磁流體包覆薄包層光纖光柵磁場傳感研究

梁 星,楊武海,劉 鑫,張 偉,劉穎剛

(1.西安石油大學(xué) 光電油氣測井與檢測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710065;2.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055)

0 引言

伴隨光纖通信與傳感技術(shù)的快速發(fā)展，基于光纖的新型功能器件研究成為了光電子器件研究與應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向，而光纖光柵這種新型的具有窄帶濾波功能的光纖器件由于自身的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，得到了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。在光通信領(lǐng)域，由光纖光柵制成的各種全光器件，使集成型光纖通信系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。在光纖傳感領(lǐng)域，依據(jù)調(diào)諧因素與波長變化關(guān)系，將其作為多參量多功能傳感器件，同時借助波分、時分以及空分復(fù)用技術(shù)，形成了從單參量到多參量、從單點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)化的光傳感檢測技術(shù)[4-7]，也成為了發(fā)展智能化、網(wǎng)絡(luò)化及多功能化傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一。特別是近年來，光纖光柵在溫度、應(yīng)力傳感檢測方面的應(yīng)用已基本實(shí)用化，光纖光柵的傳感技術(shù)已在橋梁建筑、礦產(chǎn)開發(fā)及油氣井與管線檢測等多領(lǐng)域得到應(yīng)用。然而，隨著新型光纖傳感技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)多物理量的在線檢測成為光纖光柵傳感技術(shù)新的研究發(fā)展方向。

有關(guān)光纖光柵在磁場測量方面的應(yīng)用[8-10]，主要是利用裝置或結(jié)構(gòu)的磁致伸縮效應(yīng)給光纖布喇格光柵(FBG)施加一定應(yīng)變實(shí)現(xiàn)磁場的傳感測量的，這種方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化，且易出現(xiàn)FBG的啁啾化。雖有磁流體包覆光纖或長周期光纖光柵用于磁場傳感的報道[11-13]，但多屬于功率型或?qū)拵Ч庾V檢測，不僅會降低測量準(zhǔn)確度，且影響傳感器的復(fù)用數(shù)量，難以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化的測量。所以我們通過化學(xué)腐蝕法去掉FBG的部分甚至全部二氧化硅(SiO2)包層，用磁流體充當(dāng)新的包層，讓纖芯內(nèi)的光以倏逝場的形式與磁流體發(fā)生作用，結(jié)合磁流體的磁致折射率可調(diào)特性，改變FBG纖芯傳輸光的有效折射率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對傳輸光譜的調(diào)制，通過測量光譜波長和功率的變化實(shí)現(xiàn)磁場的傳感檢測。此方法不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)調(diào)諧法的不足，且有利于FBG磁場傳感器的網(wǎng)絡(luò)化復(fù)用和降低信號解調(diào)的難度。這種控制環(huán)境包層材料折射率以實(shí)現(xiàn)對光纖光柵諧振波長與傳輸功率調(diào)諧的方法，能夠通過換用功能材料而實(shí)現(xiàn)磁、電、聲、熱等相關(guān)物理量的傳感檢測，也必將拓展可調(diào)諧FBG器件的更多功能化應(yīng)用。

1 基本原理與實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 測量原理

對于普通的FBG，其反射波長λ滿足[14]:

λ=2neffΛ

(1)

式中Λ和neff分別為光柵的周期和纖芯導(dǎo)模有效折射率。當(dāng)忽略環(huán)境溫度的影響且FBG本身無形變(即Λ保持恒定)時，由于較厚SiO2包層的影響，傳輸光場被約束在纖芯內(nèi)部無法與外界環(huán)境物質(zhì)發(fā)生作用，neff也不發(fā)生改變，則其傳輸光譜的峰值波長保持恒定。但若將FBG的包層通過化學(xué)腐蝕法去掉一部分,即成為薄包層光纖光柵，即使溫度保持恒定，neff也會隨環(huán)境物質(zhì)不同而變化。已有研究表明[15-16]，當(dāng)FBG的SiO2包層厚度減小到20 μm以下時，纖芯內(nèi)的傳輸光場會與環(huán)境物質(zhì)的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致纖芯傳輸光的有效折射率發(fā)生改變，且這種變化會隨著環(huán)境物質(zhì)折射率的增大和SiO2包層厚度的減小而變得更明顯，這也是光纖光柵應(yīng)用于液體折射率傳感的基本原理。

由于磁流體是一種吸附有表面活性劑的納米磁性粒子彌散在非磁性溶劑中的穩(wěn)定膠體，是一種具有隨外加磁場的強(qiáng)度變化而可控制流變特性的特殊納米智能材料[17-18]。在外磁場的作用下, 由于納米磁性粒子的磁矩會沿外磁場取向，且彼此相吸而排列成鏈狀，會產(chǎn)生多變的微結(jié)構(gòu)，使磁流體的電介質(zhì)常數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而致使其折射率也發(fā)生改變，即產(chǎn)生明顯的磁光效應(yīng)。隨著外加磁場強(qiáng)度的增大，磁流體的磁光效應(yīng)會進(jìn)一步增強(qiáng)，磁場越強(qiáng)磁流體的折射率會越大，只不過隨著外加磁場強(qiáng)度的進(jìn)一步增大，折射率的增加會趨于穩(wěn)定[13,19]。因此，可用磁流體替代FBG的SiO2包層，利用磁流體的磁致折射率可調(diào)效應(yīng)，結(jié)合薄包層FBG的倏逝場效應(yīng)，通過外界磁場調(diào)制環(huán)境液體包層折射率，進(jìn)而改變FBG傳輸光譜特性，通過對光譜功率和反射波長的測量，可實(shí)現(xiàn)對環(huán)境磁場和溫度的測量。

1.2 磁場測量基本原理

圖1為進(jìn)行磁場傳感測量的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖。其中插圖部分是磁流體包覆的薄包層FBG磁場傳感器，不過FBG在腐蝕前，要先用長50 mm、外徑?3 mm、壁厚0.5 mm的有機(jī)玻璃管進(jìn)行封裝。腐蝕、清洗及測量過程中，液體均是利用醫(yī)用注射器注入或吸出，每次完成操作后用熱熔膠進(jìn)行密封。系統(tǒng)工作時，放大自發(fā)輻射(ASE)光纖光源發(fā)出的光經(jīng)光纖環(huán)形器(OFC)進(jìn)入傳感器后，滿足布喇格反射波長條件的光將被反射回OFC，而其余波長的光將通過光纖被折射率匹配液(IMC)吸收，有效避免了光纖端面反射對信號光的干擾。由于OFC對傳輸光方向的限制，信號光將從OFC的另一端口進(jìn)入光譜分析儀(OSA)，從而實(shí)現(xiàn)對反射光譜的監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)中磁場的加載是通過兩塊板狀磁鐵產(chǎn)生的，通過控制兩板間距來改變磁場，其值可通過高斯計來測定。

圖1 FBG磁場傳感系統(tǒng)原理圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磁場測量與分析

實(shí)驗(yàn)所用傳感器是在室溫條件下，用20%的HF溶液腐蝕普通商用光纖光柵，并根據(jù)剩余直徑隨時間線性變化關(guān)系[20]，控制腐蝕時間,從而獲得直徑約?9.0 μm、具有一定厚度SiO2包層的FBG。

圖2為FBG 腐蝕前、后的反射光譜圖。圖中光譜1是所用FBG的原始光譜，其對應(yīng)峰值波長λp和3 dB帶寬Δλ分別為1 550.608 nm和0.257 nm。光譜2是腐蝕后的FBG用水基Fe3O4磁流體封裝但未加載磁場時的反射光譜，相對于光譜1，封裝后的光譜2明顯紫移、帶寬增大，功率降低，峰值波長減小到1 547.470 nm，而3 dB帶寬增加到了0.857 nm，光譜同時變得有些不平滑。主要原因是FBG光譜的中心波長會隨光纖包層厚度和周圍物質(zhì)折射率的減小而減小，在發(fā)生紫移的同時伴隨光譜帶寬展寬[20-21]。同時，由于光纖包層變薄后，纖芯內(nèi)的傳輸光會以倏逝場的形式泄露到包層外，且環(huán)境折射率越大時，纖芯傳輸光的功率占比降低。光譜多毛刺不平滑現(xiàn)象是光纖表面腐蝕不均勻造成的，可通過降低腐蝕液濃度，控制腐蝕溫度，提高光纖表面光潔度得到降低。

圖2 FBG 腐蝕前后的反射光譜圖

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變傳感器周圍的磁場強(qiáng)度時，反射波長隨環(huán)境磁場的增大發(fā)生規(guī)律的變化，其光譜向長波方向移動，帶寬變窄，功率降低，圖3為不同磁場時的反射光譜形狀。由圖可知，在不同的磁場區(qū)間內(nèi)光譜變化不均勻。圖4為傳感器反射光譜波長隨磁場感應(yīng)強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線。由圖可知，在0～30 mT內(nèi)，反射波長呈現(xiàn)出分段變化特性，即當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度小于5 mT或大于20 mT時，光譜中心波長隨磁場的強(qiáng)度增加變化緩慢，只有在5～20 mT時才變化明顯，而且中心波長隨磁場的強(qiáng)度增加幾乎是線性增加，直至磁場達(dá)到20 mT附近。對此磁場范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，其擬合度達(dá)到了99.2%，對應(yīng)的波長隨磁場變化的靈敏度達(dá)到了34.9 pm/mT。而在0～5 mT和20～30 mT內(nèi)，擬合的波長靈敏度則僅為2.6 pm/mT和2.3 pm/mT，線性擬合度也均小于90%。

圖3 傳感器在不同磁場時的反射光譜

圖4 反射波長隨磁場的強(qiáng)度變化關(guān)系曲線

傳感器所呈現(xiàn)出的這種特性與磁流體的折射率隨磁場變化特性相關(guān)。當(dāng)有磁場作用時，納米磁性粒子的磁矩會沿磁場取向且彼此相吸而排列成鏈狀[17]，排列程度會隨磁場增大而增強(qiáng)，因而使磁流體的介電常數(shù)增大，致使折射率發(fā)生相應(yīng)改變，即外加磁場越大折射率也越大，反之則會減小，只不過磁流體折射率隨磁場變化并不成線性關(guān)系[13]，即外磁場較小時，磁流體折射率無明顯變化，當(dāng)外磁場增加到一定值時，折射率增加快速，若磁場進(jìn)一步增加，折射率變化則趨于飽和。所以，由于磁場太小時對應(yīng)折射率也較小，加上薄包層FBG對小折射率不敏感，所以直到磁場增加到一定程度后，傳感器的波長才開始隨磁場增加而移動。但當(dāng)磁場增加到一定程度時，由于磁性粒子磁矩沿磁場取向排列趨于飽和，致使磁流體的折射率變化趨于穩(wěn)定，雖然此時的折射率較大，但變化率非常小，即使薄包層FBG在高折射率區(qū)有較大的靈敏度，但因磁場變化引起折射率變化非常小，導(dǎo)致了傳感器在磁場增加到20 mT后，反射波長隨磁場變化緩慢。因此，傳感器的磁場傳感特性與磁流體的磁光效應(yīng)有密切的關(guān)系，可以通過功能材料的合理選擇或改性處理，實(shí)現(xiàn)此種傳感器特性的改善和改變。

2.2 溫度測量與分析

對于FBG而言，溫度也是影響波長漂移的主要因素，溫度引起的熱膨脹作用會直接導(dǎo)致FBG的光柵周期發(fā)生改變[22]。因此，在利用磁流體的磁光效應(yīng)結(jié)合FBG的反射波長隨折射率變化漂移特性進(jìn)行磁場傳感測量時，就必須注意磁流體溫度的影響。測量過程中，要么保證測量過程中溫度不變，要么對測量結(jié)果進(jìn)行溫度修正，但如果要進(jìn)行修正，就需獲得傳感器對溫度的響應(yīng)關(guān)系。為此，實(shí)驗(yàn)研究了用磁流體封裝后的薄包層FBG的溫度特性。

圖5為FBG反射光譜波長與溫度的關(guān)系曲線，其中圖5(a)對應(yīng)的溫度靈敏度為10.4 pm/℃，圖5(b)對應(yīng)的溫度靈敏度為9.2 pm/℃。圖5中兩條實(shí)驗(yàn)擬合曲線的線性擬合度R2均達(dá)99%，說明腐蝕和封裝處理并未改變普通FBG對溫度的線性響應(yīng)特性，圖5(b)中曲線的靈敏度比圖5(a)的小1.2 pm/℃，其主要原因是磁流體的熱光效應(yīng)[23]，即溫度升高磁流體的折射率會減小，而減小的折射率又會致使薄包層FBG的波長向短波方向移動，即發(fā)生紫移。

圖5 封裝后的FBG與普通FBG反射波長隨溫度變化關(guān)系

對于被磁流體包圍的薄包層FBG而言，若保持周圍液體折射率恒定，溫度升高所引起的波長漂移是紅移，若保持溫度不變，折射率減小所引起的波長漂移是紫移。由于兩種效應(yīng)同時作用于光柵，故當(dāng)溫度升高，薄包層FBG波長隨溫度升高而紅移被部分抵消，結(jié)果使用磁流體封裝后的FBG對溫度的波長靈敏度減小。按照已有研究結(jié)論[21]，若進(jìn)一步減小FBG的包層尺寸甚至部分纖芯，可進(jìn)一步提高此種FBG對折射率的響應(yīng)靈敏度，磁流體熱光效應(yīng)對波長的影響將進(jìn)一步加強(qiáng)，溫度變化過程中FBG的熱膨脹效應(yīng)也將進(jìn)一步被抵消，若再換用具有較高熱光系數(shù)的液體，可明顯減小傳感器對溫度的敏感, 即可實(shí)現(xiàn)對FBG的溫度減敏甚至是溫度補(bǔ)償。

圖6 光譜峰值功率隨磁場和溫度變化曲線

研究還發(fā)現(xiàn)，隨著磁場和溫度的增加，光譜的功率呈現(xiàn)出不同的變化特性。圖6為反射光譜功率隨磁場和溫度的變化關(guān)系。當(dāng)磁場強(qiáng)度小于5.0 mT時，光譜功率變化不明顯；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于5 mT時，光譜功率明顯隨磁場減小而減小，且趨于線性變化。由圖6(a)的插圖可知，靈敏度達(dá)到了-1.063 dBm/mT，線性擬合系數(shù)為0.953；當(dāng)磁場強(qiáng)度大于20 mT時，功率變化趨于平緩。傳感器對溫度的這種響應(yīng)特性，與圖4所示波長隨磁場變化的特性相似，說明傳感器反射光譜功率和波長均在5.0～20.0 mT內(nèi)具有良好的響應(yīng)特性。而光譜功率在20～60 ℃內(nèi)變化很小(見圖6(b))，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的靈敏度僅為-0.003 5 dBm/℃，線性度僅為0.977。因此，利用光譜波長和功率對磁場和溫度的這種不同響應(yīng)特性，可以實(shí)現(xiàn)磁場和溫度的傳感測量。

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于功能材料磁致折射率調(diào)諧原理的FBG磁場傳感方法，通過腐蝕普通光纖光柵的部分二氧化硅包層使傳輸光場能與周圍環(huán)境發(fā)生作用，并用磁流體對薄包層FBG進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)外界磁場調(diào)制磁流體的折射率，從而引起光纖傳輸光場的變化，利用光譜波長隨環(huán)境磁場變化關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對磁場的傳感檢測。在5.0～20.0 mT內(nèi)，獲得了34.9 pm/mT的磁場傳感靈敏度，對應(yīng)的線性擬合度達(dá)到了99.2%。封裝后的FBG傳感器保持了普通裸FBG反射波長隨溫度增加而線性紅移的特性，對應(yīng)的波長溫度靈敏度也小于普通裸FBG，可用于對傳感器進(jìn)行溫度修正。同時發(fā)現(xiàn)傳感器光譜功率隨磁場強(qiáng)度和溫度變化呈現(xiàn)一定的線性變化關(guān)系，這種光譜波長和功率隨磁場和溫度線性變化特性能夠用于磁場和溫度的傳感測量。此種基于FBG的磁場傳感方法，有效避免了復(fù)雜的應(yīng)力或應(yīng)變施加裝置，實(shí)施起來較方便，再加上傳感器一定程度上還保持了FBG窄帶濾波的特性，易實(shí)現(xiàn)多傳感器的網(wǎng)絡(luò)化復(fù)用與信號解調(diào)，具有廣泛的應(yīng)用前景。