CN103674893B - 一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，包括：激光光源1、光纤耦合器2、光纤环形器3和4、光电探测器5和6、基准探头9、传感探头10及其光纤链路17、除法运算电路7、计算机8及其连接导线18和温度与磁场可控实验装置16。其特点是：基准探头9和传感探头10是由单模光纤11分别插入填充有去离子水13和磁流体14的毛细管12中后由UV胶15密封构成。温度与磁场可控实验装置16用于产生不同的温度和磁场，在不同的温度和磁场下，磁流体的折射率不同，通过光电探测器5和6检测到反射回来的光强变化，实现磁流体折射率与温度和磁场关系的研究。

Description

一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置

技术领域

本发明涉及一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，属于敏感材料与传感器技术研究领域。

背景技术

磁流体是磁性微粒借助表面活性剂均匀地弥散在基液中而形成的稳定胶体体系。它兼具固体的磁性和液体的流动性，作为一种新型的功能材料，磁流体有很多独特的光学性质，如可调谐折射率特性、双折射效应、热透镜效应等等。近年来，随着光纤传感领域的飞速发展，基于磁流体折射率可调谐特性的光纤器件层出不穷，因此研究磁流体的折射率与温度和磁场的关系有助于推动磁流体在光学传感领域的进一步应用。

现有文献中对于磁流体折射率测量方法的研究并不多，Yang 等人在2002年首次提出了全反射的方法来测量磁流体的折射率（Yang S Y, Chen Y F, Horng H E, et al.“Magnetically-modulated refractive index of magnetic fluid films,” Appliedphysics letters, 2002, 81(26): 4931-4933.）。该文章证明了磁流体薄膜的折射率可受外磁场调制。其不足在于：全反射的方法需要一个折射率大于磁流体的棱镜去构建全反射光路，且对于光路的调节十分严格，实验中难以保证很高的精度和重复性。2005年，卜胜利提出了一种基于光纤端面后向反射的方法来测量磁流体折射率（Pu S, Chen X, Chen Y, etal. “Measurement of the refractive index of a magnetic fluid by theretroreflection on the fiber-optic end face,” Applied Physics Letters, 2005,86(17): 171184-171184-3.）。该方法与全反射方法相比，改进之处在于：结构简单且不涉及光路调节。其不足在于：将光纤插入装有大量磁流体的烧杯中，容易造成磁流体的污染和浪费。

发明内容

在本发明的目的在于克服已有技术的不足之处，提出了一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，能分别测得当温度场和磁场作用于磁流体时其折射率的变化特性，该特性为磁流体与光纤器件的结合提供理论依据。

在本发明是一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，包括：激光光源1、光纤耦合器2、光纤环形器3和4、光电探测器5和6、基准探头9、传感探头10及其光纤链路17、除法运算电路7、计算机8及其连接导线18和温度与磁场可控实验装置16，其特征是：激光光源1发出的光经过一个3dB光纤耦合器2，将光分成强度比为50:50的两束，一束光通过光纤环形器3进入传感探头10，另一束光经过光纤环形器4进入基准探头9，经过两个探头反射后的光强信号分别由光电探测器5和6接收，经过除法运算电路7后传输到计算机8处理。在不同的温度和磁场下，磁流体的折射率不同，光电探测器能检测到反射回来的光强变化，进而能用于研究温度和磁场对磁流体折射率特性的影响。

本发明所述的光源采用功率恒定的中心波长为1550nm的激光光源。

在本发明所述的基准探头9和传感探头10是将单模光纤11分别插入填充了去离子水13和磁流体14的毛细管12中后两端由UV胶15密封构成的反射式探头。其中，单模光纤包层直径为125，毛细管内径为128。

本发明所述的温度和磁场可控实验装置16，其特征在于：当温度与磁场可控实验装置16在用于研究磁流体折射率与温度的关系时，使用装置为温控箱19；在用于研究磁流体折射率与磁场的关系时，使用装置为可编程电源20、液冷恒温均匀磁场发生单元21、液冷循环散热单元22、高斯计23及温控箱19。可编程电源20和液冷恒温均匀磁场发生单元21之间是通过电缆连接，液冷恒温均匀磁场发生单元21和液冷循环散热单元22之间是通过水管连接。液冷恒温均匀磁场发生单元21能够长时间提供稳定的磁场，温控箱19用于保持环境温度不变。通过调节传感探头10和液冷恒温均匀磁场发生单元21的相对位置，可以产生平行于传感探头光路方向的磁场或者垂直于传感探头光路方向的磁场，以实现研究不同的磁场方向和磁场强度对磁流体折射率特性的影响。

本发明所述的温度与磁场可控实验装置16，其特征在于：所述的液冷恒温均匀磁场发生单元21中的线圈采用耐高温（117℃）的漆包线，内径1.4mm，长度为60mm，匝数为750匝。在可编程电源20的控制下产生均匀变化的稳定磁场，并且由高斯计23测量实际的磁场强度。

本发明具有如下特点：①仪器结构简单、设计新颖、成本较低。②将单模光纤插入填充磁流体的毛细管内密封，构成独立的反射式传感探头，可有效避免磁流体的污染，也增强了光路的稳定性。③采用差分式的测量结构，能有效消除光路中的本征损耗。④设计的液冷恒温均匀磁场发生单元能够长时间提供稳定的磁场，且不对周围环境的温度产生太大的影响。⑤能够提供两种方向的磁场，一种为磁场方向平行于传感探头光路方向，另外一种为磁场方向垂直于传感探头光路方向。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明温度和磁场可控实验装置示意图；

图3为本发明中外加的平行和垂直磁场结构示意图；

图4为本发明实验测出的磁流体折射率与温度关系图；

图5为本发明实验测出的磁流体折射率与磁场强度（平行）关系图；

图6为本发明实验测出的磁流体折射率与磁场强度（垂直）关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明。

本发明为一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，如图1所示，稳定的激光光源发出的光经过一个3dB耦合器，将光分成强度比为50:50的两束。一束光通过光纤环形器进入传感探头，另一束光经过光纤环形器进入基准探头，经过两个探头反射后的光强信号经过光纤链路进入光电探测器，最后信号经过除法运算后由计算机进行处理。

对于本发明所述的传感探头，其中磁流体样品是通过毛细作用填充进内径为128毛细管，然后借助六维调整架和光学显微镜将包层直径为125的单模光纤插入到填充了磁流体的毛细管中，最后两端由UV胶密封后构成反射式的传感探头。

本发明中所述的温度与磁场可控实验装置16，如图2所示，将两个线圈同轴放置并通以同向电流，通过可编程电源20控制线圈内部的电流大小，液冷循环散热单元22和液冷恒温均匀磁场发生单元21之间是通过水管连接，水管内部通有水冷液以保持线圈附近的环境温度恒定。高斯计23置于传感探头附近用来测量实际磁场的大小。其中液冷的恒温均匀磁场发生单元21和高斯计23整体放在温控箱19中。在研究磁流体折射率的温度特性时，液冷恒温均匀磁场发生单元21不工作；在研究磁流体折射率的磁场特性时，温控箱用来控制温度恒定为20℃，以消除温度对磁流体折射率的影响。

如图3所示，通过调节传感探头10和液冷恒温均匀磁场发生单元21的相对位置，可以产生平行于传感探头光路或者垂直于传感探头光路的磁场，以实现研究不同的磁场方向下磁场强度对磁流体折射率特性的影响。

所述的用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置是基于菲涅尔反射原理设计的，两路光电探测器接收到的光强可以表示为：

，

其中，为光源发出的光强，和分别为传感探头和基准探头反射回来的光强，，去离子水的折射率，是磁流体的衰减系数，由实验测得，和分别是两路光强的衰减系数。

相对反射强度R可以表示为。

本发明在进行磁流体折射率特性测试之前，首先要调整传感探头所在光路和基准探头所在光路的光强度等值对称，即在传感探头光路和基准探头光路中，分别放置结构和参数都相同的基准探头，通过调节差分电路中的滑动变阻器使两路光电探测器采集到的功率相等，此时有，此时磁流体的折射率可以化简为：

其中，。

然后，将装有待测磁流体样品的传感探头替换掉此前放在此处的基准探头，基于上述理论，通过改变外界的传感环境（温度和磁场），从光电探测器采集到的信号就可以计算得到磁流体的折射率。

本实例在测试温度对磁流体折射率的影响时，调节温控箱的温度范围：0℃到70℃。实验测得的温控折射率特性曲线如图4所示。其灵敏度为。

本实例在测试磁场对磁流体折射率的影响时，通过调整传感探头和液冷恒温均匀磁场发生单元的相对位置，分别测试了磁流体在平行磁场和垂直磁场作用下的磁流体折射率特性。通过可编程电源控制输出电流的大小，使磁场范围为0Gs-650Gs。测量结果分别如图5和图6所示。从图5和图6中可以看出，平行磁场（0Gs-650Gs）作用下，磁流体的折射率随着磁场的增大而增大，从1.3412升高到1.36；垂直磁场（0Gs-650Gs）作用下，磁流体的折射率随着磁场的增大而减小，从1.3434降低到1.3316。

通过本发明测得的磁流体可调谐折射率特性，为其能广泛应用在光纤通信领域和传感领域奠定了基础。

Claims (1)

1.一种用于研究磁流体折射率与温度和磁场关系的实验装置，包括：激光光源(1)、光纤耦合器(2)、第一光纤环形器(3)、第二光纤环形器(4)、第一光电探测器(5)、第二光电探测器(6)、基准探头(9)、传感探头(10)及其光纤链路(17)、除法运算电路(7)、计算机(8)及其连接导线(18)和温度与磁场可控实验装置(16)，其特征是：激光光源(1)发出的光经过一个3dB光纤耦合器(2)，将光分成强度比为50:50的两束，一束光通过第一光纤环形器(3)进入传感探头(10)，另一束光经过第二光纤环形器(4)进入基准探头(9)，两个探头均为独立反射式探头，其中所述的基准探头(9)和传感探头(10)的制作方法为：先通过毛细作用，使内径为128μm的毛细管(12)中分别填充去离子水(13)和磁流体（14），然后毛细管的一端用UV胶（15）密封，再分别将包层直径为125μm的单模光纤（11）分别插入到填充有去离子水（13）和磁流体（14）的毛细管（12）中，最后，毛细管（12）的另一端也由UV胶（15）密封。