基于微结构空芯光纤的磁场传感器研究.pdf

摘要

随着信息科技的发展，磁场探测在机器设备、航空航天、智能电网等领域都

发挥着至关重要的作用。尤其是在人工智能高速发展的背景下，智能设备需要感

知外界环境磁场的变化来获取物体位置、方向、速度等信息实现定位导航，研发

人员对磁场探测的灵敏度、精度、稳定性等要求越来越高。具有结构简单、高性

能、稳定性强的光纤器件成为传感领域的热门课题。其中，微结构空芯光纤具有

特殊的结构和优秀的光学特性，尤其是内部的多样性气孔结构，为诸多功能材料

的集成提供了平台，具有广阔的应用前景。相对于传统的光纤器件具有结构紧凑、

性能良好、适用性强等特点。本文以微结构空芯光纤为基础设计磁场传感器，将

光纤与磁流体结合，分析光传输特性和各参量对传感器性能的影响，主要内容如

下：

1.介绍光纤传感器和微结构空芯光纤的工作原理，以及使用MATLAB计算

得到磁场强度和外界温度环境对磁流体折射率的影响。以反谐振空芯光纤为载体，

仿真计算漏模共振传感模型，确定具有单模传输特性的光纤结构参数，讨论不同

磁流体填充方式对磁场灵敏度的作用。研究发现，不同填充方式仅影响输出光谱

损耗强度，当外界磁场环境为60-270Oe时，灵敏度为68.39pm/Oe，并且随着共

振波长的增大逐渐增大。

2.依据表面等离子体共振原理，搭建一款反谐振空芯光纤磁场传感器。在包

层管进行金属膜生长，由于磁流体的强吸光性，选择空气包层管填充磁流体。研

究讨论不同包层管直径和金膜厚度对传感模型的影响。当包层管直径为8μm时，

光纤结构具有良好的单模传输特性；金属层厚度为30nm时，在外界磁场环境为

60-270Oe下，波长灵敏度达到104.25pm/Oe。

3.设计了一个基于马赫曾德尔干涉的锥形空芯光纤磁场传感器。首先使用仿

真软件模拟了锥形空芯光纤的能量场分布。实验上通过控制拉锥机放电参数得到

空气纤芯完整的传感区域，并与单模光纤熔接后封装至塑胶管中，将其置于磁流

体环境中。通过电磁铁控制磁场强度范围为60-270Oe，在输入波长1240-1400nm

范围内，波长灵敏度达到了-128.01pm/Oe。

关键词：微结构空芯光纤，磁场传感，漏模共振，表面等离子体共振，马赫曾德

尔干涉

Abstract

Withthedevelopmentofinformationtechnology,magneticfielddetectionhasa

vitalroleingeologicalexploration,aerospace,medicalmonitoringandotherfields.

Especiallyinthecontextoftherapiddevelopmentofartificialintelligence,avarietyof

human-machineexchangetechnology,unmannedintelligentequipmentdemand

increases,peoplehavemoreandmorerequirementsforhighsensitivity,highprecision,

highintegrationofmagneticfielddetection.Fiberopticdeviceswithsimplestructure,

highperformanceandlowlosshavebecomeahottopicinthefieldofoptoelectronics.

Amongthem,microstructuredhollow-coreopticalfiberhasaspecialstructureand

excellentopticalproperties,especiallythediversityofinternalporestructure,which

providesaplatformfortheintegrationofmanyfunctionalmaterialsandhasabroad

applicationprospect