基于磁流体的新型磁场传感方法和磁光调制特性的研究

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3.0 牛悦 2024-11-11 5 4 4.48MB 84 页 15积分

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摘要

纳米磁流体是将包裹上表面活性剂的纳米级强磁性颗粒均匀分散在合适载液

中所形成的一种稳定胶体溶液，也就是说磁流体是一种具有强磁性的新型复合功

能材料。它不但具有固体磁性材料的磁性，还具备液体材料的流动性。由于磁流

体的微观结构在磁场作用下可形成规律性的有序分布，使得磁流体表现出许多独

特的光学性质。本论文主要研究基于磁流体的可调折射率特性实现的两种磁场传

感器，以及基于磁流体动态微观结构特性所研究的周期型磁场对磁流体透射特性

的影响。

磁流体的可调折射率特性作为磁流体众多磁光特性的一种典型性质，一直以

来都是人们研究的热点。我们利用此特性设计了两种磁场传感系统，一种称之为“V

形槽传感系统”。当激光束通过填充磁流体的 V形槽时，由于出射光的传播方向受

到V形槽填充磁流体折射率大小的影响，另磁流体折射率大小与磁场强度有关，

因此可通过测量出射光在探测平面上的位置间接得到磁场强度的大小。这种传感

系统避免了传统传感器的诸多缺陷以及基于法拉第效应磁场/电流传感中所存在的

本征双折射的影响，具有结构简单，且可工作于任意入射角下等特点。另一种称

之为“毛细管传感系统”，当激光束通过填充磁流体的毛细管时，由于毛细管所形成

的四透镜模型，使得出射光的焦线位置受到磁场强度大小的影响，因此可通过测

量出射光的焦线位置得到磁场强度的大小。这种传感系统除具有 V形槽传感系统

的优越性之外，还具有传感媒质用量少、设备微型化、易于操作等优点。理论分

析了这两种传感方法的测量原理、精确度和灵敏度，数学上表征了光通过这两种

系统的传播情况，并进行了实验验证。在我们的实验参数和条件下，对于 V形槽

传感系统，其磁场传感灵敏度最大可达 7.5 mm/T；对于毛细管磁场传感系统，

其磁场传感灵敏度最大可达 3.75 mm/T。

磁流体在外磁场作用下的磁光调制作为磁流体的另一典型特性，也一直受到

研究者的青睐。我们在传统的磁流体磁光调制研究基础上，通过周期性开关磁场

改变磁流体薄膜样品的透过率随时间的变化，研究了透射光的调制特性与磁场周

期之间的定量关系。实验发现在方波式调制与振荡式调制之间存在一个过渡调制

周期，且此过渡调制周期与磁场强度和磁流体浓度成反比。当磁场强度为 0.505 T

时，对于浓度为 5.62%的样品，其最小过渡调制周期为 40 s；当磁场强度为 0.134 T

时，对于浓度为 1.87%的样品，其最大过渡调制周期为 282 s。研究发现，这种磁

流体透射特性与磁场周期的关系对开发实际基于方波式调制的磁流体光子器件具

有很好的参考价值和指导意义。

关键词：磁流体可调谐折射率动态微观结构过渡调制周期光子器

件磁场传感器

ABSTRACT

Magnetic fluid (MF) is a kind of homogeneous colloidal dispersion with

nanoparticles, surfactant and a suitable liquid carrier, that is to say, magnetic fluid is a

kind of composite functional material with ferromagnetism, which have both the

magnetism of the solid magnetic materials and the fluidity of liquid materials. And MF

has numerous unique optical properties owing to the dynamic microstructure under

magnetic field. This dissertation is mainly concerned with two magnetic field sensors

based on the tunable refractive index of MF and the influence of the cyclical magnetic

field to the transmission of MF based on the dynamic microstructure.

As a typical property of MF, the tunable refractive index of MF is always the

interesting point of many researchers. We design two kinds of magnetic field sensing

system utilized this typical property. One is V-shaped sensing system. The propagation

of the emergent light passing through the index-tunable MF will be influenced when the

externally applied magnetic field is changed. So, measuring the location of the emergent

light on the detecting plane can be used to meter the strength of the externally applied

magnetic field. This sensing system avoids many defects of the traditional sensors and

the inherent birefringence of magnetic field or current sensor based on Faraday Effect,

has relatively simple structure, and can operate at any incident angle. Another is

capillary sensing system. When the laser beam passes the capillary filled with magnetic

fluid, owing to the four lens model constituted by capillary, the position of the focal line

will shift with the changing magnetic field strength. So the magnetic field strength can

be measured through detecting the position of the focal line. The system not only has

the advantages of V-shaped sensing system, but also has advantages of miniaturization

of device, easy operation, and lower dosage of MFs. Detailed theoretical analysis of the

sensing principle, accuracy and sensitivity of these two systems are conducted and

verified by the experiments. In our experimental parameters and conditions, the

maximum sensitivities are 7.5 mm/T and 3.75 mm/T for the V-shaped sensing system

and capillary sensing system, respectively.

As another typical property of MF, the tunable magneto-modulation of MF is also

always the interesting point of many researchers. In this work, we study the quantitative

relation between the modulation characteristic and the period of magnetic field under

externally switchable magnetic field with various modulation periods. There is a

transitional modulation period between the square-like and oscillation-like modulation,

which is inversely proportional to the strength of magnetic field and the concentration

of MF. Furthermore, the smallest transitional modulation period of magnetic field of 40

s and the largest transitional modulation period of magnetic field of 282 s are obtained.

The relation between the modulation characteristic and the period of magnetic field has

reference value and guiding meaning for designing the pragmatic photonic devices

utilized the square-like modulation property of MF.

Key Word ：Magnetic fluid, Tunable refractive index, Dynamic

microstructure, Transitional modulation period, photonic devices,

Magnetic field sensor

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 引言 ................................................................................................................ 1

1.2 磁流体简介 .................................................................................................... 2

1.3 磁流体的基本物理性质 ................................................................................ 4

1.3.1 磁流体的稳定性 ..................................................................................... 5

1.3.2 磁流体的磁化特性 ................................................................................. 6

1.3.3 磁流体的粘度 ......................................................................................... 7

1.4 磁流体的磁光效应 ........................................................................................ 7

1.4.1 磁光效应简介 ......................................................................................... 7

1.4.2 主要磁光特性及应用 ............................................................................. 8

1.5 课题研究内容和意义 .................................................................................. 18

第二章纳米磁流体的传感应用进展 ................................................................... 20

2.1 引言 .............................................................................................................. 20

2.2 基于磁流体流动特性的传感器 .................................................................. 20

2.2.1 体积传感器 ........................................................................................... 20

2.2.2 流速传感器 ........................................................................................... 21

2.2.3 角度传感器 ........................................................................................... 21

2.3 基于磁流体导电特性的生物传感器 .......................................................... 22

2.4 基于磁流体磁光特性的光学传感器 .......................................................... 22

2.4.1 基于可调透射特性的传感器 ............................................................... 23

2.4.2 基于热透镜效应的传感器 ................................................................... 24

2.4.3 基于可调折射率特性的传感器 ........................................................... 25

2.4 本章小结 ...................................................................................................... 26

第三章 V形槽磁场传感器 ................................................................................... 27

3.1 引言 .............................................................................................................. 27

3.2 V 形槽磁场传感机理 ................................................................................... 27

3.3 传感理论分析 .............................................................................................. 28

3.3.1 传感表达式 ........................................................................................... 28

3.3.2 仿真结果与讨论 ................................................................................... 29

3.4 实验验证 ...................................................................................................... 31

3.5 本章小结 ...................................................................................................... 34

第四章毛细管磁场传感器 ................................................................................... 35

4.1 引言 .............................................................................................................. 35

4.2 毛细管磁场传感原理 .................................................................................. 35

4.3 传感理论分析 .............................................................................................. 36

4.4 实验验证 ...................................................................................................... 40

4.5 本章小结 ...................................................................................................... 45

第五章开关型磁场下的磁流体磁光调制 ........................................................... 46

5.1 引言 .............................................................................................................. 46

5.2 磁光调制系统 .............................................................................................. 46

5.3 磁光调制结果与讨论 .................................................................................. 49

5.4 本章小结 ...................................................................................................... 54

第六章总结与展望 ............................................................................................... 56

6.1 本论文的工作总结 ...................................................................................... 56

6.2 今后工作展望 .............................................................................................. 57

附录 ....................................................................................................................... 58

附录 A ................................................................................................................. 58

附录 B ................................................................................................................. 59

附录 C ................................................................................................................. 61

附录 D ................................................................................................................. 62

附录 E .................................................................................................................. 63

参考文献 ................................................................................................................. 65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................................... 79

致谢 ....................................................................................................................... 80

第一章绪论

1.1 引言

美国科学家 Maiman 于1960 年7月在休斯实验室成功研制出第一台激光器

——固体红宝石激光器[1~3]，其机理源于 1916 年Einstein 提出的受激辐射概念[4]。

基于其独特的发光机理，激光具有普通光源所不具有的许多奇特性质：优越的相

干性和单色性、极强的方向性和高亮度等。自从激光器成功研制以来，就在通信、

军事、现代测试技术、生物工程、制造业、传感、医疗和艺术等诸多方面得到了

广泛的应用。随着激光器的发明和信息时代的来临，激光作为一种信息载体，其

传输速度快、带宽大，是传统电子传输技术所无法比拟的[5, 6]。

诺贝尔物理学奖获得者英国华裔科学家高锟于1966年发表的论文“光频率介

质纤维表面波导”开创性地提出了光导纤维应用于通信上的基本原理，描述了长程

及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性，指出只要解决好玻璃的纯

度和成分问题，使得石英光纤的光传输损耗大大下降，就能利用玻璃拉制出损耗

低于20 dB/km的光纤，从而使光纤应用于现代通信技术中。四年后，美国康宁玻

璃公司成功研制出损耗为20 dB/km的石英光纤，实现了高锟教授的预言，在光纤

制备技术上取得了重要突破[7]。随着人类的进步和社会的发展，传统的电子通信技

术由于其自身的“瓶颈”问题而无法继续满足现代社会日益增长的通信容量需求，这

就需要借助在传输速度、带宽等方面具有明显优势的全光通信技术。自此以后，

以激光和石英光纤相结合的新型通信模式——光通信技术得到了飞速发展，并已

投入到具体的实际运用中，同时也催生并带动了光电子产业的蓬勃发展，并进一

步加剧了高速信息时代的来临。全光通信技术的实现，除了已具备的优质光源和

低损耗传输介质(激光和光纤)之外，还有赖于全光通信系统中的各种光子器件，如：

光开关、光调制器、光滤波器、传感器和光波分复用器等。作为全光通信技术的

重要硬件组成部分，这些光子器件的各项性能好坏将直接影响到整个全光通信系

统的各项质量指标。

从以烽火作为古代边防军事的重要通讯手段到现代通信系统中的精密光子部

件，其开发及发展一直伴随着人类科技进步的全过程。人们不断探索新材料、新

思路、新方法和新原理来研制在性能和功能上都有所提高的新型光子器件，以适

应不断进步的光通信技术。纳米磁流体作为一种新型纳米复合功能材料，基于磁

性颗粒在磁场作用下的可调谐周期分布而具有一些特殊光学性质，如：热透镜效

应、双折射特性和Faraday旋光效应等，且大都具有可调谐性。将其应用于光通信

中的光子器件上，或许能为光通信技术中的部分关键问题提供新思路、新方法，

进而研制出基于纳米磁流体的新型可调谐光子器件。

基于磁流体的新型磁场传感方法和磁光调制特性的研究

1.2 磁流体简介

[8, 9]

在自然界中，通常磁性物质的状态为固态。若要得到液态的磁性物质，一般

做法是将固态磁性物质加热至熔点以上，使其变为液态。但由于一般磁性物质的

熔点都比其居里（Curie）温度高，因此在尚未熔化成液态之前，就由铁磁性变成

顺磁性，使得磁性极弱。所以要获取液态且具有较强磁性的磁性物质必须依赖于

人工合成，这些合成的液体磁性物质称为磁流体。磁流体又称为磁性液体、铁磁

流体、磁性胶体、磁性流体、磁液等（英文为：Magnetic fluid，Ferromagnetic fluid，

Magnetic colloid，Ferrofluid，Magnetic liquid），是将包裹上表面活性剂（surfactant）

的纳米磁性颗粒（magnetic nanoparticles）高度弥散于合适载液（liquid carrier）中

的稳定胶体体系，它既具有固体磁性物质的磁性，又具有液体的流动特性，因此

备受国内外学者的青睐，其微观结构如图1-1所示。

图1-1 磁性液体微观结构图

为了抵消磁性颗粒自身的重力作用及粒子间磁偶极矩的静磁作用，固体磁性

颗粒的粒径需达到纳米量级，通常纳米磁流体中的磁性颗粒直径在 10 nm 左右。

在人工合成的纳米磁流体中，用于制备纳米磁流体的磁性材料主要有 Fe，Ni，Co，

，γ-Fe

，α-Fe

N，MeFe

（Me=Co，Mn，Ni 等），FeCo，NiFe 合金以

及γ-Fe

N等

[10]

。目前通常采用的有 Fe

（magnetite）和 γ-Fe

（maghemite）颗

粒，这类材料也称为纳米金属氧化物。

为防止纳米磁性颗粒间因聚集成团而产生的沉积，通常在纳米磁性颗粒表面

吸附一层具有化学长链结构的高分子，即表面活化剂。表面活性剂不仅能使磁性

颗粒与氧气隔绝，防止其氧化，而且此高分子的化学链长在满足一定的长度要求

下，可使磁性颗粒彼此接近时的排斥力大于吸引力。为使磁性颗粒稳定分散在载

液中，要求表面活性剂高分子链的一端能通过离子对、氢键或范德瓦耳斯力等与

磁性颗粒表面产生化学吸附，另一端和纳米磁流体载液亲和，即能被磁流体载液

溶剂化

[11]

。作为纳米磁流体的载液也应满足一定的条件，如低粘度，低蒸发率及

第一章绪论

高度的化学稳定性，还需具备耐高温和抗辐射特性等。纳米磁流体中的载液是包

裹着表面活性剂的磁性颗粒的弥散介质，其性质直接决定纳米磁流体的各项特性

并将影响到纳米磁流体的实际应用。表面活性剂的种类较多，其具体的选用对纳

米磁流体的制备至关重要。表面活性剂的选择受到载液种类的限制，载液不同，

其选用也有所不同；同时，它还关系到纳米磁流体能否制备成功及制备的磁流体

是否稳定等问题，所以表面活性剂的科学选用是成功制备纳米磁流体的关键所在。

不同载液与表面活性剂的选择与组合，可构成具有不同特性的磁流体，便可适用

于不同的应用需求与应用环境。通常所选用的载液和表面活性剂种类及相应磁流

体的应用范围如表1-1所示[10]。

表1-1 常用载液与表面活性剂及所制备磁流体的应用范围对照表[10]

载液名称适用于该载液的表面活性剂举例所制备磁流体特点及应用举例

水

不饱和脂肪酸，如油酸、亚油酸，

以及其衍生物的盐类及皂类、二辛

基磺化丁二酸钠、12烷酸等

pH值可以在较宽的范围内改变，

价格低廉，制备工艺简单，适用

于医疗、磁性分离、磁泡检验、

选矿、显示及磁带等

碳氢化合

物

油酸、亚油酸、亚麻酸以及其它非

离子型界面活性剂

粘度低，适用于高速密封，各种

碳氢化合物载液可相互混合

酯及二

酯、精制

合成油

油酸、亚油酸、亚麻酸或相应的酯

酸，以及其它非离子型界面活性剂

蒸汽压较低，适用于真空及高速

密封；润滑性好的磁流体可适用

于低摩擦的装置，并可用于扬声

器及步进马达等阻尼装置

氟碳基化

合物

氟醚酸、氟醚磺酸，以及其衍生物，

全氟聚异丙醚等

不易燃、宽温、不溶于其它液体，

特别适用于活泼性环境，如含臭

氧、氯气等的环境

聚苯基醚苯基十一烷酸，邻苯氧基苯甲酸

蒸汽压低、粘度低，适用于高真

空和强辐射环境，辐射阻抗大于

106 Gy

早在 1779 年，Knight 就利用磁性颗粒和载液互相混合来制备纳米磁流体，但

制备的磁流体稳定性差，静置一段时间后，磁性颗粒就与载液相分开，然而这种

制备方法与当下制备磁流体的思想大同小异[12]。直到 1965 年美国国家航天局

（NASA）的 Papell 利用粉碎法（或称研磨法，蹍磨法）才制备出稳定的磁流体，

其方法是在球磨机上进行长时间的研磨表面活性剂和磁性颗粒的混合物，然后通

过过滤或离心分离等工序去除大尺寸颗粒，便得到了稳定的磁流体[13]。但这种制

备方法费时费力、效率低、且成本较高，所以未得到推广。从上世纪七十年代起，

磁流体开始转为民用，其制备方法也得到了快速发展，如化学共沉淀法（最普遍）

[14, 15]、热分解法[14]、气相液相反应法[14]、蹍磨法[16]、解胶法[16]、真空蒸镀法[16]、

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摘要：

摘要纳米磁流体是将包裹上表面活性剂的纳米级强磁性颗粒均匀分散在合适载液中所形成的一种稳定胶体溶液，也就是说磁流体是一种具有强磁性的新型复合功能材料。它不但具有固体磁性材料的磁性，还具备液体材料的流动性。由于磁流体的微观结构在磁场作用下可形成规律性的有序分布，使得磁流体表现出许多独特的光学性质。本论文主要研究基于磁流体的可调折射率特性实现的两种磁场传感器，以及基于磁流体动态微观结构特性所研究的周期型磁场对磁流体透射特性的影响。磁流体的可调折射率特性作为磁流体众多磁光特性的一种典型性质，一直以来都是人们研究的热点。我们利用此特性设计了两种磁场传感系统，一种称之为“V形槽传感系统”。当激光束通过填充...

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