本发明专利技术提出了一种基于表面等离子体共振技术的磁场测量方法。由直流电源1、铜线圈3、铜线圈5、光源7、传感探头11、处理电路15和计算机系统17组成。其特点是采用磁流体113与金膜112相互作用实现表面等离子共振。通过在玻璃槽114中填充磁流体113，并在上下表面施加磁场使共振角发生变化，接着通过改变磁场强度来改变磁流体微观结构进而实现对表面等离子波的调制。利用这种方法可以减小介质损耗造成的影响，并分别在低磁场范围和高磁场范围内实现0.0173deg/Oe和0.054deg/Oe灵敏度的磁场测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及，属于微型光电子检 测
技术介绍
光纤传感技术是依据光学原理进行测量，并有着非接触和非破坏性测量、几乎不 受干扰、高速传输以及可遥测等优点，经过几十年的发展，目前已成为全世界的研宄热点 (文献1.侯俊芳，裴丽，李卓轩和刘超光纤传感技术的研宄进展及应用，光电技术应 用，2012,27 (1):49-53)，基于这些优点，科研人员提出了基于法拉第效应、菲尼尔反射 等光学效应的测量磁场装置，然而这些方法存在着测量灵敏度低以及所用的敏感材料对 光吸收系数较大等问题（文献 2. Arun Anand, Vismay Trivedi and Swapnil Mahajan. Speckle-Based Optical Sensor for Low Field Faraday Rotation Measurement, IEEE Sensors Journal. 2013，13 (2):723-727)。 为了提高对外界参量的测量灵敏度，我们提出用表面等离子共振（SPR)技术测量 磁场，这是由于当光经过其中的纳米金属薄膜表面时，在其两侧会产生较强的光场，因此它 对接触物的折射率变化较敏感，利用这种特性能够实现高灵敏度测量(文献3. Maharana Pradeep Kumar and Jha Rajan. On the electric field enhancement and performance of SPR gas sensor based on graphene for visible and near infrared. Sensors and Actuators B-Chemical. 2015，207:117-122.)。当将 SPR 技术应用在磁场测量时， 需要引入对磁场响应较好的敏感材料。磁流体，又称磁性液体，是一种磁性敏感材料，它是 由包裹表面活性剂的磁性粒子悬浮在基液中所形成的稳定的胶体体系。经过研宄，发现这 种材料的微观结构能够随着磁场改变而发生变化，在低磁场作用下，磁流体中的磁性粒子 沿着磁场方向成链状排列，然而在高磁场作用下，形成的磁链增大，且磁链之间能够逐渐形 成规则的"磁流体光子晶体"（文献 4. Yong Zhao, Yu Ying, Qi Wang and Hai-feng Hu. Simulation on microstructure and optical property of magnetic fluid photonic crystal, IEEE Transactions on magnetics. 2014，50(12) :460112)。在这个过程中， 磁流体微观结构在不同磁场范围内的有效折射率具有不同的响应趋势，即在低磁场范围的 变化比高磁场范围内敏感，从而将影响高磁场范围内的传感特性。
技术实现思路
(一）要解决的技术问题 本专利技术的目的在于解决磁流体发生"二相分离"时有效折射率随磁场变化较低的问题， 提出了一种结构简单且灵敏度较高的棱镜耦合结合磁流体的磁场测量装置。 (二）技术方案 为达到上述目的，本专利技术提供了一种棱镜耦合结合磁流体的磁场测量装置。该结构是 在三棱镜底部放置金膜，同时将填充磁流体的玻璃槽与金膜的另一侧粘贴，使磁流体与金 膜相互作用，然后将其放置于由直流电源和铜线圈组成的磁场发生单元中。光源发出的光 经过光纤到准直器时产生空间光路，移动准直器使入射光按照与法线呈0°到90°夹角的 范围内分别入射到三棱镜中，并在三棱镜与金膜接触面处发生全反射。接着通过光电探测 器检测0°到90°夹角范围内的反射率分布。 上述方案中，所述的三棱镜，为保证光由光密介质向光疏介质传输，其折射率取 1. 56 ;所述的金膜，为保证光在三棱镜底部全反射时产生的倏逝波能够透过金膜，其厚度 取50nm ;所述的磁流体，粒子成分为Fe304，为保证磁流体不易风干，载液选用煤油，体积分 数为1. 46%，无磁场情况下，它的有效折射率为1. 4565 ;所述的玻璃槽，其腐蚀后的深度为 0. 94 y m ;所述的玻璃槽与金膜的粘贴，采用UV胶涂抹在金膜下表面，后将填充磁流体的玻 璃槽与金膜粘贴在一起后，置于紫光灯下15分钟，胶慢慢凝固。 上述方案中，所述的直流电源，其型号为IT6154,其输出电流可从0A变化到9A ;所 述的线圈采用半径为〇.5mm的铜线圈缠绕而成，调节直流电源的输出电流强度，在线圈中 间产生00e至2700e的均匀磁场。 上述方案中，所述的光源，其型号为AVESTA，工作波长为1100nm至2000nm，输 出光信号的平均功率为150mW ;所述的准直器，其型号为SMA905,其使用波长为200nm 至2500nm ;所述的光电探测器，其型号为PDA50B，工作波长为800nm至1800nm，带宽为 400kHz，增益为1. 5X103V/A4至4. 75\106￥/^4;所述的光纤为普通单模光纤，芯径为9 4111， 包层直径为125 ym。(三）有益效果 从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果： 1)本专利技术提供的一种棱镜耦合结合磁流体的磁场测量装置，将磁流体填充到玻璃槽 中并结合表面等离子共振技术方法，利用磁流体微观结构变化对表面等离子波的调制作用 实现对外磁场的测量。这种方法可以降低工艺的复杂性。 2)本专利技术提供的一种棱镜耦合结合磁流体的磁场测量装置，可以实现磁场的高 灵敏度测量，且高磁场范围内的灵敏度是低磁场范围灵敏度的三倍以上，为表面等离子共 振在磁场传感领域的应用提供了基础。【附图说明】 图1为本专利技术提供的棱镜耦合结合磁流体的磁场测量系统示意图； 图2(a)为本专利技术提供的在低磁场阶段的共振角响应曲线； 图2(b)为本专利技术提供的在低磁场阶段的共振角随磁场变化拟合曲线； 图3(a)为本专利技术提供的在高磁场阶段的共振角响应曲线； 图3(b)为本专利技术提供的在高磁场阶段的共振角随磁场变化拟合曲线；<当前第1页1 2 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于表面等离子体共振技术的磁场测量方法，包括传感单元、磁场发生单元、信号处理单元以及相互连接的光纤和导线组成，所述的传感单元包括光源7、准直器9和传感探头11，其中传感探头11包括三棱镜111、金膜112、磁流体113和玻璃槽114，其特征在于：将磁流体113填充到玻璃槽114中并置于金膜112底部；所述的磁场发生单元包括直流电源1、铜线圈3和铜线圈5；所述的信号处理单元包括光电探测器13、处理电路15和计算机系统17；铜线圈3和铜线圈5中的电流通过直流电源1供给，通过调节输出电流大小产生可变磁场来改变玻璃槽114中的磁流体113的微观结构使之成链进而发生二相分离，光源7发出的光经过准直器9进入三棱镜111，在金膜112与磁流体113接触面处发生表面等离子共振，反射光通过三棱镜111射出，通过光电探测器13检测光信号，并传送至计算机系统17中显示及处理。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵勇，英宇，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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