基于SSS結(jié)構(gòu)仿真的F-P腔磁流體填充光纖傳感器研究

王炳森，董津霆，金碩巍

（東北大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽，110819）

0 引言

光纖傳感技術(shù)的研究和發(fā)展已有近四十年的歷史，目前已經(jīng)成為傳感器技術(shù)中的一個重要分支。其采用光作為信息的載體，用光纖作為傳遞信息的媒介，根據(jù)光譜的波長偏移等方法進行計算。既具有光學(xué)測量的特點，又具有其他獨特的優(yōu)點。因此，光纖傳感器廣泛應(yīng)用于人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中，如電力系統(tǒng)中，溫度、電流等的測量，以及日常生活中對壓力、流量、溫度、磁場等量的測量，對人們的生產(chǎn)測量具有重要的意義。

目前，主要使用的光纖傳感器主要分為：干涉型光纖傳感器[1]、光纖光柵傳感器[2]、光纖SPR傳感器[3]。為了提高光纖傳感器的測量精度，人們提出了各種方法，改變光纖材質(zhì)結(jié)構(gòu)，改變制作工藝，提高解耦合技術(shù)。其中之一就是對光纖傳感器的傳感介質(zhì)進行不同的材質(zhì)填充研究。磁流體[4]（Magnetic fluids，MF）是一種新型材料，既具有液體的流動性又具有固體磁性材料的磁性。它具有許多獨特的光特性，如雙折射效應(yīng)、場依賴透射特性和磁致折變效應(yīng)[5]等且沒有磁滯現(xiàn)象。正因為磁流體的這些無與倫比的光特性，可以大膽構(gòu)想將其使用于光纖傳感器傳感介質(zhì)的填充這一應(yīng)用。希望可以通過磁流體的多種特性來改變光線在光纖中的路徑，透光率等等效應(yīng)，從而實現(xiàn)提高磁場測量精度這一功能。

本文首先對傳統(tǒng)的SSS結(jié)構(gòu)光纖的性質(zhì)進行仿真實驗驗證，然后在實驗室內(nèi)，以F-P腔的光纖結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，進行了磁流體的填充，成功實現(xiàn)了對F-P腔光纖傳感器進行磁流體填充的技術(shù)實現(xiàn)，進而對磁場的檢測有著重要意義。

1 SSS光纖傳感器仿真研究

1.1 SSS光纖傳感結(jié)構(gòu)特點

光纖傳感器可以得到光的相位信號，需要對將相位信號轉(zhuǎn)換為光的強度信號。常用的方法主要就是干涉法，目前用于光相位解調(diào)的干涉方法很多：雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法、環(huán)形干涉法等。本文研究的是常用的雙光束干涉儀馬赫-增德爾[6]（Mach Zehnder，M-Z）光纖干涉裝置。

SSS光纖傳感結(jié)構(gòu)屬于馬赫-增德爾干涉型光纖傳感器結(jié)構(gòu)的一種，也是最為基礎(chǔ)簡單的馬赫-增德爾傳感器結(jié)構(gòu)。它是通過在引入單模光纖(SMF)之間錯位熔接一段長度為L的單模光纖形成的。MZ光纖干涉儀主要有信號臂 （傳感臂）光纖和參考臂光纖構(gòu)成，信號臂光纖作為傳感光纖置于被測信號的環(huán)境之中,中間使用單模光纖進行錯位熔接。光纖錯位熔接制作全光纖傳感器最早在2008年由Tian Z.B.等人[7]提出。不同情況下，會根據(jù)加工技術(shù)來設(shè)計錯位量為D，根據(jù)錯位量D的大小，分為大錯位量熔接和小錯位量熔接。引出單模光纖之間的空氣區(qū)域稱為傳感區(qū)域。這種單模 - 單模 - 單模 (Single mode fiber-Single mode fiber-Single mode fiber，SSS)傳感結(jié)構(gòu)簡稱為SSS傳感結(jié)構(gòu)（如圖 1）。

圖1 SSS光纖模型

一束光通過引入單模光纖傳輸?shù)絊SS結(jié)構(gòu)中，并在第一個錯位熔接點處分成兩束：其中一束光在單模光纖包層中傳播，另一束光在傳感區(qū)域傳播。當(dāng)兩束光通過第二個錯位點時耦合在一起并從引出單模光纖傳出。然后通過一些不同種類的光解耦器，進行解耦，然后根據(jù)不同的方法進行分析，即可得到我們所需要的數(shù)據(jù)。解耦器的研究發(fā)展也在逐漸發(fā)展，已經(jīng)有了很多的高新技術(shù)突破。比如：動態(tài)解耦，改進粒子群優(yōu)化的光纖激光器解耦控制等。

本文重點對這種SSS光纖結(jié)構(gòu)進行仿真研究，從而得出光的傳感特性等，得到光的干涉光譜，對其原理進行驗證。

由干涉理論可以推導(dǎo)出以下公式：

I1和I2分別是參考臂和傳感器臂中傳播的光強度，Δφ是兩束光之間的相位差。

自由光譜范圍即為：

1.2 SSS光纖結(jié)構(gòu)仿真

Rsoft光學(xué)仿真軟件支持在電腦上進行各種光學(xué)仿真實驗與驗證，里面有完整的組件工具，可以進行寬帶光與脈沖光源的計算。它的工具箱自帶多種的算法，便于仿真計算實驗，具有重要使用的意義?？梢詮腞soft中得到仿真的光譜圖，進而實現(xiàn)SSS結(jié)構(gòu)的性質(zhì)研究。

我們利用Rsoft軟件的BPM模塊建立SSS傳感結(jié)構(gòu)的仿真模型,仿真參數(shù)設(shè)置如下:SMF纖芯和包層的直徑分別設(shè)置為8.2μm和125μm，SMF纖芯和包層的RI分別設(shè)置為1.4681和1.4627。黃色部分、紅色部分和白色部分分別為纖芯、包層和外界環(huán)境。具體情況如圖2所示。

圖2 SSS 結(jié)構(gòu)仿真

在SSS結(jié)構(gòu)中傳播的光束的傳播路徑和強度如圖3所示，顯然，光在通過第一個點位之后被分成兩束，兩束光在第二個點位相遇并傳輸一段距離后產(chǎn)生干涉，圖像中間區(qū)域可以看到明顯的干涉條紋，即出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象，且干涉現(xiàn)象較為明顯。通過解耦合可以進而推導(dǎo)出光強，從而達到測量的目的。

圖3 SSS 結(jié)構(gòu)光譜

經(jīng)過仿真，SSS光纖傳感器的結(jié)構(gòu)得到良好的驗證。

2 磁流體填充構(gòu)想

2.1 磁流體性質(zhì)研究

磁流體一般由強性的磁性粒子、表面活性劑和基液等混合成的穩(wěn)定的膠狀液體。磁性粒子使基液具有磁性，磁流體的磁性粒子可以由一些氧化物和特殊材質(zhì)構(gòu)成，常用的是四氧化三鐵(Fe3O4)?；阂詾橹?，也可以使用其他的有機溶液進行代替。表面活性劑的作用就是防止磁性粒子相互聚集，沉淀。將單個磁性顆粒的表面包裹起來，懸浮于載液中。載液不同，則所需的表面活性劑也不同。磁流體的性能主要取決于磁性粒子和載液的性能，對磁性粒子和載液的選擇決定了磁流體的應(yīng)用領(lǐng)域和范圍。磁流體可長時間保持均勻的狀態(tài)，在沒有外部磁場的情況下，磁性納米顆粒在基液中的分布是無序的，此時可將磁流體視為液相；當(dāng)施加外部磁場時，納米顆粒沿著磁場方向成鏈，鏈狀磁流體可視為固相；因此磁流體包括固體和液體的較多性質(zhì)，所以其受溫度、濃度等因素影響較大。當(dāng)施加的磁場強度增加時，磁鏈數(shù)量增加，磁流體發(fā)生固液相分離，導(dǎo)致磁流體有效介電常數(shù)及折射率變化。

明確磁流體與磁場的具有的特性關(guān)系是一個好的創(chuàng)新的基礎(chǔ)，磁流體能否用于填充光纖的空腔需要先對其性質(zhì)進行明確。為此，本文搭建了一個磁場發(fā)生器去研究磁流體的折射率與磁場大小的關(guān)系。磁場發(fā)生器包括多種裝置，風(fēng)扇、水泵、冷循環(huán)管、銅絲等等。

使用IT6861B高精度可編程直流電源，為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)穩(wěn)定電流，通過轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成交流電。根據(jù)電磁效應(yīng)原理，使用高精度高斯計進行磁場測量。由銅絲纏繞并通入電流來產(chǎn)生磁場。由水泵將降溫水在水箱、風(fēng)扇、磁場發(fā)生器之間循環(huán)，并且使用溫度控制開關(guān)來測量水溫并控制電機啟動，使磁場發(fā)生器溫度盡量保持在設(shè)定數(shù)值，從而盡量降低因溫度變化而帶來的測量誤差。

圖4 搭建的磁場發(fā)生器

本文將磁流體放在磁場中，這里的磁流體要注意攪拌均勻，防止沉淀造成的部分誤差。并通過并調(diào)整磁場強度大小，通過光線在其中的傳導(dǎo)，以此來判斷磁流體折射率的變化，下圖是磁流體折射率隨磁場強度變化而變化關(guān)系，之前磁場發(fā)生器配有了降溫設(shè)施，故此處不考慮溫度變化對磁流體折射率的微弱影響。

圖5 磁流體與磁場的關(guān)系

從這個圖中可以看出來，磁流體的折射率在一定范圍內(nèi)隨橫向磁場的變大逐步增大，然后在磁場強度大于某一數(shù)值時，其斜率逐漸平緩。也就是在一定范圍內(nèi)有較強的線性關(guān)系。通過對磁流體的折射率特性不斷深入的研究，利用磁流體折射率與外磁場對應(yīng)關(guān)系，來進行磁場傳感器的設(shè)計。本文正是據(jù)此而設(shè)計的一種F-P腔光纖傳感器的制作，將F-P結(jié)構(gòu)光纖的腔內(nèi)由空氣改為磁流體。通過磁流體的性質(zhì)，造成光譜波長的偏移量進行研究設(shè)計。這種測量方法對于微弱磁場變化的檢測較為敏感。

2.2 F-P腔磁流體填充的制作

上文研究了SSS結(jié)構(gòu)光纖的特性，但是由于SSS光纖是錯位焊接，其光纖結(jié)構(gòu)中間部分的傳感區(qū)域在封裝過程存在著磁流體填充的不便利性。

圖6 SSS填充結(jié)構(gòu)簡圖

所以本文采用F-P結(jié)構(gòu)的光纖進行磁流體填充。F-P光纖傳感器即法布里-珀羅 (Fabry-Perot)干涉型光纖[7]，是一種的光纖結(jié)構(gòu)，它一端為入射光纖，另一段為反射光纖，兩端用毛細(xì)玻璃管進行封裝，中間留出一定間隙，這個間隙部分我們稱之為空腔。這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)創(chuàng)新的方面有很多，比如入射光纖和反射光纖材料和制作工藝的選擇、反射光纖層面鍍上稀有金屬、空腔內(nèi)填充介質(zhì)等。本文就是根據(jù)F-P腔內(nèi)可填充這一優(yōu)勢進行磁流體介質(zhì)的填充。

圖7 F-P 結(jié)構(gòu)簡圖

本文的技術(shù)實現(xiàn)方法如下：將玻璃管兩端分別接入兩段光纖，一段作為導(dǎo)入光纖，另一段作為反射光纖。然后用膠封裝住反射光纖部分（此部分均在毛細(xì)玻璃管夾上進行），從另一邊滴入少量磁流體，磁流體會在大氣壓強的作用下吸入空腔，這樣空腔中就存在了一定濃度，一定量的磁流體。然后將導(dǎo)入光纖封裝在另一頭（下圖同學(xué)正在采用紫外線燈對固定在架臺上面的已填充好磁流體的F-P結(jié)構(gòu)光纖進行另一側(cè)的封裝，屏幕中為放大視圖，便于觀察）。這樣就可以制作出磁流體填充的F-P結(jié)構(gòu)的光纖傳感結(jié)構(gòu)用于后續(xù)實驗使用，可以用于進行磁場的測量等。

圖8 封裝過程

在進行F-P腔磁流體填充的實現(xiàn)過程中有以下幾點注意事項：

（1）磁流體濃度不可以太濃，經(jīng)過我們實驗發(fā)現(xiàn)，過濃的磁流體會導(dǎo)致透光性差，造成很大的測量誤差，磁流體達到一定的濃度會導(dǎo)致不透光。

（2）一定要注意迅速實驗，否則磁流體中的液體會造成揮發(fā)，最終導(dǎo)致磁流體失去其功效。

（3）一定要注意磁流體混合均勻，否則會出現(xiàn)磁流體某一部分濃度過高，造成實驗偏差。

（4）一定要注意密封性良好，同時要牢固粘住，光纖很脆弱，在使用過程中注意輕拿輕放，以免折斷。

（5）一定要注意溫度，由于磁流體的自身性質(zhì)，要注意實驗過程中的溫度控制，溫度不可以過高，不能曝曬。

（6）一定要注意封裝用的玻璃管不可以過粗，進來要和光纖進行匹配，否則容易造成實驗器材的浪費以及脫落損壞。

3 總結(jié)

本文先是進行了較為傳統(tǒng)的SSS結(jié)構(gòu)光纖的仿真學(xué)習(xí)，通過仿真驗證了在SSS結(jié)構(gòu)中光在通過第一個焊接錯位點之后被分成兩束，兩束光在第二個焊接錯位點相遇并傳輸一段距離后產(chǎn)生干涉這一基本特性，對其測量原理有了一個粗淺的了解。

接著，從對SSS光纖結(jié)構(gòu)的研究，進而結(jié)合磁流體，期望實現(xiàn)對SSS結(jié)構(gòu)光纖進行磁流體的填充。在此基礎(chǔ)上進行了F-P腔光纖結(jié)構(gòu)的磁流體填充，實現(xiàn)了一種以磁流體填充的F-P腔光纖的制作。最終做出了將磁流體填充進F-P結(jié)構(gòu)光纖的傳感腔的實物。為使用以磁流體為填充的F-P腔傳感器對磁場的測量的進一步研究打下了良好的基礎(chǔ)。也對其他類似的光纖液體填充性實驗有一定的啟發(fā)性意義。

4 未來展望

隨著社會發(fā)展，科技進步。新式材料不斷出現(xiàn)，光纖傳感器的發(fā)展也在不斷進步。尤其是以光纖材料為主的開發(fā)，使得其在一些極端環(huán)境下也可以使用。對于其精度，測量原理改進，是否便攜等方面仍然有著進一步的研究空間。本文只對SSS光纖結(jié)構(gòu)進行了初步的仿真，沒有進行進一步的研究進行實物制作，其傳感性能仍存在一些可以提升的地方。關(guān)于磁流體填充的F-P腔，本文的技術(shù)路線也只多種多樣方法中的一種。對于磁流體的更深入的性質(zhì)也并未進行探討。關(guān)于以磁流體填充的F-P腔光纖傳感器對磁場測量的研究發(fā)展仍有著很大的研究空間，相信未來會有更多精度更高，制作更簡單，工作環(huán)境更加廣泛的光纖傳感器問世！