磁流體的光學(xué)特性及其光纖FP傳感關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、磁流體(Magnetic Fluids，MF)也稱作鐵磁流體(Ferrofluid)或者磁液(Magnetic Liquid)，是一種新型的功能性材料，既具有固體磁性材料的磁性又具有液體的流動(dòng)性，是由納米磁性顆粒借助于表面活性劑均勻彌散在基液中所形成的穩(wěn)定膠體溶液。
　　磁流體具有許多獨(dú)特的特性，這使得磁流體在各個(gè)研究領(lǐng)域中迅猛發(fā)展。對(duì)磁流體的研究始于二十世紀(jì)六十年代，深入到電子、能源、航空航天、國防軍工、冶金機(jī)械、化工環(huán)保、儀器

2、儀表、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。當(dāng)前，磁流體的磁光特性研究仍為國內(nèi)外的一個(gè)熱門的研究課題。
　　本課題主要研究磁流體的光學(xué)特性及其光纖法布里-珀羅(Fabry-Perot，F(xiàn)P)傳感關(guān)鍵技術(shù)，取得的具有特點(diǎn)和創(chuàng)新性工作包括:
　　(1)從理論上和實(shí)驗(yàn)上同時(shí)對(duì)磁流體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。本文提出從磁流體特性的本質(zhì)研究其光學(xué)特性，即研究磁流體的微觀結(jié)構(gòu)在無、有磁場(chǎng)作用下的變化情況。理論上，考慮和分析磁流體粒子模型、粒子間相互作用能、粒子受外界

3、磁場(chǎng)作用能等，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法，利用Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)，仿真磁流體納米磁性粒子在無、有磁場(chǎng)作用下的分布情況。仿真結(jié)果表明，當(dāng)無磁場(chǎng)作用下，磁流體的磁性粒子會(huì)形成弱絮凝結(jié)構(gòu)，而在有磁場(chǎng)作用下，磁流體的磁性粒子會(huì)隨著磁場(chǎng)的方向形成磁鏈結(jié)構(gòu)，并隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，形成的磁鏈結(jié)構(gòu)的長度會(huì)隨之變長，并且得到了同樣在溫度作用下，磁鏈結(jié)構(gòu)會(huì)隨著溫度的升高而遭到破壞。實(shí)驗(yàn)上，為了動(dòng)態(tài)研究磁流體微觀結(jié)構(gòu)在無、有磁場(chǎng)作用下

4、的變化情況，解決了微米級(jí)磁流體薄膜樣本制作和磁流體微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建兩大關(guān)鍵問題。本文采用了化學(xué)腐蝕方法，并通過自行設(shè)計(jì)的有機(jī)玻璃密封操作箱，成功制作出表面光滑、均勻度好的磁流體薄膜且厚度最小能達(dá)到6μm。而磁流體微觀結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了單筒視頻顯微鏡結(jié)合自行設(shè)計(jì)的水冷式磁場(chǎng)發(fā)生裝置，有力保證了磁場(chǎng)強(qiáng)度大、均勻度好、恒溫效果好以及實(shí)驗(yàn)裝置的靈活性。該系統(tǒng)能提供最大的磁場(chǎng)超過500Gs并能夠動(dòng)態(tài)的觀察和研究磁流體在有、

5、無磁場(chǎng)作用下的微觀結(jié)構(gòu)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在磁場(chǎng)作用下，磁流體的納米磁性粒子隨著磁場(chǎng)方向形成磁鏈結(jié)構(gòu)，并且隨著磁場(chǎng)的增大而變長，同時(shí)在溫度作用下，磁流體的鏈狀結(jié)構(gòu)也隨溫度上升而遭到破壞，這證明理論仿真的有效性和可行性。
　　(2)基于磁流體微觀結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果進(jìn)一步從理論上研究磁流體的光學(xué)特性，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。理論上，在磁流體微觀結(jié)構(gòu)模型建立的基礎(chǔ)上，在X和Y方向上進(jìn)行無數(shù)次的拓展，在Z軸方向上進(jìn)行有限次拓展之后得到實(shí)際磁流體

6、薄膜尺寸的模型，利用米氏散射原理，運(yùn)用光在磁流體薄膜中傳輸?shù)母怕誓Ｐ停瑢?duì)光的傳遞過程進(jìn)行了仿真模擬，得到了不同方向的磁場(chǎng)作用、不同厚度、不同濃度的磁流體薄膜在波長范圍為1μm～15μm的透射率變化情況。實(shí)驗(yàn)上，設(shè)計(jì)光纖準(zhǔn)直支架，保證了兩個(gè)準(zhǔn)直器的透射率高達(dá)86％，搭建了光路系統(tǒng)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)探測(cè)模塊及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行了磁流體薄膜在1550nm波長處光學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究，在一定誤差允許下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論的模擬結(jié)果相符合。
　　

7、(3)基于磁流體光學(xué)特性，將磁流體與光纖FP干涉儀相結(jié)合，提出了基于磁流體填充的光纖FP磁場(chǎng)/電流傳感器。利用顯微鏡、六維調(diào)整架等設(shè)計(jì)了并搭建了磁流體填充的光纖FP傳感器的制作平臺(tái)，控制精度可達(dá)0.5μm。首先研究了空氣腔光纖FP傳感器和酒精填充的光纖FP溫度傳感器，有效證明傳感器的結(jié)構(gòu)以及粘接方式的合理性，降低外界溫度對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)的影響，掌握了液體填充技術(shù)以及相應(yīng)的密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于磁流體填充的光纖FP磁場(chǎng)傳感器。恒定溫度為28℃，

8、磁場(chǎng)為0Gs到400Gs范圍作用下，該傳感器的靈敏度在理論上達(dá)0.046nm/Gs，實(shí)驗(yàn)上達(dá)0.0431 nm/Gs。
　　(4)為了解決磁流體的溫度和磁場(chǎng)交叉敏感的問題，對(duì)磁流體填充的光纖FP傳感器進(jìn)行完善，采用了將光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)和FP傳感器相結(jié)合的方法，科學(xué)合理的設(shè)計(jì)出基于磁流體填充的FBG-FP傳感器，借助FBG溫度敏感特性，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，補(bǔ)償溫度對(duì)磁流體特性的影響。通過對(duì)傳

9、感原理的推導(dǎo)，該結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)了溫度補(bǔ)償，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)雙參數(shù)測(cè)量，仿真結(jié)果證明其可行性，并得到理論的磁場(chǎng)靈敏度和溫度靈敏度分別為0.0456nm/Gs和0.0133nm/℃。
　　本文從理論上和實(shí)驗(yàn)上，同時(shí)研究磁流體微觀結(jié)構(gòu)同磁場(chǎng)和溫度的關(guān)系，以及相應(yīng)情況下的光學(xué)特性。并將磁流體應(yīng)用到光纖FP干涉儀上，形成新型磁流體填充的光纖FP傳感器，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量。并通過進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，理論上使用了光纖光柵實(shí)現(xiàn)了傳感器的溫度補(bǔ)償，以及證明該傳