基于磁流体的表面等离子体共振光纤传感器，可实现磁场和温度的同时检测

《Optics & Laser Technology》：Surface plasmon resonance fiber sensor based on magnetofluid for simultaneous detection of magnetic field and temperature

提出基于空心光纤（HCF）的磁流体制备表面等离子体共振（SPR）光纤传感器，通过金膜涂覆和磁流体填充实现磁场与温度的同步检测。实验表明在70-240Gs磁场范围内灵敏度达87.3pm/Gs，10-60°C温度范围内灵敏度±0.8617nm/°C，结构紧凑且机械性能优异。

　　

郭振业|童瑞杰|王宇|吕日清|赵勇

中国东北大学信息科学与工程学院，沈阳 110004

摘要

本研究提出了一种基于空心光纤（HCF）的磁流体涂层表面等离子体共振（SPR）光纤传感器，能够同时监测磁场和温度。通过在HCF检测结构的一侧涂覆金膜，并将其封装在充满磁流体（MF）的特氟龙管中，成功激发了SPR效应。同时，在未涂覆的一侧产生了马赫-曾德尔（MZ）干涉现象。这种配置建立了两个并行检测通道，实现了对这两个参数的同时测量。实验结果表明，在70～240 Gs的磁场范围内，该传感器的磁场灵敏度为87.3 pm/Gs；在10～60°C的温度范围内，其温度灵敏度最大为0.8617 nm/°C。所提出的传感器有效实现了上述双参数检测功能，并具有多种优势，包括紧凑的尺寸、简单的制造工艺、出色的机械稳健性和高灵敏度。

引言

准确检测磁场这一基本物理量在不同应用中起着至关重要的作用，包括军事防御、地震监测、生物医学工程和工业过程[1,2,3,4]。传统的磁场传感器主要有磁通门传感器、霍尔传感器和磁感应线圈传感器[5,6,7]，它们通过将磁场信号转换为电信号来进行检测。尽管电传感器在技术上已经成熟，但基于电原理的工作方式导致传感器结构复杂且容易受到电磁干扰[8]。相比之下，光纤传感器具有显著的优势，包括体积更小和抗电磁干扰能力强[9]。此外，这些传感器还具有远程监测能力、多路复用功能、高灵敏度和优异的绝缘性能[10]。这些特点与当前传感器技术的发展趋势高度契合，即小型化、智能化和集成化。

用于检测各种生物量和物理量的光纤传感器通常通过测量折射率来进行数据采集[11,12]。然而，磁场引起的折射率变化非常微小，使得直接使用光纤传感器进行测量变得困难。目前常用的方法是通过添加对磁场敏感的材料（如磁流体（MF）来提高灵敏度[13,14]。磁流体是一种稳定的胶体溶液，由涂有表面活性剂的磁性纳米颗粒均匀分布在基础溶液中构成[15]。这种特殊结构使其兼具液态流动性和固态磁性。在没有外部磁场的情况下，材料保持各向同性；但当暴露在磁场中时，纳米颗粒会定向排列并与磁场对齐，从而表现出各向异性[16,17]。纳米颗粒的这种排列改变了磁流体的折射率，而光纤可以灵敏地检测到这种变化。因此，将磁流体与光纤结合用于磁场检测引起了研究人员的广泛关注[18,19,20]。

值得注意的是，在磁场检测过程中，温度变化会影响传感性能[21,22]。消除温度干扰是磁场光纤传感器中不可忽视的关键问题。一种方法是在传感结构的两端涂覆不同的敏感薄膜，以产生两种不同的响应[21,23]。李等人[24]提出了一种在无芯光纤上涂覆不同金属薄膜的光纤传感器，一侧涂覆磁流体（MF），另一侧涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS），从而分别实现磁场和温度的检测。该传感器的磁场灵敏度为132 pm/Gs，温度响应率为-1.960 nm/°C。然而，这种结构使得传感器较为复杂且难以制造。另一种方法是通过串联连接光纤布拉格光栅（FBG）来消除温度干扰[18,25]。李等人[19]提出了一种级联FBG–马赫-曾德尔干涉（MZI）结构，用于同时检测磁场和温度，灵敏度分别为0.175 nm/Gs和-0.486 nm/°C。不过，这种结构需要将单模光纤（SMF）腐蚀得很薄，这会显著降低其机械性能。其他相关研究也提供了有效的解决方案：李等人[26]报道了一种基于薄芯光纤（TCF）-多模光纤（MMF）-薄芯光纤（TCF）结构的高灵敏度双参数传感器，该传感器结合了SPR和MZI检测原理以实现同时测量。然而，这种传感器依赖于两个空间分离的部分来独立执行SPR和MZI检测。虽然这种方法提高了灵敏度，但不可避免地增加了传感器的整体结构复杂性。

本研究设计了一种包含多模光纤（MMF）和空心光纤（HCF）段的MZ干涉仪架构。与以往的研究相比，所提出的传感器具有更简单的制造工艺和更高的集成度。通过在光纤熔接点反复放电形成凸锥，并在HCF的一侧涂覆金膜，可以在同一框架内同时激发SPR和MZ干涉效应。此外，结构外部充满了磁流体（MF）。SPR效应用于磁场检测，而MZ干涉用于温度测量。这种传感器结构不仅减小了整体体积，还减少了由空间变化引起的测量误差。

传感器制造过程

传感器核心结构由涂有磁流体的MMF-HCF-MMF组件组成，如图1所示。制造过程包括以下步骤：首先，将MMF和HCF段插入Furukawa s197c熔接设备中，以100 mA的电流放电3000 ms。在光纤接合处进行多次放电，以形成凸锥，促进光线泄漏到HCF的包层中。凸锥的长度为340 μm。

传感区域长度优化

根据传感原理，传感区域的长度对光谱质量和传感器灵敏度有显著影响。因此，通过仅改变传感长度来进行结构优化，其他所有制造参数保持不变。涂覆时间为90秒，分别制造了长度为1.0、1.3、1.5、1.8和2.0厘米的光纤结构进行对比实验。

结论

本文介绍了一种磁流体涂层SPR光纤传感器，用于同时检测磁场强度和温度。在70.5～240.4 Gs的磁场范围内，SPR通道的灵敏度为87.3 pm/Gs；MZI通道的灵敏度为零。在10～60°C的温度范围内，其温度灵敏度分别为-0.6285 nm/°C和0.8617 nm/°C。与其他类似类型的传感器相比，该结构具有良好的灵敏度和紧凑性。

作者贡献声明

郭振业：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源获取、项目管理、数据分析、数据整理。童瑞杰：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、资源获取、项目管理、方法论设计、数据分析。王宇：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、指导监督、方法论设计、数据分析。吕日清：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究部分得到了国家自然科学基金（项目编号：62533007和62201134）的支持，部分得到了河北省科技研究项目（项目编号：BJK2024080）和河北省高等教育科研项目（项目编号：JZX2023009）的支持。