基于激光散斑关联技术的动态磁场传感研究及其灵敏度优化

本研究针对传统光学磁场传感器分辨率受限及静态测量局限，创新性地提出基于激光散斑关联与磁性纳米颗粒/PDMS复合薄膜的动态磁场传感方案。通过Fe3O4掺杂薄膜结合玻璃/铁片/磁致伸缩材料基底，实现最高-0.22607 mT-1灵敏度，为国防、智能电子等领域提供低成本、高适应性传感新策略。

　　

论文解读：

在国防安全、工业检测和智能电子等领域，高精度磁场测量技术长期面临成本与性能难以兼顾的挑战。传统光纤布拉格光栅(FBG)和磁流体(MF)传感器虽具有光学抗干扰优势，但普遍存在光谱线宽过宽导致分辨率下降、动态响应不足等问题。更棘手的是，现有技术对复杂表面适应性差，且磁致伸缩材料(MA)的应变转换效率亟待提升。针对这些瓶颈，重庆大学的研究团队在《Sensors and Actuators A: Physical》发表了一项突破性研究，通过激光散斑关联技术与磁性纳米复合材料创新结合，实现了可贴附于多种基底的动态磁场传感。

研究采用电荷耦合器件(CCD)高速采集、数字图像相关算法(DIC)和磁控溅射镀膜三大核心技术，在532 nm激光照射下，分析Fe₃O₄/PDMS薄膜受磁场作用产生的散斑位移。实验设计包含三组对比：玻璃基底（对照组）、铁片（磁通增强组）和Terfenol-D磁致伸缩材料（应变放大组），通过Helmholtz线圈产生2.4-51 mT梯度磁场。

传感模型与方法
建立散斑位移Δd与磁场强度H的定量关系模型，推导出灵敏度公式S=?(Δd)/?H。关键发现在于基底材料通过改变磁畴排列效率，直接影响Fe₃O₄纳米链的应变传递率。

材料加工
采用30-50 nm Fe₃O₄颗粒与PDMS以1:10质量比复合，超声分散后真空脱泡成型。磁致伸缩组采用磁控溅射在PDMS表面沉积300 nm厚Terfenol-D薄膜。

实验结果
玻璃基底组在3-51 mT范围呈现线性响应（R²=0.992），灵敏度-0.01658 mT^-1；铁片组因磁通聚集效应，灵敏度提升至-0.03422 mT^-1（13.5-37.5 mT）；而Terfenol-D组在2.4-6.3 mT弱场区即达-0.22607 mT^-1，较玻璃组提升13.63倍。动态测试显示该传感器可捕捉100 Hz交变磁场。

讨论
研究揭示了波长λ与散斑尺寸d_transverse≈λz/D的定量关系，证实短波长激光更利于提升空间分辨率。磁致伸缩材料的应变放大效应使Terfenol-D组获得超线性响应，但存在6.3 mT饱和阈值。

结论
该工作首次实现激光散斑技术与磁致伸缩材料的协同应用，创制出可贴附式动态磁场传感器。其三大创新点在于：① 通过基底工程实现灵敏度梯度调控；② 利用CCD毫秒级响应突破动态测量瓶颈；③ PDMS封装使传感器具备曲面适配能力。这项技术为微型化、低成本光学磁强计开发提供了新范式，在电力设备在线监测、生物磁成像等领域具有明确应用前景。