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

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基于磁流體與混并式LPFG磁場(chǎng)傳感器的研究

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

摘要：針對(duì)以往磁場(chǎng)測(cè)量方案對(duì)溫度考慮的不足，提出一種可同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)和溫度的實(shí)驗(yàn)方案。首先描述了該方案的實(shí)驗(yàn)步驟（包括探頭制作和測(cè)試系統(tǒng)搭建）及其可行性分析；然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)本傳感器的磁場(chǎng)特性和溫度特性進(jìn)行研究；最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出了可以同時(shí)測(cè)量磁場(chǎng)和溫度的矩陣公式，解決溫度交叉敏感問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：磁場(chǎng)傳感；磁場(chǎng)測(cè)量；溫度測(cè)量；交叉敏感

0　引言

磁場(chǎng)傳感技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際研究與應(yīng)用的一個(gè)熱點(diǎn)方向，近幾十年來(lái)已得到了迅速發(fā)展［1～3］。對(duì)光電子器件靈敏度和測(cè)量范圍的研究一直是個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)，現(xiàn)已有技術(shù)證明采用磁流體滲透進(jìn)微結(jié)構(gòu)光纖光柵（MOF）空氣孔的辦法可提高器件的靈敏度［4］和擴(kuò)大測(cè)量范圍［5］。因此，本文將采用這種技術(shù)以制作磁場(chǎng)傳感探頭。在磁場(chǎng)傳感的過(guò)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(jié)構(gòu)光纖溫度不敏感的磁場(chǎng)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(yè)上，把高濃度磁流體滲進(jìn)MOF的空氣孔是很不容易實(shí)現(xiàn)的。故本文在選用磁流體時(shí)將會(huì)考慮濃度等因素。基于上述理論，本文提出了基于酯基磁流體與混并式LPFG（MLPFG）的磁場(chǎng)傳感器；選用濃度適中的Fe3O4酯基磁流體，以確保在封裝時(shí)可以很好地滲透進(jìn)MOF的空氣孔中。

1　系統(tǒng)測(cè)試裝置及原理

1.1制作傳感探頭和測(cè)試裝置的搭建

制作傳感探頭如圖1所示。制作傳感探頭過(guò)程如下：①首先采用光纖熔接機(jī)將微結(jié)構(gòu)光纖和單模光纖進(jìn)行熔接，然后使用CO2［8］在熔接點(diǎn)500μm處進(jìn)行照射形成柵格，制成MLPFG，使得制成的柵格長(zhǎng)度在單模光纖和微結(jié)構(gòu)光纖上分別為10mm和15mm。②使用一根長(zhǎng)為100mm的毛細(xì)管作為磁流體的封裝容器，其外徑為500μm，內(nèi)徑為300μm。將上述MLPFG與磁流體一起封裝進(jìn)毛細(xì)管，用石蠟對(duì)毛細(xì)管的兩端進(jìn)行密封。磁流體的液體長(zhǎng)度應(yīng)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(shí)，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(qiáng)度為800Oe，載液折射率為1.4503。

系統(tǒng)測(cè)試裝置搭建如圖2所示。系統(tǒng)測(cè)試裝置光源采用具有較大輸出頻譜范圍（600～1700nm）的超連續(xù)光源，利用光譜分析儀對(duì)輸出光譜進(jìn)行檢測(cè)；使用通電的直流線圈產(chǎn)生大小可控的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度的分辨率應(yīng)大于0.1Gs；將傳感探頭放置在所施加磁場(chǎng)的中心，確保變化的磁場(chǎng)能夠準(zhǔn)確通過(guò)；實(shí)驗(yàn)溫度控制在28℃，上下幅度應(yīng)小于0.1℃。

圖2　系統(tǒng)測(cè)試裝置

1.2系統(tǒng)原理驗(yàn)證

LPFG的周期通常大于100μm，其原理是將前向傳輸?shù)幕ｑ詈现燎跋騻鬏數(shù)腜階包層模中，在傳輸一段距離之后將其衰減掉。其相位匹配條件［9］應(yīng)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(zhǎng)，nco和ncl分別是纖芯和包層模的有效折射率。

文獻(xiàn)［10，11］已利用有限元法對(duì)LPFG在磁場(chǎng)中的響應(yīng)進(jìn)行了分析，并考慮SiO2材料波導(dǎo)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(guò)一定理論計(jì)算，我們得到當(dāng)外界環(huán)境折射率從1增加到1.45時(shí)，MLPFG的諧振波長(zhǎng)偏移曲線分別向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向、短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。兩個(gè)不同方向的移動(dòng)分別來(lái)自MOF和SMF，這是由于它們自身的結(jié)構(gòu)造成的。因此在理論上MLPFG具備兩種光纖光柵的共同特點(diǎn)。

圖3為傳感探頭注入磁流體前后MLPFG的諧振波長(zhǎng)移動(dòng)圖。從圖中我們可以觀察到具有4個(gè)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(dòng)，這是因?yàn)榇帕黧w的折射率比空氣稍大。同時(shí)實(shí)虛曲線中的前三個(gè)諧振傾角來(lái)自于MOF的纖芯與包層的模式耦合，而最后一個(gè)諧振傾角來(lái)自于SMF的纖芯與包層的模式耦合。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我們的預(yù)想基本一致，故該傳感器可以用于對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行傳感測(cè)量。

圖3　注入磁流體前后，MLPFG的諧振波長(zhǎng)移動(dòng)曲線

2　傳感器對(duì)磁場(chǎng)溫度特性的實(shí)驗(yàn)

2.1傳感器的磁場(chǎng)特性實(shí)驗(yàn)

圖4　磁場(chǎng)強(qiáng)度與諧振波長(zhǎng)位移的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)接通電源后，傳感器會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，強(qiáng)度從0增大到750Oe。磁場(chǎng)靈敏度分別設(shè)定為0.008nm/Oe和-0.052nm/Oe。該磁流體的飽和磁化強(qiáng)度為800Oe。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，當(dāng)外界磁場(chǎng)從0增大到750Oe時(shí)，兩條諧振曲線呈現(xiàn)一次線性關(guān)系。由于光纖光柵的混并式結(jié)構(gòu)，因此傳感器具有兩組靈敏度，光柵的諧振波長(zhǎng)呈現(xiàn)出兩種移動(dòng)方向。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)，將會(huì)在800Oe附近發(fā)生磁化飽和現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器對(duì)外界磁場(chǎng)的變化很敏感，具有很大的線性調(diào)諧范圍，測(cè)量精度接近1.0。因此，通過(guò)測(cè)量傳感器的諧振諧振波長(zhǎng)偏移量即可獲得外界磁場(chǎng)強(qiáng)度。

圖5　溫度變化與諧振波長(zhǎng)位移的關(guān)系

2.2傳感器的溫度特性實(shí)驗(yàn)

本文選室內(nèi)作為試驗(yàn)場(chǎng)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，當(dāng)外界溫度從15℃增加到45℃時(shí)，光柵的諧振波長(zhǎng)移動(dòng)量與溫度的變化基本呈現(xiàn)一次線性關(guān)系。由于光柵的結(jié)構(gòu)，諧振波長(zhǎng)移動(dòng)也具有兩種方向，擬合精度分別達(dá)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(diào)諧范圍，在15℃～45℃的環(huán)境中可具有良好的測(cè)量精度。

2.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

通過(guò)對(duì)傳感器與磁場(chǎng)、與溫度的變化曲線的分析可以發(fā)現(xiàn)，該傳感器在測(cè)量磁場(chǎng)方面范圍廣 （0～750Oe），在感溫方面也具有很大的線性感溫區(qū)域（15℃～45℃）。同時(shí)在這兩種范圍內(nèi)，其諧振波長(zhǎng)的移動(dòng)量與磁場(chǎng)變化、溫度變化均呈現(xiàn)一次線性關(guān)系。因此，通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，我們得到了可以同時(shí)計(jì)算溫度和磁場(chǎng)變化量的矩陣公式。

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

3　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)基于磁流體與MLPFG的磁場(chǎng)傳感器進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感器對(duì)磁場(chǎng)和溫度的變化都很敏感，并且都具有很寬的線性調(diào)諧范圍。由于該傳感器采用了光纖光柵的混并式結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于磁場(chǎng)強(qiáng)度和環(huán)境溫度將分別具有了兩組不同的靈敏度。根據(jù)這兩組靈敏度和本文總結(jié)的矩陣公式，即可同時(shí)獲得外界磁場(chǎng)和溫度的變化量，實(shí)現(xiàn)了溫度與磁場(chǎng)的同時(shí)測(cè)量。

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中圖分類號(hào)：TN98

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：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(xiàng)目：陜西省自然科學(xué)研究基金項(xiàng)目（2011JM8038）資助。

作者簡(jiǎn)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