李紅娟，貢穎婕，李 敏，肖景林

（1.赤峰學(xué)院 物理與智能制造工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000；2.內(nèi)蒙古民族大學(xué)凝聚態(tài)物理研究所，內(nèi)蒙古 通遼 028043）

磁場傳感器將磁場信息轉(zhuǎn)換為其他信號輸出，實現(xiàn)了對磁場信息進(jìn)行的傳輸、記錄和控制，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的核心部件［1-3］。磁場傳感器主要有電學(xué)磁場傳感器和光學(xué)磁場傳感器兩大類。電學(xué)磁場傳感器容易受環(huán)境非目標(biāo)電磁信號的干擾，因此，對目標(biāo)信號的探測精度較低。光學(xué)磁場傳感器利用光信號作為載體對磁場信號進(jìn)行傳感，具有精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等特點，可有效避免電學(xué)磁場傳感器的不足，受到該領(lǐng)域研究者們的喜愛。其中，光纖磁場傳感器體積小、靈敏度高，可以遠(yuǎn)距離監(jiān)控，且通過激光微納米加工［4-7］、化學(xué)腐蝕［8-10］和熔融等技術(shù)［11-13］可以制作成所需形狀的傳感結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。目前，在航空航天、電網(wǎng)系統(tǒng)、道路監(jiān)控、軌道交通、食品安全等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

由于光纖材料本身對環(huán)境磁場不敏感，因此，光纖磁場傳感器主要是由磁致伸縮材料、磁光材料和光纖的集成制備得到的。磁性流體（MF）是一種液體和固體的磁性黑棕色膠體溶液，該材料具有多功能的磁光特性，如可調(diào)折射率、法拉第效應(yīng)、雙折射效應(yīng)和熱透鏡效應(yīng)。最近，利用磁流體折射率可調(diào)特性設(shè)計的光纖磁場傳感器實現(xiàn)了對環(huán)境磁場［14-16］的靈敏檢測，但磁流體是由鐵磁粒子和液體負(fù)載混合制備的，因此，在強磁場下，鐵磁粒子與承載液體的分離會產(chǎn)生團(tuán)簇，磁流體的聚類現(xiàn)象會導(dǎo)致器件性能改變甚至損壞。磁致伸縮材料（巨磁致伸縮材料，GMM）具有應(yīng)變系數(shù)大、轉(zhuǎn)換效率高、響應(yīng)速度快、功率密度高、頻率特性好、居里溫度高等性質(zhì)，即使在強磁場作用下也不會發(fā)生聚簇現(xiàn)象，一些學(xué)者開發(fā)了基于光纖傳感器的磁致伸縮材料，但磁致伸縮材料存在壓阻，使其與傳感器的結(jié)合不易集成，生產(chǎn)過程復(fù)雜［17-19］。

紫外光敏聚合物材料由聚合物單體和光引發(fā)劑構(gòu)成，未曝光前呈液態(tài)，在紫外光的照射下光引發(fā)劑產(chǎn)生活性酸，活性酸作為催化劑、催化聚合物單體交聯(lián)固化實現(xiàn)光纖的集成［20］。通過將磁流體與光刻膠摻雜配備磁性聚合物溶液，并將配備的磁性聚合物溶液涂抹在光纖錐結(jié)構(gòu)的一側(cè)形成一個磁性聚合物微橢球，采用同樣的方法在光纖錐的另一側(cè)涂抹未摻雜的聚合物材料形成非磁性聚合物微橢球，聚合物雙微橢球與光纖錐形成了馬赫-曾德爾干涉儀。光纖錐通過簡單的熔融拉制法獲得，光纖錐的長度為0.8 mm，2個聚合物微?球在光纖錐上的距離為0.2 mm。光信號在光纖錐的一側(cè)被分成兩路，一路光在光纖錐中傳輸，另一路光在聚合物微橢球中傳輸，并在光纖錐的另一側(cè)耦合疊加，形成透射干涉譜，由于聚合物材料具有很好的熱光和熱膨脹效應(yīng)，且磁性聚合物微橢球在磁場作用下被磁化，與外磁場發(fā)生相互作用時使得光纖彎曲，因此，環(huán)境溫度和磁場將對兩路信號的相位進(jìn)行調(diào)制從而引起該結(jié)構(gòu)的透射譜發(fā)生移動，采用傳感矩陣的方法實現(xiàn)環(huán)境溫度和磁場的同時測量。該傳感結(jié)構(gòu)具有制作簡單、便于集成、輕巧便攜、制作成本低等特點。

1 聚合物雙微橢球光纖傳感結(jié)構(gòu)的制備和基本理論

1.1 聚合物雙微橢球光纖傳感結(jié)構(gòu)的制備

首先，配制磁性聚合物溶液。玻璃杯清洗備用，將光刻膠（GM1070）與磁流體按照2∶1的體積進(jìn)行混合，保鮮膜密封玻璃杯口，置于超聲環(huán)境中震蕩使其均勻混合。其次，利用熔融拉錐法制備光纖錐結(jié)構(gòu)。將纖芯和包層直徑分別是100 μm和125 μm的2段多模光纖的端面切平，并固定在熔接機（KL-300T）的V型槽中，見圖1（a）。利用自動熔接程序?qū)?根光纖熔接，熔接成功后進(jìn)行手動放電，手動放電次數(shù)和時間分別為4次和800 ms，清潔放電時間300 ms。手動放電過程中對2根光纖分別施加一個恒定的外力，使得光纖以一定的速度勻速向兩側(cè)運動，獲得錐長為0.8 mm的光纖錐結(jié)構(gòu)，見圖1（b）。再次，在光纖錐上涂敷非磁性和磁性聚合物雙微橢球。光纖錐被固定在光纖夾具上。光纖夾具是將2 個光纖夾固定在玻璃板上制備而成的，2個光纖夾的距離為1 cm。光纖錐結(jié)構(gòu)剛好懸空處于2 個光纖夾的正中間。夾具被置于光學(xué)精密切割系統(tǒng)（XDC-10A-530HS）下。磁性聚合物溶液用一次性注射器吸取，然后涂抹在光纖錐的一側(cè)。該過程在光學(xué)精密切割系統(tǒng)下操作。由于表面張力作用，聚合物材料在光纖錐的一側(cè)形成磁性聚合物微橢球。利用同樣的方法蘸取摻雜的光刻膠，涂抹在錐的另一側(cè)，獲得一個非磁性聚合物微橢球，見圖1（c）。最后，用紫外光源（XP104）照射光纖錐上的2個聚合物微橢球，聚合物材料中的光引發(fā)劑吸收紫外光產(chǎn)生活性酸，活性酸作為催化劑催化聚合物單體交聯(lián)，磁流體被交聯(lián)后的聚合物包裹并集成在光纖錐上。紫外光的光斑尺寸為6 mm，波長為365 nm。由于磁性聚合物材料存在強烈的散射，為使聚合物微橢球充分固化，紫外光源的照射時間為2 min。

圖1 聚合物雙微橢球光纖傳感結(jié)構(gòu)的制備過程Fig.1 The preparation process of fiber sensing structures based on two polymer micro-ellipsoids

光纖傳感結(jié)構(gòu)的光學(xué)照片見圖2（a）。圖2（a）中左側(cè)為非磁性聚合物微橢球，右側(cè)為磁性聚合物微橢球。2個微橢球間露出的光纖錐長度為0.2 mm。從圖2（a）中可以看出，兩聚合物微橢球的大小均勻，表面光滑，磁性聚合物微橢球因摻雜有磁流體材料，故其顏色更深。將該結(jié)構(gòu)放入溫控箱（DHG-9031A）中，設(shè)置溫控箱的溫度為30 ℃。傳感結(jié)構(gòu)的兩端分別與寬帶光源（YSL，SC-5-FC）和光譜儀（YOKOGAWA AQ63700D、波段為600～1 700 nm）相連，掃描并記錄該結(jié)構(gòu)的透射譜線，見圖2（b）。該結(jié)構(gòu)在1 250～1 650 nm光譜范圍內(nèi)出現(xiàn)多個特征峰，其中，1 350 nm處干涉峰的對比度最大，最大值近12 dB。

圖2 光纖傳感結(jié)構(gòu)光學(xué)圖片及干涉譜Fig.2 Optical picture and the interference spectrum of the sensing structure

1.2 基本理論

光纖錐集成2個聚合物微橢球構(gòu)成光纖馬赫-曾德爾干涉儀傳感結(jié)構(gòu)，光纖錐和2個聚合物微橢球分別作為干涉儀的2個臂。入射光在光纖錐的入射端被分成芯模和包層模繼續(xù)在光纖錐和聚合物微橢球中向前傳輸，并在光纖錐的另一端耦合到光纖內(nèi)部干涉，最終獲得該結(jié)構(gòu)的透射干涉譜。強度可以表示為［21］：

k1和k2是第1個和第2個聚合物微橢球的耦合效率，η為包層的傳輸損耗，φ0是與聚合物微橢球結(jié)構(gòu)有關(guān)的初始相位差，Iin為輸入光強。Δφ為芯模和包層模之間的相位差，可表述為：

其中，ncore和nclad是芯模和包層模的有效折射率，L是兩者之間的干涉長度，λ是入射光的波長，當(dāng)Δφ=(2m+1) π，m=0,1,2,…，最小輸出光強度可用公式表示為：

當(dāng)環(huán)境中磁場發(fā)生改變時，磁性聚合物微橢球被磁化，聚合物微橢球的折射率被調(diào)制。此外，該結(jié)構(gòu)被磁化，在磁場力的作用下光纖錐發(fā)生彎曲，引起結(jié)構(gòu)的干涉長度改變。同樣，由于聚合物具有較高的熱光和熱膨脹系數(shù)，環(huán)境溫度變化也會調(diào)制傳感結(jié)構(gòu)的有效折射率和干涉長度。折射率和干涉長度的變化使得干涉譜發(fā)生漂移。通過監(jiān)測干涉譜的移動，采用傳感矩陣的方法便可同時對磁場強度和溫度進(jìn)行高靈敏度探測。

2 數(shù)據(jù)分析

為了研究聚合物雙微橢球傳感結(jié)構(gòu)的溫度和磁場特性，構(gòu)建溫度和磁場測試系統(tǒng)，系統(tǒng)由寬帶光源、光纖光譜儀、三維移動平臺、釹鐵硼磁鐵、溫控箱（DHG-9031A）、高斯計（WT10C）等構(gòu)成。高斯計探針與光纖傳感結(jié)構(gòu)綁定在一起，并固定在溫控箱的平臺上，磁鐵置于傳感結(jié)構(gòu)正下方的三維移動平臺上，系統(tǒng)示意圖見圖3。

圖3 溫度和磁場測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of temperature and magnetic field test system

2.1 磁場傳感特性

控制環(huán)境溫度不變，控制三維移動平臺運動來改變磁鐵與光纖傳感結(jié)構(gòu)的相對位置，增大或減小光纖傳感結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的磁場強度大小，使磁場強度在5～35 mT范圍變化。實驗結(jié)果表明，隨著磁場強度的增加，干涉譜向右漂移，干涉譜中多個干涉峰都具有很好的磁場響應(yīng)特性，見圖4（a）。記錄1 250 nm 和1 350 nm附近的2個干涉峰A和峰B在不同磁場強度下的中心波長，見圖4（b）。對圖4（b）中的數(shù)據(jù)點進(jìn)行線性擬合，得到2 個干涉峰的磁場靈敏度分別為0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，線性相關(guān)系數(shù)分別為0.997 04和0.984 46。

2.2 溫度傳感特性

進(jìn)行溫度測量時，保證環(huán)境中磁場強度不變，調(diào)節(jié)溫控箱使得溫度在30～60 ℃之間變化，變化間隔為5 ℃。每5 ℃記錄1次干涉譜，見圖5（a）。在測量溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加干涉譜明顯向右漂移。記錄干涉峰A和干涉峰B在每個溫度下的中心波長，對不同溫度下干涉峰的中心波進(jìn)行線性擬合，見圖5（b）。該結(jié)構(gòu)的溫度靈敏度分別為0.228 73、0.161 62 nm·℃-1，線性擬合系數(shù)分別為0.995 76和0.993 53。

圖5 光纖傳感結(jié)構(gòu)的溫度特性Fig.5 Temperature properties of the fiber sensing structure

文中的光纖溫度和磁場傳感結(jié)構(gòu)，干涉譜中的2個干涉峰A和峰B對溫度和磁場均有不同響應(yīng)，靈敏度矩陣可以表示為

方程中ΔM和ΔT分別代表環(huán)境中磁場和溫度的變化量，溫度的單位是℃。環(huán)境中磁場的變化通過高斯計測量，溫度變化通過溫控儀實現(xiàn)。ΔλA和ΔλB是干涉峰A和峰B隨溫度和磁場變化的波長漂移，單位為nm。SMA和STA分別為干涉峰A的磁場和溫度靈敏度，STB和SMB分別為干涉峰B的溫度和磁場靈敏度，因為兩峰的溫度和磁場靈敏度不同，且不成線性比例關(guān)系，因此，可以實現(xiàn)溫度和磁場的同時傳感。

3 結(jié)論

制備了聚合物雙微橢球的高靈敏錐形光纖傳感結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了溫度和磁場的同時傳感。光纖錐通過熔融拉錐法制備，錐長為0.8 mm。磁性和非磁性聚合物微橢球通過紫外固化技術(shù)很容易被集成在光纖錐上，聚合物微橢球在長軸和短軸方向的長度分別為0.4、0.2 mm。實驗結(jié)果表明，磁場在5～35 mT范圍時，該結(jié)構(gòu)干涉譜中兩干涉峰的磁場靈敏度分別為0.077 27、0.067 45 nm·mT-1，溫度在30～60 ℃范圍時，兩干涉峰的溫度靈敏度分別為0.228 73、0.161 62 nm·℃-1。采用靈敏度矩陣的方法實現(xiàn)了溫度與磁場的同時測量。聚合物微橢球?qū)⒐饫w錐結(jié)構(gòu)緊緊包裹，有效地提高了結(jié)構(gòu)的機械強度。且該傳感結(jié)構(gòu)制備過程簡單、成本低，在醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域?qū)⒂兄匾膽?yīng)用前景。