一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器及其制备方法

1.本发明属于光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器及其制备方法。


背景技术：

2.磁场是一种看不见、摸不到的特殊物质，广泛存在于大自然中。在现代科学技术和人类生活中，磁场的测量具有重要意义，特别是在电力电网、导航定位、生物医学、航海航天、地质探矿、地球物理、军事工程等领域。磁场传感器是获取磁场信息的核心器件，既可直接测量磁场，也可间接测量可转化为磁场的其他物理量，例如电流、位移、折射率等。传统的电类磁场测量系统通常使用有源金属探头，主要缺点是结构复杂、体积相对较大、易受电磁信号的干扰、无法适用于高温高压等恶劣环境。
3.针对电类传感器的缺点所在，光纤磁场传感器以其突出的优势，在磁场检测方面给出了较好的解决方案。随着光纤传感技术的迅速发展，光纤锥形传感结构通过将一部分光信号泄露到光纤外向前传输，另一部分光在光纤锥结构内向前传输，两束光在锥的另一侧耦合到光纤内干涉叠加形成干涉谱，如此能很好的实现环境温度、应变等参量的灵敏测量，具有很好的响应特性。但由于光纤材料本身具有很好的抗电磁干扰特性，目前，研究人员将磁光材料和磁致伸缩材料与光纤集成设计光纤磁场传感结构，从而实现环境中磁场强度的传感探测。磁流体(magnetic fluid，mf)是由磁性颗粒、基液以及表面活性剂三部分组成的一种磁性胶体材料，具有流体和磁体特性。在磁场作用下，磁性颗粒在基液中重新排列，磁流体的折射率随外磁场发生变化，利用该特性磁流体目前已被广泛用于光纤传感器的制备，但磁流体在强磁场作用下很容易发生团簇现象，因此该类传感器使用受限。磁致伸缩材料(giant magnetostrictive material，gmm)响应速度快、居里温度高，即便在较强的磁场作用下，也可有效避免团簇现象，一些基于磁致伸缩材料的光纤传感器件被研发实现了磁场强度的传感。然而，磁致伸缩材料不易于光纤集成，制作过程较复杂。


技术实现要素：

4.基于上述技术问题，本发明提供了一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器及其制备方法，通过将磁性纳米粒子掺杂在聚合物中并集成在光纤的锥形结构区上形成磁性聚合物微球后，获得了一种马赫-曾德尔光纤磁场传感器，当将该传感器用于对环境磁场进行探测时，既具有优异的磁场响应特性，又能有效避免磁流体团簇，而且制作过程简单。
5.本发明提出的一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器，包括锥形光纤和覆盖在所述锥形光纤锥形结构区上的磁性聚合物微球；
6.所述磁性聚合物微球是磁性纳米粒子均匀掺杂在聚合物中的复合材料。
7.相比于现有技术中直接利用磁流体包覆锥形光纤形成的光纤磁场传感器，本发明通过将磁性纳米粒子掺杂聚合物后集成在光纤锥形结构区上后形成的光纤磁场传感器，后者由于掺杂作用，磁性纳米粒子可以相对固着在聚合物中，因此不容易在磁场作用下发生
团簇，所得传感器既具有高灵敏的矢量磁场传感效果，又具有常规光纤传感器易复用、稳定性高、耐腐蚀等特性。
8.优选地，所述锥形光纤的锥形结构区包括锥腰区和位于锥腰区两端的两个锥形过渡区。
9.优选地，所述锥腰区的横截面直径为0-25μm，所述锥形过渡区的长度为0-15mm。
10.优选地，所述磁性聚合物微球呈椭球形，其轴向长为0-20mm，纵向长为0-5mm。
11.优选地，所述磁性聚合物微球是通过将磁性纳米粒子与聚合物混匀后固化得到；
12.优选地，所述磁性纳米粒子为fe3o4、fe2o3、ni或co中的至少一种，所述聚合物为感光树脂。
13.优选地，所述磁性聚合物微球是通过将包含磁性纳米粒子的磁流体与包含感光树脂的光刻胶超声分散均匀后，光照固化得到；
14.优选地，所述磁流体与光刻胶的体积比为1:1-3。
15.本发明中，磁流体优选以fe3o4、fe2o3、ni、co等作为磁性颗粒，以水、有机溶剂、油等作为基液，以油酸等作为表面活性剂。
16.本发明中，将磁流体与光刻胶混合后，涂覆在光纤的锥形结构区上，由此形成的液态磁性聚合物微球在紫外光源照射下，光刻胶中光引发剂在紫外光照射下产生活性基团，该活性基团可以作为催化剂催化聚合物单体交联固化，最终将磁流体包裹着固着在光纤的锥形结构区上。
17.优选地，所述光纤磁场传感器还包括宽带光源和光谱分析仪；
18.优选地，所述宽带光源和光谱分析仪分别与所述锥形光纤的两端相连。
19.优选地，所述宽带光源是用于发出进入光纤的光；所述锥形光纤是用于将进入光纤的光在锥形结构区形成干涉光，基于磁性聚合物微球，所述干涉光在磁场作用下发生变化；所述光谱分析仪是用于记录在磁场作用下发生变化的干涉光谱。
20.本发明还提出一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器的制备方法，包括如下步骤：
21.s1、将光纤采用熔融拉锥技术进行拉锥，得到具有锥形结构区的锥形光纤；
22.s2、将磁性纳米粒子与聚合物混匀后涂覆在所述锥形光纤的锥形结构区上形成微球，固化反应后，即得到所述基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器。
23.优选地，步骤s1中，将两根多模光纤熔接后，再采用熔融拉锥技术进行拉锥，得到具有锥形结构区的锥形光纤。
24.优选地，步骤s2中，将磁流体和光刻胶混匀后涂覆在所述锥形光纤的锥形结构区上形成微球，紫外光照射固化后，即得到所述基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器。
25.本发明中，将包含磁性纳米粒子的聚合物磁性混合物涂抹在光纤的锥形结构区之后，经过固化形成磁性纳米粒子掺杂聚合物的磁性聚合物微球；由于该磁性聚合物微球集成在光纤的锥形结构区时，磁性聚合物微球与锥形光纤构成了一个马赫-曾德尔干涉仪，因此工作时，入射光信号到达锥形结构区时分别在光纤和聚合物中传输并在锥的另一侧耦合，形成透射干涉谱，在磁场作用下，磁性聚合物微球被外磁场磁化，集成的磁性聚合物微球的光纤锥结构在外磁场作用下发生形变，磁场越强，形变越明显，同时磁性聚合物微球的折射率也随磁场发生改变，折射率和形状的改变都将调制光纤传感结构的相位信息，最终
引起干涉谱的移动；通过检测发现，在0-190mt磁场范围内，其磁场灵敏度可达到-69.76pm/mt。由此可知，本发明所述光纤磁场传感器具有灵敏度高、制备过程简单，磁性聚合物微球被牢牢绑定在光纤锥结构上等优点。
26.本发明所述传感器的具体工作原理如下：
27.锥形光纤集成磁性聚合物微球构成的光纤马赫—曾德尔干涉仪传感器，锥形光纤和磁性聚合物微球分别作为两个臂，入射光分别被耦合到锥形光纤和磁性聚合物微球中传输，并最终在锥的另一端耦合到光纤内部干涉，得到该结构的干涉谱线，强度可以表示为：
[0028][0029]
式(1)中，k是球状结构的耦合效率，η为包层的透射损耗，为受球形结构影响的初始相位差，i
in
为输入光强。
[0030]
入射光在磁性聚合物微球结构处被分为芯模和包层模，然后在锥形结构的另一侧重新组合；为传输一定距离后的芯模和包层模之间的相位差，可表述为：
[0031][0032]
式(2)中，n
core
和n
clad
是芯模和包层模的有效折射率，l是相互作用长度，λ是光波波长，当时，最小输出光强度可用公式表示为：
[0033][0034]
当环境中磁场发生改变时，磁性聚合物微球被磁化，聚合物包层折射率被调制，同时被磁化的微球与外磁场之间存在相互作用力，使得光纤锥形结构区弯曲，有效干涉长度改变，最终表现为干涉谱的漂移，通过监测干涉谱的移动实现对磁场强度的高灵敏探测。
附图说明
[0035]
图1为本发明所述光纤磁场传感器的锥形光纤的结构示意图；
[0036]
图2为本发明所述基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器的结构示意图；
[0037]
图3为本发明所述光纤磁场传感器在室温25℃下的干涉谱图。
具体实施方式
[0038]
下面，本发明通过具体实施例对所述技术方案进行详细说明，但是应该明确提出这些实施例用于举例说明，但是不解释为限制本发明的范围。
[0039]
实施例
[0040]
本实施例提出一种基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器，其是通过下述方法制备得到：
[0041]
(1)用光纤钳将多模光纤(gi 100/125)的末端涂覆层去掉，再利用无水乙醇将去掉涂覆层的光纤擦干净，将两根去掉涂覆层的光纤用光纤切割刀将端面切割平整后放入光纤熔接机(kl-300t)的v型槽中；
[0042]
(2)利用多模光纤自动熔接程序将光纤两端熔接，对熔接好的多模光纤进行手动放电，手动放电过程中对光纤施加外力使其匀速向两侧运动，制备出以熔接点为中心的锥形光纤，手动放电时间为800ms，手动放电次数为4次，锥形光纤的锥形结构区的锥腰区在第
一次拉拽后较大，通过多次手动放电可以制备成腰径较小的锥形结构区，将该具有锥形结构区的锥形光纤放置在精密切割系统中观察并拍照，其具体结构如图1所示，锥形光纤的形状均匀，锥形结构区长度为600μm；
[0043]
(3)使用一次性注射器分别量取适量的磁流体(二酯基磁流体mfs，四川弘博新材科技股份有限公司)和光刻胶(su-8，gm1070)，按照2:1的体积配比进行混合，并置于超声波容器中充分震荡20min后使其混合均匀，超声波震荡过程中产生的热使得磁性混合物溶液中的部分溶剂蒸发，磁性混合物变粘稠方便，在锥形光纤的锥形结构区集成微椭球结构；
[0044]
(4)将前述制备好的锥形光纤固定在样品架上，为了方便涂抹磁性混合物，避免涂抹的磁性混合物粘连在样品架上，在样品架上的锥形光纤的锥形结构区处制作一镂空槽，将固定好的锥形光纤的样品架置于精密切割系统(xdc-10a-530hs)的镜头下，在显微镜下涂抹磁性混合物，由于表面张力作用，磁性聚合物材料向一起聚集形成磁性聚合物微椭球结构，该磁性聚合物微椭球刚好包裹上锥形光纤的锥形结构区；
[0045]
(5)利用uvled固化设备(xp104)照射前述磁性聚合物微球，聚合物的光引发剂吸收紫外光产生活性酸，在热烘烤时活性酸作为催化使得聚合物单体交联固化，磁性纳米粒子被包裹在聚合物中并集成在了光纤上，因为聚合物中掺杂有磁流体，为了使所得磁性聚合物微球充分曝光固化，曝光时间控制为1min，最终在锥形光纤的锥形结构区上集成磁性聚合物微球，得到了基于磁性聚合物微球的光纤磁场传感器，其具体结构如图2所示。参照图2可可知，该磁性聚合物微球呈椭球性，形状规则，表面光滑，聚合物微球沿光纤的轴向长为1200μm，纵向长为800μm。
[0046]
将上述光纤磁场传感器固定在测试支架上，一端与宽带光源(ysl，sc-5-fc，带宽为600nm-1700nm)相连接，另一端与光谱仪(yokogawa，aq6370d)相连接，记录该传感器室温为25℃和磁场强度为0mt下的透射谱线，获得干涉谱信号，结果如图3所示。参照图3可可知，该光纤磁场传感器具有在1250nm-1650nm范围内存在多个干涉峰，其中1520nm处干涉峰的对比度最大，近10db。
[0047]
磁场传感特性的测试
[0048]
为了研究上述光纤磁场传感器的磁场特性，这里搭建磁场测试系统，该测试系统包括宽带光源、光纤光谱仪、高斯计(wt10c)、钕铁硼磁铁和样品架；高斯计的传感探头与磁性聚合物微球绑定在一起，用于实时监测传感结构周围磁场强度的大小，钕铁硼磁铁固定在三维移动平台上，并置于传感结构的正下方，改变磁铁和传感器在竖直方向的相对位，来增强或减弱传感结构周围的磁场强度。
[0049]
将上述光纤磁场传感器置于磁场环境中，控制磁场强度在0-190mt范围内变化，磁场强度变化间隔为30mt，分别记录传感器在0mt、10mt、40mt、70mt、100mt、130mt、160mt、190mt时的透射干涉谱。结果可知，随着磁场强度变化，干涉谱发生了明显的移动。
[0050]
进一步分析1520nm附近的干涉峰随磁场强度变化的移动情况，记录并分析每个磁场强度下干涉峰的中心波长位置。以磁场强度为横坐标，干涉峰中心波长为纵坐标作图，对这些数据点进行线性拟合，得到一次函数的斜率为-0.06976，截距为-1534.87432，数据点均匀分布在拟合直线两侧。随着磁场强度的增强干涉峰的波谷规律的向左移动。当磁场强度变化了190mt时，1520nm处对应干涉峰中心波长移动了15nm。灵敏度达到了-69.76pm/mt，线性相关系数为0.94323。由此可知，该光纤磁场传感器具有很好的磁场响应特性。
[0051]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。