通電的直流線圈產生大小可控的磁場，磁場強度的分辨率應大于0.1Gs；將傳感探頭放置在所施加磁場的中心，確保變化的磁場能夠準確通過；實驗溫度控制在28℃，上下幅度應小于0.1℃。

圖2　系統測試裝置

1.2系統原理驗證

LPFG的周期通常大于100μm，其原理是將前向傳輸的基模耦合至前向傳輸的P階包層模中，在傳輸一段距離之后將其衰減掉。其相位匹配條件［9］應滿足以下條件：

式（1）中，Λ為光纖光柵的均勻周期，λres為諧振波長，nco和ncl分別是纖芯和包層模的有效折射率。

文獻［10，11］已利用有限元法對LPFG在磁場中的響應進行了分析，并考慮SiO2材料波導色散因素，分析了MOF及單模光纖光柵（SMF）在磁流體中的傳播模式。因此，通過一定理論計算，我們得到當外界環境折射率從1增加到1.45時，MLPFG的諧振波長偏移曲線分別向長波長方向、短波長方向移動。兩個不同方向的移動分別來自MOF和SMF，這是由于它們自身的結構造成的。因此在理論上MLPFG具備兩種光纖光柵的共同特點。

圖3為傳感探頭注入磁流體前后MLPFG的諧振波長移動圖。從圖中我們可以觀察到具有4個諧振傾角，可以看出注入磁流體后曲線的位移有了一定的移動，這是因為磁流體的折射率比空氣稍大。同時實虛曲線中的前三個諧振傾角來自于MOF的纖芯與包層的模式耦合，而最后一個諧振傾角來自于SMF的纖芯與包層的模式耦合。因此，實驗結果與我們的預想基本一致，故該傳感器可以用于對磁場進行傳感測量。

圖3　注入磁流體前后，MLPFG的諧振波長移動曲線

2　傳感器對磁場溫度特性的實驗

2.1傳感器的磁場特性實驗

圖4　磁場強度與諧振波長位移的關系

實驗過程中，當接通電源后，傳感器會產生變化的磁場，強度從0增大到750Oe。磁場靈敏度分別設定為0.008nm/Oe和-0.052nm/Oe。該磁流體的飽和磁化強度為800Oe。實驗結果如圖4所示，當外界磁場從0增大到750Oe時，兩條諧振曲線呈現一次線性關系。由于光纖光柵的混并式結構，因此傳感器具有兩組靈敏度，光柵的諧振波長呈現出兩種移動方向。隨著磁場強度的增強，將會在800Oe附近發生磁化飽和現象。實驗結果表明，該傳感器對外界磁場的變化很敏感，具有很大的線性調諧范圍，測量精度接近1.0。因此，通過測量傳感器的諧振諧振波長偏移量即可獲得外界磁場強度。

圖5　溫度變化與諧振波長位移的關系

2.2傳感器的溫度特性實驗

本文選室內作為試驗場地，外界溫度從15℃增加到45℃，采用兩組溫度敏感度分別為-0.0449nm/℃和0.0379nm/℃進行實驗測量。實驗結果如圖5所示，當外界溫度從15℃增加到45℃時，光柵的諧振波長移動量與溫度的變化基本呈現一次線性關系。由于光柵的結構，諧振波長移動也具有兩種方向，擬合精度分別達到0.9891和0.9870。兩種精度都幾乎接近1.0。故該傳感器在感溫方面具有較寬的線性調諧范圍，在15℃～45℃的環境中可具有良好的測量精度。

2.3實驗結果總結

通過對傳感器與磁場、與溫度的變化曲線的分析可以發現，該傳感器在測量磁場方面范圍廣 （0～750Oe），在感溫方面也具有很大的線性感溫區域（15℃～45℃）。同時在這兩種范圍內，其諧振波長的移動量與磁場變化、溫度變化均呈現一次線性關系。因此，通過上述實驗和理論計算，我們得到了可以同時計算溫度和磁場變化量的矩陣公式。

式（2）中，Δλ1和Δλ2是（A，B）兩組諧振波長偏移量。KB1和KT1分別為A組的磁場敏感強度和溫度敏感度，其中，KB1=-0.0052nm/Oe和KT1=-0.0449nm/℃。KB2和KT2分別為B組的磁場敏感強度和溫度敏感度，其中，KB2=0.008nm/Oe和KT2=0.0379nm/℃。

3　結束語

本文通過實驗對基于磁流體與MLPFG的磁場傳感器進行了分析。實驗結果表明，該傳感器對磁場和溫度的變化都很敏感，并且都具有很寬的線性調諧范圍。由于該傳感器采用了光纖光柵的混并式結構，因此對于磁場強度和環境溫度將分別具有了兩組不同的靈敏度。根據這兩組靈敏度和本文總結的矩陣公式，即可同時獲得外界磁場和溫度的變化量，實現了溫度與磁場的同時測量。

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中圖分類號：TN98

文獻標識碼：A

文章編號：1002-5561（2016）06-0050-03

DOI：10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.06.015

收稿日期：2016-01-18。

基金項目：陜西省自然科學研究基金項目（2011JM8038）資助。

作者簡介：吳磊 （1991-），男，碩士研究生，主要從事光纖通信與光纖傳感方面的研究。

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