基于SSS結構仿真的F-P腔磁流體填充光纖傳感器研究

王炳森，董津霆，金碩巍

（東北大學信息科學與工程學院，遼寧沈陽，110819）

0 引言

光纖傳感技術的研究和發展已有近四十年的歷史，目前已經成為傳感器技術中的一個重要分支。其采用光作為信息的載體，用光纖作為傳遞信息的媒介，根據光譜的波長偏移等方法進行計算。既具有光學測量的特點，又具有其他獨特的優點。因此，光纖傳感器廣泛應用于人們的生產生活當中，如電力系統中，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，改變光纖材質結構，改變制作工藝，提高解耦合技術。其中之一就是對光纖傳感器的傳感介質進行不同的材質填充研究。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、場依賴透射特性和磁致折變效應[5]等且沒有磁滯現象。正因為磁流體的這些無與倫比的光特性，可以大膽構想將其使用于光纖傳感器傳感介質的填充這一應用。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，從而實現提高磁場測量精度這一功能。

本文首先對傳統的SSS結構光纖的性質進行仿真實驗驗證，然后在實驗室內，以F-P腔的光纖結構為基礎，進行了磁流體的填充，成功實現了對F-P腔光纖傳感器進行磁流體填充的技術實現，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光纖傳感結構特點

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光纖傳感結構屬于馬赫-增德爾干涉型光纖傳感器結構的一種，也是最為基礎簡單的馬赫-增德爾傳感器結構。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成，信號臂光纖作為傳感光纖置于被測信號的環境之中,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，會根據加工技術來設計錯位量為D，根據錯位量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域稱為傳感區域。這種單模 - 單模 - 單模 (Single mode fiber-Single mode fiber-Single mode fiber，SSS)傳感結構簡稱為SSS傳感結構（如圖 1）。

圖1 SSS光纖模型

一束光通過引入單模光纖傳輸到SSS結構中，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，另一束光在傳感區域傳播。當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，然后根據不同的方法進行分析，即可得到我們所需要的數據。解耦器的研究發展也在逐漸發展，已經有了很多的高新技術突破。比如：動態解耦，改進粒子群優化的光纖激光器解耦控制等。

本文重點對這種SSS光纖結構進行仿真研究，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光纖結構仿真

Rsoft光學仿真軟件支持在電腦上進行各種光學仿真實驗與驗證，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。可以從Rsoft中得到仿真的光譜圖，進而實現SSS結構的性質研究。

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

圖2 SSS 結構仿真

在SSS結構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生干涉，圖像中間區域可以看到明顯的干涉條紋，即出現了干涉現象，且干涉現象較為明顯。通過解耦合可以進而推導出光強，從而達到測量的目的。

圖3 SSS 結構光譜

經過仿真，SSS光纖傳感器的結構得到良好的驗證。

2 磁流體填充構想

2.1 磁流體性質研究

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構成，常用的是四氧化三鐵(Fe3O4)。基液以為主，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用領域和范圍。磁流體可長時間保持均勻的狀態，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，所以其受溫度、濃度等因素影響較大。當施加的磁場強度增加時，磁鏈數量增加，磁流體發生固液相分離，導致磁流體有效介電常數及折射率變化。

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

使用IT6861B高精度可編程直流電源，為系統提供精準穩定電流，通過轉換器轉成交流電。根據電磁效應原理，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生磁場。由水泵將降溫水在水箱、風扇、磁場發生器之間循環，并且使用溫度控制開關來測量水溫并控制電機啟動，使磁場發生器溫度盡量保持在設定數值，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。并通過并調整磁場強度大小，通過光線在其中的傳導，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系，之前磁場發生器配有了降溫設施，故此處不考慮溫度變化對磁流體折射率的微弱影響。

圖5 磁流體與磁場的關系

從這個圖中可以看出來，磁流體的折射率在一定范圍內隨橫向磁場的變大逐步增大，然后在磁場強度大于某一數值時，其斜率逐漸平緩。也就是在一定范圍內有較強的線性關系。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關系，來進行磁場傳感器的設計。本文正是據此而設計的一種F-P腔光纖傳感器的制作，將F-P結構光纖的腔內由空氣改為磁流體。通過磁流體的性質，造成光譜波長的偏移量進行研究設計。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結構光纖的特性，但是由于SSS光纖是錯位焊接，其光纖結構中間部分的傳感區域在封裝過程存在著磁流體填充的不便利性。

圖6 SSS填充結構簡圖

所以本文采用F-P結構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]，是一種的光纖結構，它一端為入射光纖，另一段為反射光纖，兩端用毛細玻璃管進行封裝，中間留出一定間隙，這個間隙部分我們稱之為空腔。這種結構可以實現創新的方面有很多，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、空腔內填充介質等。本文就是根據F-P腔內可填充這一優勢進行磁流體介質的填充。

圖7 F-P 結構簡圖

本文的技術實現方法如下：將玻璃管兩端分別接入兩段光纖，一段作為導入光纖，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。然后將導入光纖封裝在另一頭（下圖同學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結構光纖進行另一側的封裝，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結構的光纖傳感結構用于后續實驗使用，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過程中有以下幾點注意事項：

（1）磁流體濃度不可以太濃，經過我們實驗發現，過濃的磁流體會導致透光性差，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，最終導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，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

本文先是進行了較為傳統的SSS結構光纖的仿真學習，通過仿真驗證了在SSS結構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光纖結構的研究，進而結合磁流體，期望實現對SSS結構光纖進行磁流體的填充。在此基礎上進行了F-P腔光纖結構的磁流體填充，實現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結構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。也對其他類似的光纖液體填充性實驗有一定的啟發性意義。

4 未來展望

隨著社會發展，科技進步。新式材料不斷出現，光纖傳感器的發展也在不斷進步。尤其是以光纖材料為主的開發，使得其在一些極端環境下也可以使用。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光纖結構進行了初步的仿真，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。關于磁流體填充的F-P腔，本文的技術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也并未進行探討。關于以磁流體填充的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，工作環境更加廣泛的光纖傳感器問世！