基于磁流体包覆光纤光栅的磁场传感器——毕业论文.doc

基于磁流体包覆光纤光栅的磁场传感器摘 要光纤光栅是二十一世纪以来光纤传感的重要发展领域由于具有一些独特的特性，光纤光栅在各种科研领域应用广泛，在光纤通讯、光纤传感等领域具有很高的应用价值磁流体磁化强度较大，由于其形态优势易于与光纤集成，通过外界环境的磁场的变化对折射率进行影响，实现新型光纤光子器件的设计本文根据光纤光栅的优良性能与磁流体独有的光学特性相结合，设计了一种基于光纤光栅的新型磁场传感器经由特殊溶液将实验所用布拉格光栅进行腐蚀，使其包层直径发生改变，使其对外界灵敏实验中测试了外界磁场变化时布拉格光栅的传输图谱，并对其谐振峰进行实验分析，得出的结论是谐振峰的漂移随着磁场变化而变化关键词：光纤光栅 磁流体 磁场传感 Fiber Grating Magnetic Field Sensor Based On Magnetic FluidABSTRACTFiber Bragg Grating is an important development field of optical fiber sensing since the 21st century. Because it has the characteristics which general optical fiber doesn’t have, the research of fiber grating in various research fields has been gradually expanded, such as optical fiber communication and optical fiber sensing. Magnetic Fluid has a great magnetization, it is easy to combined with optical fiber. The environment of the magnetic field intensity can tune its refractive index, it has a important value in the field of new type fiber photonic devices.In this paper, we design a new type of magnetic field sensor based on Fiber Bragg Grating by combining with the excellent properties of Fiber Bragg Grating and unique optical properties of Magnetic Fluid. Through etching the Fiber Bragg Grating with a special solution, the cladding diameter change and it is sensitive to the environment. In the experiment, the transmission spectrum and resonance peak of the Bragg Grating have been analyzed when magnetic change . In conclusion, the drift amount of the resonance peaks change with the magnetic field.Key Words: Fiber Grating Magnetic Fluid Magnetic Field Sensor 目 录第一章 绪论 11.1 传感器的概述 11.2 光纤磁场传感器的发展历程 21.3 磁流体的概述 41.3.1 磁流体的发展史 51.3.2磁流体的特性 61.3.3磁流体的分类 91.4 本毕业设计的主要内容 10第二章 光纤光栅理论及其研究特性 102.1 光纤光栅的理论 112.2 光纤光栅的特性 132.2.1 光纤光栅的分类及制备方法 132.2.2 光纤光栅的光敏性 182.3 本章小结 19第三章 基于磁流体和光纤光栅的磁场传感器的设计 203.1 基于磁流体和光纤光栅的磁场传感器 203.2 实验系统的构建及理论 213.2.1 制备传感器件的流程 213.2.2 光纤倏逝场的理论基础 233.3 磁场测量结果与分析 24第四章 总结与展望 264.1 总结 264.2 展望 26参考文献 27致 谢 29天津理工大学2016届本科毕业设计说明书第一章 绪论1.1 传感器的概述我们通常所说的传感器(Sensor)，是一种用于检测的装置，其实就等于我们的五感。

例如检测光的传感器代表明亮的双眼，对气体进行测量的传感器则是代表着对于嗅觉十分灵敏的鼻部，监测声音的传感器代表耳听八方的耳朵，触探味觉的传感器代表尝尽天下味道的舌头，而检测压强和湿度等外界因素的传感器代表着敏锐感知力的皮肤部分正是由于这种原因,人们操纵传感器来代替我们的五感,使得人们的工作压力得以减轻,提升感应与测量精度，同时还能够更进一步的超越我们的感应与测量的本领,从事人体不能够完成或者会受到危险伤害工作[1]一般地，传感器大致会由转换元件、敏感元件、变换电路、辅助电源这四大部分构成如下图1.1所展示，能够最为直接的去感受被测量的部分元件就叫做敏感元件，也就是说，敏感元件可以将传感器中需要被测量的部分转换成与被测量的部分存在某种关系的物理量信号紧接着转换元件将要发挥它的功能，它会将上面说提到的物理量信号成为电信号最后要来说明的是变换电路的功能，它会在转换元件完成工作之后在进行加工，会将电信号经由某些特殊的处理将信号进行放大调制，转换元件和变换电路都需要辅助电源为它们供电图1.1 传感器的组成若是要按照用途和其所采用的材料可以将传感器分成许多种类，例如，采用磁性体材料所制作出来的传感器、采用绝缘体材料所制作出来的传感器、采用半导体材料所制作出来的传感器以及采用金属材料所制作出来的的传感器等等。

但就目前来说应用最多以及应用最为广泛的当属采用半导体材料所制作出来的传感器，因为这种材料的传感器能够满足各领域、各层次的使用与需求1.2 光纤磁场传感器的发展历程光纤磁场传感的技术在近几十年的研究里，许多的军事科研机构主要致力于弱磁性目标探测领域，这里面研究最深的当属美国海军实验室[2]自20世纪的60年代以来，针对光纤磁场传感器国外已经做了大量的科学研究，在70年代，通过利用法拉第旋转制作出了光纤磁场传感器[3-6]80年代美国的海军实验室开始对光纤磁场传感器进行研究并于1995年成功的在挪威的海域布置了三维光纤传感阵列其灵敏度之高可用来探索深海中移动的核潜艇自上个世纪80年代以来就已经有许多的科学研究机构对光纤磁场传感技术进行了大量的开发与研究华中科技大学研究人员设计的的光纤磁场传感器探测能力已经达到nT的数量级Ammon Yariv[7]等人在1980年设计了一种光纤磁场传感器，如图1.2所示随后电子科技大学对磁致伸缩材料进行研究，与磁场传感器相结合，灵敏度达到0.57nTStockholm皇家技术学院[8]将YIG晶体于光纤磁场传感器结合，具有精度高，响应快的特点后来，发达国家进行了更加深入的研究并制作出新型的光纤磁场传感器 [9-11]。

而国内在此方面发展时间较短，但也取得了不错的研究成果但大体上来说，大多都只是限于在科学上研究，在实验室进行试验，对于实际的应用其技术还远远不能实现图1.2 基于磁效应的光纤磁场传感器20世纪70年代，A. J. Rogers与A. M. Smith等人对光纤电流传感器的原理进行了分析1980年科研人员在1200KV的电网上对全光纤电流传感器进行试用，这是最早的磁光形式的光纤电流传感器[11-12]在这之后，德国的一些科研人员从多方面、多角度，较为全面的对光纤传感器进行了十分深入科学研究例如，传感特性、机械构造、传感基理以及信号检测正是因为这些伟大的科研人员所付出的努力以及做出的巨大贡献，才有后来的更加深入和完善的理论与技术1993年，美国的一些科研人员将YIG晶体与光纤传感器结合，获得了很好的结果，等噪声电流达到了10nA/(HZ)1/2，而其频率的响应亦是达到了700多兆赫，而且其宽度很大1994年ABB跨国公司研制并发明生产出光电式光纤电流传感器到了1996年美国的3M公司更是研制并发明生产出全光纤型电流传感器[2]自90年代开始，我国各高校的研究成果也是层见迭出例如，中国人民解放军理工大学的科研人员[13]使用磁致伸缩材料进行传感器测量，这正是1980年国外的研究人员首次提出的。

而他们是在此基础上加以修改，将光纤布拉格光栅粘附在这种材料上所研制出的新型传感器李智忠[14]基于马赫增德干涉仪的原理设计磁场传感器，下图1.3为马赫增德干涉仪，其分辨率为2×10-8T，有效的降低了许多外界的因素所造成的影响图1.3 马赫增德干涉仪实物图目前，因为我国光纤传感器的工业化以及各方面各范畴的应用还不能够达到经济发展与需求，所以尽快使光纤传感器走向工业化、商业化至关重要光纤磁场传感器固然有着非常明显的优点，然则其要去处理的问题也有许多例如，光纤传输过程中的损失与消耗的变化、光源波动的变化将会对光纤传感器的信号输出产生一定的影响以及探测中的器件老化问题而产生的测量不准确的问题怎样克服光源波动、减少光纤传输过程中的损失与消耗，如何改善敏感元件的制造工艺、研究新的敏感原理，提高光纤传感器的各种性能指标，发展适用于各领域格范畴的新型新材料的光纤传感器，研制用于某些特殊方面的专项检测的特殊光纤传感器必将是此后的研究和制造热门行业1.3 磁流体的概述 现如今磁流体(Magnetic Fluid，MF)已经成为各个高等院校以及科学研究机构的重点探索与研究的对象，一种兼备固体的强磁性与液体的流动性的高级材料。

同时它还具有一般固体材料和液体材料所不具备的其它特殊性质，其在光学、浮选、计量、阻尼以及传感技术等热门的领域内具有十分广的研究与发展的意义，MF在不少文献中也被称为磁性液体或者磁性流体[15]MF大多由直径为10nm以下的固体磁性颗粒(Solid Magnetic Particles)、界面活性剂(Surfactant)、基载液(Base Fluid)相互融合而形成的结构相对稳定的胶质液体，其结构如图1.4所示图1.4 MF结构示意图1、固体磁性颗粒(Solid Magnetic Particles)传统的MF一般采用颗粒度大小不超过20nm的Mn、Fe、Ni等金属的氧化物，Co、Ni、稀有金属及其合金颗粒，氮化铁颗粒等物质作为其磁性颗粒其中当属氮化铁颗粒的磁化饱和的程度是最高的，这是因为它的颗粒的磁性相对于其它几种物质来说是最强的而现如今正在进行研究以及用于实践中的大多数是使用的以铁氧化物为主要物质的磁流体，称之为铁磁流体，一般地，可以分为Fe2O3和Fe3O4两大类只有将磁性颗粒的粒子浓度控制的足够小，使其处于永不停止的布朗运动中，只有这样才能使得整个体系处于的稳定的状态，这样就会阻止固体磁性颗粒产生团结与集聚、沉降与积淀。

2、基载液(Base Fluid)基载液是MF的主要组成部分因为其性质在很大程度上决定了MF的基本物理化学性质，因此一般。