来源:Frontiers of Optoelectronics 发布时间:2022/11/14 11:01:53
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FOE | 前沿研究:光纤磁场传感器中的光纤结构和材料科学

论文标题:Fiber structures and material science in optical fiber magnetic field sensors(光纤磁场传感器中的光纤结构和材料科学)

期刊:Frontiers of Optoelectronics

作者:Jing Zhang, Chen Wang, Yunkang Chen, Yudiao Xiang, Tianye Huang, Perry Ping Shum, Zhichao Wu

发表时间:15 Sep 2022

DOI:10.1007/s12200-022-00037-0

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第—作者:张晶

通讯作者:张晶、吴志超

通讯单位:中国地质大学(武汉)

研究背景

近年来,磁场传感在科学研究及工程应用等许多领域都发挥出越来越重要的作用。而基于霍尔效应、磁阻效应及磁通门等传感原理的传统磁场传感器结构及成本尚有待改进。光纤磁场传感器,由于具有重量轻、体积小、成本低、远程可控等特点,受到越来越多的关注。传统光纤使用的石英等材料不易受到电磁信号影响,因此光纤磁场传感器需引入特殊设计的光学结构和磁敏材料,以便环境磁场可调制光纤中光波的相位、强度、频率等物理特性。

内容简介

有鉴于此,中国地质大学(武汉)张晶教授团队就光纤磁场传感器主题总结发表了综述文章,从光纤磁场传感器的基本原理、发展趋势和应用现状等方面做出介绍。本文详细讨论了光纤光栅、光纤干涉仪、微纳光纤等光纤结构,及磁流体、磁光、磁致伸缩等磁敏材料传感机制;同时介绍了光纤磁场传感器在电流监测、地磁监测和准分布式磁场传感器等方向的应用。作者归纳总结了近几年光纤磁场传感器的性能参数,其中磁场传感灵敏度最大可达4187 pm/mT。文章对光纤磁场传感器的常见结构、常用磁敏材料、传感灵敏度等方面进行了列表分析及总结,对光纤磁场传感器的现有挑战和发展方向亦做出了分析。相关工作以Fiber structures and material science in optical fiber magnetic field sensors为题于2022年8月10日发表在Frontiers of Optoelectronics 期刊上。

图文简介

内容1:磁感应光纤传感器常见微纳结构

因石英玻璃等材料具有较好的电磁信号屏蔽性,为更好地实现磁场的传感测量,光纤磁场传感器必须与特殊设计的光纤结构相结合,才能对光波的频率、强度和相位等物理参数进行调节,随后对这些变化进行检测。

1.基于光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)的传感器

FBG是一种分布式布拉格反射器,其折射率调制部分在光纤纤芯上呈周期性分布,可以反射特定波长的光,而传输其它波长的光。FBG的有效折射率可以通过改变光纤包层应力或减小光纤包层厚度来进行调节,为磁场传感提供可能。

2.基于干涉仪的光纤传感器

光纤中相位变化的检测可以通过干涉仪完成,而干涉仪不同光路的光程差或相位差的大小决定了传感灵敏度等。文中具体讨论了MZI(Mach-Zehnder Interferometer)、FPI(Fabry−Pérot Interferometer)、SI(Sagnac Interferometer)及MI(Michelson Interferometer)等几种常见的光纤干涉仪结构及其光场调节特性。

3.基于微纳结构光纤的传感器

光在光纤中传输时,纤芯和包层界面上会形成倏逝场,它会与被测物质相互作用而引起光场能量的损失,反映为光纤输出光强减少,该特性为测量环境磁场提供了可能。微纳拉锥光纤、D形光纤及U形光纤结构可使光纤中的倏逝场更好的渗透到环境中,进而提高传感器灵敏度。

图1. (a)光纤布拉格光纤光栅(FBG)传感器结构【Opt. Express. 21(14), 17386–17391】;(b)基于无芯-细芯-无芯结构的光纤磁场传感器【Optik 249, 168234】;(c)基于FPI结构的光纤磁场传感器【IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 23(2), 322–326】;(d)微纳拉锥光纤结构示意图

文章回顾了这些光纤微纳结构在磁感应光纤传感器中的应用。图1(a)展示了一种有Terfenol-D涂层的具有螺旋形微结构的FBG磁场传感器,当螺旋间距为50 μm、螺旋微槽深度为13.5 μm时,该结构在0-140 mT的磁场范围内的磁场传感灵敏度为0.7 pm/mT 。图1(b)为一种基于MZI的强度调制磁场传感器,由无芯-细芯-无芯光纤(NTN)结构组成,细芯光纤的包层部分被氢氟酸溶液蚀刻,整个光纤结构浸泡在磁流体中,蚀刻后的装置灵敏度是未蚀刻装置的5.3倍,在0-55 Oe的磁场范围内,可实现0.418 dB/Oe 的灵敏度。图1(c)是一种紧凑型光纤FP传感器,其内嵌有微流体通道可引入磁流体,在1.2-153.41 Oe的磁场强度下,该装置可实现418.7 pm/Oe的磁场传感灵敏度。

内容2:磁感应光纤传感器常见磁敏材料

光导纤维一般由石英玻璃及高聚物等材料制成,其本身具有一定的电磁信号屏蔽性。因此,若想将光纤传感器应用于磁场传感测量中,须在光纤结构中引入磁敏材料,以利用磁敏材料对电磁信号的敏感性,实现光纤传感器对磁场信号的感知功能。

1.磁流体材料

磁流体是包含磁性纳米颗粒的胶体溶液,当有外界磁场作用时,磁性纳米颗粒的分布模式会随着外界磁场强度和方向发生改变,磁性粒子倾向于沿磁场方向聚集成链状,而胶体的折射率会随之变化,进而为光纤探测提供可能。

2.磁致伸缩材料

磁致伸缩材料在外加磁场的作用下,其长度在磁化方向会发生伸长或缩短,尺寸变化取决于磁通量密度的大小及方向。磁致伸缩材料可贴附或包裹于光纤结构表面,以使光纤结构在磁场作用下长度产生变化,进而改变光纤折射率等参量。

3.磁光材料

磁光效应是一种处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的光学现象。当一束线偏振光通过某种透明的磁光材料时,透射光的偏振方向与入射光的偏振化方向相比,产生了一个角度的变化。该材料亦可通过贴附、包裹、连接等方式融入光纤传感结构,进而帮助其探测磁场。

图2. (a)磁流体组成示意图及磁性流体纳米粒子在不同磁场强度下的变化(磁场强度:H3>H2>H1);(b)基于磁致伸缩材料TbDyFe和高精细度法布里-珀罗干涉仪(EFPI)的光纤磁场传感器的实验系统【Opt. Lasers Eng. 71, 62–65】;(c)基于光纤及磁光效应材料的电流传感器示意图【Sensors. 13(10), 13584–13595】

文章回顾了上述常见磁敏材料在磁感应光纤传感器中的应用。图2(a)为磁流体的组成示意图及磁性流体的纳米粒子在不同磁场下的变化示意图,可以看到当磁场强度逐渐增大时,磁性纳米粒子逐渐形成稳定规则的链形结构,其折射率会随之变化。图2(b)为一种基于磁致伸缩材料TbDyFe和高精细度法布里-珀罗干涉仪(EFPI)的光纤磁场传感器,TbDyFe棒的长度随外加电磁场的变化而改变,从而使FP腔的整体长度发生改变进而调节输出光场,该传感器得到了1510 nm/mT的磁感应灵敏度和25 nT的磁场强度分辨率。图2(c)为一种利用磁光玻璃的低成本光学电流传感器,当有外界磁场存在时,通过磁光材料SF2的光束会产生法拉第旋转,该电流传感器的线性响应范围为0-800 A。

内容3:光纤磁场传感器的常见应用

光纤磁场传感器技术发展迅速,具有广泛的应用前景,如在电流传感、海洋多维探测、国防领域等都有重要应用。文章中重点介绍了光纤磁场传感器作为电流传感器、地磁传感器及准分布式磁场传感器的应用。

图3. (a)基于空间相位调制法的光纤电流传感器【Photonic Sens. 10(3), 275–282】;(b)基于光纤系统的准分布式磁场传感器件构架【Opt. Laser Technol. 146, 107607】

图3(a)展示了一种采用空间非互易调制方法的共线闭环光纤电流传感器,该检测方案避免了传统光纤线圈的过渡时间对相位调制频率的限制,提高了系统灵敏度和稳定性,采用锯齿波调制方案,通过锯齿波相移实现相位偏置调制和反馈调制,从而实现闭环检测,提高信噪比,该系统在室温下测得电流比值误差为额定电流的1 %-120 %,达到0.2 S的精度。同时在-30 ℃至50 ℃范围内,额定电流下测得的比值误差不超过±0.2 %。图3(b)为一种基于频移干涉法光纤环衰荡(FSI-FCRD)技术的准分布式光纤磁场感应系统,两个传感单元串联在一个频移干涉仪中;每个单元中,侧面抛光的单模光纤上涂有稀释的水基铁液,由于铁流体的可变折射率和抛光光纤的倏逝波效应,每个单元的空腔损耗随磁场的变化而变化,磁场的测量可通过检测空腔损耗的变化来实现,该系统利用磁流体的折射率变化来实现磁场感应,其中两个传感单元的灵敏度分别为6.7894×10-4 dB/Oe和7.4980×10-4 dB/Oe。

总结与展望

本文介绍了光纤磁场传感器的基本原理和最新发展,详细讨论了不同光纤结构的工作原理和结构特点,分析了该体系常用磁敏材料,探讨了光纤磁场传感器在电流监测、地质检测和分布式传感系统中的应用。

不可否认的是,光纤磁场传感器依然存在着一些不足,如工业化程度还有待提高、灵敏度和抗干扰性有待提高以及分布式光纤传感系统在磁场传感中只能实现准分布式的测量等问题。随着光纤制造和材料科学的发展,多功能多材料光纤集成的新技术与新方法将为全光纤磁场传感系统提供新的解决思路。

作者介绍

张晶,博士研究生学历,2012年于华中科技大学获学士学位,2014年于法国巴黎第十一大学获硕士学位,2019年于新加坡南洋理工大学获博士学位。现任中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院教授、博导。入选国家高层次人才项目、湖北省高层次创新人才项目,主持并参与国内外多项研究项目。主要研究方向为新型特种光纤、智能光纤传感、柔性可穿戴光电器件等,目前已在Nature Communications等国际顶级期刊发表SCI学术论文20余篇,其中3篇文章获选封面及亮点文章,发表英文专著章节一章,多次参加国际会议并作报告。

【招生信息】

课题组主要研究方向基于新型特种光纤领域,欢迎具有电子、光学、物理、机械、地学等相关理工科背景的学生加入课题组,欢迎发邮件zhangjing28@cug.edu.cn进行详细交流。课题组2022年博士研究生招生名额1名,硕士研究生招生名额5名。

联系邮箱:zhangjing28@cug.edu.cn

课题组简介:https://jidian.cug.edu.cn/info/1128/4473.htm

摘要

Magnetic field sensing plays an important role in many fields of scientific research and engineering applications. Benefiting from the advantages of optical fibers, the optical fiber-based magnetic field sensors demonstrate characteristics of light weight, small size, remote controllability, reliable security, and wide dynamic ranges. This paper provides an overview of the basic principles, development, and applications of optical fiber magnetic field sensors. The sensing mechanisms of fiber grating, interferometric and evanescent field fiber are discussed in detail. Magnetic fluid materials, magneto-strictive materials, and magneto-optical materials used in optical fiber sensing systems are also introduced. The applications of optical fiber magnetic field sensors as current sensors, geomagnetic monitoring, and quasi-distributed magnetic sensors are presented. In addition, challenges and future development directions are analyzed.

期刊简介

Frontiers of Optoelectronics (FOE)期刊是由教育部主管、高等教育出版社出版、德国施普林格(Springer)出版公司海外发行的Frontiers系列英文学术期刊之一,以网络版和印刷版两种形式出版。由北京大学龚旗煌院士、西安电子科技大学张新亮教授共同担任主编。

其宗旨是介绍国际光电子领域最新研究成果和前沿进展,并致力成为本领域内研究人员与国内外同行进行快速学术交流的重要信息平台。该刊的联合主办单位是高等教育出版社、华中科技大学和中国光学学会,承办单位是武汉光电国家研究中心。FOE期刊已被Emerging Sources Citation Index (ESCI), Ei Compendex, SCOPUS, INSPEC, Google Scholar, CSA, Chinese Science Citation Database (CSCD), OCLC, SCImago, Summon by ProQuest等收录。2019年入选中国科技期刊卓越行动计划梯队期刊项目。

《前沿》系列英文学术期刊

由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》(Frontiers)系列英文学术期刊,于2006年正式创刊,以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题,是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群,其中13种被SCI收录,其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录,具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式,保证文章以最快速度发表。

中国学术前沿期刊网

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